Розробка раціональних режимів плавлення алюмінієвих стрижнів із захисним покриттям при позапічному доведенні сталі

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДНІПРОДЗЕРЖИНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 669.717:669.040.26:669.046.55.001.57

05.14.06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розробка раціональних режимів плавлення алюмінієвих стрижнів із захисним покриттям при позапічному доведенні сталі

Бабенко Михайло Володимирович

Дніпродзержинськ - 2006



Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Дніпродзержинському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Павлюченков Ігор Олександрович Дніпродзержинський державний технічний університет завідувач кафедрою програмного забезпечення та обчислювальної техніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Недопьокін Федір Вікторович Донецький національний університет професор кафедри фізики нерівноважних процесів метрології та екології;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Піптюк Віталій Петрович Інститут чорної металургії НАН України старший науковий співробітник відділу позаагрегатної обробки сталі.

Провідна організація: Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної Академії Наук України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 14 ” 11 2006 р. в 13 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради K 09.091.01 Дніпродзержинського державного технічного університету за адресою: 51918, м. Дніпродзержинськ, вул. Дніпробудівська, 2.

З дисертацією можна ознайомиться в бібліотеці Дніпродзержинського державного технічного університету за адресою: 51918, м. Дніпродзержинськ, вул. Дніпробудівська, 2.

Автореферат розісланий “ 14 ” 10 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради K 09.091.01, кандидат технічних наук, доцент О.С. Косухина



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Позапічна обробка металу є одним з найбільш ефективних напрямів корінного підвищення якості і властивостей металопродукції масового призначення і ресурсозбереження в металургії. Для забезпечення необхідних властивостей кінцевої металопродукції необхідне попереднє розкислення металу алюмінієм при випуску його в ківш із сталеплавильного агрегату. Дефіцит, висока вартість алюмінію на ринку сировини, обумовлені великою енергоємністю виробництва і відносно низьким і нестабільним засвоєнням алюмінію, що вводиться в розплав за традиційними технологіями, постійно примушують шукати шляхи зниження його витрат, вдосконалювати відомі способи його використання та розробляти нові, що будуть забезпечувати підвищення ступеня його засвоєння. З аналізу особливостей засвоєння алюмінію випливає, що протікання тепломасообмінних процесів на окремих етапах засвоєння (нагрів, плавлення, масоперенос) істотно впливає на ступінь та тривалість засвоєння добавки. Проведені ж раніше дослідження по засвоєнню алюмінію не відображають комплексного взаємовпливу особливостей протікання тепло- і масообмінних процесів при засвоєні алюмінію в рідкій сталі. Тому освоєння нових ресурсозберігаючих технологій в позапічній обробці металу пов'язане з необхідністю розробки математичних моделей і методів чисельного розрахунку плавлення тіл складної конфігурації, що враховують закономірності протікання теплофізичних процесів з урахуванням гідродинаміки розплаву в ковші.

Зв'язок роботи з науковими програмами і планами. Питання, що розглядаються в дисертаційній роботі, відповідають визначеним законодавством України пріоритетним напрямам розвитку науки і техніки, зокрема напряму “Нові технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі”, державній програмі розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р., положенням комплексної державної програми енерго- і ресурсозберігання, “Основним напрямам державної політики України” в області забезпечення екологічної безпеки, а також напрямам науковій діяльності ДДТУ.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи: Зниження витрат алюмінію в технологічних операціях позапічного розкислення металу в сталерозливному ковші за рахунок розробки раціональних тепло технологій використання алюмінієвих стрижнем із захисним покриттям.

Об'єкт дослідження - процес позапічного доведення розплаву в сталерозливному ковші. ковш алюмінієвий стрижень сталерозливний

Предмет дослідження - тепло- і масообмінні процеси при нагріві і плавленні матеріалів в період заповнення металом сталерозливного ковша з урахуванням гідродинаміки розплаву.

Задачі дослідження:

виконати аналіз різних способів введення алюмінію в сталерозливний ківш;

виконати аналіз процесів розрахунку гідродинаміки і плавлення матеріалів в сталерозливному ковші;

розробити алгоритми розрахунку двомірних задач плавлення матеріалів;

розробити комплексну математичну модель, алгоритм і програму розрахунку процесу плавлення алюмінієвого стрижня із захисним покриттям з урахуванням гідродинаміки розплаву при випуску плавки;

на основі розроблених комплексної математичної моделі і алгоритму розрахунку досліджувати вплив технологічних параметрів на кінетику плавлення алюмінієвого стрижня із захисним покриттям, ступінь і тривалість засвоєння добавки;

розробити раціональні режими обробки розплаву алюмінієвими стрижнями із захисним покриттям.

