بخشی از مقاله
چکیده
پژوهش حاضر با هدف ساختن مدل و ابزاري براي پیشبینی مصرف انرژي و زمان و هزینه در فرآیند بارگیري قراضه و ذوب فولاد در کوره القایی انجام شد. در این پژوهش یک مدل محاسباتی به نام SIMELT بر اساس موازنه جرم و انرژي ساخته شد تا بتواند در شرایط و پارامترهاي گوناگون مانند طراحی کوره و کیفیت قراضه شارژ شده، فرآیند را شبیهسازي کند. همچنین سه نمونه فرآیند مختلف شارژ و ذوب قراضه فولاد در یک کوره القایی 10 تن در مقیاس صنعتی به کمک مدل SIMELT شبیهسازي و بررسی شد. نمونه اول شارژ قراضه خام، دوم قراضه خردشده - Shredded - و سوم قراضه خردشده پیشگرم را شامل بودند.
نتایج شبیهسازي سه فرآیند در قالب نمودارهاي دماي مذاب و جامد، انرژي مصرفی و هدررفت و پرشدن کوره با گذشت زمان تحلیل و بررسی شدند. نتایج شبیهسازي نشان داد که در شرایط معمول با قراضه خام، شارژ و ذوبگیري 120 min زمان برده و 630 kWh/ton انرژي مصرف میکند. این نتایج انطباق خوبی با میانگین دادههاي تجربی به دست آمده از سه کارخانه شمشریزي داشته است. مدل پیشبینی کرد که فرآیند دوم با قراضه خردشده - شرد - %10 صرفهجویی در مصرف برق و %15 افزایش ظرفیت تولید و فرآیند سوم %30 صرفهجویی در انرژي، زمان و هزینه داشته باشد.
مقدمه
ریختهگري از پرمصرفترین صنایع در انرژي بوده و نیمی از مصرف آن براي ذوب فلزات به کار میرود. با این وجود فرآیندهاي ذوب در جهان همچنان با بازدهی پایین انجام میشوند 1] و .[2 هدررفت انرژي قابلکنترل است 3] و [4 و اگرچه صنعت آهن و فولاد، پایه توسعه یک کشور به شمار میآید، اما نسبت به صنایع نفت یا حمل و نقل، برنامهریزي و مدلهاي ریاضی کمتري در آن دیده میشود .[5]
براي کورههاي قوس الکتریکی - EAF - مدلهاي محاسباتی بسیاري بوجود آمده [6-9]، اما کارکرد کورههاي القایی ذوب فولاد - IF - بیشتر با دادههاي آماري و توصیههاي تجربی بیان شده 4]، 10 و [11 تا مدلهاي ریاضی و محاسباتی .[12-14] نمودارهاي جریان انرژي - Sankey Diagram - بهرهوري انرژي کوره IF را بیان میکند 11]، .[15 چرخه کار IF بین دوتخلیه - Tap to tap - سه دوره دارد: - 1 - سرمایش طبیعی - از تخلیه تا روشنشدن کوره - ، - 2 - کارکرد پرتوان - از روشنشدن تا ذوب کامل شارژ - و - 3 - کارکرد کمتوان - تنظیم ترکیب و دماي ذوب تا تخلیه - .[11] پژوهشهایی [12-14] درخصوص مصرف کورههاي القایی انجام شده است.
با این همه ریختهگران و کورهبانان، به ویژه در ایران، هنوز بر اساس برنامههاي تجربی ذوب میگیرند. به تازگی موضوع انرژي و هزینه، نوسانها و چالشهایی داشته که بیش از این هدررفتها را برنمیتابد. صنایع بر مرزهاي باریک هزینه و انرژي و زمان، رقابت میکنند و روشهاي سنتی و پرمصرف ذوبگیري براي صنعتگران بهصرفه نیست. از طرف دیگر فناوري ماشینهاي خردکن قراضه - شردر - Shredder امکانهاي تازهاي را براي کاهش هزینه و زمان شارژ و ذوبگیري فراهم کرده که هنوز شناخت و بررسی علمی بر روي آن انجام نشده است.
