автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Математическое моделирование кинетики растворения реагентов при внепечной обработке черных металлов

^ 1 ь ил На правах рукописи

' £ ПА0 1998

НИКУЛИН Александр Юрьевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ РАСТВОРЕНИЯ РЕАГЕНТОВ ПРИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКЕ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Магнитогорск - 1997

Работа выполнена в Магнитогорской государственной горнометаллургической академии им. Г. И. Носова

Научный консультант:

Академик, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Никифоров Б. А.

Официальные оппоненты:

Академик, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Вишкарев А.Ф.

Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Бигеев А. М.

Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Торопов Е.В.

Ведущее предприятие:

Орско-Халиловский металлургических комбинат (АО «Носта»), г. Новотроицк

Защита состоится 11 декабря 1997 года на заседании диссертационного совета Д 063.04.01 в 15 00 в Магнитогорской государственной горнометаллургической академии им. Г. И. Носова по адресу 455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГМА

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорской государственной горно-металлургической академии

Автореферат разослан «_» ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Селиванов В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современная технология производства стали шивается. в направлении использования основных металлургических »егатов только для расплавления твердой части составляющих шихты жисления углерода, кремния, марганца и фосфора. Все остальные ■аллургические операции проводятся вне их - в сталеразливочных шах, промежуточных ковшах, кристаллизаторах и изложницах. Этот галекс мероприятий получил у металлургов название внепачная обра-ка металла. Технология введения реагентов в ванну (количество, вредность и способы ввода), определяемая сортаментом выплавляемой ши и технической оснащенностью цеха, в большинстве случаев, но' частный характер для данного предприятия. Общим в разработке :имальной технологии внепечной обработки является осуществление гоприятий, направленных на увеличение степени усвоения вводимых >авок и их равномерного распределения по объему обрабатываемого ?алла, что, в конечном итоге, определяется скоростью их растворе-I и местом протекания этих процессов.

В последнее время в черной металлургии получили развитие новые эсобы внепечной обработки металла. Если раньше для интенсификации шомассообменных процессов использовалась только кинетическая ?ргия падающей при'выпуске струи стали, то сейчас все шире прше-зтся способы обработки металла в наполненном ковше. , Это продувка ;алла порошками в струе инертного газа, ввод реагентов в упако-шом состоянии в виде порошковой проволоки, ■ удержание легких до-юк в объеме металла с помощью специальных штанг, встреливание *гента, имеющего для этого специфическую форму и т.д. Находят пленение и такие способы, в которых механическая подача совмещена саким-либо методом перемешивания: продувка инертным газом, маг-гное перемешивание или вакуумирование. Эти способы отвечают тен-щиям развития мирового сообщества, направленным на снижение ме-шопотребления, поскольку они отвечают ресурсосберегающей и эко-■•ически чистой направленности технологии внепечной обработки ме-ша.

Приоритетность повышения качества продукции черной металлургии одновременным снижением расхода реагентов позволяет сформулиро-гь основную концепцию работы, заключающуюся в разработке теорети-зкого описания кинетики процесса взаимодействия фаз при внепечной эаботке металла и разработка на базе этого оптимальных технологи-;ких решений для минимизации ресурсозатрат с одновременным решены проблем качества металлопродукции и экологии, что определяет гуальность задач, решаемых в работе.

Задачи и цели работы. Несмотря на очевидный прогресс в области вк печкой обработки черных металлов, в настоящее время является насу вым решение следующих научно-производственных задач:

' - повышение степени усвоения добавок, особенно легких и выс коактивных, таких как алюминий, РЭМ, ЩЗМ и других;

- увеличение скорости растворения добавок с целью повышения усвоения;

- решение экологических проблем, поскольку взаимодействие мн гих реагентов с металлом связано с токсическими выбросами;

- снижение температурных потерь при обработке металла;

- автоматизация процессов внепечной обработки;

- компьютерное обеспечение ввода реагентов для улучшения вое роизводимости результатов и сужения диапазона колебания содержа« примесей;

- создание современной технологии внепечной обработки жидко металла, обеспечивающего решение вышеперечисленных проблем.

Исходя из этого в настоящей работе поставлены следующие цели

- обобщение известных работ по исследованию кинетики, раствор ния кусковых реагентов в жидком металле;

- изучение и уточнение существующих математических моделе описывающих процессы кинетики растворения кусковых добавок, а так разработка и систематизация новых моделей с учетом теплофизически физико-химических и гидродинамических особенностей процесса;

- разработка концепции дальнейшего развития способов внепечн обработки черных металлов на базе анализа тенденций развития, также сравнение технологических, экономических и экологических а пектов для современных способов внепечной обработки черных мета лов;

- разработка новых способов внепечной обработки металла куск выми реагентами на базе разработанных моделей и их реализация промышленных условиях;

■ - изучение физико-химических и теплофизических свойств нов реагентов и разработка методик исследования кинетики их раствор ния;

- классификация и разработка новых математических моделей д изучения кинетики растворения упакованных порошковых реагентов металлической ванне и обоснование технологических рекомендаций применению новых способов внепечной обработки 'черных металлов;

. - проверка предлагаемых технологий в промышленных условиях.

Научная новизна работы заключена в следующих результатах:

- разработаны математические модели кинетики гетерогенно

ззаимодействия фаз при внепечной обработке металла о учетом гидро-?инамических, теплофизияеских к физико-химических аспектов, о использованием квазиравновесной теории, даны аналитические решения ;ля определения параметров процесса. Разработанные модели адаптированы для процессов внепечной обработки черных металлов кусковыми зеагентами и порошковой проволокой.

- разработан метод расчета фазового взаимодействия с учетом кинетики протекания гетерогенных реакций на границах раздела фаз;

- определен новый подход к решению проблемы повышения усвоения зеагентов при внепечной обработке черных металлов и дано аналичес-сое решение задачи определения оптимальных параметров добавки;

- методом физического моделирования гидродинамики процесса взаимодействия реагента и жидкой ванны определены оптимальные зна-1ения плотностей реагентов для решения проблемы их максимального освоения металлом;

- изучены механизм и кинетика взаимодействия порошковых ¡роволок с различными наполнителями и расплава. Выявлены закономерности взаимодействий в многокомпонентных квазисплавах - наполните-1ях проволоки;

- как альтернативная схема внепечной обработке металла путем >го продувки порошками, развита концепция применения порошковой ¡роволоки и определены пути ее оптимального использования, показаны ¡риоритетные способы введения проволоки в металл и влияние их на [роцессы растворения реагента и его усвоения.

Теоретическая значимость работы определяется совокупностью поденных результатов, представляющих собой дальнейшее развитие тео->ии внепечной обработки черных металлов с учетом кинетики и термо-(инамики процессов взаимодействия фаз в металлической ванне.

Практическая ценность представлена в следующих результатах:

- возможность прогнозирования результатов применения различных 'ехнологических решений внепечной обработки металла;

- разработаные математические модели могут быть использованы в ;ачестве управляющего комплекса при компьютерном оформлении 1роцесса для задания параметров ввода;

- использование программного продукта для тренажеров;

- предложены и опробованы оригинальные технические решения по ¡воду порошковой проволоки;

- разработан и внедрен способ внепечной обработки металла ¡ногофазными реагентами со значительным экономическим эффектом;

- разработаны составы смесей, применяемых в качестве :аполнителей порошковой проволоки, используемых для внепечной

обработки чугуна и стали.