Методи дослідження. У роботі використані: метод математичного моделювання для дослідження процесів гідродинаміки, нагріву і плавлення матеріалів, що дозволяють встановити кінетику протікання тепломасообмінних процесів на різних етапах засвоєння алюмінієвого стрижня із захисним покриттям під час заповнення сталерозливного ковша з урахуванням гідродинаміки розплаву; дослідно-промислові експерименти для дослідження товщини захисного покриття в алюмінієвому стрижні.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Запропонований новий метод визначення тривалості плавлення захисного покриття алюмінієвого стрижня за допомогою комплексної моделі плавлення тіл складної конфігурації, що враховує закономірності протікання теплофізичних процесів з урахуванням гідродинаміки розплаву в ковші.

2. На основі розробленої комплексної моделі вперше отримано чисельне рішення задачі нагріву і плавлення алюмінієвого стрижня із захисним покриттям і гідродинамічних процесів при випуску металу в 250-т сталерозливний ківш з урахуванням інжекції повітря і стисливості середовищ газ - розплав для умов Дніпровського металургійного комбінату.

3. Встановлена раціональна товщина захисного покриття в алюмінієвому стрижні залежно від температури та складу металу, що випускається в сталерозливні ковші різної ємності.

Практичне значення отриманих результатів. Підтверджена технологічна можливість ефективнішого використання алюмінію в позапічних процесах розкислення металу в порівнянні з традиційними на сучасному етапі методами. Результати промислового випробування нової технології розкислення та проведені дослідження на ВАТ Дніпровський металургійний комбінат ім. Ф. Е. Дзержинського і ВАТ “Дніпровагонбуд” показали реальну можливість зниження витрат алюмінію на 35-40 % без погіршення якості сталі і зміни технології суміжних виробництв. Вартість матеріалів, що йдуть на виготовлення захисних оболонок алюмінієвих вставок, складає в середньому 15 % від вартості заощадженого чушкового алюмінію. Зроблені також рекомендації по впровадженню вказаної технології для ВАТ “Електрометалургійний завод "Дніпроспецсталь" ім. А. Кузьміна” (м. Запоріжжя). Очікуваний річний економічний ефект від впровадження результатів роботи в цінах 2006 року складає 781 тис. грн.

Розроблені автором методики розрахунків можуть бути використані інститутом “Укргіпромез” для опрацьовування варіантів конструкцій стрижнів з різних матеріалів з метою розкислення, легування або десульфації металу в різних металургійних агрегатах, а також використовуються в учбовому процесі ДДТУ при виконанні науково-дослідних робіт студентів, дипломних проектів і дипломних робіт.

Особистий внесок претендента. Дисертація є самостійною роботою автора, що грунтується на опублікованих раніше результатах його досліджень. На різних етапах цих досліджень автор отримував консультації відомих учених (Никитенко Н.І., Огурцов А.П., Самохвалов С.Є., Тимошпольський В.Й.). Основні ідеї роботи, постановка завдань, теоретичні дослідження, розробка і реалізація комплексної математичної моделі і методики чисельного дослідження процесу засвоєння алюмінієвого стрижня із захисним покриттям, а також узагальнення отриманих результатів і формулювання висновків виконані автором самостійно. Розроблений здобувачем алгоритм розрахунку двомірних задач плавлення матеріалів опублікований в роботі [1]. Результати виконаних здобувачем досліджень раціональної товщини захисного покриття залежно від температури випуску металу в сталерозливний ківш опубліковані в роботах [2, 3]. Розроблена претендентом методика розрахунку гідродинаміки розплаву при випуску металу в сталерозливний ківш з урахуванням інжекції повітря і стисливості середовищ газ - розплав опублікована в роботі [4]. Автор не використовував у роботі ідей і розробок, що належать співавторам спільно опублікованих робіт.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи двічі (2003 р. і 2005 р.) доповіли на міжнародній науково-методичній конференції “Проблеми математичного моделювання”, м. Дніпродзержинськ, на наукових семінарах кафедри “Програмне забезпечення та обчислювальна техніка” і “Промислової теплоенергетики” Дніпродзержинського державного технічного університету і кафедри теплотехніки Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Публікації. Основні результати роботи викладені в 4 статтях, опублікованих в фахових наукових журналах і збірках наукових праць.

Структура дисертації. Робота складається з введення, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Матеріал дисертації викладений на 140 сторінках машинописного тексту і включає 10 таблиць, 24 малюнки, 3 додатки. Список використаних літературних джерел містить 159 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обгрунтовані актуальність і доцільність роботи, визначена наукова новизна, практичне значення і реалізація результатів дослідження, приведені відомості про апробацію результатів і публікації.

