blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-9-619-628blackmet-2394Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESРегулирование шлакового режима выплавки стали в электродуговой печи на основе контроля электрических параметров в ходе окислительного периода плавкиSlag mode regulation in electric arc furnace based on electrical parameters control during melting oxidation periodСивцовА. В.SivtsovA. V.

Андрей Владиславович Сивцов, д.т.н., ведущий научный сотрудник

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Andrei V. Sivtsov, Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher, Institute of Metallurgy

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

aws2004@mail.ruШешуковО. Ю.SheshukovO. Yu.

Олег Юрьевич Шешуков, д.т.н., главный научный сотрудник, Институт металлургии УрО РАН; профессор, директор Института новых материалов и технологий, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Oleg Yu. Sheshukov, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher, Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Prof., Director of the Institute of New Materials and Technologies, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

o.j.sheshukov@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9833-7191ЕгиазарьянД. К.Egiazar’yanD. K.

Денис Константинович Егиазарьян, к.т.н., старший научный сотрудник, заведующий лабораторией, Институт металлургии УрО РАН; доцент Института новых материалов и технологий, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Denis K. Egiazar’yan, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Head of the Laboratory, Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Assist. Prof. of the Institute of New Materials and Technologies, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

avari@mail.ruЦымбалистМ. М.TsymbalistM. M.

Михаил Михайлович Цымбалист, к.т.н., старший научный сотрудник

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Mikhail M. Tsymbalist, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

cherknimne@yandex.ruЛобановД. А.LobanovD. A.

Даниил Андреевич Лобанов, к.т.н., научный сотрудник Группы проблем техногенных отходов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Daniil A. Lobanov, Cand. Sci. (Eng.), Research Associate of the Group of Technogenic Waste Problem

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

summerdanny@yandex.ruИнститут металлургии Уральского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут металлургии Уральского отделения Российской академии наук; Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. ЕльцинаРоссияInstitute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation202202102022659619628Copyright © Сивцов А.В., Шешуков О.Ю., Егиазарьян Д.К., Цымбалист М.М., Лобанов Д.А., 20222022Сивцов А.В., Шешуков О.Ю., Егиазарьян Д.К., Цымбалист М.М., Лобанов Д.А.Sivtsov A.V., Sheshukov O.Y., Egiazar’yan D.K., Tsymbalist M.M., Lobanov D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2394

Представлены результаты наблюдений за ходом окислительной стадии выплавки стали в ДСП-135, проведенных с помощью автоматизированной системы контроля электрических характеристик. В рабочем пространстве печи выделены три основные зоны, различающиеся по агрегатному состоянию находящихся в них материалов: дуговой разряд, расплав и вспененный шлак. Приведены данные о распределении электрической мощности по этим зонам. Отмечена асимметрия активных мощностей дуг под отдельными электродами, обусловленная асимметрией короткой сети. Показано, что основными факторами, влияющими на сопротивление расплава и шлака, являются продувка кислородом и перемещение электродов. Исследовано влияние подачи магнезиального флюса на сопротивление расплава. Замечено, что этим подачам соответствует резкий рост и последующее постепенное снижение сопротивления, а время усвоения добавок не превышает одной минуты. Приведены среднестатистические по отдельным плавкам электрические параметры зон рабочего пространства печи ДСП-135. Проведено сравнение характера изменения мощности дугового разряда и изменения температуры расплава. Отмечено совпадение профилей изменения этих характеристик – росту мощности дуги соответствует рост температуры расплава. Попытка корреляции содержания FeO в шлаке с мощностью дуги не дала положительного результата. Отмечено, что контроль этого параметра по изменению электрических параметров зон дуги и шлака вследствие подавляющего влияния на них интенсивного кислородного дутья, перемешивания расплава и перемещения электродов не отвечает критерию достоверности. Однако данную методику следует проверить в условиях рафинирования стали в агрегате ковш–печь.

