Розробка технології комбінованої продувки рідкої сталі в ковші з метою удосконалення перемішування та зниження кількості неметалевих включень

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка технології комбінованої продувки рідкої сталі в ковші з метою удосконалення перемішування та зниження кількості неметалевих включень

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. В останні десятиліття розвиток виробництва спрямовано на пошук технологічних рішень, здатних при мінімальних витратах на виробництво і в найкоротші терміни отримати метал з необхідними технологічними властивостями.

Виконання даного завдання останнім часом неможливо без виробництва «чистої» сталі. Поняття «чиста» сталь обмежує той поріг вмісту шкідливих домішок і неметалевих включень, який здатний забезпечити набуття заданих технологічних властивостей отримуваного металу.

В даний час на певному, достатньо високому рівні знаходяться технологічні розробки, що направлені на зменшення вмісту шкідливих домішок (сірки, фосфору, газів). Це не можна сказати про рішення, які пов'язані з мінімізацією вмісту неметалевих включень в сталі.

Одним з найбільш поширених, проте, недостатньо вивчених напрямів при виробництві «чистої» сталі є обробка рідкого металу в ковші інертним газом. З одного боку, це пов'язано з легкістю здійснення обробки металу газом. Складність вивчення пояснюється багатьма чинниками, головний з яких - відсутність можливості візуалізації процесу продувки.

Існує декілька способів обробки металу в ковші інертним газом. Серед різноманіття точок зору на механізм дії барботажу інертного газу на процес видалення неметалевих включень з рідкого розплаву немає єдиного підходу, існують суперечності, не визначені лімітуючі ланки цього процесу.

У цій роботі зроблена спроба заповнити вказані пробіли, дослідити більш ефективний процес - комбіновану продувку в ковші, розвити основні теоретичні уявлення про гідродинаміку при комбінованій продувці та механізм видалення неметалевих включень. Вирішення цих питань дозволяє визначити оптимальний режим обробки металу в ковші.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами: Дисертаційна робота виконувалася відповідно до наукових напрямів і планів проведення науково-дослідних робіт кафедри металургії сталі Національної металургійної академії України Міністерства освіти і науки України по державній бюджетній темі №Г060F20009 «Дослідження шляхів гальмування електрохімічних і масообмінних процесів на межі рідка-тверда фаза при службі вогнетривів у сталеплавільніх агрегатах» (№ Г.Р. 0109U004011) і завдання Центральній лабораторії ВАТ «Запорізький металургійний комбінат «Запоріжсталь» на проведення дослідницьких і конструкторських робіт на 2006 рік по темі № 2.4 "Усовершенствование технологии обработки металла в ковше нейтральным газом", що затверджено Першим заступником Голови правління - технічним директором А.Ю. Путнокі від 30.12.2005г.

Мета і завдання дослідження

Мета роботи полягає у вдосконаленні технології обробки рідкої сталі в ковші інертним газом для удосконалення перемішування та зменшення вмісту неметалевих включень на основі теоретичних розробок, моделювання і проведення промислової продувки металу в ковші.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі необхідне вирішення наступних завдань:

- виконати аналіз існуючих способів продувки металу нейтральним газом в ковші;

- виконати теоретичний аналіз гідродинамічних процесів при комбінованій продувці металу в ковші;

- методом моделювання визначити оптимальний режим підведення дуття;

- провести дослідження процесів видалення неметалевих включень;

- провести промислову апробацію розробленої технології при виробництві сталі;

- розробити ефективний режим продувки металу нейтральним газом в ковші;

- виконати техніко-економічне порівняння ефективності обробки металу на базі запропонованої технології.

Об'єкт дослідження - процес обробки рідкого металу нейтральним газом в ковші.

Предмет дослідження - вплив продувки рідкої сталі в ковші на гідродинаміку та фізико-хімічні закономірності видалення неметалевих включень.

Методи дослідження - теоретичний аналіз гідродинаміки процесу продувки металу в ковші, холодне моделювання інтенсивності циркуляційних потоків і видалення неметалевих включень, статистична обробка даних з використанням ЕОТ. Проведення промислових експериментів з відбором проб і зразків і подальшим їх хімічним, морфологічним, механічним аналізом. Всі експериментальні дослідження виконані з використанням повірених приладів.

Наукова новизна отриманих результатів

Уперше при вирішенні науково-прикладної задачі - розробці технології комбінованої продувки металу в ковші для моделювання гідродинамічних потоків запропоновано новий критерій подібності: , що відображає співвідношення енергій переміщення газу і рідини.

Уперше на основі результатів моделювання комбінованої продувки визначено доцільне співвідношення верхнього і донного дуття і встановлено, що комбінована продувка нейтральним газом в ковші усуває «застійні» зони і подовжує траєкторії циркуляційних потоків металу, а тривалість повного змішування пропорційно скорочується.

