Підвищення якості безперервнолитого металу за рахунок рафінування і додаткового розкислення сталі в промковші

Размещено на http://www.allbest.ru/

Приазовський державний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук

Спеціальність 05.16.02 - Металургія чорних металів

Підвищення якості безперервнолитого металу за рахунок рафінування і додаткового розкислення сталі в промковші

Анікаєва Алла Анатоліївна

Маріуполь - 2000

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі теорії металургійних процесів Приазовського державного технічного університету (ПДТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Заслужений діяч науки України Казачков Євген Олександрович, Приазовський державний технічний університет (м. Маріуполь), завідувач кафедрою теорії металургійних процесів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор кафедри ливарного виробництва ПДТУ Скребцов Олександр Михайлович

кандидат технічних наук, начальник групи лабораторії безперервного розливання сталі ЦЛМК ВАТ МК "Азовсталь" Ісаєв Олег Борісович

Провідна установа: Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 12.052.01 доктор технічних наук, професор В.О. Маслов

Аннотация

рафінування сталь промковш

Аникаева А.А. " Повышение качества непрерывнолитого металла за счет рафинирования и дополнительного раскисления стали в промковше", рукопись на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 "Металлургия черных металлов". Приазовский государственный технический университет, Мариуполь, 2000.

Проведено исследование поля скоростей методом визуализации потоков в гидравлической модели трехсекционного промежуточного ковша с фильтрующими перегородками. Определена кратность циркуляции в приемной и разливочной секции. Проведено исследование структуры потоков в модели ПК методом импульсного ввода индикатора. Определены числа Пекле для разливочной секции ПК с фильтрующими перегородками и рабочего пространства ПК без перегородок. Среднее значение числа Пекле для ПК без перегородок составило 8,5; для разливочной секции ПК с фильтрующими перегородками - 3,6.

Установлено, что при анализе влияния условий перемешивания стали в ПК на степень удаления НВ необходимо обязательно учитывать процессы их коагуляции как в приемной, так и разливочной секциях. Предложен способ преобразования интегро-дифференциального уравнения коагуляции в дисперсных системах в систему интегральных уравнений, описывающая процессы коагуляции НВ в рамках ячеечной модели структуры потоков в промковше, удобную для решения на ЭВМ. Сформулирована комбинированная математическая модель коагуляции и удаления включений. Один ручей трехсекционного промковша представляется каскадом, включающим ячейку идеального смешения, в которой происходят коагуляция и удаление НВ в шлак, характеризующую приемную секцию ПК; ячейку идеального смешения, в которой происходит преимущественно коагуляция НВ, характеризующую область свободных струй в разливочной секции ПК; зону удаления НВ в разливочной секции со структурой потоков, близкой к модели идеального вытеснения. Удаление НВ в разливочной секции при условиях, близких к стационарным, описывалось на основе двухпараметрической модели с обратным перемешиванием, коэффициенты которой определялись на основе результатов физического моделирования гидродинамических процессов в ПК. Проанализировано изменение распределение НВ по размерам по ходу непрерывной разливки в зависимости от конструктивных параметров ПК. Установлено, что как уменьшение суммарного сечения каналов в фильтрующих перегородках, так и уменьшение сечения одного отверстия (при сохранении постоянным суммарного сечения) приводит к улучшению рафинирования стали. Результаты моделирования подтверждены результатами анализа загрязненности НВ стали различных марок в промышленных условиях при использовании промковшей с фильтрующими перегородками различной конструкции.

Установлено, что при непрерывной разливке методом “плавка на плавку” снижение содержания алюминия в жидкой стали происходит неравномерно как по ходу разливки одной плавки, так и от плавки к плавке в серии. В начале разливки второй и последующих плавок в серии интенсивность вторичного окисления значительно увеличивается.

Показано, что стабилизация содержания алюминия в стали в узких пределах возможна за счет ее дополнительной обработки (в частности, ввода в промковш алюминия в виде катанки или порошковой проволоки). Наиболее рациональным является ввод небольшого количества алюминия в начале разливки последних плавок в серии (начиная с 3…4 плавки).

Для оценки количества алюминия, вводимого в промковш с целью компенсации его окисления и стабилизации концентрации в выходном потоке, использована математическая модель структуры потоков в ПК, в рамках которой приемная секция рассматривается как ячейка идеального смешения, а разливочная секция - как ячейка вытеснения с обратным перемешиванием. Установлено, что чем выше максимальное снижение концентрации алюминия в стали на выходе ПК, тем выше и его суммарные потери.

Определена рациональная скорость ввода алюминиевой катанки. Она зависит от диаметра катанки и перегрева металла в промковше и для катанки диаметром 10…12 мм составляет 0,10…0,12 м/с при вертикальном вводе катанки и 0,30…0,36 м/с при наклонном вводе. На основании расчетов с использованием математической модели отклика промковша на ступенчатое возмущение во входном потоке оценены суммарные потери алюминия в начале разливки очередной плавки в серии. Для компенсации окисления алюминия и стабилизации его концентрации в выходном потоке необходимо производить дополнительный ввод алюминия на четвертой и последующих плавках в серии в количестве 6…11 кг с увеличением по мере увеличения номера плавки.

Внедрение технология стабилизации содержания алюминия в стали за счет ввода алюминиевой катанки в промковш МБЛЗ позволило снизить в два раза отсортировку качественных низколегированных марок стали из-за несоответствия содержания алюминия марочному составу по нижнему пределу.

Ключевые слова: жидкая сталь, промковш, структура потоков, неметалические включения, математическая модель, алюминий, вторичное окисление.

