Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Приазовський державний технічний університет

Спеціальність 05.16.02 - Металургія чорних металів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення режимів введення кальцію при позапічній обробці низькосірчистої киснево-конвертерної сталі

Рудакова Світлана Григорівна

Маріуполь, 2005

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ) Міністерства освіти й науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки України Казачков Євген Олександрович, завідувач кафедри “Теорія металургійних процесів”, Приазовський державний технічний університет, м. Маріуполь.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Скребцов Олександр Михайлович, кафедра технології та комп'ютеризації ливарного виробництва, Приазовський державний технічний університет, м. Маріуполь.

кандидат технічних наук, провідний науковий співробітник Бєлов Борис Федорович, Інститут проблем матеріалознавства НАН України, м. Київ.

Провідна організація:Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ПДТУ за адресою: 87500, м. Маріуполь, вул. Апатова, 115.

Учений секретар Спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, професор В.О. Маслов



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дана робота присвячена оптимізації на основі фізичного й математичного моделювання процесів обробки низьколегованих марок сталі кальцієм на установці доведення металу (УДМ) у сталерозливному ковші (СК).

Актуальність теми. Широко застосовуване введення кальцію в СК на УДМ за допомогою порошкового дроту (ПД) або вдування силікокальцію в багатьох випадках вимагає значної витрати кальцієвмісних сплавів для забезпечення необхідної концентрації кальцію й сірки в готовій сталі.

Для оптимізації режимів уведення сплавів кальцію в СК широко застосовуються методи математичного моделювання. Однак при цьому враховуються переважно теплові й почасти гідродинамічні процеси в ковші. У той же час, значну роль у процесах взаємодії кальцію з рідким розплавом відіграють реакції на межі розділу металу з пузирями пари, у яких беруть участь розчинені в сталі сірка й кисень. Проте відомі лише поодинокі кількісні оцінки кінетики процесів масообміну в ковші.

Нарешті, ефективність обробки кальцієм залежить від хімічного складу металу. Можливість утворення легкоплавких алюмінатів кальцію, що забезпечують поліпшення розливання, залежить не тільки від часто застосовуваного співвідношення [Ca]/[Al], але й від умов окислености металу й вмісту в ньому сірки.

Таким чином, оптимізація режимів уведення кальцієвмісних сплавів на основі термодинамічного й кінетичного аналізу умов розкислення й модифікування, а також математичного моделювання процесів масообміну, є актуальним науково-технічним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках науково-технічної розробки 05.05/01012 Міністерства науки України “Комплексна технологія одержання особливо чистих бесперервнолитих сталей шляхом рафінування й мікролегування порошковими хімічно активними реагентами”.

Мета й завдання дослідження. Мета роботи - розробка технологічних заходів щодо зниження питомої витрати силікокальцію й стабілізації залишкового вмісту кальцію в готовій сталі в заданих межах за рахунок оптимізації режимів позапічної обробки сталі на основі комплексного дослідження процесів, що протікають у сталерозливальному ковші при позапічній обробці.

При цьому були поставлені й вирішені такі завдання:

- розробка фізичної й математичної моделі циркуляційної течії стосовно до умов обробки сталі кальцієм;

- розробка методики розрахунку інтенсивності масообміну на межі розділу крапель силікокальцію й пузирів пари кальцію з рідкою сталлю в умовах барботажного перемішування в сталерозливальному ковші;

- розробка математичної моделі плавлення ПД і засвоєння її наповнювача в сталерозливальному ковші, яка враховує розчинення оболонки в розплаві наповнювача й можливість розплавлювання наповнювача не при постійній температурі плавлення, а в інтервалі температур;

- оцінка оптимальної швидкості введення ПД у рідку сталь залежно від параметрів самої ПД, температури й хімічного складу металу;

- проведення статистичного дослідження процесів засвоєння кальцію й десульфурації сталі при обробці кальцієм стосовно до умов вдування порошкового силікокальцію й уведення ПД;

- на основі отриманих результатів розробка й промислове випробування раціональних режимів позапічної обробки, що забезпечують поліпшення техніко-економічних показників виробництва сталі.

Об'єкт дослідження - процеси, що протікають при позапічній обробці сталі в сталерозливальному ковші.

Предмет дослідження - гідродинамічні, тепломасообмінні й фізико-хімічні процеси в сталерозливальному ковші при обробці сталі кальцієм.

Основні методи дослідження в представленій роботі - фізичне моделювання й математичне моделювання, експериментальні дослідження у виробничих умовах (350-т ковші з рідкою сталлю різних марок). Розрахунки за математичними моделями проводилися на базі спеціально розробленого програмного забезпечення з використанням чисельних методів. Обробка даних масивів промислових плавок проводилася з використанням методів математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів.

- Розроблено й підтверджено результатами фізичного моделювання методику розрахунку середнього циркуляційного потоку металу в умовах вдування силікокальцію, яка враховує збільшення об'ємної частки газових пузирів у барботажній зоні зі зростанням інтенсивності обробки, а також додаткове перемішування металу спливаючими пузирями пари кальцію.