The results of observation of steelmaking oxidation stage at EAF-135 were analyzed with automated control system of the electrical characteristics. There are three main zones in the furnace working space, which differ by the aggregate state of the materials in them: arc discharge, melt and foamed slag. The distribution data of electric power over the furnace zones is given. There is active powers asymmetry of the arcs under single electrodes affected by asymmetry of the short network. It is shown that the main factors impacting the melt and slag resistances are oxygen blow and electrode movement. The authors studied the influence of magnesia flux feeds on the melt resistance. These feeds correspond to a sharp increase and a subsequent gradual decrease in resistance, and the time for assimilation of additives does not exceed one minute. The average electrical parameters of the working space zones are given for the EAF-135 at single heats. A comparison was made of the nature of change in the arc discharge power and the change in the melt temperature. The profiles match of changes in these characteristics to an increase in the arc power corresponds to increase in the melt temperature. An attempt to correlate FeO content in the slag with the arc power did not give a positive result. However, this methodology should be tested under conditions of steel refining in a ladle-furnace unit. It is noted that the parameter control at changing of the electrical parameters of the arc and slag zones due to the overwhelming influence of intense oxygen blast, melt mixing and electrode displacement does not meet the reliability criterion.

электрическая дугадуговая сталеплавильная печьшлаковый режимконтроль технологического процессаокисленность металлаосновность шлакаelectric arcelectric arc furnaceslag modeprocess controlmetal oxidationslag basicityРабота выполнена по государственному заданию Института металлургии Уральского отделения Российской академии наук № 122020100125-6.The work was carried out according to the state task of the Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences No. 122020100125-6.ReferencesДюдкин Д.А., Кисиленко В.В. Современная технология производства стали. Москва: Теплотехник, 2007. 528 с.Dudkin D.A., Kisilenko V.V. Modern Technology of Steelmaking. Moscow: Teplotekhnik, 2007, 528 p. (In Russ.).Макаров А.Н. Теплообмен в электродуговых и факельных металлургических печах и энергетических установках. Санкт-Петербург: Лань, 2014. 384 с.Makarov A.N. Heat Transfer in Electric Arc and Flame Metallurgical Furnaces and Energy Units. St. Petersburg: Lan’, 2014, 384 p. (In Russ.).Dong Q., Zhang J. Simulation of fluid flow and heat transfer in plasma ARC region of AC electric ARC furnace // CFD Modeling and Simulation in Materials Processing. 2016. P. 35–42. https://doi.org/10.1002/9781119274681.ch5Dong Q., Zhang J. Simulation of fluid flow and heat transfer in plasma ARC region of AC electric ARC furnace. In: CFD Modeling and Simulation in Materials Processing. 2016, pp. 35–42. https://doi.org/10.1002/9781119274681.ch5Lee B., Sohn I. Review of innovative energy savings technology for the electric arc furnace // JOM. 2014. Vol. 66. No. 9. P. 1581–1594. https://doi.org/10.1007/s11837-014-1092-yLee B., Sohn I. Review of innovative energy savings technology for the electric arc furnace. JOM. 2014, vol. 66, no. 9, pp. 1581–1594. https://doi.org/10.1007/s11837-014-1092-yBai E.-w. Minimizing energy cost in electric arc furnace steel making by optimal control designs // Journal of Energy. 2014. Vol. 2014. Article 620695. https://doi.org/10.1155/2014/620695Bai E.-w. Minimizing energy cost in electric arc furnace steel making by optimal control designs. Journal of Energy. 2014, vol. 2014, article 620695. https://doi.org/10.1155/2014/620695Balan R., Maties V., Hancu O., Stan S., Ciprian L. Modeling and control of an electric arc furnace // Proceedings of the 15th Mediterranean Conf. on Control and Automation, Athens, Greece, July 2007. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/MED.2007.4433737Balan R., Maties V., Hancu O., Stan S., Ciprian L. Modeling and control of an electric arc furnace. Proceedings of the 15th Mediterranean Conf. on Control and Automation, Athens, Greece, July 2007, pp. 1–6. https://doi.org/10.1109/MED.2007.4433737Миронов Ю.