Анотація

Анікаєва А.А. "Підвищення якості безперервнолитого металу за рахунок рафінування і додаткового розкислення стали в промковші", рукопис на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.16.02 "Металургія чорних металів". Приазовський державний технічний університет, Маріуполь, 2000. Проведене дослідження поля швидкостей та структури потоків в ПК з використанням водяної моделі. Встановлена кратність циркуляції та числа Пекле для ПК різних конструкцій. Розроблена математична модель коагуляції та видалення НВ в промковші, результати моделювання підтверджені промисловими експериментами. На основі дослідження вторинного окислення в ПК встановлена залежність зниження концентрації алюмінію в сталі при розливці методом "плавка на плавку" від її номера в серії. Запропонована та випробувана методика розрахунку коректуючої добавки алюмінію, що вводиться в промковш на початку розливки плавки. Отримані результати випробувані в промислових умовах і впроваджені у виробництво.

Ключові слова: рідка сталь, промковш, структура потоків, неметалеві включення, математична модель, алюміній, вторинне окислення.

Summary

Anikaeva A.A. Increase of continuously-cast metal quality by refining and additional deoxidizing steel in tundish. - Manuscript.

Thesis for competition scientific degree of Candidate of technical science in speciality 05.16.02 “Metallurgy of ferrous metals”. Priazovscy State Technical University. Ministry of Education and Science of Ukraine. Mariupol, 2000.

The research is carried out on velositi field and structure of flows in tundish with the use of water model. Ratio of circulation and Pekle number for tundish of various design were established. Mathematical model of coagulation and removal nonmetallic inclusions in tundish is developed. The results of modelling are confirmed by industrial experiments. On the basis of research the secondary oxidation in tundish the dependence of decrease aluminium concentration in steel is established for the case of pouring by method “heat on heat” from heat number in series. Method of calculation the adjusting addition of aluminium in tundish at the beginning of heat is offered and tested in industrial conditions and realised in industry.

Key words: liquid steel, tundish, structure of flows, nonmetallic inclusions, mathematical model, aluminium, secondary oxidation.

1. Загальна характеристика роботи

Нині велика увага приділяється підвищенню якості безперервнолитого металу за рахунок зниження забрудненності сталі неметалічними включеннями, стабілізації її хімічного складу і механічних властивостей прокату.

Актуальність теми.

Одним із способів рафінування сталі від НВ є використання промковшів (ПК) з фільтруючими перегородками. Процеси рафінування в таких ковшах засновані на коагуляції НВ за рахунок струмних турбулентних потоків металу і подальшому видаленні укрупнених включень. Незважаючи на численні дослідження, присвячені аналізу процесів коагуляції НВ в процесі позапічної обробки і безперервної розливки сталі, кількісні оцінки зміни розподілу НВ в ході рафінування досить небагаточисленні. Наслідком цього є і переважно емпіричний характер вибору конструктивних параметрів фільтруючих перегородок в промковшах. Таким чином, актуальним є дослідження зміни розподілу НВ за розмірами в процесі безперервної розливки через ПК різноманітної конструкції і аналіз впливу конструктивних параметрів ПК і перегородок на процеси рафінування сталі від НВ.

Крім того, широко застосовуються технологічні прийоми, які грунтуються на потоковому рафінуванні і мікролегуванні сталі реагентами, що вводяться порошковим дротом або монолітною катанкою (алюміній), що перетворює ПК в агрегат для комплексної обробки сталі в процесі безперервної розливки. Обробка сталі в ПК алюмінієм дозволяє стабілізувати хімічний склад металу і, зокрема, запобігти помітному впливу вторинного окислення на хімічний склад сталі.

Наявність фільтруючих перегородок помітно впливає на структуру потоків в ПК і розподіл добавок, що вводяться. Тому дослідження гідродинамічних процесів в таких ПК і вибір раціональних параметрів введення легуючих добавок також є досить актуальними.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню поля швидкостей і структури потоків в промковшах (ПК) з фільтруючими перегородками, математичному моделюванню процесів коагуляції і видалення неметалічних включень (НВ) в ПК, а також аналізу процесів вторинного окислення в ПК при розливки серій плавок і вибору раціональної технології обробки сталі в ПК алюмінієм з метою стабілізації її хімічного складу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках теми 1.6.2.13-97 НАН України “Дослідження фізико-хімічних особливостей взаємодії хімічно активних елементів з рідкою сталлю в процесі безперервної розливки при обробці її порошкоподібними добавками”, а також госпдоговірної теми № 174/884-95/894 “Розробити і освоїти технологію введення мікролегуючих добавок в промковш при безперервній разливці”.

Пошукувачем виконані дослідження безперервної розливки із застосуванням фізичного і математичного моделювання процесів массообміну в промковші, процесів видалення неметалевих включень і фізико-хімічних процесів вторинного окислення і розкислення сталі алюмінієвою катанкою в промковші, участь в промислових експериментах процесів безперервної розливки.

Мета і задачі дослідження. Метою цієї роботи була оцінка впливу конструктивних параметрів ПК і фільтруючих перегородок на процеси рафінування сталі від НВ і вибір раціонального режиму введення алюмінієвої катанки в промковш для стабілізації вмісту алюмінію в сталі на основі дослідження поля швидкостей і структури потоків в ПК, математичного моделювання процесів коагуляції і видалення НВ, дослідження інтенсивності процесів вторинного окислення і динаміки зниження концентрації алюмінію в сталі в ході безперервної розливки.

Об'єкт дослідження: процеси рафінування і додаткового розкисления сталі в ході безперервної розливки через проміжні ковші з фільтруючими перегородками.

Предмет дослідження: поле швидкостей і структура потоків в промковшах різноманітної конструкції, зміна забрудненності сталі і розподіл неметалевих включень за розмірами в ході безперервної розливки з урахуванням впливу конструктивних параметрів промковша і перегородок, зміна і стабілізація вмісту алюмінію в сталі за рахунок введення невеликих добавок алюмінію в промковш в процесі розливки серій плавок.

