Integrated CFD Models for Optimizing Scrap Melting in DC EAF /
Integrované CFD modely pro optimalizaci tavení šrotu ve stejnosměrné EOP

Shiyu Wang¹, Orlando Ugarte¹, Tyamo Okosun¹, Sunday Abraham², Yufeng Wang², Randy Petty², Chenn Q.Zhou¹

¹Center for Innovation through Visualization and Simulation (CIVS) and Steel Manufacturing Simulation and Visualization Consortium (SMSVC), Purdue
  University Northwest; Hammond, IN, U.S.A.
²SSAB Americas, Muscatine, IA, U.S.A.

Abstract

In the U.S., ~70% of steel is produced in electric arc furnaces (EAFs), and significant investment is devoted to increase EAF production capacity. EAFs integrate chemical and electrical energy to melt scrap, precipitating phase changes and reactions that need to be controlled to achieve the desired molten steel. The multi-phenomena nature of EAF operations presents challenges for optimization. This study applies an advanced CFD methodology to simulate the operation of an industrial DC-EAF to study the impact of electrical arc power on melting. Namely, a CFD tool integrating a coherent-jet model, a DC arc heating model and a scrap melting model is applied to a DC-EAF heat provided by SSAB. After validating CFD predictions against actual data, simulations of scenarios with modified arc power (10% and 20% reduction from baseline) are performed. All other conditions such as burner power and charge recipe remain the same. Results indicate that each 10% power reduction extends the melting time for 60 tonnes of scrap by two minutes. Also, a boost in melting performance is observed when the average molten bath temperature rises above the liquidus temperature. Non-uniformity of arc heating is also described and potential optimization of EAF melting is discussed.

Keywords: electric arc furnace, DC, arc heating, CFD, scrap layering, melting

Abstrakt

V USA se přibližně 70% oceli vyrábí v elektrických obloukových pecích (EOP) a významné investice směřují do zvyšování jejich výrobní kapacity. Elektrické obloukové pece kombinují chemickou a elektrickou energii k tavení šrotu, přičemž dochází k fázovým přeměnám a reakcím, které je nutné řídit pro dosažení požadovaného stavu roztavené oceli. Více-jevová povaha provozu EOP představuje významnou výzvu z hlediska optimalizace. Tato studie využívá pokročilou metodiku CFD k simulaci provozu průmyslové stejnosměrné elektrické obloukové pece (DC-EAF) za účelem posouzení vlivu výkonu elektrického oblouku na proces tavení. Konkrétně je aplikován CFD nástroj integrující model koherentního proudu, model ohřevu stejnosměrným obloukem a model tavení šrotu na případ průmyslové DC-EAF dodané společností SSAB. Po validaci výsledků CFD simulací na základě reálných provozních dat byly provedeny simulace scénářů se sníženým výkonem oblouku (o 10% a 20% oproti referenčnímu stavu), přičemž ostatní parametry, jako výkon hořáků a složení vsázky, zůstaly nezměněny. Výsledky ukazují, že každé snížení výkonu o 10% prodlužuje dobu tavení 60 tun šrotu přibližně o dvě minuty. Dále bylo zjištěno zlepšení tavicího procesu při překročení teploty likvidu průměrnou teplotou roztavené lázně. Práce rovněž popisuje nerovnoměrnost ohřevu obloukem a diskutuje možnosti optimalizace procesu tavení v EOP.

Klíčová slova: elektrická oblouková pec, stejnosměrný proud, obloukový ohřev, CFD, vrstvení šrotu, tavení

Stáhnout článek