Введение. Образование пыли в ДСП – неизбежный технологический процесс, требующий комплексных решений как по предотвращению (технология плавки), так и по улавливанию (системы газоочистки) [1–3]. Схема образования пыли в электродуговой печи (ДСП) представляет собой сложный физико-химический процесс, состоящий из нескольких этапов со своими факторами влияния (рис. 1) [1, 2, 5].Современные дуговые печи работают с интенсивной продувкой ванны кислородом, что позволяет выбрасывать из рабочего пространства печи в газоотводящий тракт как мелкие, так и крупные частицы, в отдельных случаях в газоход попадают целые конгломераты жидкого металла и шлака [1, 2].В процессе работы дуговой печи различают первичные и вторичные выбросы, для улавливания и очистки которых применяются различные устройства [3, 4]. Первичные, или «организованные» выбросы, составляют запыленные газы, которые образуются в рабочем пространстве и принудительно отсасываются из него через отверстие в своде печи [1, 3]. Общее удельное количество первичных газов за плавку Мгаз, кг/т стали, зависит в основном от расходов углерода и природного газа, кг/т, м3/т [1, 2]. Интенсивность образования первичных газов в единицу времени Vгаз, м3/мин, по которой определяется интенсивность отсоса газов, может изменяться в весьма широких пределах [1, 3]. Эта величина увеличивается прямо пропорционально массе плавки и обратно пропорционально ее продолжительности [1, 2]. Интенсивность первичных выбросов резко колеблется по ходу плавки [1, 3].   Рис. 1. Основные процессы и факторы пылеобразования (иллюстрация автора) При переработке грязного лома, когда в составе имеется большое количество горючих компонентов (масло, пластмассы и пр.), на печах, работающих с интенсивной продувкой ванны кислородом и оборудованных газокислородными горелками, практически наблюдается два пика величины интенсивности образования первичных газов Vгаз max [2, 4]. Первый максимальный пик наблюдается в первые несколько минут после загрузки корзин с ломом, когда идет интенсивное выгорание горючих компонентов [2, 4].Второй пик возникает во время продувки ванны, когда одновременно работают все горелки [2,4].Фракционный и химический состав образующейся пыли приведены на рис. 2 [3, 5]. Механизм образования пыли показан на рис.3 [1, 3, 5].Материалы и методы. Одним из способов по увеличению эффективности осаждения пыли от дуговой сталеплавильной печи является модернизация пылеосадительных камер. Проведенные эксперименты на действующей дуговой сталеплавильной печи ДСП-90 (ООО «Новороссийский прокатный завод» г. Шахты Ростовской области) с установкой ловушек по разным высотам пылеосадительной камеры позволили определить распределение пыли по объему камеры, ее концентрацию и направление потоков (рис. 4, 5, 6).   Рис. 2. Характеристика образующейся пыли Рис. 3. Механизм образования пыли  Рис. 4.  Схема пылеосадительной камеры с установленными ловушками 1.1 – 6.3 (иллюстрация автора)  Рис. 5. Моделирование потока пыли в пылеосадительной камере при помощи программного продукта SolidWorks с приложением FlowSimulation (иллюстрация автора) Рис. 6. Зоны отложения пыли в пылеосадительной камере по ходу потока воздуха (иллюстрация автор) В результате обработки данных с каждой ловушки был получен дисперсный состав пыли в каждой зоне пылеосадительной камеры, и на основании этих данных в вероятностно-логарифмической системе координат построены графики для каждой зоны осаждения пыли (рис. 7, 8, 9), и для каждой ловушки (рис. 10 приведен график для примера только ловушки 1.1). Графики построены на основании выводов академикаА. Н. Колмогорова, который теоретически обосновал, что дисперсность пыли, образующейся при измельчении материала в течение достаточно длительного времени, подчиняется логарифмически нормальному закону распределения. По оси абсцисс такой системы координат откладывают значения размеров частиц dч в логарифмическом масштабе (от значения 0 на повышение), а по оси ординат – значение проходов (относительная доля частиц, осевшая в ловушке) в процентах D(dч) % в вероятностном масштабе (от значения 0 на повышение). Рис. 7. Концентрация пыли в Зоне I входа от печи ДСП. Интегральные функции распределения массы частиц по эквивалентным диаметрам (цветовые графики – результаты замеров в разных точках зоны)(иллюстрация автора) Рис. 8. Концентрация пыли в Зоне II камеры. Интегральные