Основними методами дослідження в представленій роботі були: використання математичного і фізичного моделювання, проведення експериментів у виробничих умовах на діючій слябовій МБЛЗ. Розрахунки за математичними моделями виконувалися на персональних ЕОМ за спеціально розробленими програмами. Результати розрахунків зіставлялися з експериментальними даними, отриманими на промисловій слябовій МБЛЗ. Для визначення складу металу використовувалися сучасні методи хімічного аналізу. Обробка даних за вмістом алюмінію в процесі безперервної розливки способом “плавка на плавку” проводилася за допомогою методів математичної статистики. Оцінка забрудненності металу неметалічними включеннями здійснювалася на нетравлених шліфах від проб металу, відібраного з ПК і кристалізатора з використанням стандартних методик.

Наукова новизна отриманих результатів.

З використанням фізичної моделі ПК уперше отримана залежність параметрів зворотного перемішування для розливної секції ПК з фільтруючими перегородками і робочого простору ПК без перегородок від геометричних параметрів ПК, а також залежність середньої швидкості циркуляційних потоків в розливній секції від геометричних параметрів перегородок і швидкості розливки.

Запропонована система рівнянь, що описує процеси коагуляції і видалення НВ для стаціонарного стану в ідеалізованому осередку змішення.

Розроблена оригінальна математична модель коагуляції і видалення НВ в ПК, і на її основі проаналізована зміна розподілу НВ за розмірами в ході безперервної розливки, а також вплив на процеси рафінування сталі від НВ конструктивних параметрів фільтруючих перегородок.

На основі дослідження гідродинамічних процесів в ПК розрахунковим шляхом отримана оцінка коефіцієнта тепловіддачі від рідкої сталі до поверхні алюмінієвої катанки, що вводиться в приймальну секцію і раціональної швидкості її введення, при якій повне розплавлення відбувається у дна промковша.

Запропонована уточнена методика розрахунку режиму додаткового введення алюмінію у вигляді катанки на початку розливки чергової плавки у процесі безперервній розливки серій плавок, що дозволяє забезпечити практично стабільний вміст алюмінію в готовому металі. Встановлено раціональний режим введення алюмінію для умов трьосекційного промковша з фільтруючими перегородками.

Практичне значення отриманих результатів. Результати теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних в дисертаційній роботі, використані на металургійному комбінаті “Азовсталь” в процесі розробки рекомендацій до технологічного режиму обробки сталі мікролегуючими добавками в промковші і вдосконаленні його конструкції.

На основі виконаних в дисертації досліджень із застосуванням гідравлічного моделювання встановлені характеристики поля швидкостей металу в ПК з фільтруючими перегородками. Отримані результати дозволили уточнити значення коефіцієнта тепловіддачі від рідкої сталі до поверхні алюмінієвої катанки, що вводиться в приймальну секцію ПК і визначити раціональну швидкість введення її в ПК.

Результати проведеного дослідження процесів вторинного окислення металу в ПК і дослідження структури потоків в ПК використані у процесі розробки раціонального режиму додаткового введення алюмінієвої катанки в ПК для стабілізації вмісту алюмінію в металі при відливанні серії плавок.

Результати математичного моделювання процесів рафінування сталі від НВ при її проходженні через ПК використані для вдосконалення конструкції ПК і фільтруючих перегородок.

Впровадження результатів дисертаційної роботи забезпечило зниження кількості відсортованих плавок низьколегованої сталі за нижньою межою вмісту алюмінію в 2 рази. Пайовий економічний ефект становив 60 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Автором виконані дослідження поля швидкостей і структури потоків з використанням фізичної моделі ПК. На основі їх результатів розроблені основні положення математичної моделі коагуляції і видалення НВ у процесі безперервно розливки, розроблені програми для ЕОМ і виконаний аналіз зміни розподілу НВ за розмірами в ході безперервної розливки в залежності від конструктивних параметрів ПК і фільтруючих перегородок. Отримані результати підтверджені промисловими експериментами. Крім того, на основі аналізу гідродинамічних процесів в ПК і інтенсивності процесів вторинного окислення в ході розливки серії плавок оцінена величина добавки алюмінію, необхідної для стабілізації його вмісту в сталі, уточнені значення коефіцієнта тепловіддачі від рідкої сталі до поверхні алюмінієвої катанки, що вводиться в приймальну секцію і раціональної швидкості її введення. Режим введення алюмінію в ПК впроваджений в промислових умовах конвертерного цеху МК “Азовсталь”.

Випробування результатів дисертації. Основний зміст дисертаціоній роботи докладався і обговорювався на X міжнар. конф. “Сучасні проблеми електрометалургії сталі" (Челябінськ, 1998 р.), VI, VII і VIII регіональних науково-технічних конференціях (Маріуполь, ПГТУ, 1998-2000г. г.), науково-технічній конференції, присвяченій 100-річчю ДМетАУ (Дніпропетровськ, 1999 р.), конференції молодих фахівців МК “Азовсталь", міжнародній науково-технічній конференції присвяченій 90-річчю з дня народження професора Володимира Івановича Явойського (15-19 травня 2000 р.), наукових семінарах кафедри теорії металургійних процесів ПГТУ.

Публікації. Основний зміст роботи відображений в чотирьох статтях і тезах 5 доповідей.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, посилань з 108 найменувань, додатку і містить 184 сторінок машинописного тексту, 35 малюнків і 23 таблиці.

2. Зміст роботи

1. Рафінування і мікролегування сталі в проміжному ковші

В останні роки промковш УНРС все більше перетворюється в металургійний агрегат безперервної дії, призначений для додаткового позапічного рафінування сталі і підвищення її якості. Застосування багатосекційних проміжних ковшів з системою перегородок і порогів різноманітної конструкції в поєднанні з продуванням аргоном і модифікацією неметалічних включень кальцієм або РЗМ сприяють отриманню надчистою сталі.