Набула розвитку теорія процесів видалення неметалевих включень із сталі при організації комбінованої продувки металу в ковші під шаром шлаку і встановлено, що інтенсивність їх видалення прямо пропорційна потужності перемішування рідкої ванни. При комбінованій продувці питома потужність перемішування вища на 3,8%, ніж при донній, і на 10,3%, ніж при продувці зверху.

Уперше науково обґрунтовано і показано, що основна тривалість комбінованої продувки повинна здійснюватись з максимально можливими витратами газу, а в кінці обробки необхідні післяпродувочний період або продувка металу з незначною інтенсивністю, що забезпечує збереження шлакового покрову на поверхні металу.

Практична значимість отриманих результатів

Розроблена і випробувана в промислових умовах технологія обробки металу в ковші комбінованим верхнє-донним способом. Вміст неметалевих включень знижено: оксидних неметалевих включень на 6,21% відносних, сульфідних - на 2,32% відносних. Зменшено максимальний бал неметалевих включень.

Запропоновано ефективний режим продувки металу в ковші з метою максимального усереднення по хімічному складу і температурі і мінімізації вмісту неметалевих включень. Економічний ефект від впровадження технології складе 532 тис.грн/рік.

Новизна і оригінальність розроблених заходів захищена 2 патентами України.

Особистий внесок здобувача

Дисертація є самостійною роботою автора, що ґрунтується на опублікованих результатах досліджень. Теоретичні, лабораторні і експериментальні дослідження виконані при безпосередній участі автора, а також спільно із співробітниками кафедри металургії сталі НМетАУ, сталеплавильної дослідницької лабораторії ЦЛК ВАТ «Запоріжсталь». У надрукованих працях, опублікованих в співавторстві, особисто здобувачеві належать: [1] - розробка постановки завдання і визначення чисел подібності при моделюванні; [2] - постановка задачі, створення і аудит методики дослідження; [3] - розробка пристрою для продувки сталі в ковші; [4] - розробка способу продувки металу в ковші; [5, 6, 7, 8] - проведення експериментальних досліджень і аналіз результатів.

Апробація результатів дисертації

Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались, обговорювались і одержали позитивну оцінку на XII, XIII і XIV-й Міжнародних науково-технічних конференціях «Теорія і практика сталеплавильних процесів» (м. Дніпропетровськ 2006, 2009, 2010); X-му Міжнародному конгресі сталеплавильників; XXXV, XXXVII Міжнародних науково-технічних конференціях молоді ВАТ «Запоріжсталь» (Запоріжжя, 2008, 2010); на наукових семінарах кафедри металургії сталі.

Публікації. Основні результати опубліковані в 8 роботах, серед них: 6 статей в спеціалізованих наукових журналах, що входять в перелік ВАК України, 2 патентах України.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з введення, шести розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 113 джерел і 5 додатків.

Текстовий матеріал викладений на 176 сторінках, включаючи 22 таблиці і 31 малюнок.

Основний зміст роботи

моделювання продувка ківш метал

У вступі приведена загальна характеристика дисертації, обґрунтована її актуальність, сформульовані цілі і завдання досліджень, відображена наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, приведені відомості про їх публікацію і апробацію, відмічено особистий внесок здобувача.

У першому розділі представлений аналіз патентної і науково-технічної літератури, що висвітлює існуючі способи ковшової обробки металу нейтральним газом і пристрої для його подачі в розплав. Визначені результати продувки для різних способів обробки. Встановлені їхні принципові достоїнства і недоліки.

Встановлено, що для проведення лабораторних експериментів чинником, що визначає ефективність перемішування, використовують час повного змішування. При обробці результатів, отриманих на промислових агрегатах, як чинник, що визначає ефективність перемішування, використовують технологічні параметри процесу: засвоєння розкислювачів, змінення вмісту неметалевих включень, види і рівень браку і т.д.

Проаналізована послідовність утворення і визначений вплив розмірів та форми неметалевих включень на властивості металу.

На основі проведеного аналізу визначені цілі і конкретні завдання дослідження.

У другому розділі виконаний теоретичний аналіз гідродинамічних процесів при комбінованій продувці металу в ковші.

Стосовно продувки металу комбінованим верхнє-донним способом в ковші в умовах конвертерного цеху ОАО «Запоріжсталь» при загальних витратах аргону 1м³/хв режим витікання газу з верхньої фурми буде струменевим. Для випадку занурення продувочної фурми в метал на глибину 2,41м (2/3 висоти ковшу) критичний тиск, при якому швидкість витікання газу буде дорівнювати швидкості звуку, розраховували за наступним рівнянням:

, (1)

де - тиск в середовищі, що оточує сопло, Па; к - показник адіабати.