Реализация результатов в промышленности осуществлена наследующих предприятиях:

- в мартеновском цехе 1 Акционерного Общества. Магнитогорского металлургического комбината (АО ММК) был внедрен способ раскисленш и легирования стали в ковше утяжеленным алюминием;

- в конвертерном цехе АО ММК проведены обширные испытания технологии внепечнои обработки передельного чугуна магнийсодержаще! порошковой проволокой с целью десульфурации и технологии обработга стали кальцийсодержащей порошковой проволокой с целью модификации;

- совместно с германской фирмой "Odermatb Stahlwerkstechni.i GrfiuH" на нескольких металлургических завода;"'. Германии были проведены испытания порошковых проволок с различными наполнителями, содержащими кальций, и разработанная технология была внедрена на металлургическом заводе "Sollac" Франция;

- совместно с германской фирмой "Oderrnath Stahlwerksteohnii GmbH" на металлургическом заводе фирмы "Schubert Sr Salzer AG' (г.Лейпциг, Германия) была опробована и внедрена технология внепеч-ной обработки литейного чугуна магнийсодержащей порошковой проволокой;

- разработанные в рамках настоящей работы станы по производс-тыу порошковой проволоки поставлены трем заводам и в настоящее время на Челецком механическом заводе (г.Глазов. Удмуртия) налаженс производство порошковой проволоки.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались более, чем на 30 конференциях и симпозиумах, из которых шесть' международные:

- 5-th International Conference "Secondary Metallurgy". Vsetin. CSSR. November 7 - 9, 1989;

- международная конференция "Новые и усовершенствованные технологии для окускования сырья и производства чугуна к ферросплавов". Варна. Болгария. 12-14 июня 1990;

- международная конференция "Черная металлургия России и стра£ СНГ в XXI веке". Москва. Россия. 1994;

- IX-я международная конференция "Современные проблемы электрометаллургии стали". Челябинск. '1995;

- 3-й международный симпозиум по улучшен!® качества жидкогс чугуна и стали. Магнитогорск. Россия. 1996;

■ - международная конференция "Экологические проблемы промышленных зон Урала". Магнитогорск. Россия. 1997.

Материалы второй главы по утяжеленному алюминию обсуждались нг

гминарах металлургического факультета Кентуккского университета Ж). Материалы по производству и применению порошковой проволоки юдникратно обсуждались на совместных росоииоко-германски*. семина-

ix.

В рамках диссертационной работы выполнено около 20 хоздоговор-ш работ, получено три гранта.

Публикации. Основное содержание диссертации.опубликовано в 28 гатьях, 3 авторских свидетельствах и патентах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, ¡ти разделов, выводов, библиографического списка из 213 зименований и двух приложений и изложена на 340 с. машинописного гкста, включая 124 рисунка и 25 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Математические модели растворения кусковых материалов в неподвижной ванне

По-видимому, оптимальной технологией представляется практика юда добавок в наполненный ковш с металлом известной массы, темпе-эяуры и химического состава, с последующим принудительным переме-юанием. В этом случае на первое место выходят проблемы транспор-фовки добавки на требуемую глубину и ее последующего удержания в >ъеме металла до полного растворения.

Экспериментальное исследование кинетики взаимодействия реаген-1 и жидкого металла связано со значительными трудностями, а в ряде гучаев невозможно вообще, поэтому математическое моделирование хзцесса в последнее время получает все большее распространение.

В общем, использование модели связано с численным решением змплекса дифференциальны/: уравнений теплообмена на границах разде-1 фаз и уравнений теплопроводности в объемах фаз. На рис.1 предс-1влен сектор сферы в момент неполного растворения и показаны гаствущие в процессе фазы. Это самый сложный вариант растворения, згда применяется многокомпонентный реагент. Здесь в процессе юотвуют пять фа?. При использовании однокомпонентного легкоплавко реагента количество фаз будет четыре, а при тугоплавком реа-ште - три.

Ниже приведен перечень дифференциальных уравнений, использо-шных в моделях.

На границе раздела фаз IV и V справедливо дифференциальное завнениэ:

¿ь с/г о

- = л--—. (1)

с/г 5 с/т

Схема расположения растягивающих оеток на оакторе офвры легкоплавкого многокомпонентного реагента 8 момент неполного расплавления добавки

1.2,а-т-1да,т+1_р-1.р.р+1_д-1^ - номера узловых точек; г^.г^, г и г^ -радиусы соответствующих фаз; /Чг - шаг по радиусу. Г^дррь принята следующая схеиа обозначений фаз:

- нерасплавившийся твердый реагент;

- двухфазные расплав реагента;

- расплавившийся: реагент;

- твердая намерзшая корочка'

- жидкий расплав

Рис. 1

1

На границе раздела фаз III-IV, если имеет место плавление реагент используется дифференциальное уравнение:

сИ сй-д <И

= РзЬл— + Ад— , (

dгi

ск

с/г.

а если фагового перехода нет, то его упрощенная модификация:

Л <Л

С/Г1

= Хл

с/Г л

_ й -

Если между реагентом к намерзшей корочкой имеют место физи--химические взаимодействия, сопровождающиеся тепловым эффектом -!), то уравнение (2) примет вид:

с!Ь с/г'з с/1

- = р.,^- + Л0—— + ДН . (4)

с!г 1 с!х 6 г^

При наличиии многокомпонентного реагента, который плавится в тервале температур солидус-ликвидус, когда теплота плавления не глощается мгновенно, а этот процесс растянут во времени, необхо-мо учитывать это. путем ввода в уравнение.(2) параметра Д«/ - до-появляющейся жидкой фазы'в течении промежутка времени - Дт:

, с! ф , с11

Н- = Рч£1-1бг2- + Х'2--■ (5)

Си г4 иХ иГ£

В объеме фазы используется уравнение теплопроводности Фурье, еющего для сферы вид:

сЛ ^ ¿4 2 сИ

- = - ( —-д- +---). (6)

их с ¿р! ог'ч г1 иТ 1

Для тугоплавкого реагента, плавящегося в металле диффузионным особом применяется уравнение:

йг 1 Р1 .., , ч

Мд = —---- , (7)

иХ М1

;е: Нд - молярный поток компонента А в расплаве, моль/мгс; М1 -аярная масса реагента, кг/моль; Р1 - плотность реагента, кг/м3.

В качестве способа решения эти;-; уравнений выбрана разностная ¡дель явного вида, как наиболее наглядно отображающая результаты ючетов, с использованием метода "растягивающихся сеток".

Основные форш разностных модификаций уравнений (1-7) имеют, »ответственно, вид:

и&г а*5 - ^-1) „ ойт бг4 = -- а5 - 1:и5> - . (1а)

Р4Ь5(Г4 - ГС5-1.) Р41-5

Д* „ •

иГз = - [(\itm-l + Х41/т+1) - I 1 (Л1 + (2а)

рцЬаДг

Гт - - , (За)

Л! + Х4

5/Гй =

-

>(1-А4-

Р ^Л«!'' ч-2

(Аэ-

Чгз- го)

А V

г£ " гп-

ц-2

д-з

бГ1 =

д-4

А4-) + А4(Ь'ч-1

ч"3 а-а

М1-кд-(С1 - СБ)-ДХ

Ц-1

1^-3--) ■

Р1

Таким образом, математическая модель, описывающая кинет! растворения твердой добавки в расплаве, состоит из трех самостс тельных частей: гидродинамическая, определяющая процесс формироз ния и расплавления намерзшей корочки через коэффициент тешгаотд; (а); теплофизическая, определяющая ансамбль температур в узло! точках и физико-химическая, определяющая процессы плавления фа; их химическое взаимодействие.