Способи і результати рішення задач рафінування сталі в ПК значною мірою залежать від гідродинамічних процесів в ньому, регульованих в основному конструкцією і місцем установки перегородок і порогів, а також фільтрів. Однак пряме дослідження гідродінаміки безперервної розливки практично неможливе, тому вибір раціональної конструкції ПК ґрунтується загалом на результатах моделювання (фізичного або математичного).

Незважаючи на наближений характер фізичного моделювання, його результати представляють значний інтерес як для розробки раціональної конструкції ПК, так і для оцінки адекватності результатів математичного моделювання. У зв'язку з цим найбільш привабливими є методи імпульсного введення індикатора і візуалізації турбулентної течії, що допускають використання результатів моделювання безпосередньо для проектування технології. На основі результатів фізичного моделювання вдалося уточнити місце установки перегородок в ПК і оцінити раціональний кут нахилу отворів у фільтруючих перегородках.

Опубліковано цілий ряд робіт, що стосуються математичного моделювання безперервної розливки. Однак їх очевидним загальним недоліком є складність програмування і рішення диференціальних рівнянь гідродинаміки, що обмежує можливість вживання результатів моделювання до технічних задач. Для опису структури потоків в ПК застосовуються і більш прості комбіновані осередкові моделі, що засновуються на уявленнях про ідеалізовані осередки ідеального змішення, ідеального витіснення і “мертві” зони. Оцінка параметрів осередків проводиться за кривими відгуку, що отримуються на водяних моделях, при імпульсному введенні індикатора. Незважаючи на те, що ці моделі є переважно статистичними, їх застосування для чисто інженерних цілей є не менш (а іноді і більш) продуктивним, ніж застосування складних математичних моделей, заснованих на теорії турбулентності. Однак для ПК з фільтруючими перегородками відомі лише одиничні напівкількісні дослідження, що стосуються опису структури потоків в ПК або його розливної секції.

Перемішування розплаву в проміжному ковші має значний вплив на укрупнення і видалення включень, забезпечуючи перенесення включень до поверхні розділу метал-шлак і їх укрупнення. Загальноприйнятою є точка зору, що основним механізмом видалення неметалічних включень з розплаву є їх укрупнення внаслідок злиття більш дрібних часток з подальшим спливанням до межі розділу метал-шлак. Кількісний опис процесу укрупнення НВ ґрунтується на уявленнях про ортокінетичну коагуляцію. Сильний вплив процесів коагуляції на очищення сталі від НВ і в ПК з фільтруючими перегородками підтверджується в багатьох роботах, однак кількісні оцінки, що стосуються відносного впливу процесів коагуляції і спливання НВ в шлак на результати рафінування сталі в ПК, практично відсутні.

Велика увага приділяється процесам вторинного окислення, що протікають в промковші. Вторичне окислення помітно впливає як на чистоту металу за НВ, так і на хімічний склад сталі. Для стабілізації хімічного складу сталі широко застосовується введення алюмінію в промковш (порошковим дротом або катанкою). Використання ПК з фільтруючими перегородками внаслідок високої ефективності рафінування значною мірою знімає проблему видалення НВ, утворення яких можливе в приймальній секції ПК при введенні алюмінію. Рівномірність розподілу в ПК з перегородками також досягається, але з метою економії алюмінію і стабілізації його вмісту у вузьких межах режим його введення в ПК повинен бути пов'язаний як з інтенсивністю процесів вторинного окислення, так і з температурно-швидкісним режимом розливки.

2. Фізичне і математичне моделювання поля швидкостей і структури потоків в проміжному ковші

Основні характеристики руху розплаву і структури потоків в промковші можна встановити, використовуючи гідравлічне моделювання на прозорих моделях. При виборі масштабу моделі, досить забезпечити умову автомодельності за числом Рейнольдса. При цьому масштаб швидкостей визначається за критерієм Фруда. Достатня подібність гідравлічних процесів в реальному ПК і водяної моделі забезпечується при лінійному масштабі М ₌ 1/6, який і був прийнятий при виготовленні гідравлічної моделі ПК дворівчакової слябової МБЛЗ місткістю 43 т з фільтруючими перегородками.

Для дослідження поля швидкостей в промковші і виявлення застійних зон використовувався метод фотознімання візуалізованого турбулентного потоку. Візуалізація течії досягалася введенням в потік контрастної фарбувальної речовини. Напрям течії і швидкість рідини визначалися за переміщенням межі підфарбованої рідини.

На мал. 1 наведений зразок фотограми, отриманої при введенні контрастної фарбувальної речовини в три ряди каналів, розташованих в роздільній перегородці.

Для дослідження структури потоків використана та ж фізична модель, що і при дослідженні поля швидкостей методом візуалізації потоків. Моделюючою рідиною була водопровідна вода, а індикатором - водний розчин соляної кислоти. Концентрація індикатора у воді визначалася кондуктометричним методом Градуювання системи вимірювання опору датчика проводилося за серією розчинів НCl.

Для аналізу структури потоків і дослідження процесів перенесення в ПК використана однопараметрична модель із зворотним перемішуванням, що описується рівнянням:

(1)

де С - концентрація індикатора; ф - час; D_eff - ефективний коефіцієнт дифузії (коефіцієнт зворотного перемішування); w - середня швидкість потоку з розрахунку на весь поперечний перетин ПК; х - подовжня координата.

Початкові і граничні умови визначалися для імпульсного введення індикатора:

С(ф = 0, х) = С_нач* д(0)

(д(0) дельта-функція; С_нач - початкова концентрація); при х=0 ; при х=L (С_вх - концентрація індикатора у вхідному потоку).