- Запропоновано методику розрахунку інтенсивності масообміну в об'ємі ковша й на межі розділу “краплі розплаву силікокальцію - рідка сталь” і “пузирі пари кальцію - рідка сталь” для умов обробки сталі сплавами кальцію при різних способах їх уведення, що враховує перемішування розплаву спливаючими пузирями пари і газом-носієм. Розрахунковим шляхом установлено помітний вплив інтенсивності перемішування рідкої сталі пузирями пари введеного кальцію на ступінь його засвоєння й використання, а також співвідношення часток кальцію, засвоюваного з пузирів його пари і рідких крапель силікокальцію, яке для промислових марок силікокальцію не перевишує 4:1.

- На підставі математичного моделювання процесу плавлення порошкового дроту встановлено, що розчинення її оболонки в розплаві наповнювача й розплавлювання наповнювача в інтервалі температур у сумі змінюють розрахунковий час розплавлювання ПД на 15...20%.

- На підставі розробленої методики розрахунку інтенсивності масообміну в умовах обробки сталі кальцієм і результатів моделювання кінетики плавлення порошкового дроту встановлено, що інтенсивність барботажного перемішування рідкого металу парами кальцію істотно позначається на ефективності обробки тільки при високих швидкостях уведення ПД. При низьких швидкостях уведення ПД основним фактором, що впливає на засвоєння й використання кальцію, є глибина проникнення ПД у розплав.

- На підставі статистичного аналізу промислових плавок установлено, що загальний вміст кальцію в металі пов'язаний із залишковим вмістом сірки. При цьому стійке підвищення вмісту кальцію в готовому прокаті до рівня 0,003...0,004% і вище можливе тільки за рахунок глибокої десульфураціи до рівня [S]<0,007%.

- Розрахунковим шляхом установлено нелінійний характер взаємозв'язку температури розплаву в ковші й оптимальної швидкості введення ПД. На підставі розроблених математичних моделей, методів розрахунку й результатів обробки експериментальних даних запропоновано номограму, що визначає оптимальну витрату й швидкість уведення ПД із силікокальцієм залежно від температури, хімічного складу металу й цілей обробки.

Практичне значення отриманих результатів

Математична модель плавлення порошкового дроту й методика розрахунку ступеня засвоєння кальцію використана при розробці раціональних режимів позапічної обробки сталі на УДМ, що забезпечують зниження витрати кальцієвмісних сплавів при збереженні стабільного розливання сталі й заданого загального вмісту кальцію.

Отримані результати використані при розробці технологічних рекомендацій що до вдосконалювання позапічної обробки низьколегованих марок сталі, які дозволили стабілізувати ступінь засвоєння й залишковий вміст кальцію при різних способах уведення. Результати, отримані здобувачем, у перспективі дозволять знизити витрати кальцію при позапічній обробці на 5...10%.

Очікуваний економічний ефект від упровадження рекомендацій з удосконалювання технології обробки сталі кальцієм у сталерозливальному ковші при коректуванні її хімічного складу становить 84347 грн.

Особистий внесок здобувача. Автором виконано аналіз кінетики процесів масообміну при продувці сталі в ковші інертним газом і її барботажному перемішуванні пузирями пари кальцію, на цій основі запропонований метод розрахунку ступеня засвоєння й ступеня використання кальцію при різних способах його введення в метал. У результаті дослідження теплових і гідродинамічних процесів при обробці сталі ПД із силікокальцієм у ковші розроблено математичну модель плавлення дроту, яка враховує зміну траєкторії дроту залежно від умов обробки й розчинення його оболонки в розплаві наповнювача; складено програми й проведено чисельні експерименти з дослідження впливу режимів уведення на засвоєння компонентів наповнювача. Розроблено й випробувано в промислових умовах конвертерного цеху МК “Азовсталь” раціональні режими обробки сталі порошковими дротами з кальцієвмісними наповнювачами.

Апробація результатів дисертації. Основний зміст дисертаційної роботи доповідався й обговорювався на міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивні технології в металургії сталі: XXI століття” (Донецьк, вересень 2004 р.), на науково-методичній конференції “Сучасні проблеми виробництва сталі й керування якістю підготовки фахівців” (Маріуполь, ПДТУ, 11-13 верес. 2002 р.), XI і X регіональних науково-технічних конференціях ( Маріуполь, ПДТУ, 2002 р, 2003 р.), на науково-технічній конференції молодих фахівців МК “Азовсталь” (Маріуполь, 1999), на наукових семінарах ІПМ НАН України, на технічних нарадах ВАТ МК “Азовсталь”, на наукових семінарах кафедри теорії металургійних процесів ПДТУ.

Публікації. Основний зміст роботи відбитио в 12 публікаціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 6 глав, висновків, переліку посилань з 175 найменувань, містить 166 сторінок машинописного тексту, 30 рисунків і 20 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Сучасний стан технології обробки кальцієм низьколегованих марок сталі, виплавлюваних у великотоннажних кисневих конвертерах

На основі аналізу сучасних напрямків розвитку технології позапічної обробки показано, що обробка сталі, яка розкислена алюмінієм, кальцієвмісними сплавами є ефективним засобом зниження вмісту кисню, сірки й неметалевих включень. При оптимальній технології обробки в розплаві залишаються дрібнодисперсні глобулярні включення алюмінатів кальцію, що майже не деформуються при прокатці й сприяють поліпшенню механічних властивостей металопродукції.