1.1. Гидродинамическая модель Г-1

Основные трудности в решении уравнения (1а) появляются при с ределении численного значения коэффициента теплоотдачи (а). вел№ на которого определяется из комплекса уравнений (8-13):

Ни-Л

й = -- ; I

С

Ми = (Ми2е + Ми2в)1/2; I

Кие = 0,35Вг-Рг2/(1+РР)1/3; ■ 0,037 Не0,3 Рг 1 + 2,443 Ке-0'11 (Рг2/3 - 1)'

Мив =

_ Л /о

•1,13 Ее1"-

Рг

1/г

(1 + 2,79 рг1/3)1/к

(при Р2е>105) (при Ре<105)

(" С-

С

Ре = У-Ю/уб; С

Коэффициент теплоотдачи определяется из критериальной форм! числа Нуссельта (8), где последнее представлено в виде двух слаг; мых (9): числа Нуссельта для условий естественной конвекции (Ми,: определяемого из уравнения (10), когда сфера неподвижна относите; ко жидкости, и числа Нуссельта для вынужденной конвекции (Кив), з числяемого из уравнения (11) или (12), когда сфера перемещается с носительно жидкости. В последнем случае расчетная формула для ощ деления числа Нуссельта обусловливается величиной критерия Рейно:

- il -

. вычисляемой иг уравнения (13).

В уравнение для расчета критерия Рейнольдеа входит значение рости ('/,), определяемой из гидродинамической части модели, кото-основака на использовании второго закона Ньютона, когда итера-нно рассчитывается скорости движения сферы, учитывал изменяющие-во времени силы, действующие на сферу.

На-рис.2 изображена схема сил, действующих на сферу.

Силы, действующие на сферу, перемещающуюся в жидкости

Рис. 2

Эту систему •' описывает комплекс уравнений (14-20) : d

- (msv; = iFi ; (14)

dt

dv

ïïis - = F g. - Fb - Fd - Fa; (15)

dx

Fe- = nss-g1; (16)

Fb - m-s; (17)

TtD^pV | V |

Fd = Cd -; (18)

4

dV

Fa = Csjn - ; (19)

dt

(1 - Y) EÛT 3Cd IT/IÛT

= V--:---:-- , (20)

Y + Ca 4D (ï + Ca)

?" Fa, Fb, Fd, Fe - соответственно, сила добавленной массы, салкивающая сила, сила лобового сопротивления, вес; rns и гп - мас-сферы и вытесненной жидкости, соответственно; т - отношение

плотностей добавки и жидкости: Са - коэффициент добавленной маооь Ca - коэффициент лобового сопротивления.

Описывается такая схема процесса: сфера диаметром D плотностг Ps, меньшей, чем плотность жидкого металла р, вводится в расплав с скоростью V, внедряется б него на глубину Y^^x? з затем всплкЕае^ Во время перемещения добавки в объеме металла теплообмен между ме таллом и добавкой происходит в условиях вынужденной конвекции, величина критерия Нуссельта в основном определяется уравнениям (11-12). Когда добавка всплывает, теплообмен определяется условия}, естественной конвекции - уравнение (10).

Методика численного решения уравнений (14-20) определяет nc'v ход разных исследователей к описанию процесса. Различие заключаете в определении численны;-; значений коэффициентов Ca и Са.

На рис.3 приведено сравнение .экспериментальных и расчетш данных по траекториям движения сферического тела в жидкости.

Цифры у линий — обозначения, как в п. 1.1; паркеры - экспериментальные данные Рис. 3

Расчет производился по четырем вариантам:

1. Са - 0; Са = Г(Не);

2. Са = £(V); Са = Г(1?е) - метод Одара-Гамнльтона;

3. Са = 0,5; Са = Г(Не);

4. Са = 0,5; Са = П,Не, Ьл/) - разработанный метод.

Расчет выполнен для сферы диаметром 0 = 48 мм, плотностью р3 = 351 кг/м3, погружающееся в воду с начальной скоростью У0= 6,3м/ Номера кривых на рис.3 соответствуют номеру варианта расчета. Ви ко, что кривая 2, определенная на основании модели Одара-Гамильто с. переменными коэффициентами Са и Са не совпадают с практически

тгвиямми. Глубина и время погружения, рассчитанные -г этой методи

больше фактических. Если не учитывать эффект добавления массы (кривая 1), то получаются заниженные результаты. Расчеты по варианту 3 практически полностью совпадают с экспериментом на левой части траектории ео время погружения сферы и отличаются в большую сторону при ветшании. Зто сказывается влияние фактора предыстории.

Поскольку в эксперименте абсцисса тела остается практически постоянной, то тело всплывает в возбужденной ранее, при его погружении, среде. При этом движение потоков жидкости направлено вниз, что оказывзет тормозящее влияние на всплывающее тело. Чем меньше отрезок времени между первым и вторым моментами прохождения одной и той же ординаты (ДХ'-) тем значительнее тормозящий эффект.

В модели Г-1 влияние этого фактора учитывается в его влиянии на коэффициент лобового сопротивления, путем введения в уравнение (21) для его расчета, переменного коэффициента к, учитывающего параметр Лт/. Чем больше этот параметр, тем ближе значение коэффициента к к его истинному значению.

к-ан

Са = -— • (21)

1?ет

ар> = Г (Ре); гп = Г(Ке); к = Г(йх/).

Кривая 4 на рис.3, рассчитанная по этой модели, практически совпадает с экспериментальными данными, что указывает на адекватность разработанной модели описываемому процессу.

Эта модель получила название Г-1. По ней было изучено влияние различных факторов на глубину погружения сферы в расплав и время удержания ее в объеме металла. Результаты расчета представлении на рис.4.

Влияние различных факторов на глубину и продолжительность погружения сферы

05

Диаметр сферы, м

50 —I—

- 100 Скорость ввода, м/с

"иГ

~4оЗо~

Плогность, кг/и ^ _

глубина........ время : Плотность: 1 и 2 - 4000 кг/и ; Скорость ввода:

1 и 3 - 16 м/с Диаметр сферы: 2 и 3 - 03 м РИС. 4

Видно, что даже при околозвуковых скоростях ввода, сферы различных' диаметров и плотности погружаются в расплав на глубину окол< двух метров и удерживаются в нем не более пяти секунд.

В дальнейшем модель Г-1 использовалась как составная часть более сложных моделей.

1.2. Гидро-тешюфизичесиие модели и их использование изучения нниешки процесса растворения добавки

да

Растворение добавки, в зависимости от используемого реагента, может происходить по нескольким вариантам, которые представлен! на рис.'5. Каждый вариант соответствует определенной математическо; модели, указанной справа.