Для аналізу зворотного перемішування в промковші без перегородок були проведені дві серії експериментів: з імпульсним введенням індикатора під струмину, що поступає в модель ПК, і з введенням індикатора в центральний вертикальний ряд отворів перегородки.

Експерименти проводилися при постійній швидкості розливки, що відповідала натурі в промислових умовах безперервної розливки. Середнє значення числа Пекле для ПК без перегородок становило - 8,5; для розливної секції ПК з фільтруючими перегородками - 3,6.

Адекватність отриманих значень Pe (Deff) перевірялася шляхом зіставлення результатів чисельного рішення рівняння (1) для відповідних умов і експериментальних кривих відгуку.

3. Математичне моделювання і дослідження процесів рафінування сталі від неметалевих включень

Використання ПК з фільтруючими перегородками є одним із способів зниження забрудненності сталі НВ. Процеси рафінування в таких ковшах ґрунтуються на коагуляції НВ за рахунок турбулентної течії металу в робочому просторі фільтрів і подальшому видаленні укрупнених включень.

Основою для кількісного опису процесів коагуляції і видалення НВ з урахуванням розподілу їх за розмірами може служити балансове інтегро-диференціальне рівняння:

, (2)

де f(v,?ц ) - щільність розподілу кількості включень за об'ємом, K(ц, v-ц) і K(ц, v) - константи швидкості коагуляції, v - об'єм НВ, час, S_уд - швидкість видалення включень.

Повнота видалення великих НВ в промковші дозволяє обмежити верхню межу інтегрування в рівнянні (2) об'ємом включень діаметром 120-150 мкм. Крім того, промковш МБЛЗ - проточна місткість, що працює в умовах, близьких до стаціонарних.

Застосовно до проточного осередку ідеального змішення і при використанні кусково-лінійного (або кусково-постійного уявлення) рівняння (2) зводиться до системи алгебраїчних рівнянь:

, i =1,…., N; (3)

де - значення щільності розподілу НВ за розмірами у вхідному потоці для фракції з об'ємом часток ; i - індекс фракції; N - число фракцій; u - швидкість спливання часток i-й фракції; S - поверхня розділу метал-шлак для осередку, що розглядається; R-швидкість розливки; ? - щільність металу; - середній час перебування металу в осередку, ; G - маса металу в секції.

Для характеристики розподілу НВ за розмірами найбільш зручна нормована щільність розподілу, що визначається умовами і ( - число включень з розмірами, що знаходяться в інтервалі ; N₀ - загальне число включень з розрахунку на одиницю об'єму металу).

При використанні відносної функції розподілу і з урахуванням скорочення чисельника і знаменника на N₀ при виведенні (3) константи швидкості коагуляції K(v₁, v₂) розраховувалися за рівнянням:

, (4)

де d_v1, d_v2 - діаметри включень об'ємом v₁ і v₂ відповідно; - питома швидкість дисіпації турбулентної кінетичної енергії; - кінематична в'язкість; - ефективність зіткнень; С - постійна, рівна 4/3.

Для вільної струмини середнє значення питомої дисіпації енергії оцінювалося за рівнянням:

, (5)

де I - імпульс вільного струменя; с ?- щільність металу; Н - довжина вільної струмини; V - об'єм розплаву.

У рівняння системи (3) входить безразмерний твір або, що більш зручно для алгебраїчних перетворень, , яке може бути зведене до форми, що залежить лише від перетину отворів джерела і довжини струмини, але не від об'єму агрегату (зони):

, (6)

де: , N_ОТВ - число отворів; S_общ - загальний перетин отворів.

Процеси коагуляції (і одночасно видалення НВ в шлак) в приймальній секції для стаціонарних умов розливки безпосередньо описуються системою рівнянь (3). Однак для розливної секції ПК картина течії і математичний опис процесів рафінування складніше. Спрощено можна розділити стадії коагуляції і рафінування, і один рівчак трехсекційного промковша представити комбінованою моделлю, яка включає:

осередок ідеального змішення з коагуляцією і видаленням НВ, що характеризує приймальну секцію ПК;

осередок ідеального змішення з коагуляцією НВ, що характеризує область вільної струмини в розливній секції ПК;

зону видалення НВ в розливній секції зі структурою потоків, близькою до моделі ідеального витіснення.

Промковш без перегородок представляється аналогічною моделлю.

Видалення НВ в розливній секції при умовах, близьких до стаціонарних (), описувалося на основі двухпараметричної моделі зі зворотним перемішуванням:

, (7)

де u_i - швидкість спливання i-й фракції НВ; D_x, D_y- ефективні коефіцієнти турбулентної дифузії; w - осереднена швидкість течії рідини в перетині ПК; c_i - концентрація НВ i-й фракції.

Достоїнством моделі зі зворотним перемішуванням є можливість оцінки параметрів перенесення D_X і частково D_Y по кривих відгуку моделі ПК або реального ПК на обурення за потоком (імпульсне або ступінчасте). У першому наближенні D_X=D_Y=D_eff).

Граничні умови для рішення (7) приймалися такими:

на лівій межі; на правій межі ; на нижній межі ; на верхній межі .

Розроблена модель дозволяє прослідкувати вплив основних конструктивних параметрів перегородки з каналами на рафінування металу.

При невеликому куті нахилу каналів довжину вільної частини струмину для області коагуляції можна прийняти рівною довжині розливної секції, тому що варіювання кута нахилу каналів в межах 0… 20⁰ слабо впливає на максимальну довжину струмину. Перетин каналів перегородки зручно охарактеризувати відносною величиною ( - відносний сумарний перетин каналів; - площа перетину ПК по перегородці; - сумарна площа перетину каналів).