Для продувки аргоном критичний тиск вище, ніж азотом, і складає 0,54 і 0,50 МПа відповідно. За цих умов довжина струменя газу в металі складає 11,7 і 10,9 калібрів для аргону і азоту.

Режим відтиснення металу від поверхні донного продувочного пристрою розраховували відповідно до нерівності: Діаметр пухирів, що утворюються, складатиме величину порядку 48мм.

Встановлено, що при продувці металу в ковші заглибленою фурмою відбувається роз'єднування зони барботажу та спливання деяких газових об'ємів можна розглядати як випадок спливання поодиноких пухирів. Швидкість їх спливання досягатиме величини 0,4 м/с.

, (2)

де з_Р - динамічна в'язкість рідкої сталі, Па•с; с_Р - густина рідкої сталі, кг/м³; у - поверхневий натяг сталі, Н/м; с_П - густина газу в пухирі, кг/м³; g - гравітаційна стала, м/с²; в=0,3 - стала Ламба.

Встановлено, що в умовах ВАТ «Запоріжсталь» при продувці металу знизу реалізовуватиметься часткове відтиснення металу від поверхні продувочного пристрою, а розмір пухирів, що при цьому утворюються розраховували за наступним виразом:

, (3)

де - різниця густини рідкого металу та газу, кг/м³; у - поверхневий натяг сталі, Н/м.

Для збільшення тривалості служби донних продувочних пристроїв рекомендовано зменшити їх діаметр до величини 0,10 м з метою досягнення повного відтиснення металу від їх поверхні.

Встановлено, що для умов комбінованої продувки металу в ковші розташування верхнього і донного продувочного пристрою на одній горизонтальній вісі на серединах радіусу ковша не приведе до злиття зон барботажа від верхнього і донного дуття.

Проаналізована величина питомої потужності перемішування при донній, верхній та комбінованій верхнє-донній продувці металу в ковші.

При комбінованій продувці, внаслідок очікуваної дії двох циркуляційних контурів, що утворюються верхнім та донним дуттям, загальна потужність перемішування буде вищою за суму потужностей перемішування, що створюються верхнім о₁ та донним о₂ дуттям окремо, на величину додаткового перемішування о_ц, Вт/т, яке викликане зміненням траєкторії спливання пухирів нейтрального газу в зоні зустрічної циркуляції:

, Вт/т, (4)

де - середні об'ємні витрату газу, м³/с; Мст - маса металу, т; ?H - збільшення шляху спливання пухирів нейтрального газу за рахунок їх втягнення в циркуляційні потоки, м.

Згідно до проведених розрахунків, питома потужність перемішування при продувці металу в ковші комбінованим верхнє-донним способом буде на 10,3% вище, ніж при продувці зверху і на 3,8% вище, ніж при донній продувці при однакових питомих витратах газу.

У третьому розділі проведений детальний аналіз чинників, що впливають на повноту видалення неметалевих включень.

З трьох стадій процесу укрупнення неметалевих включень: зближення частинок до відстаней порядку 0,01 - 0,001 мкм, прорив розділової плівки металу і злиття або злипання - в якості лімітуючої стадії визначено другу, що безпосередньо залежить від інтенсивності циркуляції. Тому ефективність укрупнення частинок, а, отже, і швидкість їх видалення залежить від інтенсивності циркуляції.

При продувці металу в ковші нейтральним газом існує два шляхи, по яким відбувається зменшення вмісту неметалевих включень:

- масопотік включень, що виносяться до поверхні розподілу метал-шлак, циркуляційним потоком, викликаним природною або вимушеною конвекцією;

- масопотік включень, що виносяться до поверхні розподілу метал-шлак флотацією.

У будь-якому з представлених випадків необхідною умовою для видалення неметалевих включень є наявність достатньої інерції неметалевої частинки для досягнення поверхні шлаку у разі її руху в циркуляційному потоці або з пухирем при флотації. Величину інерції частинки, необхідну для досягнення заданої поверхні, критеріально визначає критична величина числа Стокса:

, (5)

де щ - швидкість потоку, м/с; с - густина частки, кг/м³; а - діаметр частки, м; R - радіус газового пухиря або циркуляційного контуру, що вигинається, м.

При надмірно інтенсивному перемішуванні посилюється руйнування футерівки, часточки шлаку можуть емульсувати в метал, викликаючи збільшення вмісту неметалевих включень в останньому. У загальному випадку емульсування шлаку в метал ймовірно при виконанні умови:

, (6)

де з та с відповідно динамічна в'язкість і густина; індекс 2 відноситься до шлакової фази, 1 - до металевої. Вираз (6) підтверджує динамічну ймовірність емульсування шлаку в метал.