Варианты растворения рэагента в жидком металле

1 Обозначение «одели: У^^Д^дпя сферы длнфоеспою

ГТ-1 П-2

Рис.5

ГТ-За П-1

ГТ-Зб П-1 0су — П-4

(1 -этапы растворения

Варианты 1 и 2 соответствуют растворению однокомпонентног легкоплавкого нелетучего реагента, например алюминия, который може растворяться двумя способами: 1-й - когда реагент полностью расг лавляется до момента расплавления намерзшей корочки - одноступенчг фг.с пастворение и 2-й - когда после плавлен"'' клточки ос.таетс

с

- ~

часть нерастворенного реагента, на котором формируется вторичная корочка, - многоступенчатое растворение.

Варианты 3 и 4 - растворение многокомпонентного легкоплавкого реагента, отличающегося от первого наличием двухфазной области и растворяющегося двумя способа?,¡и: без реакции между расплавом реагента и намерзшей корочки (3-й вариант, например, ферромарганец) и с таковой (4-й вариант, например, ферросилиций).

Варианты 5 и б - растворение -тугоплавкого реагента с наличием твердофазной реакции между корочкой и реагентом (вариант 5, например, титан) и без наличия такой реакции (например, вольфрам или молибден) .

В диссертации с учетом уточненной гидродинамической части на базе задачи Стефана, предусматривающей плоскую границу раздела фаз, была разработана модель ГТ-1 и использована для расчета растворения алюминиевой сферы. На рис.6 представлены результаты этого расчета для условий естественной конвекции.

Влияний диаметра алюминиевой сферы

Рис. 6

Видно, что для сфер малого диаметра (слева от DKp) лимитирующим звеном является время плавления корочки - одноступенчатый процесс растворения. В этом случае добавка растворяется по варианту 1. Справа от DKp лимитирующим звеном становится время плавления реагента, а добавка растворяется по варианту 2 - многоступенчатое растворение.

Для многокомпонентных реагентов (варианты 3 и 4, на рис.5), границы двухфазной области со смежными фазами I и III не являются плоскимим. Это несоответствие условию задачи Стефана многими иссле-

- ID -

дователями, разрешается следующим образом. Выбирается температура : пределах температур ликвидус и солидус и объявляется температуре: плавления. Считается, что когда температура в данной узловой точк достигнет этого значения, то реагент мгновенно плавится с поглощением всей теплоты плавления. Модели с таким допущением в ряде случаев адекватно описывают процесс растворения.

В работе была разработана модель гт-2а, основанная на кваги-равновесной теории плавления с использованием дифференциальное уравнения (5) и его разностной модификации (5а).

На рис.7 показано изменение радиуоов Фаз при взаимодействи сферы ферросилиция ФС45 диаметром-5 см со сталью с тешерагуро 1600°С в условиях естественной конвекции.

Рис. 7

При расчете использовали две модели: ГТ-1 и ГТ-2а. Время плаз ления корочки, рассчитанное по первой модели, составило xf/ 35 с а по второй модели - Xf// ~ 30с. Принимая время первой модели з 100% разница в расчете составляет около 15%, что является сущест венным для технических расчетов. Однако, это различие становитс еще больше, ■если сравнивать эти результаты с экспериментальным данными,где для аналогичных условий время расплавления корочки сое тавило: tfskc * 25 с.

Этот феномен может быть объяснен протеканием на границе разде ла фаз III и IV межфазной экзотермической реакции: FeTB + FeSia.jK = 2Fe2Siw .

Поэтому в модель Г7-2а была введена физико-химическая часть учитывающая расплавление корочки с внутренней стороны, за счет прс текания этой реакции (модель ГТ-26). Удовлетворительное совпадет'

;четных и экспериментальных данных указывает на адекватность размотанной модели описываемому процессу.

На рис.8 показано время растворения сфер ферросилиция и ферро-зганца, рассчитанное по моделям ГТ-1 и ГТ-2.

Зависимость времеии растворения ферро—

----- модель ГТ-1 — модель ГТ-2

1 - ферромарганец Э — ферросилиций Рис. 8

Видно, что для ферросилиция время плавления корочки, рассчи-нное по модели ГТ-26, значительно меньше, чем по модели ГТ-1, в время, как для ферромарганца (модель ГТ-2а) эти величины практи-ски совпадают.

Это можно объяснить следующим образом. У ферросилиция разница жду температурой солидус и ликвидус для различных марок, колеб-тся в интервале температур 150...250 градусов, а у ферромарганца от интервал не превышает 40 градусов. Следовательно, процесс пог-щения теплоты плавления у ферросилиция происходит за значительно льшее время, чем у ферромарганца, т.е. чем больше разница между мпературами солидус-ликвидус, тем больше разница во времени растления, рассчитанная по разным моделям.

Тагам образом было установлено, что если разница между темпе-гурами ликвидус-солидус для сплава не превышает 50 градусов, то и изучения их кинетики растворения правомочно использование моде-I ГТ-1, а если эта разница более значительна, .то необходимо ис-)льзовать более сложную модель ГТ-2.

В разработанной в настоящей работе модели ГТ-За был также уч-!Н.эффект расплавления оболочки изнутри. Однако, здесь это влияние 1 точность теплофизических расчетов не столь велико. Это объясняйся тем. что химическое взаимодействие, например, корочки с тита-

ном, происходит только б момент наличия корочки, а после ее рг давления происходит диффузионное растворение реагент-з по схеме £ рис.Б. Таким образом, для сфер диаметром более 3 см разница в I чете Бремени растворения тугоплавкой сферы по моделям ГТ-Зз и г: не превышает 17., что допускает использование модели ГТ-36 для 1 случаев. Однако, если диаметр сферы менее 3 см, то за время пла] кия корочки, радиус расплавленной области внутри становится со] меримым с радиусом нерасплавленной части реагента, и учет ф] ко-химической части модели необходим в теплофизических расчетах Следующим этапом исследований явилось изучение вли; различных факторов на скорость растворения добавки. Здесь на мо; ГТ-1 изучалась некая абстрактная добавка, обладающая в* теплсфизическими и физико-химическими свойствами алюминия, одним переменным параметром. На рис.9 показано влияние различ: теплофизических и физико-химических параметров на "время жи

сферы, плавящейся по варианту конвекции.

1 на рис.5 в условиях естестве

Зависимость времени плавления корочки от некоторых параметров реагента

ЯГ

*2Г

<500 800

Теплоеыкость, Дж/кгК

мо 11ь0

Температура пдявпения.

¡ргность кг/м>

Теплота плавления, кДж/к

Рис. 9

1000

ТЗоо

и

Несколько неожиданным оказалось сильное влияние плотности гента на время плавления корочки. Из этого следует, что при о) тупенчатом растворении уменьшение коэффициента температуропрс ности бызывзэт замедленное плавление более тонкой корочки.

На рис.10 (кривая 1) показано влияние коэффициента тепл( водности реагента на время плавления корочки в условиях естес ной конвекции. Здесь в диапазоне исследуемых теплопроводностей гента реализуется одноступенчатый способ растворения добавк

Растворение сферы при различных гидродинамических и теплофиэических условиях

353025-

о

Í*

& и-1050 50 100 150 200 250 Коэффициент теплопроводности, Вт/м К Величина коэффициента теплоотдачи при скорости У(и/с) -17600(V=C5 ....... 37000{V=0,6) ---- 100000 (V=2,C$

Рис. 10

увеличение значения кинетического параметра - коэффициента теплопроводности увеличивает скорость плавления корочки.