Для розрахунків впливу конструктивних параметрів фільтруючих перегородок на процеси коагуляції і рафінування сталі від НВ брався логнормальный закон розподілу НВ за розмірами. Збільшення числа отворів (при збереженні постійним їх сумарного перетину) призводить до зниження загальної забрудненності металу НВ. У цьому ж напрямі, але трохи слабше впливає зниження сумарного перетину каналів в перегородці (чим менше сумарний перетин, тим сильніше розвиваються процеси коагуляції). При постійному сумарному відносному перетині отворів S_отн=0,1 збільшення числа отворів з 3 до 9 призводить до зниження розрахункового залишкового вмісту великих і середніх НВ діаметром понад 14 мкм на 76 %. Зниження сумарного перетину отворів в 4 рази (з S_отн=0,2 до S_отн=0,05) при постійному їх числі (в розрахунку 9) призводить до зниження розрахункового залишкового вмісту середніх і великих НВ на 49 %.

Однак отримані результати адекватні лише для відносно великих отворів в перегородці (діаметром 50-100 мм), так як при подальшому зниженні діаметра одиничного отвору буде зменшуватися і довжина вільної струмини, і в рівнянні (6) доведеться враховувати залежність Н=Н(S_отн). Орієнтовно довжина вільної струмини, в якій досить інтенсивно протікають процеси коагуляції, не перевищує 10-20 діаметрів одиничного отвору (тобто 1…2 метрів).

Дослідно-промислова перевірка результатів фізичного і математичного моделювання процесів рафінування в ході розливки через ПК з фільтруючими перегородками проводилася в промислових умовах конвертерного цеху металургійного комбінату “Азовсталь".

Розливка здійснювалася на дворівчаковій слябовій МБЛЗ, при цьому фільтруюча перегородка встановлювалася лише на один з рівчаків (другий- порівняльний).

Найбільш помітний вплив установка фільтруючих перегородок має на забрудненність металу оксидными включеннями (середній бал з оксидних включень знижується в 2,67 рази, з силікатних в 2,11…2,54 рази). Оцінку забрудненності на пробах, відібраних від листового прокату, проводили металографічним методом Ш по ГОСТ 1778-70 порівнянним за п'ятибальною еталоною шкалою в процесі перегляду всієї площі нетравлених шліфів. Кількісний підрахунок змісту НВ проводився методом індексів (метод “Л" по ГОСТ 1778-70).

Вплив параметрів фільтруючої системи на ефективність рафінування досліджувався на плавках низьколегованих марок сталі 17Г1СУ і 09Г2С. В міру зменшення сумарного перетину отворів в перегородці ефективність рафінування спочатку збільшується (при переході від звичайної переточної системи до фільтруючої перегородки), а потім залишається практично постійною (при переході від трьохрядної до дворядної схеми розташування отворів постійного перетину).

При дослідженні механічних властивостей різних марок сталі, відлитої із застосуванням фільтруючих перегородок, встановлено, що стійкі показники сталі всіх марок за рахунок підвищення ефективності рафінування від НВ в промковші практично не змінюються. Показники ударної в'язкості як вуглецевих, так і низьколегованих сталей помітно зростають (для сталі 09Г2С КСU-₆₀ зростає на 29%, для сталі 17Г1СУ КСU-₄₀ зростає на 14%, для Ст3 КСU+₂₀ зростає на 18%). Отримане зниження забрудненності сталі НВ дозволяє зменшити більш ніж в 2 рази об'єм вирізки на листах з дефектами.

4. Дослідження процесів вторинного окислення і дорозкислення металу в промковші

Практично для всіх марок вуглецевої і низьколегованої сталі, що виплавляються в кисневих конвертерах (Ст3сп, 09Г2ФБ, 13Г1СУ, 17Г1СУ і інш.), вміст алюмінію в готовій сталі повинен знаходитися в межах 0,02…0,05%. Однак в ході розливки плавки відбувається зниження вмісту алюмінію, і метал перших метрів безперервнолитої заготовки з чергової плавки може не відповідати марочним вимогам. Втрати алюмінію на початку розливки 5-6 плавки в серії можуть перевищувати 0,03%. Середнє значення вмісту алюмінію в пробах зі стальковша після обробки на УДМ для групи дослідних плавок становило 0,054 %, в пробах, відібраних з кристалізатора на початку розливки 0,029 %, в середині розливки 0,039 %, в кінці розливки 0,035 %, тобто в наявним є збільшення втрат алюмінію на початку розливки приблизно на 0,01 %.

Різке збільшення втрат алюмінію на початку розливки можна віднести, зокрема, за рахунок взаємодії з киснем повітря у процесі установки захисної труби і взаємодії з емульгованим в металі ковшевим шлаком, що попадає в промковш в кінці розливки плавки. Обидві ці причини призводять до різкого, хоч і нетривалого зниження концентрації алюмінію у вхідному потоці.

Стабілізація вмісту алюмінію в сталі у вузьких межах вимагає її додаткової обробки (зокрема, введення в промковш алюмінію у вигляді катанки або порошкового дроту). Найбільш раціональним є введення невеликої кількості алюмінію на початку розливки останніх плавок в серії (починаючи з 3…4 плавки).

Для оцінки кількості алюмінію, що вводиться в промковш з метою компенсації його окислення і стабілізації концентрації у вихідному потоці, використана математична модель структури потоків в ПК.

Зміна в часі вмісту алюмінію в металі приймальної секції в рамках моделі ідеального змішення описується одним звичайним диференціальним рівнянням:

, (8)

де [Al]_ВХ - концентрація алюмінію в металі на вході ПК; [Al]₁ - концентрація алюмінію на виході приймальної секції; - середній час перебування металу в приймальній секції; ; G - місткість приймальної секції; R - масова швидкість розливки; [Al]_ДОП - додаткова концентрація алюмінію у вхідному потоку за рахунок введення катанки, % мас., яка розраховувалася за формулою ; w - швидкість введення катанки, м/с; g - її лінійна маса, кг/м; - міра засвоєння алюмінію, % (для розрахунку на математичній моделі ПК дорівнювала 70 %).