СТАН ПИТАННЯ І ЗАДАЧІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

В першому розділі проведено аналіз науково-технічної літератури, який показав, що питанню підвищення ступеня засвоєння алюмінію при розкисленні сталі в ковші присвячена велика кількість досліджень, основним завданням яких було зменшити тривалість контакту алюмінію з окислювальним пічним шлаком, що потрапляв в ківш, і атмосферою. На Дніпровському металургійному комбінаті ім. Ф.Е. Дзержинського пройшла промислове випробування ресурсозберігаюча технологія розкислення металу алюмінієм, суть якої полягає у введенні під рівень металу двох комплектів алюмінієвих чушок (вставок) з плавкими захисними оболонками, що встановлюються в 250-т ковша до випуску плавки (рис. 1).

Рис. 1. Схема розташування і установки накидного пристрою в ковші з розкислюючими вставками: 1 - ківш; 2 - накидний пристрій; 3 - розкислюючі вставки із захисним покриттям; 4 - сережка; 5 - фіксатор.

Враховуючи складність і трудомісткість експериментальних досліджень для різних марок сталі і широкий діапазон температури випуску металу, доцільно застосувати для вибору раціональної товщини захисного покриття математичне моделювання. Таким чином, виникає необхідність математичного моделювання процесу гідродинаміки металу при випуску його в ківш і процесів нагріву і плавлення стрижня. При рішенні задачі нагріву і плавлення стрижня необхідно вирішити двомірну задачу теплопровідності з внутрішньою (нагрів і плавлення алюмінію усередині оболонки) і зовнішньою (плавлення захисного покриття) межами плавлення. Для її вирішення розроблений алгоритм розрахунку на основі методу Дюзімбера.

В процесі розробки і впровадження даної технології розкислення металу необхідно підбирати товщину захисного покриття алюмінієвого стрижня такою, щоб плавлення алюмінію почалося після закінчення випуску металу в ківш. Якщо захисне покриття розплавиться до закінчення випуску плавки, то алюмінієвий стрижень швидко розплавиться і рідка фаза алюмінію спливе на поверхню металу, при цьому втрати алюмінію значно зростуть.

МОДЕЛЮВАННЯ НА ОСНОВІ МЕТОДУ ДЮЗІМБЕРА ПРОЦЕСІВ ПЛАВЛЕННЯ ТІЛ ПРАВИЛЬНОЇ ГЕОМЕТРИЧНОЇ ФОРМИ В РОЗПЛАВІ

У другому розділі проведено математичне моделювання процесів плавлення тіл правильної геометричної форми в розплаві. Проведені чисельні розрахунки кінетики плавлення тіл, засновані на методі Дюзімбера. У даному методі, після розрахунку підігріву поверхневого шару тіла до температури плавлення, при розрахунку руху зовнішньої межі плавлення обчислюють "надмірну" температуру по відношенню до температури плавлення тіла. Для цього на кожному кроці за часом, паралельно з розрахунком прогріву внутрішніх шарів тіла, сумується різниця між "надмірною" температурою і температурою плавлення, яка заноситься в окремий рахунок. Коли число "надмірних" градусів в цьому рахунку досягне величини відношення прихованої теплоти до теплоємності тіла, то величина розрахункової області зменшується на один крок по координаті.

Для підтвердження адекватності методу Дюзімбера порівнювали його з відомим методом Никитенко, розглядаючи модельну задачу плавлення пластини. Вибрані два характерних для металургійних теплотехнологій матеріали: метал і шлак, теплофізичні характеристики яких приведені в таблиці 1. При цьому припустили, що тепловим періодом плавлення (намерзання і подальше плавлення оболонки розплаву) можна нехтувати. Для процесу плавлення шлаку в розплаві таке допущення (зважаючи на низьке значення коефіцієнта теплопровідності) є природним. Що стосується металу, припускаємо, що плавлення пластини відбувається поза розплавом, наприклад, під впливом зовнішнього джерела тепла.

У розрахунках прийняли пластину з характерним розміром Z0 = 0,05 м. Температура розплаву прийнята постійною і рівною 1600 C. Коефіцієнт тепловіддачі від розплаву до поверхні пластини також вибраний постійним і рівним б = 5000 . Отримані при плавленні пластини результати представлені в таблиці 2.