Кривая 2 на рис.10 описывает зависимость времени полного плавления корочки и реагента при скорости потока расплава по отношению < сфере V * 0,5 м/с , что соответствует значению а * 37000 Вт/м К. 3 этом случае имеем, по-видимому, "оптимальное" сочетание параметров, когда теплопроводность практически не оказывает влияния на время растворения. Здесь еще сохраняется ситуация, когда реагент полностью расплавляется до растворения оболочки, но для таких усло-зий эти события практически совпадают во времени, в результате чего температура в центре сферы в момент полного расплавления оболочки Элизка к температуре плавления реагента.

При дальнейшем повышении доли вынужденной конвекции с увеличением теплопроводности добавки время ее растворения увеличивается. <ривая 3 на рис.10 отвечают условию V * 2,0 м/с (« * 100000 Вт/мК). 3 этом случае время плавления корочки меньше времени плавления реагента (многоступенчатый способ растворения), и последний процесс становится лимитирующей стадией растворения сферы. В этом случае с /величением теплопроводности добавки скорость плавления корочки замедляется.

Здесь также следует ...подчеркнуть значительное влияние гидродинамической ситуации в ванне на время плавления оболочки. Гак, увеличение скорости омывающих сферу потоков с 0 до 2 м/с уменьшает время жизни корочки с 25 до 5 с при X = 200 Вт/мК (теплопроводность алюминия).

D = 0,05« ; t = 1600° С

3 \

.......... ...........

:

1.3. Обсуждение результатов и выводы по п.1

Расчеты показали (рис,11), что при введении реагентов в ламинарную Банку невозможно подобрать скорость их ввода., чтобы расворение добавки проходило в условиях вынужденной конвекции, т.е.

8-

6

0

1 4-

О н

Й

2-

оч-------г-

ао 05 10 15 2Л

Диаыегр сферы, см — плавление корочки .......... время погружения

Рис. 11

во время передвижения объекта в расплаве. Время нахождения добавки различных размеров и плотности в металле значительно меньше времени плавления намерзшей корочки и реагента, поэтому последние процессы протекают после всплывания добавки в условиях естественной конвекции. Даже околозвуковые скорости ввода позволяют заглубить добавку на глубину до двух метров, что обеспечит время ее нахождения в объеме металла лишь несколько секунд, а это значительно меньше времени растворения сферы. Лишь сферы г/алого размера (С < 0,5 см) могут раствориться в объеме металла до полного всплывания (рис.11), но и е этом случае растворение произойдет в Еерхних слоях ванны, что потребует дальнейшего перемешивания расплава с целью равномерного распределения реагента по объему ванны.

При растворении добавки в услогиях естественной конвекции лимитирующей стадией, даже для сфер большого диаметра (С > 10 см), является процесс формирования и плавления намерзшей корочки металла. Т.е. реагент успевает полностью расплавиться до момента разрушения внешней оболочки. Этот вывод справедлив для многих легкоплавких реагентов с коэффициентом теплопроводности более 20 Вт/м-К, имеющих температуру ликвидус ниже температуры металлической ванны, в широком диапазоне ц^изико- химических и теллофиэических свойств добавки.

Влияние диаметра сферы на длительность ее погружения и время плавления корочки

1 У=16 м/с; 1=1600иС |

Таким обрагом, основной задачей при внепечной обработке металла кусковыми материалами является ускорение процесса растворения добавки. Если процесс проводить одноступенчатым способом, то его можно ускорить только изменением термодинамических параметров объекта, к которым относятся теплоемкость, теплота плавления, плотность, температура плавления. Эти параметры определяются природой реагента и изменить их трудно.

Значительное влияние на скорость растворения реагента оказывает температура расплава , ко зтот параметр определяется технологией выплавки той или иной марки стали и не может изменяться в широких •'пределах.

Определяющее влияние на скорость растворения реагента оказывает гидродинамическая ситуация в жидкой ванне. Увеличение доли вынужденной конвекции приводит к многоступенчатому растворению реагента, что значительно снижает время растворения корочки.

При многоступенчатом растворении появляется возможность воздействия на кинетику процесса путем изменения кинетических параметров, к которым относится теплопроводность. Этот параметр изменять можно.

Таким образом определен общий принцип воздействия на процесс растворения добавки - это перевод его протекания из одноступенчатого з многоступенчатый, что достигается изменением гидродинамической ситуации в ванне и последующим воздействием на него изменением кинетических параметров.

2. Турбулентное взаимодействие жидкого металла с твердым многофазным реагентом

Наиболее простой и очевидный способ организации взаимодействия расплава и добавки в условиях вынужденной конвекции - зто подача реагента в разливочный ковш во время выпуска металла из плавильного агрегата... Однако в реальной ситуации взаимодействие струи и добавки выглядит следующим образом. Энергия падающей струи создает в ковше циркуляционные потоки металла, которые уносят добавки большой плотности, например ферромарганец, к периферии ковша у днища, где куски ферросплава растворяются одноступенчатым способом в условиях близких к естественной конвекции. Легкие добавки уносятся к периферии ковша на поверхности металла потоками, создаваемыми всплывающими пузырями воздуха, захватываемыми струей металла. В этой зоне активные добавки либо сгорают в атмосфере, либо окисляются активным ковшевым шлаком.

По-видимому должна существовать какая-то оптимальная плотность

- —

реагента, которая позволяла бы добавке находиться под струей металла и плавиться в условиях вынужденной конвекции.

Здесь должен дейстЕать принцип известной индийской игрушки "парящий в воздушной струе целлулоидный шарик". Воздушная струя с силой ? ударяет в шарик, не давая ему упэсть. Если шарик смещается в сторону от оси струи, то он попадает в ламинарную область воздуха, имеющую давление■Р/, большее, чем'давление Р в турбулентной зоне струи, что обеспечивает возвращение шарика снова под струю. Пр* отсутствии флуктуационных возмущений в струе воздуха эта системг может существовать бесконечно долго.

Аналогичная ситуация, только с перевернутой осью ординат, создается в ковше при выпуске. Силу 7 создает кинетическая энергия падающей струи. Выталкивающая сила действует идентично гравитационны! силам в игрушке, а повышенное давление соседних со струей ламинарных областей возвращает добавку под струю.

2.1. Гидродинамическое моделирование. Гидродинамическая модель Т-2

Для определения этой оптимальной плотности было проведено гидродинамическое моделирование на прозрачной водной модели, выполненной в масштабе 1:20.

Условие удержания добавки под струей - равенство мощносте: падения струи К, определяемое уравнением (22) и определяемое мэзсо: плавки (М°), продолжительностью выпуска (тв) и высотой падени. струи (выражение в квадратных скобках), а также мощностью Есплыва ния добавки (М3), вычисляемое из уравнения (£3) и представляюще собой разность между мощностью, создаваемой выталкивающей сило (Ль) и мощностями сил гравитации (Мт) и лобового сопротивлени (N<0. При этом скорость потоков, омывающих сферу (Уз), которая рав на скорости движения сферы в жидкости, при которой реализуется мак симальная мощность всплывания, определится из уравнения (24).

2М° X 8М°т (1 - х/2Тв)

N = —— (1--)еШ + 1----^-3; (22

"цв "Св рТвЛс}'"

яо3е(р - р8)У8 сало2ру3э

„ = -:---; (22

6 4

1/2

(2<

В дальнейшем величрт»» ятпй скорости использовалась для итер;

=

2Р?(р - р5) ЭСар

дюнного определения коэффициента теплоотдачи, а модель, ее определяющая, получила название Г-2 и использовалась как фрагмент более сложной модели ГТ-16.