Згідно з численними експериментальними даними, ступінь засвоєння кальцію при різних варіантах його введення в метал змінюється в широких межах. Зокрема, для низьколегованих сталей зі вмістом сірки 0,005...0,008% засвоєння після закінчення введення звичайно не перевищує 10...15%, однак засвоєння кальцію можна підвищити в 1,5...2 рази за рахунок уведення алюмокальцієвого дроту спеціально підібраного складу. При досить високому засвоєнні кальцію й низькому вмісті сірки в металі з'являється можливість регламентувати його залишкову концентрацію (0,001...0,0025% - забезпечення розливання, 0,002...0,003% - вплив на форму й склад сульфідних включень, 0,0035...0,006% - вплив на межі зерен). Можливість одержання стабільної залишкової концентрації кальцію в сталі залежить від її хімічного складу, у першу чергу вмісту сірки й кисню. Зокрема, значення співвідношення Ca/S близько 2 при помірній питомій витраті кальцієвмісних сплавів досяжні лише при обробці ними низькосірчистої сталі ([S]~0,002...0,003%).

На розподіл кальцію в обробленому металі і його залишковий вміст у готовому прокаті помітно впливає і перемішування металу після закінчення введення ПД. Однак питання про величину втрат кальцію, уже уведеного в метал, після завершення позапічної обробки, мало вивчене.

Широко застосовується також потокова обробка металу, при якій домішки високоактивних елементів уводяться в метал при випуску з конвертера, у процесі позапічної обробки й остаточне коректування хімічного складу металу здійснюється в промковші МБЛЗ при безперервному розливанні.

Таким чином, у цей час є актуальним питання вибору раціональної технології обробки сталі кальцієм, що забезпечує його задану залишкову концентрацію в металі, максимальний ступінь засвоєння й достатній ступінь десульфурації.

Розділ 2. Фізичне моделювання поля швидкостей і структури потоків у сталерозливальному ковші

Процес засвоєння кальцію при введенні його в сталерозливальний ківш у потоці інертного газу або у вигляді порошкового дроту залежить від умов перемішування рідкої сталі в ковші.

Для оцінки середнього циркуляційного потоку в ковші, перемішуваному інертним газом і пузирями пари кальцію (або тільки пузирями пари - залежно від способу введення) запропоновано математичну модель барботажного перемішування.

У рамках даної моделі об'єм стальковшу з перемішуванням шляхом продувки інертним газом і пузирями пари кальцію умовно представлявся таким, що складається з двох зон: барботажної зони й зони поворотної течеї. З метою імітації утворення пузирів пари кальцію при вдмухуванні силікокальцію перемішування здійснювалося пузирями інертного газу через заглибну фурму й через додатковий розподільний пристрій, розташований на рівні, що відповідає глибині випару кальцію.

У стаціонарному стані швидкість дисипації енергії має дорівнювати швидкості підведення її до системи. З умови балансу енергії

, (1)

де H - глибина занурення фурми;

h - глибина додаткового введення газу;

I₁, I₂ - відповідні витрати газу;

- середня швидкість течії металу в барботажной зоні.

Середня об'ємна частка пузирів газу розраховувалася для квазістаціонарних умов у барботажній зоні:

(2)

де u - середня швидкість зсуву пузирів відносно металу, дорівнює:

; (3)

середній діаметр пузирів. На достатнім видаленні від фурми (або пористої вставки) пузирі розмір яких більший від критичного (5...6…6 см) можуть дробитися, утворюючи остаточно характерні для рідкого металу бульбашки з см.

Сумісне розв'язання рівнянь (1) …(3) дозволяє визначити середні значення коефіцієнта газонасичування й швидкості металу в барботажній зоні, а також розрахувати об'ємну циркуляційну витрату металу в ковші I_m:

(4)

Достоїнством пропонованої моделі є можливість розрахунку для систем з високою інтенсивністю продування інертним газом і додатковим перемішуванням пузирями пари кальцію. Розрахунковий час змішування за пропонованою моделлю добре узгоджується з результатами й висновками інших досліджень

У той же час найбільш надійний шлях визначення розмірів окремих зон і часу перебування середовища в них - фізичне моделювання процесів усереднення середовища при перемішуванні. Для уточнення коефіцієнтів і оцінки застосовності рівнянь (1)-(3) було виготовлено модель у масштабі 1:10 з уведенням перемішувального газу на двох рівнях - через заглибну фурму, розташовану у верхніх горизонтах моделі, через газорозподільний пристрій і проведено фізичне моделювання процесів перемішування при гомогенізувальній продувці металу в ковші або при вдуванні порошку силікокальцію. У результаті моделювання встановлено, що рівняння (1)...(4) дозволяють із задовільною точністю оцінити середній циркуляційний потік і час повного перемішування металу.

Розділ 3. Інтенсивність барботажного перемішування й оцінка ступеня засвоєння кальцію при вдуванні в ківш силікокальцію

Незважаючи на широке поширення останнім часом технології введення сплавів кальцію порошковим дротом, класична технологія вдування їх у струмені інертного газу зберігає своє значення, особливо для глибокої десульфурації металу.

Основною схемою реакцій у ковші при вдуванні в метал силікокальцію прийнято модель, відповідно до якої видалення сірки відбувається шляхом її дифузії до поверхні пузирів кальцію, які й виносять сульфід, кальцію що утвориться, у шар шлаку. Ураховувалося також одночасне розчинення кальцію в металі, що супроводжується модифікуванням оксидних неметалевих включень.