На основі приведеного аналізу виконано моделювання диспергування шлаку в метал та видалення неметалевих включень при продувці металу в ковші донним та комбінованим способом.

Подібність процесів на промисловому зразку і моделі забезпечувалася дотриманням однакових величин безрозмірного критерію Стокса і симплексу поверхневого натягу .

По співвідношенню поверхневих натягів в симплексі були підібрані рідини, що найбільш підходять для моделювання. Сталь імітували водою, шлак - бензолом (С₆Н₆) марки ПС по ГОСТ 9572-93. По характеру змочуваності встановленими рідинами неметалевих включень визначено імітатор включень - дрібнодисперсний графіт. Подачу нейтрального газу моделювали використанням повітря.

Для спрощення розрахунку дійсного об'єму газу, що приймає участь в процесі продувки, в роботі прийняті наступні допущення:

1) при вдуванні нейтрального газу в метал відбувається моментальний теплообмін. Чисельні зміни об'єму газу за рахунок цього визначаються за рівнянням Менделєєва-Клапейрона:

, (7)

2) подальше спливання пухирів нейтрального газу описується за допомогою ізотермічного закону Бойля-Маріотта:

, (8)

де P, V, T - відповідно тиск, об'єм та абсолютна температура газу, індекси 0, 1, 2 відносяться до вихідних, параметрів в придонній області ковша та на виході з металу.

Моделювання видалення неметалевих включень проводили в плексигласовій моделі діаметром 0,46м та висотою 0,55м.

На першому етапі моделювання було проведено ряд продувок води з бензолом для підтвердження здатності бензолу до емульсування у воду, визначення характеру поведінки емульсії при різній інтенсивності продувки та тривалості спливання емульсованих частинок бензолу після закінчення подачі газу. Для спрощення проведення експериментів і зменшення кількості загального числа продувок визначення здатності бензолу до емульсування проводили тільки при донному способі підведення дуття.

Для різних співвідношень товщини бензолу в моделі до висоти води проводили ряд продувок тривалістю 1 хвилину з різною інтенсивністю подачі дуття. Всього проведено 37 продувок. Мінімальна витрата газу Q складала 0,53 дм³/хв, максимальна витрата обмежувалася утворенням сплесків на поверхні рідини, що супроводжувались інтенсивним розльотом бризок.

Чинником, що визначає величину емульсування, служила максимальна глибина проникнення крапель бензолу діаметром більше 3 мм у воду, що визначалася по масштабній сітці, котра нанесена на поверхню моделі, при обробці знятого матеріалу на відеоплівку.

Момент початку емульсування визначали при плавному збільшенні витрати газу від мінімального значення як момент відділення перших крапель бензолу у воду.

При досягненні витрат газу величини 1,05 дм³/хв спостерігали перші відділення крапель бензолу, що проникали у воду на величину, більшу за амплітуду хвилі.

При інтенсивності продувки більше 15 дм³/хв на поверхні моделі, в місці виходу газу, відбувалося відтиснення бензолу і оголення поверхні води.

Як видно з графіка (рис. 3), з ростом інтенсивності дуття до величини 60дм³/хв, для висоти рідини в моделі, що відповідає моделюванню продувки в 250-т розливному ковші, відбувається збільшення глибини проникнення частинок бензолу у воду. З подальшим зростанням інтенсивності продувки значного збільшення глибини проникнення частинок бензолу не відбувається.

При максимально інтенсивній продувці, що обмежується утворенням сплесків на поверхні рідини, для кожної висоти наливу води максимальна глибина занурень крапель бензолу діаметром більше 3 мм досягала половини висоти рідини в моделі. При опрацюванні відзнятого матеріалу встановлено, що частинки бензолу, котрі дисперговані до розмірів, менших 3 мм легко зносились углиб моделі при витратах газу більше 20 дм³/хв і вільно рухались до припинення продувки.

Для визначення тривалості спливання частинок бензолу при співвідношенні за допомогою секундоміра визначили час, протягом якого спливуть всі дисперговані частинки бензолу до поверхні розподілу вода-бензол.

Встановлено, що з ростом інтенсивності продувки до величини 35дм³/хв відбувається значне збільшення тривалості спливання диспергованих часток бензолу. Залежність тривалості спливання всіх диспергованих часток бензолу у воді t, c. від інтенсивності продувки Q, дм³/хв. досить точно описується логарифмічною залежністю:

t = 15,686Ln(Q) - 6,6984, с. (9)

На другому етапі моделювання для дослідження видалення твердих неметалевих включень було проведено ряд продувок системи вода-бензол-графіт повітрям донним і комбінованим верхнє-донним способом. Продувка тривала протягом 5 хвилин. До та після продувки здійснювали декілька знімків для встановлення прозорості води.