функции распределения массы частицпо эквивалентным диаметрам (цветовые графики – результаты замеров в разных точках зоны)(иллюстрация автора)  Рис. 9. Концентрация пыли в Зоне III камеры. Интегральные функции распределения массы частиц по эквивалентным диаметрам (цветовые графики – результаты замеров в разных точках зоны) (иллюстрация автора)  Рис. 10. График 1.1. Интегральные функции распределения массы частиц по эквивалентным диаметрам (3 цветовых графика – результаты 3-х экспериментов с одной ловушки) (иллюстрация автора) По полученным данным было определено среднее значение диаметра частиц d50 в каждой зоне пылеосадительной камеры, и определен средний процентный состав пыли по дисперсности, поступающий в пылеосадительную камеру из дуговой сталеплавильной печи (табл. 1). Таблица 1Экспериментальный дисперсный составпылиРазмер частиц, мкм0–5˃5–10˃10–20˃20–40˃40Содержание %35401555 На основании анализа результатов измерения концентрации внутри камеры получено уравнение регрессии для эквивалентных диаметров d50 и dmax, мкм, от высоты камеры которые имеют следующий вид: Уравнения регрессии для d50 и dmax равно:Fd50=13.272-9.376 lnh.    (1.1)    Fdmax=22,691-11,979 lnh.  (1.2) Закономерности изменения по высоте камеры d50 и dmax показана на рис. 12. Рис. 11. Распределение фракций пыли по зонам отбора Рис. 12. Закономерности изменения по высоте камеры  d50 и dmax  (иллюстрация автора)  Результаты проведенного эксперимента дают исходные данные для правильного выбора фильтрующих элементов (например, рукавного фильтра) на выходе газового потока в атмосферу.По результатам проведенного эксперимента можно сделать выводы, что: Пылегазовый поток в камере неустойчивый, основное осаждение пыли формируется в начале камеры – на входе от электродуговой печи в зоне I, и на выходе в зоне III – перед попаданием в газоотводящий тракт, в зоне II осаждение минимальное; около 75% пыли, поступающей в пылеосадительную камеру, имеет дисперсный состав до 10 мкм; тяжелые частицы пыли размерами выше 40 мкм осаживаются в зоне I (рис.11).Результаты и обсуждения. Отработав эксперимент на действующей печи и получив практическое соответствие результатов математической модели потока, по отработанной методике математического моделирования было проведено ряд вычислений типовых конструкций пылеосадительных камер для определения эффективной схемы пылеосаждения.Для сравнения было выбрано 5 схем, наиболее часто применяемые в производстве (табл. 2). Для исследования были заданы одинаковые параметры для всех типов камер, параметры приведены в таблице 3.  Таблица 2Моделирование потоков пылеосадительной камеры при разных исполнительных схемах Описание процесса№Схема камеры и направление потока газаМоделирование потока1Вход потока и выход потока - горизонтально Основной поток воздуха движется горизонтально от входа до выхода, теряя по ходу свою скорость. Часть потока создает завихрение в передней части камеры, а часть пыли будет осаждаться до конца камеры.  2Вход потока- вертикально сверху, Выход потока - горизонтально При движении воздуха вертикально в камеру поток ударяясь о пол создает завихрение и легкие частицы поднимаются вверх, а основной поток идет по полу камеры. Тяжелые частицы при этом осаживаются на пол.  3Вход потока- горизонтально, Выход потока – вертикально вверх При горизонтальном входе потока в камеру часть потока создает завихрение в передней части камеры, а часть пыли будет осаждаться до конца камеры. При этом в конце камеры поток упирается в стенку, из-за чего создается дополнительное завихрение и унос легких частиц. Более тяжелые частицы осаживаются на пол. При повороте вверх поток ударяется в стенку, из- за чего получается дополнительное завихрение и осаживание крупных частиц пыли.    4Вход потока- вертикально сверху, Выход потока – вертикально вверх При движении воздуха вертикально в камеру поток ударяясь о пол создает завихрение и легкие частицы поднимаются вверх, а основной поток идет по полу камеры. Тяжелые частицы при этом осаживаются на пол. При повороте вверх поток ударяется в стенку, из-за чего получается дополнительное завихрение и осаживание крупных частиц пыли.  5Вход потока- горизонтально, Выход потока – горизонтально, Камера разделена перегородкой Дополнительные вертикальные перегородки в камере устанавливаются для создания препятствия потоку, увеличения времени нахождения пылегазового потока в камере, и увеличения площади охлаждения газов. При ударении потока воздуха в перегородку создается завихрение потока в первой камере, потом создается завихрение во второй камере, и поток идет на выход. При этом поток теряет скорость, увеличивается его время нахождения в камере, а значит снижается температура воздуха.    