Важко відокремити роль шлаку, який покриває метал, від ролі вдмухуваних порошків, що беруть участь у реакціях рафінування металу, однак, за деякими оцінками, маса сірки, що вступила в реакцію з парами кальцію, значно перевищує масу безпосередньо абсорбованої шлаками сірки.

Об'ємна частка пузирів пари Ca у барботажній зоні (у квазістаціонарному наближенні з урахуванням його видалення з поверхні дзеркала металу й витрати на десульфурацію) розраховувалася за рівнянням:

, (5)

де I_Ca, I_Ar - об'ємна витрата пари кальцію й аргону при середніх за висотою барботажної зони температурі T і тиску ;

- густина пари;

D_m - середній діаметр барботажної зони;

- густина дифузійного потоку кальцію;

;

;

[Ca]_S, [S]_S, [Ca], [S] - концентрація реагентів біля межі розділу з пузирями пари і в глибині розплаву; витрата кальцію на формування CaS біля поверхні розділу;

- густина розплаву в ковші;

H - його середня глибина;

- коефіцієнти масовіддачі, що знаходять зі співвідношень ;

;

;

D_i - коефіцієнт дифузії i-го елемента (Ca або S);

_Ca, A_S - атомні маси;

- середній тиск пари Ca у пузирях;

Т - температура розплаву;

R - універсальна газова стала;

- середній діаметр пузирів;

- середня швидкість їхнього переміщення відносно металу.

Середній діаметр барботажної зони визначали відповідно до моделі циркуляційної течії, наведеної вище.

Внаслідок інтенсивного дроблення й злиття пузирів суміші аргону й пари Ca у барботажній зоні можна спрощено вважати сталою їх середню об'ємну частку . Міжфазна поверхня “бульбашки Ca - метал” F визначається об'ємною часткою пузирів і їхньою питомою поверхнею :

(6)

де h_исп - глибина випару Ca.

Ступінь засвоєння Ca, тобто відношення маси розчиненого в металі кальцію до маси введеного, безпосередньо після закінчення введення, розраховувався за рівнянням:

, (7)

де - масова швидкість подачі кальцію (кг/с), - масова швидкість надходження кальцію в об'єм металу з поверхні пузирів,

, (8)

де , - концентрація кальцію біля поверхні пузиря, яка дорівнює його рівноважної розчинності при середньому за висотою барботажній зони тиску пари кальцію.

При розрахунку ступеня засвоєння кальцію припускали, що рівноважна концентрація кальцію біля поверхні пузиря (0,017% при тиску пари 1 атм) набагато більша, ніж в іншому об'ємі металу (звичайно 0,001..0,003%, рідко до 0,006%). Масову витрату кальцію на зв'язування сірки розраховували за такою формулою:

, (9)

а ступінь його використання - зі співвідношення:

, (10)

Таким чином, ступінь використання кальцію завжди трохи більший від ступеня засвоєння, різниця між ними визначається переважно величинами різниці концентрацій і .

Аналіз за розробленою моделлю показав, що на ступінь засвоєння й ступінь використання кальцію найбільш істотно впливає вміст сірки в металі, глибина занурення фурми й масова швидкість подачі кальцію, і трохи слабкіше - питома витрата аргону. Зіставлення результатів розрахунку за рівняннями (5)...(10) та експериментальними даними наведене.

Мінімально необхідна кількість кальцію, що надходить у метал, має забезпечувати переведення утворюваного корунду в алюмінати оптимального складу. В умовах вдування силікокальцію у великий ківш ємністю 350 т зниження вмісту алюмінію на більшості плавок не перевищує 0,01...0…0,015%. Час обробки звичайно не перевищує 10 хв, тому швидкість окислювання алюмінію орієнтовно можна прийняти 0,001%/хв або для ковша ємністю 350 т 3,5 кг/хв. Розраховуючи на утворення легкоплавких включень сполуки 12Ca^.7Al₂O₃ і вдування силікокальцію СК20 масова швидкість його подачі повинна бути не меншою від 22 кг/хв.

Витрата силікокальцію, необхідна для досягнення заданої концентрації сірки, залежить в основному від початкового хімічного складу металу. Витрата силікокальцію, необхідна для досягнення бажаного кінцевого вмісту сірки в металі [S]₂ при початковому [S]₁, розраховувалася з балансового співвідношення:

, (11)

де R_SiCa - питома витрата силікокальцію, кг/т;

A_Ca, A_S - атомні маси кальцію й сірки;

p_Ca - вміст кальцію в сплаві;

- середня частка кальцію, витрачувана на зв'язування сірки, що розраховувалася зі співвідношення:

, (12)

при середній за час обробки концентрації сірки.

Розділ 4. Дослідження процесів рафінування й модифікування сталі при обробці її силікокальцієм

Для оцінки впливу контрольованих технологічних параметрів на втрати кальцію проведено регресійний аналіз оброблених кальцієм плавок у цілому й вибірок, відсортованих за вмістом сірки в металі.

Уведення кальцію здійснювалося шляхом вдування силікокальцію СК20 у потоці інертного газу.

Установлено статистично значущу залежність втрат кальцію при витримці металу в ковші й у ході безперервного розливання від трьох параметрів - загального вмісту кальцію в металі після завершення позапічної обробки ([Ca]_вно), температури на початку позапічній обробки (to), вмісту сірки перед початком обробки на УДМ ([S]_нач).