М. Установки электрошлаковой металлургической технологии. Москва: НИЦ ИНФРА-М, 2018. 404 с. https://doi.org/10.12737/monography_5a40ac170cdab6.31947003Mironov Yu.M. Installations of Electroslag Metallurgy: Monograph. Moscow: INFRA-M, 2018, 404 p. (In Russ.).Toulouevski Y.N., Zinurov I.Y. Modern steelmaking in electric arc furnaces: history and development // Innovation in Electric Arc Furnaces: Scientific Basis for Selection. Berlin, Heidelberg, Germany: Springer, 2013. P. 1–24. https://doi.org/10.1007/978-3-642-36273-6_1https://doi.org/10.12737/monography_5a40ac170cdab6.31947003Тулуевский Е.Н., Зинуров И.Ю. Инновации для дуговых сталеплавильных печей. Научные основы выбора. Новосибирск: Издательство НГТУ, 2010. 347 с.Toulouevski Y.N., Zinurov I.Y. Modern steelmaking in electric arc furnaces: history and development. In: Innovation in Electric Arc Furnaces: Scientific Basis for Selection. Berlin, Heidelberg, Germany: Springer, 2013, pp. 1–24. https://doi.org/10.1007/978-3-642-36273-6_1Сивцов А.В., Шешуков О.Ю., Цымбалист М.М., Некрасов И.В., Махнутин А.В., Егиазарьян Д.К., Орлов П.П. Интенсификация выплавки стального полупродукта в дуговых сталеплавильных печах на основе согласованного регулирования электрического и газового режимов. Часть I. Особенности теплообмена и строения рабочего пространства в дуговых сталеплавильных печах // Электрометаллургия. 2018. № 11. С. 2–9.Tuluevski Yu.N., Zinurov I.Yu. Innovations for Electric Arc Furnaces. Scientific Basis of Choice. Novosibirsk: NSTU, 2010, 347 p. (In Russ.).Сивцов А.В., Шешуков О.Ю., Цымбалист М.М., Некрасов И.В., Махнутин А.В. Егиазарьян Д.К., Орлов П.П. Интенсификация выплавки стального полупродукта в дуговых сталеплавильных печах на основе согласованного регулирования электрического и газового режимов. Часть II: Оперативный контроль состояния зон шихты и расплава в дуговых сталеплавильных печах // Электрометаллургия. 2018. № 11. С. 3–9. https://doi.org/10.31044/1684-5781-2018-0-12-3-9Sivtsov A.V., Sheshukov O.Y., Tsymbalist M.M., Nekrasov I.V., Makhnutin A.V., Egiazar’yan D.K., Orlov P.P. Steel semiproduct melting intensification in electric arc furnaces using coordinated control of electric and gas conditions: I. Heat exchange and structure of the electric arc furnace laboratory. Russian Metallurgy (Metally). 2018, vol. 2018, no. 11, pp. 1108–1113. https://doi.org/10.1134/S0036029518120145Макаров А.Н., Окунева В.В., Кузнецов А.В. Влияние высоты слоя шлака, состава газа, емкости печей на КПД дуг и теплообмен в дуговых сталеплавильных печах. Часть I. Влияние высоты слоя шлака и емкости печи на КПД дуг // Металлург. 2020. № 10. С. 11–18.Sivtsov A.V., Sheshukov O.Yu., Tsymbalist M.M., Nekrasov I.V., Makhnutin A.V., Egiazar’yan D.K., Orlov P.P. Steel semiproduct melting intensification in electric arc furnaces using coordinated control of electric and gas conditions: II. On-line control of the state of the charge and melt zones in electric arc furnaces. Russian me­tallurgy (Metally). 2019, vol. 2019, no. 6, pp. 565–569. https://doi.org/10.1134/S003602951906017XМакаров А.Н., Крупнов А.В. Влияние высоты слоя шлака, состава газа, емкости печей на КПД дуг и теплообмен в дуговых сталеплавильных печах. Часть II. Влияние высоты слоя шлака на величину теплового излучения дуг на стены // Металлург. 2020. № 11. С. 24–31.Makarov A.N., Okuneva V.V., Kuznetsov A.V. Effect of the slag layer thickness, gas composition, and furnace capacity on the arc efficiency and heat transfer in arc furnaces. Part I. Effect of the slag thickness and furnace capacity on arc efficiency. Metallurgist. 2020, vol. 64, no. 9-10, pp. 987–996. https://doi.org/10.1007/s11015-021-01080-6Миронов Ю.М., Петров В.Г. Особенности тепловой работы дуговых печей литейного класса // Электрометаллургия. 2009. № 7. С. 23–26.Makarov A.N., Krupnov A.V. Effect of the slag layer thickness, gas composition, and furnace capacity on the arc efficiency and heat transfer in arc furnaces. Part II. Effect of the slag thickness on the magnitude of arc heat radiation incident to the walls. Metallurgist. 2021, no. 11-12, pp. 1121–1129. https://doi.org/10.1007/s11015-021-01097-xМиронов Ю.М. Об оптимизации мощности трансформаторов дуговых сталеплавильных печей // Электрометаллургия. 