Таблиця 1 - Теплофізичні характеристики

Метал	Шлак
tпл = 1500 C c = 700 = 7800 = 30 Q = 250000	tпл = 1350 C c = 1000 = 1950 = 2 Q = 200000



Таблиця 2 - Порівняння методів Дюзімбера і Никитенко при плавленні пластини

Кількість розбиття, М	Час плавлення по методу Дюзімбера, сек.	Час плавлення по методу Никитенко, сек.	% відхилення
10	58 / 559	64 / 599	9,38 / 6,68
20	80 / 607	86 / 646	6,98 / 6,04
30	91 / 622	97 / 661	6,19 / 5,90
40	97 / 631	102 / 669	4,90 / 5,68
50	100 / 636	105 / 673	4,76 / 5,50
60	103 / 640	108 / 676	4,63 / 5,33
70	105 / 644	109 / 678	3,67 / 5,01
80	106 / 649	110 / 680	3,64 / 4,56
90	108 / 654	111 / 681	2,70 / 3,96
100	110 / 660	112 / 682	1,79 / 3,23

Примітка: чисельник - результати розрахунку тривалості плавлення пластини з шлаку; знаменник - результати розрахунку тривалості плавлення пластини з металу.

Отримані результати розрахунку тривалості повного розплавлення шлакової і металевої пластин залежно від вибраного кроку по координаті показали, що розбіжність для обох методів не перевищує 10 відсотків і при згущуванні різницевої сітки значно зменшується.

РОЗРОБКА АЛГОРИТМІВ РОЗРАХУНКУ ДВОМІРНИХ ЗАДАЧ ПЛАВЛЕННЯ МАТЕРІАЛІВ В РОЗПЛАВІ НА ОСНОВІ МЕТОДУ ДЮЗІМБЕРА

У третьому розділі на основі методу Дюзімбера представлені розроблені алгоритми розрахунку двомірних задач плавлення призми і циліндра в розплаві. Як приклад приведемо математичну модель і алгоритм розрахунку процесу плавлення циліндра в розплаві. Розглянемо нагрів і подальше плавлення циліндра, повністю зануреного в розплав. Приймаємо, що температура tж розплаву постійна і вище за температуру tпл плавлення циліндра. Приймаємо також, що теплофізичні параметри циліндра такі, що намерзанням розплаву на його поверхні можна нехтувати. На бічній поверхні циліндра відбувається конвективний теплообмін з розплавом з відомим коефіцієнтом б тепловіддачі. На днищі циліндра відбувається конвективний теплообмін з розплавом з відомим коефіцієнтом д тепловіддачі. На верхній поверхні циліндра прийнята умова адіабати. Як розрахункова область вибраний вертикальний розріз циліндра щодо його осі симетрії (рис. 2).

Математична модель процесу плавлення циліндра

Розподіл температур в циліндрі описується двомірним рівнянням теплопровідності в циліндричній системі координат:

(1)

де t - температура, C; - коефіцієнт теплопровідності; - щільність; - теплоємність; tпл - температура плавлення циліндра.

Граничні умови. Уздовж осі симетрії циліндра тепловий потік рівний 0. На верхній торцевій поверхні циліндра тепловий потік також рівний 0. На зовнішній бічній і нижній поверхнях циліндра в період нагріву теплообмін відбувається в результаті конвекції з рідким металом:

(2)

де - нормаль до відповідних поверхонь; i - коефіцієнт тепловіддачі, що приймає значення б (бічна поверхня циліндра) або д (нижня поверхня циліндра).

Нехай точка P належить межі плавлення в циліндрі. На зовнішній бічній і нижній поверхнях циліндра в період плавлення умову руху межі плавлення запишемо у вигляді:



; t(Р)= tпл (3)

де Q - прихована теплота плавлення, Дж / кг; W(P) - швидкість руху межі, м/с.

Початковий розподіл температури в циліндрі приймається рівномірним і рівним t(r,z,0)= t0, де t0 - початкова температура циліндра, C.

Алгоритм розрахунку на основі методу Дюзімбера. У пропонованому алгоритмі розрахунку використовується явна різницева схема. Розрахункова область оздоблює з усіх боків одним шаром контрольних об'ємів. Вводяться матриці температур t[i, j] і t1[i, j] (1 i M+1; 1 j N+1). У початковий момент часу (n = 0) значення t[i, N+1] (нижній рядок) приймаються рівними температурі розплаву, значення t[M+1, j] (останній стовпець) також приймаються рівними температурі розплаву. Вводяться матриці теплофізичних параметрів щільності ro[i, j], теплопровідності lam[i, j] і теплоємності с[i, j], куди заносяться відповідні значення параметрів в залежності від температури. Для розрахунку значень температур на “n+1” часовому шарі організовується зовнішній цикл по j (2 j N) і внутрішній цикл по i (2 i M). Для розрахунку температур використовується одне узагальнене рівняння розрахунку температур на “n+1” часовому шарі. Воно має наступний вигляд:

(4)

Значення коефіцієнта rz (z - ”захід”) визначається по формулі:

(5)

де ri - відстань від осі симетрії до контрольного об'єму з номером i; r - крок по координаті в радіальному напрямі.