При емульсуванні бензолу у воду на поверхні частинок скупчується графіт, який обліплює частинку бензолу. При спливанні емульсовані частинки виносять графіт на поверхню розподілу вода-бензол.

Ступінь видалення графіту з води визначали за ступенем прозорості фотознімків. Аналізом процесу освітлювання фотознімків при продувці встановлено, що з ростом інтенсивності продувки збільшується ступінь прозорості продутої рідини відносно початкового знімка. Також із збільшенням післяпродувочного періоду прозорість збільшується, це пояснюється як частковим осіданням крупних частинок графіту, так і спливанням крупних емульсованих об'ємів бензолу з налиплими частинками графіту. При порівнянні показників освітлювання можна стверджувати, що видалення графіту з води при комбінованій верхнє-донній продувці більш повне, ніж при окремо донному підведенню дуття.

У четвертому розділі виконано "холодне" моделювання інтенсивності циркуляційних потоків при донній та комбінованій продувці металу в ковші. Подібність процесів на промисловому агрегаті та моделі (рис. 6) досягали використанням критерія подібності, знайденого за допомогою р-теореми: , що виражає співвідношення енергії переміщення газу та рідини.

В якості рідини, що моделює метал, використовували воду, нейтральний газ для продувки моделювали повітрям.

Інтенсивність змішування рідини на моделі визначали кондуктометричним методом. Для встановлення тривалості повного змішування в об'єм моделі додавався 10-% розчин NaCl в кількості 250мл. Величину падіння напруги фіксували за допомогою цифрового мультиметра, час - за допомогою механічного секундоміра з ціною ділення 0,2с. Одночасно проводили запис експерименту на відеоплівку відеокамерою JVC.

Тривалість повного змішування визначали як проміжок часу, протягом якого величина падіння напруги складе не менше 95% від теоретично розрахованої величини.

Продувку комбінованим способом проводили при стаціонарному положенні верхньої фурми і також відповідно до запатентованих автором способу і пристрою: газ подавали почергово, спочатку через лівий, а потім через правий продувний пристрій. Одночасно з донною продувкою проводили верхню таким чином, щоб при повороті верхньої фурми на заданий кут подача газу знизу в місці, що протилежне вводу газу зверху, припинялась, та починалась через інший донний продувний пристрій - не протилежний верхньому. Цей варіант назвали почерговою продувкою. Моделювання продувки металу в ковші з подачею газу тільки знизу проводили через два донних продувочних пристрої одночасно.

По експериментальним даним побудовані графічні залежності тривалості повного змішування від витрат газу (рис. 7.). Чітко простежується логарифмічна залежність зменшення тривалості повного змішування з ростом витрат як донного, так і комбінованого дуття. Проте при однакових загальних витратах дуття продувка комбінованим способом значно зменшує тривалість повного змішування в 1,5 - 2,1 рази.

В ході проведення експериментів при витратах газу на моделі більше 60дм³/хв при донній продувці спостерігали вихреподібне зміщення верхньої зони барботажу, що відповідає питомим витратам 4,32дм³/(т*хв.) на промисловому агрегаті. Указане зміщення барботажного стовпа відносно осі розташування продувочних пристроїв зв'язано з дією встановленої циркуляції (рис. 8). З ростом інтенсивності циркуляційних потоків відбувається збільшення її горизонтальної складової, що, в свою чергу, змінює характер розповсюдження зони барботажу в об'ємі моделі.

Вихреподібне зміщення зони барботажа найбільш спостерігалося при комбінованому вводу дуття в широкому діапазоні витрат газу, особливо при почерговій продувці.

За періодичною зміною подачі дуття відбувається зміна напряму руху основних циркуляційних потоків. В результаті утворюються зони зустрічної циркуляції, а за рахунок збільшення відносної швидкості руху потоків в них рідина в моделі більшою мірою турбулізуєтся. Зони зустрічної циркуляції значно підсилюють пульсації в об'ємі рідини, що сприяє зменшенню так званих "застійних" зон і якісно віддзеркалюється в зменшенні тривалості повного змішування.

Також через наявність зон зустрічної циркуляції відбувається змінення траєкторії руху пухирів газу при продувці. Завдяки чому пухирі газу проходять більший шлях. Таким чином питома потужність перемішування при комбінованій продувці складається з трьох доданків:

, Вт/т. (10)

Для умов продувки металу в ковші ВАТ "Запоріжсталь" встановлено, що потужність перемішування при комбінованій продувці на 3,8% більша, ніж при донній, та на 10,3% вища, ніж при продувці зверху за однакових витрат газу.

В результаті моделювання підтверджений той факт, що розташування верхніх та донних продувочних пристроїв на одній горизонтальній вісі на серединах радіуса ковша не призводить до злиття зон барботажу, навіть при максимальній інтенсивності продувки. Це в випадку з комбінованим почерговим способом підводу дуття сприяє встановленню інтенсивної циркуляції протягом окремого періоду продувки, що одночасно з почерговою зміною подачі дуття на протилежну сприяє більшій турбулізації, і, як наслідок, скороченню тривалості повного змішування.