Для розливної секції можна використати однопараметричну модель із зворотним перемішуванням:

, (9)

де w - осереднена за поперечним перетином ПК швидкість руху рідини; D_eff - ефективний коефіцієнт турбулентної дифузії; [Al] - концентрація алюмінію, % мас.

На вході розливної секції ПК (тобто біля перегородки) . При інтегруванні рівнянь (8)-(9) можна взяти [Al]_ВХ=0,03 % (крім 1-4 мін_. на початку розливки чергової плавки, коли [Al]_ВХ~0 %), враховуючи отримані внаслідок статистичного аналізу оцінки інтенсивності вторинного окислення алюмінію в стальковші і струмині, що поступає в ПК, за винятком декількох хвилин на початку розливки чергової плавки в серії. На виході розливної секції ПК . Умови перемішування в ній характеризуються одним параметром - числом Пекле .

Втрати алюмінію, які необхідно скомпенсувати за рахунок додаткового введення алюмінію в приймальну секцію ПК на початку розливки плавки, можна оцінити за рівнянням:

(10)

де - середня концентрація алюмінію на виході розливної секції; - поточна концентрація, що залежить від часу; ф_разл - час розливки плавки. Встановлено, що чим вище максимальне зниження концентрації [Al] на виході ПК, тим вище і сумарні втрати алюмінію.

Розрахована за теплофизичною математичною моделлю залежність оптимальної швидкості введення монолітної алюмінієвої катанки від її діаметра і перегріву металу має вигляд (для поперечного обтікання дроту конвективними потоками; числове значення отримане для L_ПРОВ = h_ПК):

, (11)

де Т - перегрів металу в ПК (К), d - діаметр катанки(мм).

Звичайно катанку (або порошковий дріт) вводять у промковш під кутом 40-70⁰ до вертикалі, що помітно збільшує довжину навантаженої частини і, отже, оптимальну швидкість введення. При вертикальному введенні оптимальна швидкість введення алюмінієвої катанки діаметром 10…12 мм знаходиться в межах 0,10…0,12 м/с, при похилому введенні в межах 0,30…0,36 м/с. При виборі режиму введення потрібно враховувати, що міра засвоєння добавок, що вводяться в приймальну секцію ПК в досить широкому інтервалі варіювання швидкості введення практично не залежить від неї, що дає можливість легко погоджувати швидкість подачі алюмінію і швидкість розливки за рахунок варіювання в раціональних межах швидкості і кута введення катанки.

5. Результати промислового випробовування коректування вмісту алюмінію в сталі шляхом введення алюмінієвої катанки в промковш

Випробовування режимів обробки сталі в промковші монолітною алюмінієвою катанкою здійснювалося в промислових умовах конверторного цеху МК “Азовсталь". Об'єктом дослідження були низьколеговані і вуглецеві конструкційні марки сталі - 13ГС, 13Г1СУ, 17Г1СУ, 09Г2ФБ, 10Г2ФБ, Ст3сп і інш.

Повне перенесення введення Al з СК в ПК нераціональне, оскільки обмежена гранична величина підвищення вмісту Al в металі за рахунок введення катанки. Найкращі результати за стабілізації вмісту алюмінієм забезпечує введення алюмінієвої катанки діаметром 10…12 мм на початку розливки останніх плавок в серії.

Введення алюмінієвої катанки в ПК проводилося трайбаппаратом з швидкістю 0.10...0.30 м/с, якщо вміст Al в пробі з СК після завершення позапічній обробки не перевищував 0.035%. Зміни макроструктуры металу, його механічних властивостей і забрудненності осьової зони неметалічними включеннями не виявлено.

Вміст алюмінію в перших метрах слябів, відлитих з введенням катанки на початку розливки чергової плавки, стабільний і цілком відповідає технічним вимогам (0,02<[Al]<0,05 %). Результати оцінки оптимального інтервалу швидкості введення монолітної алюмінієвої катанки з урахуванням обмежень за граничною величиною приросту концентрації елемента в умовах введення в промковш, використані в процесі розробки технологічних рекомендацій з обробки сталі мікролегуючими добавками в промковші (РТП 232-54-97, РТП 232-46-98) і випробувані на всьому обсязі виробництва низьколегованих марок сталі.

За рахунок використання рекомендацій з введення алюмінію в ПК знижена частота перепризначення плавок якісних низьколегованих марок сталі на сталь звичайної якості, що дозволило скоротити в два рази відсортування плавок з невідповідності вмісту алюмінію нижній марочній межі. Пайовий економічний ефект від оптимізації режимів розкислення і легування сталі алюмінієм в промковше в умовах ОАО МК “Азовсталь" становив 60 тис. грн.

Висновки

У дисертації приведене теоретичне узагальнення і нове рішення наукової задачі підвищення якості безперервнолитого металу за рахунок рафінування від НВ в секціонованих ПК з фільтруючими перегородками раціональної конструкції і додаткового розкислення сталі в ПК алюмінієм з метою стабілізації її хімічного складу.

На основі дослідження поля швидкостей методом візуалізації потоків в гідравлічній моделі трьохсекційного проміжного ковша з фільтруючими перегородками встановлено, що як в приймальній секції, так і в розливній секції існує розвинена циркуляція рідини. Задовільний опис структури потоків в розливній секції трьохсекційного промковша з фільтруючими перегородками або робочому просторі промковша без перегородок досягається при використанні моделі зі зворотним перемішуванням.

Встановлено, що при аналізі впливу умов перемішування сталі в ПК на ступінь видалення НВ необхідно обов'язково враховувати процеси їх коагуляції як в приймальній, так і розливній секціях.