2019. № 11. С. 9–14. https://doi.org/10.31044/1684-5781-2019-0-11-9-14Mironov Yu.M., Petrov V.G. Thermal losses and power efficiency of arc furnaces of a foundry class. Russian metallurgy (Metally). 2010, no. 12, pp. 650–654.Makarov A.N., Singh K.D. The effect of arc length on heat exchange and electric power consumption in electric arc steel-making furnaces (EAF) // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1888. Article 012026. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1888/1/012026Mironov Yu.M. Optimization of the electric arc furnace transfor­mer power. Russian metallurgy (Metally). 2020, vol. 2020, no. 6, pp. 654–658. https://doi.org/10.1134/S0036029520060142Tomažič S., Andonovski G., Škrjancand I., Logar V. Data-driven modelling and optimization of energy consumption in EAF // Metals. 2022. Vol. 12. No. 5. Article 816. https://doi.org/10.3390/met12050816Makarov A.N., Singh K.D. The effect of arc length on heat exchange and electric power consumption in electric arc steel-making furna­ces (EAF). Journal of Physics: Conference Series. 2021, vol. 1888, article 012026. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1888/1/012026Sheshukov O.Yu., Nerkasov I.V., Mikheenkov M.A., Egiazaryan D.K., Sivtsov A.V., Chencov V.P., Gertsberg G.E. Unit ladle-furnace: Slag forming conditions and stabilization // Technogen – 2017. Conference Proceedings. 2017. P. 70–75. https://doi.org/10.18502/kms.v2i2.949Tomažič S., Andonovski G., Škrjancand I., Logar V. Data-driven modelling and optimization of energy consumption in EAF. Metals. 2022, vol. 12, no. 5, article 816. https://doi.org/10.3390/met12050816Сивцов А.В., Шешуков О.Ю., Цымбалист М.М., Некрасов И.В., Егиазарьян Д.К. Вентильный эффект электрической дуги и проблемы управления дуговыми печами // Металлург. 2015. № 5. С. 36–40.Sheshukov O.Yu., Nerkasov I.V., Mikheenkov M.A., Egiaza­ryan D.K., Sivtsov A.V., Chencov V.P., Gertsberg G.E. Unit ladle-furnace: Slag forming conditions and stabilization. In: Technogen – 2017. Conference Proceedings. 2017, pp. 70–75. https://doi.org/10.18502/kms.v2i2.949Saboohi Y., Fathi A., Škrjanc I., Logar V. Optimization of the electric arc furnace process // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2019. Vol. 66. No. 10. P. 8030–8039. https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2883247Sivtsov A.V., Sheshukov O.Yu., Tsymbalist M.M., Nekrasov I.V., Egiazar’yan D.K. The valve effect of an electric arc and problems in controlling electric-arc furnaces. Metallurgist. 2015, vol. 59, no. 5-6, pp. 380–385. https://doi.org/10.1007/s11015-015-0113-6Миронов Ю.М. Энерготехнологические соотношения в дуговых сталеплавильных печах // Электрометаллургия. 2021. №. 4. С. 2–21. https://doi.org/10.31044/1684-5781-2021-0-4-2-10Saboohi Y., Fathi A., Škrjanc I., Logar V. Optimization of the electric arc furnace process. IEEE Transactions on Industrial Electro­nics. 2019, vol. 66, no. 10, pp. 8030–8039. https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2883247Lee B., Ryu J.W., Sohn I. Effect of hot metal utilization on the steelmaking process parameters in the electric arc furnace // Steel Research International. 2015. Vol. 86. No. 3. P. 302–309. https://doi.org/10.1002/srin.201400157Mironov Yu.M. Energy-technological relationships in electric arc furnaces. Russian Metallurgy (Metally). 2021, vol. 2021, no. 12, pp. 1538–1543. https://doi.org/10.1134/S003602952112017XCzapla M., Karbowniczek M., Michaliszyn A. The optimisation of electric energy consumption in the electric arc furnace // Archives of Metallurgy and Materials. 2008. Vol. 53. No. 2. P. 559–565.Lee B., Ryu J.W., Sohn I. Effect of hot metal utilization on the steelmaking process parameters in the electric arc furnace. Steel Research International. 2015, vol. 86, no. 3, pp. 302–309. https://doi.org/10.1002/srin.201400157Czapla M., Karbowniczek M., Michaliszyn A. The optimisation of electric energy consumption in the electric arc furnace. Archives of Metallurgy and Materials. 2008, vol. 53, no. 2, pp. 559–565.Czapla M., Karbowniczek M., Michaliszyn A. The optimisation of electric energy consumption in the electric arc furnace. Archives of Metallurgy and Materials. 2008, vol. 53, no. 2, pp. 559–565.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.