В ході проведення "холодного" моделювання донної та комбінованої почергової продувки металу в ковші були проведені дослідження по визначенню середньої швидкості руху рідини на моделі. З цією метою використовувались часточки з нульовою плавучістю.

Визначення швидкості руху із застосуванням цих часточок відбувалося при аналогічних з моделюванням тривалості повного змішування витратах газу.

На модель була нанесена масштабна сітка. При покадровій обробці знятого матеріалу в середовищі програмного забезпечення Light Alloy визначався час в кадрах (1/24 с), що необхідний частинці з нульовою плавучістю для подолання відстані по вертикалі від однієї розділової лінії до іншої.

В результаті вимірів і розрахунків встановлено, що середні швидкості руху рідини в моделі при комбінованому вводу дуття в 1,65 - 1,96 разу вище, ніж при використанні тільки донного дуття.

У п'ятому розділі відображені результати дослідно-промислового випробування комбінованого верхнє-донного способу продувки металу нейтральним газом в ковші в умовах ВАТ «Запорожсталь» під час випуску плавки.

Як порівняльна розглядалася технологія продувки металу знизу через розливний отвір шиберного затвора.

В результаті застосування технології комбінованої верхнє-доннї обробки металу в ковші вдалося:

- знизити угар розкислювачів (угар марганцю на дослідній технології склав 11,00%, кремнію - 11,56% проти відповідно 13,66% і 19,87%, на порівняльній);

- знизити тривалість розливки (65 хв. на дослідній плавці проти 80 хв. на порівняльній) за рахунок більш рівномірного усереднення по температурі і збільшення рідкотекучості металу;

- зменшити вміст оксидних неметалевих включень на 6,21% відносних, сульфідних - на 2,32% відносних відповідно до металу порівняльної плавки;

- зменшити максимальний бал неметалевих включень в готовому прокаті.

На основі уявлень про розкислювання металу, характер спливання неметалевих включень, що отримані при «холодному» моделюванні гідродинаміки та процесів видалення неметалевих включень розроблено режим комбінованої продувки сталі в ковші, що сприяє максимальному її усередненню і видаленню неметалевих включень.

Для максимального усереднення металу в ковші по хімічному складу і температурі і швидкому розчиненню легуючих матеріалів, що додаються в ківш, продувку металу комбінованим способом необхідно вести з граничною інтенсивністю 1710 дм³/хв.

Вибір інтенсивності подальшої продувки, що забезпечує ефективне рафінування металу від неметалевих включень, базується на нижченаведеному:

- на рух зважених в об'ємі ковша неметалевих включень в спутних циркуляційних потоках практично не впливають такі параметри включень, як агрегатний стан і форма. Обчислена швидкість підйому більшості неметалевих включень по формулі Стокса і рівнянню Адамара-Рибчинського на декілька порядків нижче існуючого градієнта швидкостей в ковші, що виникають в результаті продувки. Швидкістю доставки неметалевих включень до поверхні розподілу метал-шлак є швидкість переміщення порцій металу в ковші. Тому інтенсивність продувки з метою видалення неметалевих включень повинна бути максимальна і складати при комбінованому способі підводу газу величину 1710 дм³/хв;

- згідно до моделювання видалення неметалевих включень, диспергування шлакового покрову в метал позитивним чином позначається на ступені видалення неметалевих включень, оскільки створюється додаткова поверхня для їх виділення. З цих позицій інтенсивність початкового періоду продувки також повинна бути максимально допустимою - 1710 дм³/хв;

- в результаті моделювання видалення неметалевих включень встановлено, що в кінці продувки металу в ковші аргоном з метою максимального видалення неметалевих включень необхідно вести продувку металу з незначною інтенсивністю. Мета цього періоду полягає в тому, що дисперговані шлакові частинки, які захоплюються циркуляційними потоками металу, повинні встигнути спливти на поверхню розподілу метал-шлак, зібравши за час свого перебування в металі максимальну кількість неметалевих включень. Тому інтенсивність продувки металу в ковші повинна сприяти цьому і може складати величину 270 дм³/хв. За цих умов оголення шлакового покрову цьому не допускається при співвідношенні товщини шлаку до висоти металу h_шл/h_м=0,04.

Таким чином, режим обробки металу в ковші з метою максимального перемішування і видалення неметалевих включень можна представити наступним чином (рис. 10). Тривалість обробки повинна залежати від необхідного залишкового вмісту неметалевих включень.

У шостому розділі розглянута економічна ефективність запропонованих заходів, що базуються на комбінованій продувці металу в ковші.

