Дисертація присвячена підвищенню енергоефективності дугових сталеплавильних печей (ДСП) на основі розвитку теоретичних уявлень щодо процесів теплообміну, гідромеханіки і електровихрових течій в робочому просторі ДСП.
Теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено оптимальне, за критерієм енергоефективності, співвідношення діаметра і глибини ванни 2,5−1,8 для різних енерготехнологічних режимів, що дозволяє знизити втрати теплоти з водою на 8,5−49 % і збільшити швидкість нагріву ванни та плавлення скрапу на 12−25 %.
На основі математичного моделювання плавлення металошихти і нагрівання рідкої сталі, встановлено, що коефіцієнт енергоефективності дуги знижується з 0,92−0,94 до 0,68−0,70 при еволюції окремих колодязів до спільного, а збільшення діаметру розпаду електродів до 0,42−0,49 внутрішнього діаметру робочого простору призводить до зниження питомої витрати енергіі в ДСП різної місткості на 2,5−7,5 %.
Встановлено, що в робочому просторі ДСП на трубчастій поверхні водоохолоджуваних елементів (ВЕ) діючі величини теплових потоків, що визначають термічні напруги й стійкість ВЕ, на 12−55 % перевищують значення, розраховані для плоскої поверхні, а частка конвективної і конденсаційної складових теплового навантаження на ВЕ становить в сумі 31−37 % теплового потоку випромінювання.
Розроблено ВЕ з просторовою трубчастою структурою, які, згідно з теоретичними та експериментальними дослідженнями теплового стану, забезпечують зниження втрат теплоти випромінення з охолоджувальною водою на 20−35 % за рахунок формування теплоакумулюючого і теплоізолюючого шару гарнісажу.
Чисельними дослідженнями теплообміну в ДСП ливарного класу в умовах неритмічної роботи визначено і експериментально підтверджено, що застосування ВЕ з просторовою структурою в місцях критичної стійкості футерівки не підвищує енергоспоживання ДСП при відносній площі ВЕ зводу до 15−20 %, знижуючи при цьому витрату вогнетривів в 1,4−2,5 рази.
Розроблена концепція системи аспірації ДСП, заснована на спільному газодинамічному впливі розосередження і збільшення всмоктуючої поверхні з наближенням її до електродних зазорів. Експериментально показана можливість зниження неорганізованих викидів на 15−29 %, притоку повітря в піч на 20−25 %, виносу плавильного пилу з агрегату на 20−50 %.
Отримали розвиток уявлення щодо утилізації теплоти відхідних газів ДСП. На основі дослідження двохстадійного процесу горіння СО в камері допалювання ДСП визначено співвідношення первинного і вторинного повітря 1 до 3,5, яке забезпечує досягнення ГДК СО шляхом організації зони сталого горіння і одержання теплоносія для нагріву скрапу з температурою до 500°С, що виключає утворення токсичних PCDD/F.
На основі термодинамічного аналізу обґрунтовано використання теплоти і хімічного потенціалу відхідних газів ДСП, для термохімічної регенерації природного газу з подальшим нагріванням скрапу спалюванням синтез-газу, що підвищує тепловий ККД печі, працюючої «flat bath» процесом на 5−6 %, знижує витрату природного газу на 21 % і емісію СО2 на 9,8 %.
Розроблено рідкофазний вуглецевотермічний ПВП в теплогенеруючій шлаковой ванні електричної печі з двома ПЕ і встановлено, що для отримання рідкого металізованого продукту в горні, відділеному від ПЕ шаром шлаку, множник, що враховує вплив конвекції у ванні, при коефіцієнті стаціонарної теплопровідності має становити не менше 2,7.
На основі чисельного дослідження електровихрових течій (ЕВТ) в ДСППС ливарного класу, обґрунтовано застосування «глибокої» ванни, що спричинює в 1,3−8,4 рази більш потужне ЕВТ-перемішування для різних варіантів ПЕ і, за рахунок скорочення періода доведення сталі, сприяє зменшенню питомої витрати електроенергії на 3−9 %. Досліджено процеси теплообміну з фазовим переходом біметалічного ПЕ в умовах ЕВТ в анодній ямі ДСППС високої потужності. Встановлено, що рівноважна товщина твердої сталевої частини ПЕ знаходиться в критичній залежності від ширини перехідної зони мідь-сталь, яка для сталої експлуатації ПЕ має не перевищувати 20−25 мм. Обґрунтовано концепцію ПЕ з конвективним механізмом теплопередачі.
Розробки впроваджені на 7 заводах, у ДСП місткістю від 3 до 120 т. Техніко-економічні показники забезпечують термін окупності розробок, як правило, до 1 року.
Ключові слова: дугова сталеплавильна піч, енергоефективність, чисельне моделювання, тепломасообмін, глибока ванна, водоохолоджувані елементи, аспірація, попередній нагрів скрапу, емісія СО, СО2, PCDD/F, термохімічна регенерація природного газу, плавильно-відновний процес, електровихрові течії, подовий електрод.