Залежність втрат кальцію від зазначених параметрів характеризується лінійним рівнянням:

(13)

Як випливає з отриманого рівняння, втрати кальцію тим вищі, чим вищий його вміст у металі після закінчення позапічної обробки, чим вищий вміст сірки в металі й чим вища температура металу на початку позапічній обробки.

Ступінь використання кальцію характеризує корисне використання силікокальцію, який вдувається. Статистичний аналіз впливу технологічних факторів на величину ступеня використання показав, що ступінь використання тим вищий, чим вища концентрація сірки в металі, чим менша питома витрата силікокальцію й чим вища температура металу. Залежність описується лінійним рівнянням:

(14)

На ступінь використання кальцію впливає в основному початкова концентрація сірки в металі й деякою мірою температура.

На загальний вміст кальцію в металі статистично значущо впливають лише два фактори: питома витрата кальцію (R_SiCa) і початкова концентрація сірки (див. таблицю). Недолік проведеного аналізу полягає в тому, що він не повністю характеризує вплив як вмісту сірки, так і витрати силікокальцію на досягнуту концентрацію кальцію, тому був проведений роздільний аналіз груп плавок з високим, середнім і низьким вмістом сірки в металі, який показав, що вміст кальцію після завершення позапічної обробки істотно залежить від вмісту сірки лише для групи плавок з низьким кінцевим вмістом сірки.

Результати статистичного аналізу залежності загального вмісту кальцію в різних групах плавок

Група плавок	Рівняння залежності
Уся вибірка	[Ca]вно = 0,000813 + 0,000813*RSiCa-0,0148*[S]вно
[S]нрс =0,005... 0,007% мас.	[Ca]BHO = 0,00115 + 0,000865*RSiCa - 0,0778*[S]вно
[S]нрс=0,008... 0,013% мас.	[Ca]BHO = 0,000710 + 0,000729*RSiCa
[S]нрс=0,014... 0,036% мас	[Ca]BHO = 0,00208

Кількість сірки, вилученої в розрахунку на 1 кг/т силікокальцію, для груп плавок із високим і середнім її змістом практично однакова.

Таким чином, ефективність обробки й витрата силікокальцію мають узгоджуватися з метою обробки. При обробці кальцієм сталі з високим вмістом сірки основним ефектом неминуче буде десульфурація металу; при обробці кальцієм сталі з низьким вмістом сірки основним ефектом стане модифікування НВ, що супроводжується зростанням загального вмісту кальцію.

Розділ 5. Тепло- і масообмін при обробці сталі кальцієвмісним порошковим дротом у сталерозливальному ковші

Для дослідження кінетики плавлення ПД розроблено математичну модель, засновану на розв'язанні задачі Стефана з декількома границями фазового переходу для багатошарової циліндричної області. Коефіцієнт тепловіддачі до поверхні дроту розраховувався за відомим рівнянням:

Nu = (0.38... …0,46)Ре^0.65 (15)



де Ре = - критерій Пеклі; 110³<Pe<210⁵;

a = - температуропровідність рідкої сталі;

w - швидкість уведення;

l - “ефективна” довжина зануреної частини дроту;

- критерій Нуссельта;

- теплопровідність рідкої сталі;

- коефіцієнт тепловіддачі. Ефективна довжина дроту l приймалася кратною діаметру.

Час повного розплавлювання ПД залежить в основному від густини теплового потоку, спрямованого до поверхні дроту, її діаметра й теплофізичних властивостей наповнювача.

Для оцінки ступеня використання й ступеня засвоєння кальцію застосовано практично без змін математичну модель масообміну в умовах циркуляційної течії металу (розділ 3).

З огляду на незмішуваність у рідкому стані системи залізо-кальцій, можна оцінити початковий діаметр барботажної зони , застосовуючи рівняння (1) не для пузирів Ca або інертного газу, а для крапель рідкого Ca, густина яких значно менша від густини заліза, але вища від густини пари:

, (16)

де h_пл - глибина проникнення дроту в розплав;

D₀ - початковий діаметр зони спливання краплі Ca;

c - коефіцієнт, який приблизно дорівнює 1.

Середній діаметр барботажной зони визначають за аналогічним рівнянням з урахуванням відліку висоти від рівня випару Ca, тобто:

. (17)



Представлена математична модель масообміну дозволяє оцінити ступінь засвоєння введеного ПД для обробки сталі кальцієм залежно від лінійної густини її наповнення й швидкості введення дроту в розплав з урахуванням ефекту перемішування розплаву в ковші за рахунок барботування бульбашок пари.

Результати розрахунку ступеня засвоєння й використання кальцію при введенні порошкового дроту в ківш ємністю 350 т задовільно узгоджуються з результатами статистичної обробки експериментальних даних.

Максимальне засвоєння кальцію відповідає швидкості введення ПД, при якій наповнювач звільняється нижче від рівня його випаровування, однак його секундна масова витрата забезпечує лише помірне за інтенсивністю перемішування. Результати розрахунку оптимальної швидкості введення ПД.

На підставі результатів математичного моделювання запропоновано раціональні режими введення ПД із кальцієвмісним наповнювачем (для одно- або багатострумкового введення), що регламентують швидкість уведення ПД залежно від температури металу, хімічного складу наповнювача ПД і діаметра дроту, які забезпечують максимальне засвоєння кальцію.