Відзначено, що обробка металу в ковші комбінованим способом може здійснюватися безпосередньо на установці ківш-піч, що не потребує зміни конструкції основного устаткування установки.

Технологія комбінованої продувки металу на установці ківш-піч за рахунок зменшення тривалості обробки дозволить збільшити її продуктивність на 182тис.т/рік.

Проаналізована економічна ефективність застосування двох принципово різних способів продувки металу в ковші:

донного (закладений в попередньому плані будівництва конвертерного цеху) - продувка металу в ковші через два пористі елементи, що розташовані в днищі ковша;

комбінованого - продувка металу в ковші знизу через пористі продувочні елементи і зверху - фурмою, що занурюється в метал, у тому числі по запатентованій методиці.

Розрахунки ефективності, що базуються на результатах моделювання та промислового випробування запропонованої технології в мартенівському цеху ВАТ «Запоріжсталь», наведені в таблиці.

Техніко-економічні показники обробки металу аргоном донним і комбінованим способом

	Ціна	Витрати	Різниця, тис. грн
		Комбінована продувка	Донна продувка
Річні витрати
Аргон	1,813грн/м3	0,132 м3/т	0,140 м3/т	-47*
Додаткове обладнання: - металоконструкції - фурма - вогнетривка обичайка	20000грн/т 12000грн/т 1000грн/т	0,00008кг/т 0,00007кг/т 0,2кг/т	- - -	+675
Всього	+628
Економія
Втрати на відсортуванні		0,40%	0,44%	-1160
Всього				-532

* « - » - негативне значення перед цифровою величиною свідчить про економію грошових коштів, «+» - позитивне значення перед цифровою величиною свідчить про додаткові витрати.

Висновки

1. Аудит існуючих способів обробки металу в ковші нейтральним газом і застосовуваних пристроїв дозволив встановити, що в якості чинників, що визначають ефективність перемішування, в лабораторних експериментах необхідно використовувати час повного змішування, а на промислових агрегатах - технологічні параметри процесу: ступінь засвоєння розкислювачів, змінення вмісту неметалевих включень, види і рівень браку.

2. Вперше проведений теоретичний аналіз гідродинамічних процесів при продувці металу в ковші комбінованим способом.

При зануренні продувочної фурми в метал на 2/3 глибини ковша для продувки аргоном і азотом критичний тиск відповідно складає 0,54 і 0,50МПа, що забезпечує максимальне перемішування рідкої сталі. Довжина струменю аргону і азоту в металі при цьому складає 11 калібрів, а діаметр пухирів, що утворюються, при верхньому підведенні дуття - 48 мм.

Встановлено, що при використанні донних продувочних пристроїв реалізовуватиметься часткове відтиснення металу від поверхні продувочного пристрою, а розмір пухирів, що утворюються при цьому, складатиме величину 24 мм. Для здійснення донного підведення дуття в умовах ВАТ «Запоріжсталь» рекомендовано зменшити розміри донного продувочного пристрою до 100 мм з метою підвищення його стійкості шляхом реалізації повного відтиснення металу газом від його поверхні під час продувки.

Згідно до розрахунків знайдено, що питома потужність перемішування при продувці металу в ковші комбінованим способом на 10,3% вище, ніж при продувці зверху і на 3,8% вище, ніж при донній продувці при однакових питомих витратах газу.

3. Процеси видалення неметалевих включень з рідкої ванни вивчали методом «холодного» моделювання продувки трьохфазної системи газом. Моделювання цих процесів здійснювали за рівності числа Стокса і симплексу поверхневих натягів на промисловому агрегаті та моделі. З використанням р-теореми знайдено число подібності для моделювання гідродинамічних процесів при продувці металу в ковші: , що віддзеркалює співвідношення енергій переміщення газу та рідини.

Встановлено, що при максимальних витратах газу, що обмежуються інтенсивним сплескоутворенням на поверхні, глибина проникнення крупних частинок бензолу - фази, що імітує шлак, досягає половини висоти моделі. Дрібніші частинки розносяться циркуляційними потоками по всьому об'єму моделі. Встановлена максимальна інтенсивність продувки, що забезпечує збереження шару бензолу на поверхні моделі.

4. Методом «холодного» моделювання при порівнянні контрольних знімків підтверджено, що неметалеві включення в процесі продувки видаляються на поверхню розподілу метал-шлак, де утримуються поверхневими силами.

Оцінено вплив емульсування шлаку в метал на рафінуючу здатність продувки. Встановлено, що продувка металу комбінованим способом збільшує рафінуючу здатність продувки порівняно з донним підведенням дуття в результаті принципової зміни напрямів і потужності циркуляційних потоків рідкої ванни.