На рис.12 представлены результаты гидродинамического моделирования и сравнение их с расчетными данными по модели Г-2. При моде-вировании фиксировался параметр - время удержания сферы в жидкости. Три этом варьировались следующие параметры: продолжительность вы-г/ска, диаметр сферы и ее плотность.

ю-

08

0.6

5 04 §

I 02

0.0

Зависимость относительного времени захвата сферы струей от плотности добавки

03

04

| см |

1

1 .....

»..... г'*

0.5 Об 0.7

Относительная плотность

0.8

0.9

-расчет ..-»... эксперимент

В речи выпуска : 1 - 60 с: 2 - 120 с: 3 - 100 с РИС. 12

Из рис.12 видно, что максимальное время захвата сферы диаметром 2,5 см, что соответствует расходу реагента около 1 кг/т стали, при различных продолжительнастях выпуска (60 с соответствует реальному 5-ти минутному выпуску 300 тонной плавки; 90 с - 10-ти минутный выпуск; 120 с - 15-ти минутный выпуск) наблюдается при относительной плотности добавки 0,7.

2.2. Гидродинамические и тегиюфиаичесние предпосылки использования многофазных реагентов для внепечвой обработан черных металлов. Модель ГТ-16

В результате моделирования была установлена оптимальная относительная плотность добавки, обеспечивающая максимальное время захвата. Она составила 0,7' или в пересчете на жидкую сталь 4900 кг/м3.

Результаты этих исследований были реализованы в производстве при легировании и раскислении различных марок стали алюминием. Плотность алюминия составляет 2700 кг/м3, что значительно меньше оптимальной величины. Поэтому алюминиевые чушки утяжелили путем

введения внутрь чугунного утяжелителя.

Были изготовлены промышленные партии чушек двух типов: первг - массой 35 кг, формой, близкой к кубу и вторая - массой 25, фо; мой, близкой • к цилиндру. При использовании таких чушек полностз реализуются ранее сделанные выводы. Нахождение , чушки под струг обусловливает ее многоступенчатое растворение - корочка растворит« раньше, чем реагент. Нерасплавленная часть реагента заменяется 1 утяжелитель который делает возможным захват чушки струей.' Низк теплопроводность утяжелителя ускоряет плавление- алюминиевого слоя

Графическая интерпретация уравнений (21-22) представлена : рис.13.

Изменение мощности падения струи на выпуске при различной продолжительности выпуска (1 - 3) и мощность всплываниз раскиспителя (а — 6)

о /100 / 200 \ зю

73____ 143 ___И4

Момент ввода добавки

400 $00 Время, с

Рис. 13

Видно, что при энергичном (5 мин) и нормальном (10 мин) вып> ках мощности струи хватает, чтобы удержать 600 кг реагента в те! ние 2,5 мин. При вялом выпуске время удержания такого количест реагента минимально. При расходе реагента 1 кг/т время захвата у] личивзется до 5 мин для нормального и вялого выпуска и до 3 мин для энергичного.

На рис.14 представлено сравнение времени захвата чушек и в] мени их растворения, рассчитанное по модели ГТ-16 с измененн] гидродинамической (модель Г-2) и теплофизической (добавлена ф; утяжелителя) частями. При этом чушка 1 представлена в виде шара чушка 2 - в виде цилиндра. Бедно, что для чушки 1 оптимальная п.; должительность выпуска составляет 5.. .12 мин, а для чушки : 5...14 мин. При выходе за рамки этих пределов чушка всплывает растворяется в условиях естественной конвекции.

Зависимость времени удержания раскисли— теля от продолжительности выпуска

- Удержание добавки

Растворение сферы ------Раствоение цилиндра

Рис. 14

На рис.15 показана опытные данные степени усвоения алюминия в «авиоимости от продолжительности выпуска.

60* so 5

I 40

Зависимость степени усвоения алюминия

é л. ▲ »

ш ▲ 1 м ▲ 1 • , i \ j. к

я А 1 ' 1 ; i ж л. ж 1 *

s « i » ■ ■ м 1 j 1 ™ 1 i ' ► ж i ж

в

I 30'

5

6 20

10

12

Продолжительность выпуска, ммн ■ - сфера * — цилиндр

Рис. 15

Видно, что максимум усвоения приходится на продолжительность зыпуска. 8...11 ник, что подтверждает приведенные расчеты.

Технология легирования и раскисления стали у-тяжелэнным алюминием была внедрена в мартеновском цехе No 1 шк. Результаты внедрения приведены г табл.1 и 2. Видно, что расход алшиния сократился 5олее, чем на 1 кг/т. Повысился выход годного по алюминию. Степень /своения реагента повысилзиь почти в два раза.

1 с!иляцв а

Расход алюминия для легирования стали ОьЮ

Выплавлено стали, тыс. т Расход алюминия, кг/т'стали Выход по алюминию, от заказанных плавок

Чушкового первичного Утяжеленного!Дроби в первичного 1 изложницу п.— г>иеГи

468,3 2,18 1 1,49 ! 3,67 о Г\ п и '^ , ^

417,6 - л ОСТ 1 л О л 1, иО | 1, 2,39 75,5

■ Таблица 2

Сравнение усредненной степени усвоения алюминия для различных марок стали, раскисленных по разным технологиям (Технология 1 - чушка утяжеленного алюминия массой 25 кг технология 2 - обычная чушка первичного алюминия массой 15 кг

Марка стали 08Ю ВЗсп Низколегированная

Номер технологии 1 п 1 9 ' 1 2

Степень усвоения, % 38,6 20,1 78,3 40,6 71,2 | 42,4

2.3. Обсуждение результатов и выводи по п.2

Несмотря на очевидные преимущества этого способа внепечной обработки металла также очевидны.и его недостатки:

1. Отсутствие универсальности. . Алюминий обладает хорошими литейными и механическими свойствами для изготовления утяжеленно! чушки. Ко изготовить подобные чушки из силикокадызия, РЗМ и др. н< представляется возможным.

2. Плохая воспроизводимость результатов. Реагент вводится : металл неизвестного состава, неизвестной массы и неизвестной температуры. Крайне трудно прогнозировать продолжительность выпуска, степень вторичного окисления, а также состав и количество печной шлака, попадающего в ковш. Большая дисперсия точек на рис.20 подтверждает этот тезис. Учет всех этих факторов возможен только в наполненном ковше после окончания выпуска.

Очевидно, что технология веодз в металл кусковых реагентов себя исчерпала, и требуются принципиально новые способы внепечной обработки.

Ранее было отмечено, что для сфер малого диаметра время их нахождения в металле соизмеримо с временем их растворения. Толькс требуется доставить эти частицы на максимальную глубину ванны. I 1982 году в Великобритании был запатентован способ вдувания порошка реагента в расплав в струе инертного газа через погружную фурму

Несколько позже появился альтернативный метод внепечной обработки металла. На рис.16 представлены результаты расчета времени плавления цилиндра утяжеленного алюминия в зависимости от его диаметра.

Зависимость времени растворения цилиндрической добавки от ее диаметра

Рис. 16

Видно, что при малых диаметрах время плавления добавки измеряется несколькими секундами. При малых диаметрах добавка представляет собой уже бесконечный цилиндр, т.е. проволоку.