Значення коефіцієнта rv (v - ”схід”) визначається залежно від значення температури в контрольному об'ємі з номером (i+1, j):

(6)

(7)

Значення коефіцієнта rs (s - ”північ”) визначається у вигляді:

(8)

де z - крок по координаті в осьовому напрямі.

Значення rj (j - ”південь”) визначається залежно від температури в контрольному об'ємі з номером (i, j+1):

(9)

, (10)

Якщо контрольний об'єм з нижнього і правого боків обтікаються розплавом, то rv і rj визначаються по формулах (7) і (10), відповідно. Розрахунок по формулах (5 - 10) здійснюється для контрольних об'ємів, температура яких нижча за температуру плавлення циліндра.

Після розрахунку процесу підігріву циліндра на даному часовому шарі проводиться розрахунок плавлення контрольних об'ємів, які прогрілися до температури плавлення. Для цього організовується зовнішній цикл по j (2 j N) і внутрішній цикл по i (2 i M). Для кожного контрольного об'єму, що має температуру, рівну температурі плавлення циліндра, обчислюється згідно методу Дюзімбера надмірна температура:

(11)

Різниця між значенням надмірної температури і температури плавлення циліндра підсумовується в окремому лічильнику. Для цих цілей введена матриця cd[i, j], на початку розрахунку її елементи рівні 0. Якщо значення cd[i, j] стане більше відношення прихованої теплоти плавлення циліндра до його теплоємності, то вважається що гранична комірка з координатами (i, j) розплавився. При цьому значення t[i, j] стає рівним температурі розплаву. Після розрахунку надмірної температури для відповідних контрольних об'ємів на кожному часовому шарі проводиться перенесення отриманого поля температур t1[i, j] в попереднє поле температур t[i, j].

Для умов, приведених у другому розділі, проведені розрахунки динаміки плавлення циліндрів з металу і шлаку. Тривалість розплавлення циліндрів залежно від вибраної сітки приведена на графіках (рис. 3). Погрішність розрахунку, як і в одновимірних задачах, не перевищує 10 відсотків і при згущуванні різницевої сітки значно зменшується. Таким чином, адекватність розроблених алгоритмів по методу Дюзімбера підтверджена задовільним збігом результатів розрахунку аналогічних задач плавлення на основі методу Никитенко.

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ПЛАВЛЕННЯ СТРИЖНЯ ІЗ ЗАХИСНИМ ПОКРИТТЯМ ПРИ ВИПУСКУ МЕТАЛУ В СТАЛЕРОЗЛИВНИЙ| КІВШ

У четвертому розділі проведено математичне моделювання процесу плавлення алюмінієвого стрижня із захисним покриттям при випуску металу з кисневого конвертера в ківш. Припускаємо, що ківш має циліндрову форму. При випуску з конвертера струмінь металу падає практично постійно в центр ковша, завдяки його руху у напрямі зсуву струменя. Таким чином, розрахункова область зведена до половини осьового перетину ковша, тобто тримірна задача гідродинаміки розплаву зводиться до двомірної осесиметричної задачі.

Перераховані вище математичні моделі розрахунку гідродинаміки, не враховували одну істотну властивість середовища газ-розплав - її стисливість, що з'являється унаслідок досить значної щільності розплаву. Велика щільність розплаву приводить до відносно великих градієнтів тиску в його об'ємі. Так, в розплаві сталі феростатичний тиск досягає величини атмосферного на глибині близько півтора метрів, в той час, як, наприклад, в ковші рівень розплаву може бути рівний чотирьом - п'яти метрам. В цьому випадку пузир газу, спливаючий від дна ковша до поверхні розплаву, збільшується в об'ємі приблизно в три рази. Пузирі ж повітря, захоплюваного струменем розплаву при заповненні зверху ковшів і виливниць, потрапляючи в глиб розплаву, стискаються, що зменшує об'ємний коефіцієнт газозмісту розплаву і змінює його гідродинамічні параметри.

По розробленим математичній моделі і алгоритму проведені розрахунки гідродинамічних процесів при випуску металу з кисневого конвертера в 250-тонний сталерозливний ківш для умов Дніпровського металургійного комбінату. У розрахунках вважали, що час випуску металу склав 5 хв. При цьому приймали радіус струменя rвх = 0.1 м, максимальний рівень наповнення ковша склав 4.44 м, відстань від сталевипускного отвору до верхнього рівня металу в ковші складає 3 м, радіус ковша - 1.6 м, частка інжектуємого струменем повітря - 0 = 0.7. За цих умов середні швидкості розплаву в тому місці ковша, де повинен розташовуватися алюмінієвий стрижень, склали 40 - 50 мм/с.