Після обробки металу в ковші нейтральним газом є необхідним післяпродувочний період для зменшення вмісту відносно крупних диспергованих частинок шлаку в сталі. Тривалість післяпродувочного періоду з ростом об'єму ковша повинна збільшуватися у зв'язку зі збільшенням глибини, з якою емульсовані шлакові частинки повинні спливати. Збільшення інтенсивності продувки Q, дм³/хв. також повинне супроводжуватися подовженням тривалості післяпродувочного періоду t, с згідно до знайденої аналітичної залежності: t = 15,686Ln(Q) - 6,6984, що пов'язане з інтенсивною післяпродувочною циркуляцією.

5. Моделюванням донної і комбінованої продувки металу в ковші визначена верхня межа питомої витрати газу, що запобігає створенню аварійних ситуацій, пов'язаних з надмірним сплескоутворенням на поверхні розплаву. Вона для комбінованої продувки металу в ковші складає величину 6,8 дм³/(т•хв).

Встановлено, що тривалість повного змішування при комбінованому способі підведення дуття в 1,5 - 2,1 разу менша, ніж при донному. Цей факт пояснюється наявністю зустрічної циркуляції, меншою кількістю «застійних» зон та більш розгалуженим рухом рідини при комбінованому способі підведення дуття порівняно з донним. Швидкості руху рідини на моделі при комбінованій продувці в 1,65- 1,96 разу вище, ніж при використанні тільки донного дуття.

6. Проведено промислове випробування комбінованої верхнє-донної продувки металу в ковші в умовах мартенівського цеху ВАТ «Запоріжсталь» при обробці металу в ковші під час випуску плавки.

В результаті обробки:

- знизили угар розкислювачів (угар марганцю на дослідній технології склав 11,00%, кремнію - 11,56% проти відповідно 13,66% і 19,87%, на порівняльній);

- знизили тривалість розливки (65хв. на дослідній плавці проти 80 хв. на порівняльній) за рахунок більш рівномірного усереднення по температурі і збільшення рідкотекучості металу;

- зменшили вміст оксидних неметалевих включень на 6,21% відносних, сульфідних - на 2,32% відносних в порівнянні з металом порівняльної плавки;

- зменшили максимальний бал неметалевих включень в готовому прокаті.

7. Встановлено переважний склад неметалевих включень при розкислюванні металу в ковші в умовах майбутнього конвертерного цеху ВАТ «Запоріжсталь». Розроблено режим продувки металу в ковші, що сприяє максимальному його усередненню і видаленню неметалевих включень.

8. Проведено аналіз показників обробки металу на установці ківш-піч показав, що пропонована технологія комбінованої продувки металу дозволить збільшити її продуктивність на 182 тис.т/рік.

Економічний ефект від впровадження комбінованої продувки металу на установці ківш-піч, без урахування економії електроенергії, складе 532 тис.грн/рік.

Основний зміст дисертації опубліковано в наступних наукових роботах

1. Числа подобия для моделирования продувки жидкого металла в ковше нейтральным газом / Е.В. Штапура, Ю.И. Жаворонков, Б.М. Бойченко, К.Г. Низяев, С.В. Харченко // Новини науки Приднiпров'я. - 2008. - №3-4. - с.5-6.

2. Моделирование донной продувки мартеновской ванны нейтральным газом / Е.В. Штапура, Б.М. Бойченко, В.Н. Ерак, В.В. Керницкий// Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2006. - №7. - С.263 - 268.

3. Пат. 87079 Україна МПК (2006) С21С5/00, С21С7/07, С21С5/48. Пристрій для продувки металу в ковші/ Штапура Є.В., Жаворонков Ю.І., Бойченко Б.М., Нізяєв К.Г.; заявник та власник Національна металургійна академія України. - № а200806819; заявлено. 19.05.2009; надруковано. 10.06.2009, Бюл. №11.

4. Пат. 85022 Україна МПК (2006) С21С7/072, В22D1/00. Спосіб перемішування сталі в ковші/ Штапура Є.В., Жаворонков Ю.І., Бойченко Б.М., Нізяєв К.Г.; заявник та власник Національна металургійна академія України. - № а200800674; заявлено. 21.01.2008; надруковано. 10.12.2008, Бюл. №23.

5. Моделирование продувки жидкой стали в ковше/ Е.В. Штапура, Ю.И. Жаворонков, Б.М. Бойченко, К.Г. Низяев, С.В. Харченко // Бюллетень «Черная металлургия». - 2009. - №5. - С. 43 - 46.

6. Моделирование продувки жидкой стали в ковше нейтральным газом/ Е.В. Штапура, Ю.И. Жаворонков, Б.М. Бойченко, К.Г. Низяев, С.В. Харченко // Новини науки Приднiпров'я. - 2008. - №1-2. - с.112 - 114.

Размещено на Allbest.ru

...