بنابراین نیاز، پژوهش حاضر با هدف ساختن مدل و ابزاري براي پیشبینی مصرف انرژي و زمان و هزینه در فرآیند بارگیري انواع قراضه و ذوب فولاد در کوره القایی دنبال شد. مدلسازي ریاضی بر اساس پایستاري جرم و انرژي بنا شد تا در شرایط گوناگون طراحی کوره و کیفیت و ابعاد قراضه، بتواند فرآیند را شبیهسازي کند و تأثیر شارژ قراضه خردشده - شرد - را در فرآیند پیشبینی و بررسی نماید.
روش تحقیق
تعریف مساله
مساله شامل یک کوره القایی ذوب فولاد با ظرفیت 10 ton و توان اسمی 2750 kW است که در آستانه بارگیري است. شکل 1 شمایی از هندسه کوره مساله را نشان میدهد. با گامهاي زمانی کوتاه ∆t کوره با نرخ معینm با قراضه - دماي اولیه - TScrap شارژ میشود. بارگیري تا وقتی ادامه دارد که ارتفاع قراضه hS یا ذوب hM به ارتفاع مجاز بوته کوره hF برسد. گرمایش مواد نیز همزمان انجام میشود. دماي جامد TS افزایش یافته به نقطه ذوب فولاد TM میرسد. قراضه جامد کمکم ذوب شده و به جرم مذاب mL میافزاید.
ارتفاع جامد یکسان نیست - به مقدار فوق ذوب دلخواه برسد. در این نقطه دور اول شارژ و ذوب به پایان رسیده و بار دیگر بارگیري شروع و پدیدهها تکرار میشود. این دور آنقدر تکرار می شود که کوره از مذاب با دماي فوقذوب پر شود. مجهول مساله شامل جرم جامد mS و مذاب mL و دماي جامد TS و مذاب TL و مصرف انرژي کوره Q با گذشت زمان t است و این که در چه زمانی فرآیند شارژ و ذوب پایان میپذیرد.
فرضهاي مسأله
• دماي TS میانگین دماي جامد در همه جاي کوره است اما با دماي میانگین مذاب TL تفاوت دارد.
• خواص فولاد مذاب و جامد برابر هستند و مقدار میانگین آنها در بازه دماي کاري استفاده میشود.
• چگالی قراضه، به دلیل اشغال فضا، بسیار کمتر از چگالی فولاد یکپارچه است. قراضه خردشده - شرد - به دلیل تراکم و ابعاد کوچک، چگالی بیشتري نسبت به قراضه خام دارد.
• انتقال گرماي جامد/مذاب از راه رسانش و جابجایی و تابش بین سطوح غیرمشترك آنها است.
• هدررفت تابشی گرما در سطح بالاي کوره بوده و از هر فازي که از بالا دیده شود انجام میشود.
• هدررفت رسانشی گرما به جریان آب کوره ثابت و وابسته به دادههاي تجربی دما و دبی آب است.
• ابعاد قراضه خام درشت و ناهمگن به شکل - میانگین - میله قطر 20 mm و ورق 1000x400x4 mm3 فرض شده و ابعاد قراضه خردشده همگن بوده و به شکل تکه ورقهاي 200x100x4 mm3 است.
• قراضه خردشده با مگنت جداسازي شده و عاري از خاك سیلیسی و مواد غیرفلزي است. همچنین کار مکانیکی زیادي بر روي آن انجام شده که گرماي نهان ذوب را %10 کاهش میدهد - شرح در متن - .
• بارگیر ي قراضه خام به چیدمان کنترل شده و دخالت نیروي انسانی نیاز دارد و فضاي بیشتري اشغال میکند. بنابراین نرخ بارگیري قراضه خردشده چهار برابر بیشتر از نرخ بارگیري قراضه خام است.
• سطح قراضه خام صاف و با روکش و پوشش و سطح قراضه خردشده پیچیده و کمپوشش و نیمهاکسید و تیره است. بنابراین چگالی سطحی و ضریب جذب تابشی قراضه خردشده بیشتر از قراضه خام است.
مدلسازي ریاضی
بر مبناي پایستاري جرم و انرژي یک مدل ریاضی نوشته شد. شکل 2 نمودار ورودي و خروجی مدل را نشان میدهد. مدل شامل موازنهجرم، دو معادله گرما براي دماي جامد و مذاب و دو معادله تغییر فاز براي ذوبشدن/انجماد است.