Під час надходження металу на бічній поверхні захисного покриття відбувається конвективний теплообмін з рідким металом. На вільній від металу поверхні захисного покриття здійснюється конвективний теплообмін з навколишньою атмосферою. Враховуючи, що форма поперечного перетину стрижня близька до квадрата (150х170 мм) поперечний перетин злитка замінили на круг еквівалентного діаметру (рис. 4). Як розрахункова область вибраний вертикальний розріз стрижня щодо його осі симетрії. Геометричні параметри стрижня задаються розмірами в радіальному напрямі радіусом R і товщиною бічної поверхні захисного покриття hб; у вертикальному напрямі, відповідно, висотою стрижня Н. Приймали, що товщина днища hд співпадає з товщиною бічної поверхні захисного покриття.

Розподіл температур в стрижні описується двомірним рівнянням теплопровідності в циліндричній системі координат (1), де = т, = т т при t < ; = ж, = ж ж при t > ; індекс “т” означає тверду фазу алюмінію, а індекс “ж” - рідку фазу алюмінію; - температура плавлення алюмінію.

Нехай точка Ра належить межі плавлення в алюмінієвому стрижні. На фронті двох фаз виконується умова:

(12)

де Wa(Ра) - швидкість переміщення крапки Ра уздовж нормалі до рухомої межі; Qa - прихована теплота плавлення алюмінію.

Розподіл температур в шарі захисного покриття має вигляд:

(13)

R < r < R + hб; z < H або Н < z < H + hд; 0 < r < R + hб

Індекс “п” позначає захисне покриття.

Граничні умови. Уздовж осі симетрії стрижня тепловий потік рівний 0, на верхній торцевій поверхні стрижня тепловий потік також рівний нулю. На межах розділу стрижня і покриття заданий ідеальний тепловий контакт.

На зовнішній бічній і нижній поверхнях захисного покриття теплообмін в період прогріву відбувається в результаті конвекції з рідким металом:

(14)

де - нормаль до відповідних поверхонь; i - коефіцієнт тепловіддачі, що приймає значення б (бічна поверхня захисного покриття) або д (нижня поверхня стрижня і покриття), tср - температура навколишнього середовища, приймає значення температури металу в ковші для шарів, занурених в розплав, і температури повітря для шарів, не занурених в розплав.

Нехай точка Pп належить межі плавлення в захисному покритті. На зовнішній бічній і нижній поверхнях циліндра в період плавлення умову руху межі плавлення запишемо у вигляді:

; t(Рп)= (15)

де Qп - прихована теплота плавлення захисного покриття; W(Pп) - швидкість руху межі, м/с.

Значення коефіцієнтів тепловіддачі i при обтіканні бічної і нижньої поверхонь захисного покриття визначається у вигляді:

(16)

де: жм - теплопровідність рідкого металу; - в'язкість розплаву; V - горизонтальна (при обчисленні д) і вертикальна (при обчисленні б) складова швидкості обтікання поверхні захисного покриття; Z приймає значення 2 . R + hб (при обчисленні д) або висоти стрижня, покритого металом Ну (при обчисленні б).

Початковий розподіл температури в стрижні і захисному покритті приймається рівномірним t(r, z, 0) = t0, де t0 - початкова температура стрижня, С. Значення швидкостей обтікання Vд і Vб взято з рішення двомірної осесиметричної задачі гідродинаміки випуску металу з кисневого конвертера в сталерозливний ківш.

Розрахункову область представили у вигляді 2 зон, в кожній з яких вибирали відповідну рівномірну сітку. У зоні захисного покриття вибирається сітка з дрібним кроком по координаті, а в зоні матеріалу стрижня вибирається сітка з крупнішим кроком по координаті.

Теплофізичні характеристики захисного покриття (шлак) представлені в таблиці 1. Теплофізичні характеристики алюмінієвого стрижня прийняті наступні: = 660 C; c = 900 ; = 2700 ; тв = 220 , ж = 100 ; Q = 367000 .

В результаті обчислювальних експериментів визначена раціональна товщина (80 мм) захисного покриття для марок сталі 20тр Дніпровського металургійного комбінату, для якої отримана залежність тривалості плавлення захисної оболонки від температури випуску металу:

= 0,0043( tвип)2 - 15,109 tвип + 13452 (17)



На основі проведених розрахунків розроблені практичні рекомендації по раціональній товщині захисного покриття алюмінієвого стрижня для масових марок сталі Дніпровського металургійного комбінату (таблиця 3).