В 1984 г. во Франции был запатентован способ внепечной обработки стали порошковой проволокой, в которой были реализованы все теоретические предпосылки, описанные в данном разделе, а именно, низкая теплопроводность сердцевины реагента, который имеет малый диаметр и растворяется в условиях вынужденной конвекции.

3. Особенности кинетики внепечной обработки металла порошковой проволокой

В настоящее время два конкурирующих способа внепечной обработки металла (продувка порошками и введение порошковой проволоки) получили широкое распространение в мире. Несмотря на очевидные технологические преимущества при обработке металла порошковой проволокой отмечают два недостатка. Первый - это стоимость реагента. Так, 1 кг реагента в порошковой проволоке стоит примерно втрое больше просто порошка, что вызывает у технологов опасение удорожания продукции. Действительно, если не принимать во внимание другие статьи расходов, то имеет место удорожание примерно на 1,5 3/т (табл.3), но с учетом других статей получается экономия около 38/т.

Таблица

Сравнение производственных расходов в долларах США на тонну стали при рафинировании стали 30%-м силикокальцием в порошковой проволоке и вдуванием порошка через фурму

Статьи расходов Вдувание порошка Ввод порощ-коеои проволоки Экономия на 1 т

Амортизационные отчисления 0,75 0,08 п р/'

Эксплуатационные расходы 0,80 0,05 Г, У1 р и , .'о

Огнеупоры 2,50 .1 со 1 , ии -1 г,п 1 , и и

Фурмы 0,75 - п ^с и, / и

Аргон 0,04 - 0,04

Энергия для возмещения потерь тепла 0,60 - 0,60

Заработная плата 0,50 0,05 i1, 45

Расходы на сырье 3,15 4,47 -1,32

Итого, производственные расходы 9,09 8,15 г| /1 «с,

Другой минус - количество вводимого реагента. Например, при вводе в 350-ти тонный ковш силикокалъция в количестве 3 кг/т необходимо около 5 км проволоки к при вводе ее оо скоростью 2 м/с потребуется около 40 мин, что неизбежно сделает участок внепечкой обработки узким местом в технологической цепи. Однако и эта проблема решаема. Разработаны двух- и четырехручьевые трайб-аппараты. Одновременный ввод четырех проволок сократит время ввода до 10 мин, что вполне приемлемо.

Поэтому технология обработки стали порошковой проволокой получила широкое распространение и в настоящее время в мире действует около 500 установок. Однако до сих пор не проведено систематических научных исследований по кинетике взаимодействия проволоки и расплава, а технологии ее использования в основном базируются на рекомендациях фирм-изготовителей, основаных, как правило, на статистике. Е диссертационной работе сделана попытка заполнить зтот пробел.

Для изучения кинетики растворения порошковой проволоки в жидком металле были разработаны четыре модели П-1, П-2, П-3 и П-4 (см.рис.5), основанные на методе растягивающихся сеток и использующие дифференциальные и разностные уравнения, подобные уравнениям (1-7, 1а-?а), применительно для бесконечного цилиндра с измененным*

- -

чадродикамическсй и физике-химической составляющими.

3.1. Особенности матвматтеашх моделей, применяемые для изучения тнетпаг взаимодействия расплава и порошковой проволоки

Ниже приведен комплекс уравнений, решаемых в гидродинамической »ас?!' моделей, суть которой сводится к итерационному расчету характерней длпгк (I) з уравнении Рейнольдсз.

Значение критерия Рейнольдсз для бесконечного цилиндра определяется из выражения:

V ' 1

Ке = -. (25)

\>5

Характерная длина, учитывающая отклонение траектории движения ¡ровслоки от вертикальной оси У, которая может быть вычислена из шрадения:

1 = п. п/у/ух) , (25)

'де 0 - диаметр проволоки, и кх - вертикальная и горизонтальная юстазляющие скорости.

Значения параметров Уу и Ух зависят от конструкции подающей грубы. Согласно рекомендациям многих фирм длина прямолинейного вертикального участка подающей трубы должна*быть не менее 1м. В этом злучае для многих диаметров порошковой проволоки отношение Уу/Ух гаходится в пределах 8...12. В дальнейших расчетах принято, что в юмент входа проволоки в металл зто отношение равно 10, что соот-¡етстзует углу входа ¡3 * 6°.

В процессе перемещения проволоки в объеме металла последняя вгибается под действием выталкивающей силы, если ее плотность шньше плотности расплава. В этом случае вертикальная (Уу) и гори-юнтальная (Ух) составляющие скорости определяются из выражений:

сГ/т

Уу = — . (2?)

ск

с!Хт

"X = - . (28)

иТ

Процесс погружения проволоки в металл можно условно разделить 1а два периода. Первый, когда средняя температура оболочки проволо-ш находится в интервале температур 20 - 1200 °С, где изгибающему гоменту, определяемому выталкивающей силой, противостоят силы упру-'ости проволоки. Здесь изменение угла ввода определяется по уравне-!ию:

dYts

£.4 д

где

I = D"d (•

E4d

d(E41) uYt

dt rw

(-

E 4d

Fy sinВ - Fx eosВ

uTf-w E4d

Fy = - £ fy uYt , (3

Yt

L

Fx = - S fy dxx , (3

xt

Зависимость предела текучести и модуля Юнга от температу среднего слоя корочки (t) описывается уравнениями:

1200 - t

6т = 6°т [1-ехр (--)] , (3

Е4 = Е°4

200

1200 - 1°

Итерационное решение уравнения (29) дает возможность опред лить текущую абсциссу и ординату в первом периоде инжекции провод ки из уравнений:

Yt = S sinB dL, О

С

xt = s cose dL. o

Когда средняя температура корочки превышает величину 1200 с она становится абсолютно пластичной. Наступает второй период инже ции, когда проникновению проволоки в расплав способствует толг сила инерции, определяемая скоростью ввода проволоки. Здесь ите{ ционно решаются три уравнения: ds 1

(Fy sins - Fx cose) , (0

dt

гл\

Ах

uiX

dt dXt

dt

= V cos3 = "y, = V Sinu = Vx-

a с

- u dfOaiii

В вышеприведенных расчетах сделано допущение, что упругие ¡войства проволоки определяются только температурой оболочки прово-гоки, а порошковый или жидкий наполнитель не влияют на это.

В физико-химической части модели был учтен внутренний источник 'еплз, представляющий собой тепловой эффект экзотермических реакции :.заимодейстзия реагента с кислородом и азотом воздуха, занимающего гесшюшяостп между частицами порошка в проволоке.

3.2. Теоретическое и экспериментальное изучение нииетики процесса взаимодействия порошковой правомли и расплава.

На рис. 17 показано влияние 'некоторых факторов на время растворения проволоки с ■тугоплавким материалом - углеродом. Здесь ис-юльзозалась математическая модель П-1.