Задачей моделирования потока для разных схем является определение оптимальной схемы пылегазового потока с наибольшим количеством осаждения фракций пыли – в наших результатах вычислений это будет выражено в количестве частиц, которые «проскочили» пылеосадительную камеру – чем ниже показатель частиц, тем больше степень осаждения в камере. Кроме того, процесс моделирования позволил определить направление потока и изменение скорости потока и давления в каждой точке пылеосадительной камеры. Схемы моделирование потоков для выбранных конструкций камер представлены в Таблице 2. Пылеосадительные камеры даны в разрезе, поток воздуха показан стрелками, характеризующими его направление в данной точке. Цвета стрелок соответствуют диаграмме скорости и давления отображаемые справа от чертежа камеры. Результаты моделирования позволили установить особенности поведения газовоздушного потока в зависимости от конструкции пылеосадительной камеры.Анализируя полученные результаты моделирования по направлениям потоков воздуха, изменением скорости и давления по ходу движения, можно сделать выводы о поведении пылегазовоздушного потока. Выявлено, что при изменении входных параметров, Условия 1 (идеальное отражение пыли) и Условия 2 (налипание) смогли определить, что температура потока не оказывает влияния на осаждение пыли, в отличии от состояния стенок камеры. Конструктивное оформление пылеосадительной камеры значительно влияет на количество осаживаемой пыли. Числовые значения результатов моделирования осаждения пыли для каждой схемы представлены в таблицах 4–8, где указанно количество частиц на входе в камеру, количество частиц на выходе из камеры для разных условий (показывает, сколько частиц «пролетело» сквозь камеру). Эффективность пылеосаждения фракции в  камере посчитана для Условия 2 «налипания» на стенку камеры η=N1-N2N1∙100 %  (1.3). Пример: изначальное число единиц фракции 10 мкм равно 100, «пролет» составил 91 ед., эффективность осаждения:η=N1-N2N1∙100 %    – (100–91)/100 ∙100 %  =9 % Таблица 3Исходные параметры для моделированиягазовоздушного потока в пылеосадительной камере№ п/пПараметрЗначение1Скорость потока на входе в камеру, м/с52Температура потока для фазы 1, t° С20 °С3Температура потока для фазы 2, t° С700 °С4Давление на выходеатмосферное5Геометрические размеры камеры:  Длина камеры, L, м6 Ширина камеры, Н, м25Высота камеры, В, м26Диаметр входногопатрубка, м0,97Диаметр выходного патрубка, м0,98Размеры частиц пыли, м (мкм)  Фракция 10,0001 (100) Фракция 20,00007 (70) Фракция 30,00005 (50) Фракция 40,00004 (40) Фракция 50,00003 (30) Фракция 60,00002 (20) Фракция 70,00001 (10)9Массовая плотность пыли,  кг/см3110Количество частиц каждой фракции на входе, ед10011Условия на стенках камеры:  Условие  1идеальное отражение Условие  2налипание При анализе схем работы пылеосадительных камер можно выделить следующие закономерности:Для Схем №1, №2 – при условии идеального отражения от стенок пыли унос составляет практически 97 %. Для данных схем весь объем пыли будет уносится вместе с потоком воздуха.При вводе в модель условия налипания на стенки, обусловленной шероховатостью стенок камеры и пола, процент осаждения пыли может достигать для крупнодисперсной пыли(70–100 мкм) до 24–50 %. Процент осаждения пыли в зависимости от увеличения длины камеры увеличивается за счет действия силы тяжести на частицы пыли.Для схем №3, №4, характерен большой процент осаждения как при условии идеального отражения стенки, так и при условии налипания. Для этих схем характерным признаком является наличие вертикального выхода и вертикальной стенки, в которую упирается основной поток при движении в камере. Именно удар потока в стенку создает завихрение потока и осаживание пыли.По Схеме № 5. Дополнительные перегородки в камере устанавливаются для увеличения площади осаждения пыли и охлаждения газов при водоохлаждаемом исполнении перегородки. При набегании потока воздуха на перегородку создается завихрение потока в первой и второй камерах, далее поток идет на выход. При этом поток теряет скорость, увеличивается его время нахождения в камере, а значит увеличивается степень осаждения пыли, и увеличивается давление потока на перегородки.