Розроблена система рівнянь, що описує процеси коагуляції неметалічних включень в рамках осередкової моделі структури потоків в промковші, зручна для рішення на ЕОМ, і сформульована комбінована математична модель коагуляції і видалення неметалічних включень для умов промковша слябової МБЛЗ. За результатами розрахунків на моделі встановлено, що за рахунок процесів коагуляції зменшується частка дрібних і частково середніх НВ, а також збільшується частка великих НВ. Забрудненність металу НВ всіх розмірних груп знижується і за рахунок видалення великих НВ в шлак, і за рахунок зменшення загальної кількості НВ. Крім того, встановлено, що як зменшення сумарного перетину каналів в фільтруючих перегородках, так і зменшення перетину одного отвору (при збереженні постійним сумарного перетину) призводить до поліпшення рафінування сталі. Результати моделювання підтверджені результатами аналізу забрудненності НВ сталі різних марок в промислових умовах при використанні промковшів з фільтруючими перегородками різноманітної конструкції.

Використання промковшів з фільтруючими перегородками забезпечує поліпшення механічних властивостей прокату, отриманого з непреривнолітих слябов. Показники ударної в'язкості як вуглецевих, так і низьколегованих сталей помітно зростають (на 18-29%). Зниження забрудненності стали НВ дозволяє зменшити більш ніж в 2 рази об'єм вирізки на листах з дефектами.

Встановлено, що в процесі безперервної розливки методом “плавка на плавку” зниження вмісту алюмінію в рідкій сталі відбувається нерівномірно як за ходом розливки однієї плавки, так і від плавки до плавки в серії. На початку розливки другої і подальших плавок в серії інтенсивність вторинного окислення помітно збільшується.

Визначена раціональна швидкість введення алюмінієвої катанки в ПК, при якій її повне розплавлення відбувається у дна ПК. Раціональна швидкість залежить від діаметра катанки і перегріву металу в промковше і для катанки діаметром 10…12 мм становить 0,10…0,12 м/с при вертикальному введенні катанки і 0,30…0,36 м/с при похилому введенні під кутом 40..70⁰ до горизонталі.

На основі розрахунків з використанням математичної моделі відгуку промковша на ступінчасте обурення у вхідному потоці оцінені сумарні втрати алюмінію на початку розливки чергової плавки в серії. Для компенсації окислення алюмінію і стабілізації його концентрації у вихідному потоці необхідно проводити додаткове введення алюмінію на четвертій і подальших плавках в серії в кількості 6…11 кг зі збільшенням в міру збільшення номера плавки. Введення алюмінієвої катанки діаметром 10…12 мм необхідно проводити на початку розливки плавки зі швидкістю 0,10…0,30 м/с.

Випробувана в промисловому масштабі технологія стабілізації вмісту алюмінію в сталі за рахунок введення алюмінієвої катанки в промковш МБЛЗ у процесі безперервної розливки. Встановлено, що середня ступінь засвоєння алюмінію при введенні алюмінієвої катанки в промковш знаходиться в межах 65…70 %. Алюміній, що вводиться, рівномірно розподіляється як по довжині і перетину сляба, так і по рівчаках МБЛЗ. Впровадження розробленої технології коректування вмісту алюмінію в промковші МБЛЗ свідчить про зниження в два рази відсортування металу через невідповідність вмісту алюмінію марочному складу за нижньою межою.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Аникаева А.А., Казачков Е.А., Чичкарев Е.А. Оценка термодинамических параметров взаимодействия для условий раскисления жидкого железа алюминием // Теория и практика металлургии. - 1999. - № 5. - С. 32-33.

2. Аникаева А.А., Казачков Е.А. Исследование характеристик потоков металла в модернизированном промежуточном ковше // Теория и практика металлургии. - 1999. - № 6. - С. 21-23.

3. Аникаева А.А., Казачков Е.А. Рафинирование металла от неметаллических включений в промковше слябовой МБЛЗ // Вестник Приазовского государственного технического университета. - 1999. - № 8. - С. 60-64.

4. Аникаева А.А., Казачков Е.А. Математическое моделирование коагуляции и удаления неметаллических включений в промковше слябовой МБЛЗ // Вестник Приазовского государственного технического университета. - 2000. - № 9. - С. 49-54.

5. Казачков Е.А., Аникаева А.А., Чичкарев Е.А. Удаление неметаллических включений в промежуточном ковше МБЛЗ // Производство стали в ХХІ веке. Прогноз, процессы, технологии, экология. (Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения профессора Владимира Ивановича Явойского, 15-19 мая 2000 г.) - Киев, Днепродзержинск, 2000. - С. 283-287.

6. Чичкарев Е.А., Аникаева А.А., Казачков Е.А. Особенности обработки стали в промежуточном ковше МБЛЗ порошковой проволокой // Тезисы Х международной научной конференции "Современные проблемы электрометаллургии стали" - Челябинск. - сентябрь 1998.

7. Аникаева А.А., Чичкарев Е.А., Полозюк О.Е. Рафинирование стали в промежуточном ковше МБЛЗ // Тезисы докладов научно-технической конференции молодых специалистов "Азовсталь-99" - Мариуполь. - апрель 1999. - С. 25.

8. Аникаева А.А., Казачков Е.А. Моделирование гидродинамики металла в промковше МБЛЗ // Тезисы докладов научно-технической конференции по теории и практике сталеплавильного производства, посвященной 100-летию со дня рождения ученого-металлурга профессора Казанцева И.Г. - Мариуполь. - сентябрь 1999. - С. 52.

9. Казачков Е.А., Аникаева А.А. Исследование структуры потоков в промежуточном ковше // Тезисы докладов VII региональной научно-технической конференции, посвященной 70-летию Приазовского государственного технического университета. - Мариуполь. - апрель 2000. - С. 116.

Размещено на Allbest.ru

...