Таблиця 3 - Рекомендована раціональна товщина захисної оболонки для різних груп марок сталі

Марка сталі	Зміст вуглецю, не менше %	Температура випуску, С	Тривалість випуску, хв.	Раціональна товщина захисної оболонки, мм
35ГС, 50Г	0,06	1650	5-6	105
10тр	0,08	1630	5-6	95
20тр, м35тр, 20К, 3сп	0,1	1610	5-6	80
КПТ|	0,3	1605	5-6	80
К74, К74Ц	0,6	1600	5-6	75

Виходячи з вартості однієї тонни алюмінієвих стрижнів з урахуванням витрат на його виготовлення, яка складає 13900 грн., і вартості однієї тонни алюмінієвих чушок АВ - 87, яка складає 12100 грн., була розрахована економічна ефективність заміни алюмінієвих чушок стрижнями для різних типів сталерозливних ковшів. Результати розрахунків приведені в таблиці 4.

Таблиця 4 - Порівняльні характеристики застосування алюмінію (у стрижнях і чушках) для розкислення сталі залежно від типу ковша

Місткість ковша, т	Витрата алюмінію, кг на тонну сталі	% засвоєння алюмінію	Економічний ефект, грн|./т сталі
	у стрижнях	у чушках	у стрижнях	у чушках
до 10	1,44	1,91	38	18	3,10
10-30	1,22	1,66	43	20	3,13
30-60	1,1	1,54	48	21	3,34
60-120	1	1,43	56	24	3,40
120-200	0,85	1,27	58	21	3,55
200-300	0,64	1	63	23	3,20
більше 300	0,8	1,17	52	20	3,04



ВИСНОВКИ

1. Розроблені алгоритми розрахунку двомірних задач плавлення тіл в розплаві. Адекватність розроблених алгоритмів підтверджена задовільним збігом результатів розрахунку аналогічних задач плавлення на основі методу Никитенко (погрішність не перевищує 10 відсотків і при згущуванні різницевої сітки значно зменшується.).

2. Запропоновано новий метод визначення тривалості плавлення захисного покриття алюмінієвого стрижня на основі комплексної моделі плавлення тіл складної конфігурації, що враховує закономірності протікання теплофізичних процесів з урахуванням гідродинаміки розплава в ковші.

3. На основі розробленої комплексної моделі отримано чисельне рішення динаміки протікання процесів нагріву та плавлення алюмінієвого стрижня із захисним покриттям і гідродинамічних процесів при випуску металу з кисневого конвертера в 250-т сталерозливний ківш з урахуванням інжекції повітря і стисливості середовища газ-розплав для умов Дніпровського металургійного комбінату.

4. На основі проведених розрахунків розроблені практичні рекомендації по раціональній товщині захисного покриття алюмінієвого стрижня для масових марок сталі в сталерозливних ковшах різної ємності.

5. Розрахована річна економічна ефективність застосування алюмінієвих стрижнів із захисним покриттям. Сумарний очікуваний економічний ефект на ВАТ “Дніпровський металургійний комбінат ім. Дзержинського” (м. Дніпродзержинськ), ДП “Дніпродзержинський сталеливарний завод” ВАТ “Дніпровагонбуд” (м. Дніпродзержинськ), ВАТ “Електрометалургійний завод "Дніпроспецсталь" ім. А. Кузьміна” (м. Запоріжжя) складає 781 тис. грн.



ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бабенко М.В., Павлюченков И.А. Алгоритм расчета (на основе метода Дюзимбера) двухмерной задачи плавления цилиндра в расплаве. Металургiйна теплотехнiка: Збiрник наукових праць Національної металургiйної академії України. - Дніпропетровськ: “ПП Грек О.С.”, 2006. с. 3-7.

2. Бабенко М.В., Огурцов А.П., Павлюченков И.А. Математическое моделирование рациональных режимов усвоения алюминиевого стержня с защитным покрытием при выпуске металла в сталерозливочный ковш. Математичне моделювання. № 2 (14), 2005 р., с. 35 - 38.

3. Бабенко М.В., Павлюченков И.А., Бродский А.С. Математическое моделирование режимов усвоения алюминиевого стержня с защитным покрытием при выпуске металла в сталеразливочный ковш. „Нові технології”, науковий вісник Кременчуцького Інституту економіки та нових технологій, № 1 - 2 (7 - 8), 2005 р., с. 230 - 233.

4. Никитенко Н.И., Самохвалов С.Е., Бабенко М.В., Погорельченко А.А. Численное моделирование гидродинамики слабосжимаемой газожидкостной среды. Инженерно-физический журнал, 1995, том 68, № 5, с. 774 - 780.



АНОТАЦІЯ

Бабенко М.В. “Розробка раціональних режимів плавлення алюмінієвих стрижнів із захисним покриттям при позапічному доведенні сталі”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. - Дніпродзержинський державний технічний університет, Дніпродзержинськ, 2006.