Розділ 6. Результати промислового випробування оптимальних режимів обробки сталі силікокальцієм

Випробування режимів обробки сталі в стальковші й промковші здійснювалося в промислових умовах конвертерного цеху МК “Азовсталь”. Об'єктом дослідження були низьколеговані сталі різних марок, оброблювані кальцієм на УДМ як шляхом вдування порошкоподібного силікокальцію, так і шляхом уведення порошкового дроту. Рекомендації щодо величини питомої витрати силікокальцію на вдування або у вигляді наповнювача порошкового дроту представлені у вигляді номограми залежності питомої витрати силікокальцію від температури й хімічного складу металу.

Впровадження раціональної регламентації режиму введення ПД із силікокальцієм залежно від температури металу, вмісту кальцію в наповнювачі й хімічного складу металу перед початком обробки дозволило підвищити ефективність обробки й знизити питому витрата кальцію.

Комплексна обробка силікокальцієм (вдування з метою десульфурації металу з наступним уведенням ПД за раціональним режимом з метою стабілізації залишкового вмісту кальцію) дозволила стабільно одержувати необхідний залишковий вміст кальцію (), поліпшити макро- і мікроструктуру бесперервнолитих заготовок, знизити осьову хімічну ліквацію й структурну неоднорідність, зменшити на 0.5-1.0 бала ступінь забруднення сталі НВ. Неметалеві включення, які залишились в металі, дрібнодисперсні, глобулярні, рівномірно розподілені по об'єму металу й не деформуються в процесі прокатки. Внаслідок цього зростають пластичність, холодостійкість та ізотропність механічних властивостей товстолистового прокату.

Частковий економічний ефект від впровадження раціональних режимів обробки сталі кальцієм в умовах ВАТ МК “Азовсталь” склав 84347 грн.

циркуляційний сталерозливний барботажний силікокальцій



ВИСНОВКИ

Наведено теоретичне обґрунтування й нове рішення науково-технічного завдання оптимізації режимів обробки сталі силікокальцієм за допомогою порошкового дроту або вдування в струмені інертного газу на основі статистичного аналізу результатів виробничих експериментів, а також фізичного й математичного моделювання гідродинамічних і тепломасообмінних процесів у ковші.

Розроблено й підтверджено результатами фізичного моделювання методику розрахунку середнього циркуляційного потоку металу в умовах вдування силікокальцію, що враховує збільшення об'ємної частки газових пузирів у барботажній зоні зі зростанням інтенсивності обробки, а також додаткове перемішування металу спливаючими пузирями пари кальцію.

Запропоновано математичну модель масообміну в об'ємі ковша й на межі розділу “краплі розплаву силікокальцію - рідка сталь” і “пузирі пари кальцію - рідка сталь” для умов обробки сталі сплавами кальцію при різних способах їх уведення, що враховує перемішування розплаву спливаючими пузирями пари і газом-носієм. Установлено помітний вплив інтенсивності перемішування рідкої сталі пузирями пари введеного кальцію на ступінь його засвоєння й використання: зростання інтенсивності перемішування приводить до зниження ступеня засвоєння й ступеня використання кальцію. Розрахунковим шляхом установлено співвідношення часток кальцію, засвоюваного з пузирів його пари і рідких крапель силікокальцію, для промислових марок силікокальцію воно не перевищує 4:1.

Розрахунковим шляхом проаналізовано залежність ступеня засвоєння й використання кальцію від основних параметрів технології вдування, а також хімічного складу металу. Установлено, що й ступінь засвоєння, і ступінь використання кальцію знижуються зі зростанням секундної масової витрати сплаву, що вдувається, (знижується на 3...4% при збільшенні витрати кальцію на 10 кг/хв при вдмухуванні силікокальцію СК20 в 350-т ківш) і збільшення питомої витрати аргону (менш, ніж на 1% при зміні питомої витрати на 10 л/кг). Підвищення ступеня засвоєння й використання кальцію досягається при збільшенні глибини занурення фурми (збільшуються на 1,5...2,0% при збільшенні глибини занурення на 1 м).

На підставі статистичного дослідження технології обробки низьколегованих марок сталі силікокальцієм у промислових умовах установлено істотний вплив вмісту сірки в металі після закінчення обробки на стабільно досяжний залишковий вміст кальцію в готовому металі (до 0,002% при вмісті сірки понад 0,014%; до 0,005...0,007% при вмісті сірки менш 0,007%). Установлено, зі зростанням концентрації сірки не тільки знижується ступінь засвоєння кальцію після закінчення введення, але й збільшуються втрати вже введеного кальцію за період витримки металу в ковші й безперервного розливання.

Розроблено математичну модель процесу плавлення порошкового дроту, що враховує розплавлювання наповнювача в інтервалі температур, а також можливість розчинення оболонки дроту в розплаві наповнювача. Установлено, що врахування сумарного впливу зазначених факторів змінює розрахунковий час розплавлювання ПД на 15...20%.

Розроблено методику розрахунку ступеня засвоєння й ступеня використання кальцію з пузирів пари, що враховує барботажне перемішування рідкої сталі при введенні силікокальцію порошковим дротом. Установлено, що вплив процесів барботажного перемішування істотно позначається на ефективності обробки при високих швидкостях уведення ПД (понад 5,0...5,5 м/с для ковша ємністю 350 т і ПД діаметром 13 мм). При низьких швидкостях уведення ПД (до 3 м/с для 350-т ковша) основним фактором, що впливає на засвоєння й використання кальцію, є глибина проникнення ПД у розплав.