При использовании модуля моделирования пылегазового потока проведен ряд дополнительных вычислений с изменением температуры  °C и концентрация – c, г/м3, которые показали следующее:– при изменении температуры пылегазового потока (температура потока на входе в пылеосадительную камеру может изменяться в зависимости от разных периодов плавки в пределах до500 °C) количество осаждаемой пыли практически не меняется, что показывает отсутствие влияния температуры на эффективность осаждения пыли;– при изменении концентрации пыли на входе в камеру – количество пыли на выходе из камеры отличается в пределах 1–3 % в меньшую сторону, что показывает увеличение концентрации пыли при той же скорости потока в незначительной степени, эффективность осаждения пыли может увеличиваться за счет более плотного взаимодействия частиц пыли между собой и увеличения эквивалентного диаметра пыли, что приводит к более интенсивному осаждению.Сравнивая результаты натурного эксперимента на дуговой сталеплавильной печи ДСП-90 с результатами вычислительного эксперимента по схеме №4, получили сходимость результатов по дисперсному составу и количеству осаждаемой пыли в пределах 10-20 % (рис.13), что подтверждает эффективность примененной методики, и возможность практического применения ее при проектировании систем пылегазоудаления и пылеосадительных камер.Полученные данные необходимы для создания методики подбора и расчета наиболее эффективной модели пылеосадительной камеры с возможностью прогнозирования выбросов в атмосферу и степени их влияния на окружающую среду. Установлено, что увеличение эффективности пылеосадительной камеры можно достичь установкой водоохлаждаемых панелей как по стенам камеры, так и потолочных панелей, установкой дополнительных водоохлаждаемых перегородок, которые будут работать как охлаждающий контур, так и как дополнительная преграда, создающая зону завихрения и осаждения пыли. Таблица 4Количественная характеристика «пролета» частиц пыли по Схеме 1Фракция, мкмК-во частиц на входе в камеру, N1К-во частиц на выходе из камеры, N2Эффективность,%Условие 1Условие 2*510099955101009891920100998812301009987134010099861450100988515701009978221001001007624 Таблица 5Количественная характеристика «пролета» частиц пыли по Схеме 2Фракция, мкмК-во частиц на входе в камеру, N1К-во частиц на выходе из камеры, N2Эффективность,%Условие 1Условие 2*51009968321010098604020100996040301009960404010099604050100985941701009958421001001005347 Таблица 6Количественная характеристика «пролета» частиц пыли по Схеме 3Фракция, мкмК-во частиц на входе в камеру, N1К-во частиц на выходе из камеры, N2Эффективность,%Условие 1Условие 2*510072683210100615842201003431693010023208040100191486501001410907010085921001002298 Таблица 7Количественная характеристика «пролета» частиц пыли по Схеме 4Фракция, мкмК-во частиц на входе в камеру, N1К-во частиц на выходе из камеры, N2Эффективность,%Условие 1Условие 2*510070693110100686634201006360403010048465440100353268501002320807010088921001003397Таблица 8Количественная характеристика «пролета» частиц пыли по Схеме 5Фракция, мкмК-во частиц на входе в камеру, N1К-во частиц на выходе из камеры, N2Эффективность,%Условие 1Условие 2*510045425810100303070201003030703010018188240100141486501003030707010044961001002298   а) данные эксперимента            б) данные моделированияРис. 13. Сравнительный анализ результатов эксперимента и моделирования  Выводы. Анализ рассмотренных предложений при полном и комплексном использовании их потенциальных возможностей позволят значительно снизить конечные объемы выбросов и затраты на их улавливание и очистку. В зависимости от решаемой задачи и возможных вариантов повышения эффективности пылеулавливания в каждом конкретном случае – установка вытяжного зонта, изменение конструкции сводового патрубка или модернизации пылеосадительной камеры – разработанная методология математического моделирования позволяет рассчитать эффективность выбранного варианта, подобрать оптимальную схему пылеосадительной камеры. Применение дополнительной перегородки позволит увеличить объем осаждаемой пыли на 20 %, уменьшить нагрузку на тканевые рукава, увеличить их срок службы, а также уменьшает выбросы в атмосферу до 20 %.