У дисертаційній роботі розроблені раціональні режими плавлення алюмінієвих стрижнів із захисним покриттям, що забезпечують максимальний розкислюючий ефект і засвоєння алюмінію при позапічному доведенні стали. Запропонована математична модель, призначена для чисельного дослідження гідродинаміки газорідинних середовищ при невеликих коефіцієнтах газозмісту, коли газорідинне середовище слабо стискається. Розроблені комплексна математична модель і алгоритм розрахунку двомірної завдачі плавлення алюмінієвого стрижня із захисним покриттям в процесі випуску металу з кисневого конвертера в сталерозливний ківш. Досліджена залежність тривалості плавлення захисної оболонки від температури випуску металу. На основі проведених розрахунків розроблено практичні рекомендації з раціональної товщини захисного покриття алюмінієвого стрижня для масових марок стали.

Ключові слова: алюмінієвий стрижень, захисное покриття, математичне моделювання, метод Дюзімбера.



АННОТАЦИЯ

Бабенко М.В. “Разработка рациональных режимов плавления алюминиевых стержней с защитным покрытием при внепечной доводке стали”. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Днепродзержинский государственный технический университет, Днепродзержинск, 2006.

В диссертационной работе разработаны рациональные режимы плавления алюминиевых стержней с защитным покрытием, обеспечивающие максимальный раскисляющий эффект и усвоение алюминия при внепечной доводке стали. Технология раскисления металла алюминием, которая заключается во вводе под уровень металла двух комплектов алюминиевых чушек (вставок) с плавкими защитными оболочками, устанавливаемых в 250-т ковш до выпуска плавки, является одной из наиболее эффективных ресурсосберегающих технологий внепечной обработки стали.

Эффективными методами расчета (в одно- и двухмерной постановке задачи) процессов плавления (затвердевания) твердых материалов в расплаве являются алгоритмы, основанные на методе Дюзимбера, адекватность которых подтверждена хорошим совпадением результатов расчета задач плавления на основе метода Никитенко (погрешность не превышает 10 процентов и по мере сгущения разностной сетки значительно уменьшается).

В диссертационной работе предложена комплексная модель плавления тел сложной конфигурации, учитывающей закономерности протекания теплофизических процессов с учетом гидродинамики в сталеразливочных ковшах различной емкости.

На основе разработанной комплексной модели предложен новый подход определения продолжительности плавления защитного покрытия алюминиевого стержня, получено численное решение кинетики протекания процессов нагрева и плавления алюминиевого стержня с защитным покрытием и гидродинамических процессов при выпуске металла в 250-т сталеразливочный ковш с учетом инжекции воздуха и сжимаемости сред газ - расплав для условий Днепровского металлургического комбината.

В результате вычислительных экспериментов определена оптимальная толщина (80 мм) защитного покрытия для самых распространенных плавок стали 20тр. Для этой толщины получена зависимость длительности плавления защитной оболочки от температуры выпуска металла. На основе проведенных расчетов разработаны практические рекомендации по рациональной толщине защитного покрытия алюминиевого стержня для массовых марок стали.

Рассчитана годовая экономическая эффективность применения алюминиевых стержней с защитным покрытием. Суммарный ожидаемый экономический эффект на ОАО “Днепрвский металлургический комбинат им. Дзержинского” (г. Днепродзержинск), ДП “Днепродзержинский сталелитейный завод” ОАО “Днепровагонмаш” (г. Днепродзержинск), ОАО “Электрометаллургический завод "Днепрспецсталь" им. А. Кузьмина” (г. Запорожье) составляет 781 тыс. грн. В ценах 2006 года.

Ключевые слова: алюминевый стержень, защитное покрытие, математическое моделирование, метод Дюзимбера.



ANNOTATION

Babenko M.V. “The development of Rational modes of aluminium bars melting with protective coating at extrafurnace steel finishing”. Manuscript.

The dissertation to seek the degree of Candidate of Science in Specialty 05.14.06 - technical thermal physics and industrial heat- and power engineering. - Dneprodzerzhynskyy State Technical University, Dneprodzerzhinsk, 2006.

The rational modes of aluminium bars melting with protective coating, providing maximum deoxidizing effect and absorbation of aluminium at extrafurnace steel finishing have been developed. The mathematical model intended for numerical research of gas and liquid medium hydrodynamics at low coefficients of gas content, when gas and liquid medium is poorly compressed has been offered. The mathematical model and calculation algorithm of two-dimensional task of aluminium bar melting with protective coating during the process of metal making out of oxygen converter into scoop have been developed. The dependence of melting durability of protective coating from the producing metal temperature has been investigated. The calculations obtained permit giving recommendations on minimum thickness of protective coating of aluminium bar for the most spread steel marks.

Keywords: aluminum bar, protective coating, mathematical modeling, method of Dyuzymber.

Размещено на Allbest.ru

...