На підставі результатів моделювання тепло- і масообмінних процесів при обробці сталі в ковші порошковим дротом із силікокальцієм установлено й експериментально підтверджено наявність оптимального інтервалу швидкостей уведення порошкового дроту, межі якого залежать від температури розплаву в ковші і його хімічного складу. Оптимальний режим забезпечує повне розплавлювання ПД на глибині не менш 0,3...0,5 м нижче рівня випару кальцію при помірній інтенсивності барботажного перемішування пузирями пари кальцію.

Розрахунковим шляхом установлено нелінійний характер взаємозв'язку температури розплаву в ковші й оптимальної швидкості введення ПД. Необхідний для досягнення умов оптимальності обробки приріст швидкості введення ПД при збільшенні температури металу в ковші змінюється від 0,1 м/с на 10⁰С у температурному інтервалі 1560…1580⁰З до 0,25 м/с на 10⁰С при температурі металу понад 1600 ⁰С.

На підставі розроблених математичних моделей і результатів обробки експериментальних даних запропоновано номограму, що визначає оптимальну витрату й швидкість уведення ПД із силікокальцієм залежно від температури, хімічного складу металу й цілей обробки.



СПИСОК ОПУБЛИКОВАНИХ РОБІТ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Казачков Е.А., Рудакова С.Г. Моделирование процессов выравнивания температуры металла и содержания легирующих добавок в металле при продувке инертным газом // Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту.- Сб. науч. тр. - Мариуполь, 2001.- Вип. 11 - С.67-69. Автором розроблено методику розрахунку середнього циркуляційного потоку при продувці інертним газом.

2. Чичкарев Е.А., Троцан А.И., Казачков Е.А., Рудакова С.Г. Барботажное перемешивание и механизм усвоения кальция при обработке стали в ковше порошковой проволокой // Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту.- Сб. науч. тр. - Мариуполь, 2002.- Вип. 12 - С.34-38. Автором розроблено методику розрахунку інтенсивності перемішування і масообміну на межі розділу “пузирі пари кальцію - розплав”.

3. Позняк Л.А., Троцан А.И., Бродецкий И.Л., Иценко А.И., Чичкарев Е.А., Рудакова С.Г. Кинетика плавления порошковой проволоки с легкоплавкими химически активными наполнителями в жидкой стали // Процессы литья. - 2002. - №2.- С. 74-79. Автором отримано результати розрахунку інтенсивності теплообміну ПД із розплавом.

4. Рудакова С.Г., Чичкарев Е.А., Троцан А.И., Казачков Е.А., Носоченко О.В., Бузун И.Л. Рациональный режим обработки жидкой стали порошковой проволокой с легкоплавкими химически активными наполнителями // Процессы литья.- 2003. - №2. - С.35-41. Автором розроблено методику розрахунку часу перемішування в ковші.

5. Исайчикова С.Г. (Рудакова С.Г.), Казачков Е.А. Оценка эффективности перемешивания жидкой стали в ковше инертным газом // Теория и практика металлургии. -2000. - №1(15).- С.27-28. Автором розроблено методику розрахунку часу перемішування в ковші.

6. Носоченко О.В., Троцан А.И., Чичкарев Е.А., Исаев О.Б., Лепихов Л.С., Рудакова С.Г. Рациональный режим обработки стали в промежуточном ковше порошковыми и монолитными проволоками // Металл и литье Украины. - 2003. - №7-8. - С.28-30. Автором розроблено розрахунок кінетики плавлення порошкового дроту.

7. Казачков Е.А, Чичкарев Е.А., Рудакова С.Г. Процессы десульфурации и усвоения кальция при внепечной обработке низколегированной стали сплавами кальция. // Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту. - Сб. науч. тр. - Мариуполь, 2004. - №14. - С.73-77. Автором розроблено методику розрахунку інтенсивності масообміну при вдуванні силікокальцію.

8. Казачков Е.А., Чичкарев Е.А., Рудакова С.Г., Мельник С.Г., Бузун И.Л. Процессы десульфурации и усвоения кальция при внепечной обработке низколегированной стали сплавами кальция. / Тезисы докладов международной научно-технической конференции. Прогрессивные технологи в металлургии стали: XXI век”. Донецк, сентябрь 2004. - С.70. Автором отримано результати статистичного дослідження промислових даних.

9. Чичкарев Е.А., Казачков Е.А., Рудакова С.Г. Физическое и математическое моделирование гидродинамики и массообмена при вдувании сплавов кальция в жидкую сталь. / Тезисы докладов международной научной конференции. „Современные проблемы теории и практики производства качественной стали”. Мариуполь, сентябрь 2004. - С.130-132. Автором отримано результати фізичного моделювання процесів перемішування інертним газом.

10. Исайчикова С.Г. (Рудакова С.Г.), Казачков Е.А. Оценка эффективности перемешивания жидкой стали в ковше инертным газом. / Тезисы докладов научно-технической конференции по теории и практике сталеплавильного производства. Мариуполь, сентябрь 1999. - С 53. Автором отримано результати розрахунку. Зроблено висновки.

11. Чичкарев Е.А., Казачков Е.А., Рудакова С.Г., Бузун И.Л., Исаев О.Б. Особенности модифицирования и расчет равновесного состава неметаллических включений в сталях, обработанных кальцием. / Тезисы докладов X региональной научно-технической конференции. Мариуполь, апрель 2003. -Т.2. - С58-59. Автором проведено розрахунок рівноважного складу неметалевих включень у потрійній системі CaO-SiO₂-Al₂O₃ стосовно до умов обробки сталі кальцієм.

12. Чичкарев Е.А., Казачков Е.А., Рудакова С.Г. Моделирование и оптимизация процессов массообмена в ковше при обработке железоуглеродистых расплавов щелочноземельными элементами. / Тезисы докладов IХ региональной научно-технической конференции, Мариуполь, апрель 2002. Т.1. - С 82-83. Автором проведено розрахунки засвоєння і використання кальцію при обробці рідкої сталі в ковші.



АНОТАЦІЯ

Рудакова С.Г. Удосконалення режимів введення кальцію при позапічній обробці низкосірчистої киснево-конвертерної сталі. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.02 - металургія чорних металів. Приазовський державний технічний університет. Маріуполь, 2005 р.

Проведено фізичне моделювання циркуляційної течії в сталерозливному ковші стосовно до умов вдування силікокальцію в сталерозливний ківш, розроблено математичну модель осередненого циркуляційної течії металу.

Розроблено математичну модель масообміну на межі розділу „пузирі пари кальцію - розплав”, засновану на результатах дослідження циркуляційної течії в ковші. Проведено розрахунки ступеня засвоєння та ступеня використання кальцію стосовно до умов його вдування чи введення порошковим дротом.

Розроблено також комплексну математичну модель, що включає розрахунок плавлення ПД в розплаві. Запропоновано оптимальний режим обробки сталі ПД із силікокальцієм, проведено зіставлення результатів розрахунку з експериментальними даними.

Проведено статистичне дослідження особливостей модифікування та десульфурації рідкої сталі кальцієм.

Ключові слова: сталерозливний ківш, порошкова проволока, температура, швидкість, сталь, десульфурація, силікокальцій.



АННОТАЦИЯ

Рудакова С.Г. Совершенствование режимов ввода кальция при внепечной обработке низкосернистой кислородно-конвертерной стали. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - металлургия черных металлов. Приазовский государственный технический университет, Мариуполь, 2005 г.

Проведено физическое моделирование циркуляционного течения в разливочном ковше применительно к условиям вдувания силикокальция в сталеразливочный ковш. Разработана математическая модель осредненного циркуляционного течения металла, основанная на балансе кинетической энергии течения с учетом как работы расширения пузырей инертного газа, так и дополнительной работы расширения пузырей паров кальция.

Проведен расчет усвоения кальция из капель силикокальция с учетом изменения растворимости кальция в фазе железа с переменным содержанием кремния. Установлено, что трудно ожидать усвоения кальция из жидкой фазы свыше 4-5 % его исходного содержания.

Для оценки степени усвоения и степени использования кальция разработана математическая модель массообмена на границе раздела “пузыри паров кальция - расплав”, основанная на результатах исследования циркуляционного течения в ковше. Проведены расчеты массообмена применительно к условиям вдувания силикокальция или ввода его порошковой проволокой.

Для оптимизации режима ввода ПП разработана также комплексная математическая модель, включающая расчет плавления порошковой проволоки и ее траектории в расплаве, а также расчет степени усвоения и использования вводимого кальция. Предложен оптимальный режим обработки стали ПП с силикокальцием, проведено сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными.

Проведено статистическое исследование особенностей модифицирования и десульфурации жидкой стали кальцием. Установлено, что увеличение содержания серы в металле приводит к снижению общего содержания кальция в стали. При обработке кальцием стали с высоким содержанием серы вне зависимости от способа его ввода основным эффектом будет десульфурация металла; при обработке кальцием стали с низким содержанием серы основным эффектом будем модифицирование НВ, сопровождающееся ростом общего содержания кальция.

Результаты работы реализованы в промышленных условиях при производстве низколегированной стали.

Ключевые слова: сталеразливочный ковш, порошковая проволока, температура, скорость, сталь, десульфурация, силикокальций.



THE SUMMARY

Rudakova S.G. Calcium input modes perfection at out-of-furnace processing of low-sulfur basic oxygen steel. The Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.16.02 - metallurgy of ferrous metals. The Priazovskiy state technical university, Mariupol, 2005.

The physical simulation of circulating flow in casting ladle in conformity with conditions of silicocalcium injection is carried out, the averaged circulating flow of metal simulator is developed.

The mass exchange simulator on border of “calcium fumes bubble- melt” separation, based on results of circulating flow in casting ladle research is developed. Calcium assimilability degree and calcium utilization degree calculations in conformity with conditions of calcium injection or calcium input by powder wire are carried out.

The complex simulation including powder wire furnacing and its trajectory in melt calculation is developed also. The optimum mode of steel processing by powder wire with silicocalcium is offered, the data correlation of calculation to experimental data results is carried out.

The statistical examination of liquid steel modifying and desulphuration by calcium features is carried out.

Key words: casting ladle, a powder wire, temperature, speed, steel, desulphuration, silicocalcium.

Размещено на Allbest.ru

...