Я

150

10

Влияние различных факторов на время растворения проволоки с углеродом

г-

0.2

1600

1

1Г

Маркеры - опытные данные

_______-

—'—* ——ь

* 2 —--

М°сГ

У(ц/с) О (им)

ОД (1 (мм)

1-0=а а=аУ=0Й2-»=9; а=Д 1=1е0аЗ-а=ДУ=0й1=1ОХМ - П=»У=1Д1=1600

Рис. 17

Точки на графике - результаты экспериментальных данных. Их /довлетворительное совпадение с расчетной кривой указывает на адекватность модели описываемому процессу. Из рис.17 видно, что время шзни проволоки не превышает нескольких секунд, и, в большинстве случаев, менее одной секунды. Наибольшее влияние на время ее растворения оказывает температура ванны и скорость ввода. При малых скоростях ввода увеличение диаметра проволоки в два раза примерно зо столько же раз увеличивает время ее жизни, однако при высоких скоростях ввода влияние этого параметра уменьшается, как и влияние толщины оболочки (кривая 4).

На рис.18 показано влияние скорости ввода проволоки на глубину ?е погружения, рассчитанную для различных наполнителей по разным

15

Ю

05

00;

Влияние скорости ввода проволоки на глубину ее погружения

) й=9ии; й=0,4мы; 1=1600 °С |

2 ___ •"Ч"...... 3

У

1

00

05

00

10 15

Скорость вводе, м/с

Наполнители:

углерод; ...........- алюминий; —— - СК 30

РИС. 19

2.5

моделям: 1 - углерод (модель Д-1); 2 - алюминии (.модель П~2;; силикокальции (модель П-З). Видно, что Бремя растворения провол с углеродом значительно меньше этого параметра для других провол Это объясняется его малой теплопроводностью и отсутствию зндотер ческих процессов внутри. Оболочка быстро прогревается и плавит Время жизни проволоки с алюминием больше по причине высокой тепл роводности реагента, что обусловливает одноступенчатое растворе такой проволоки. У силнкокальция теплопроводность на порядок ме ше, чем у алюминия, и наполнитель в некоторых случаях не успев полностью расплавиться до момента растворения корочки (процесс добен многоступенчатому растворению кусковых добавок), но отнс тельное большое время жизни проволоки обеспечивает Еысокая (вчет ро больше, чем у алюминия) теплота плавления. Наличие максимуме кривых 1-3 фиксирует переход от одноступенчатого к многоступенчг му растворению, после которого на скорость растворения провш решающее воздействие оказывает гидродинамика. Для проволоки с £ минием такого максимума не наблюдается. Для нее в широком интер! скоростей ввода процесс растворения близок к одноступенчатому и влиянии на скорость превалируют теплофизическая и физико-химичес составляющие.

Здесь выявилась неточность в рекомендациях фирм о том, увеличение скорости вызывает увеличение глубины проникновения г волоки з металл.

И еще один важный вывод. При вводе проволоки в ламинарную I

ну даже при самых благоприятных условиях глубина ее погружения не поевышает 1 м. т.е. чем больше глубина ванны, тем большая доля металла не подвергается обработке. Последний вывод подтверждается результатами промышленных испытаний, которые приведены на рис.19.

40

г« 30-

и 20-

6 М

Зависимость степени усвоения кальция от емкости ковша

N о N.

N о

10

Емкость ковша, т

Рис. 19

50

100 200 350

Видно, что чем больше емкость ковша, тем меньше степень усвоения кальция из порошковой проволоки с силикокальцием.

3.3. Исследование ттеттни взаимодействия жидкого металла и порошковой проволоки с летучими реагентами. Математическая модель П-4

Особое место в схемах растворения занимает порошковая проволока с летучими реагентами, к которым откосятся магний, кальций, сера и др. Например, ■ для магния, даже при температурах жидкого чугуна давление насыщенного пара значительно выше суммарного внешнего давления. Это приводит к тому, что оболочка разрывается до момента ее полного растворения, как показано на рис.5 (вариант 7). В диссертации была разработана модель П-4, отличающаяся физико-химической частью.

В рассматриваемом процессе участвует чистый компонент, который при плавлении не образует двухфазной области, а граница раздела твердой и жидкой фаз представляет собой гладкую поверхность. В этом случае применима методика решения задачи Стефана.

При достижении в соответствующей узловой точке температуры равной температуре кипения реагента ^ > 11**) внутри проволоки начинает повышаться давление (Р), зависимость которого от температуры

для чистых веществ, удовлетворительно описывается уравнением Клау-зиуса-Клапейрона.

р - 1 1 г. 1 i

(где ДН** к т"" - теплота и температура испарения реагента, соответственно^ , которое снаружи компенсируется фврроотатпческим давлением жидкого металла (Рр*). атмосферным давлением (Ратм) к сопротивлением деформации стальной оболочки с корочкой намерзшего чугуна (Рс) • При этом не будет образовываться газовая фаза, т.к.объем не изменяется, пока давление внутри проволоки Р компенсируется наружным давлением Рд.

Значения Рр^ и Рс вычисляются из соответствующих выражении:

Ррэ = Р4пГС , (41)

я Гс>

где с1 .= Г4 - Г'й - толщина корочки; 6 - предел прочности корочки, зависящий от температуры и определяемый итерационно из выражения:

б = б0ехр(- Ы). (43)

Таким образом:

о А

>си

Рн = Р4>;ет + - 6 + гатм. (44)

Яго

Когда давление внутри проволоки превышает наружное давление, происходит разрыв оболочки и процесс переходит в новое качество -начинается непосредственное взаимодействие газообразного магния с жидким чугуном.

На рис.20 приведены результаты расчета кинетики взаимодействия жидкого чугуна и проволоки диаметром 9 мм, с толщиной оболочки 0,4 мм, вводимую со скоростью 1,6 м/с в чугун с температурой 1350 °С.

Видно, что момент разрыва оболочки наступает на 0,5 е., когда давление насыщенного пара магния становится равным суммарному внешнему давлению. При этом толщина оболочки составляет 0,5 мм.

На рис.21 приведены расчетные зависимости времени расплавления проволоки от ее конструкционных и технологических параметров. Влияние их аналогично таковым на рис. 17 за исключением влияния диаметра. С увеличением диаметра время жизни проволоки уменьшается. Это объясняется тем, что прочностные свойства трубки с увеличением диаметра снижаются более интенсивно, чем повышаются за счет большего нарастания толщины оболочки для трубок большего диаметра. Таким образом, утверждение, что увеличение диаметра проволоки увеличивает

время ее жизни, для проволоки о летучим реагентом неверно.

Изменение прочности (у и толщины (б) оболочки, ферросгвтического (2) и общего (3) давлений, а также давления насыщенного пара магния (4) во времени

(Х5-1->--*-■-— I-------1------- ИЛ я

Вреня, о иолеях разрыва оболочки р........р — р----р

с Ра н

РИС. 20

Зависимость времени "жшнп" проволоки

Ч :4с = 10 |

Ь--V- ......

г з V .1- V ----

1 Л**

>А < V, м/с

1300

Г"

1350

о4-

1Й

од

~Шо Е^с

1

2 3

Р. цц

4 им ' 4

' У=<101>-- ОД=<54------— Ь=13ЭД1)-Ч7=0,в

Рис. 21

На рис.22 представлена расчетная зависимость глубины проникновения проволоки в объем чугуна от скорости ввода.

Видно, что на кривой 1 имеется максимум при скорости ввода проволоки примерно 1,8 м/с. Кривая 1 показывает, что максимально возможная глубина погружения при указанны;-: условиях, для проволоки данной конструкции не превышает 0,9 м. Это означает, что в большегрузных ковшах десульфурации подвергаются только верхние слои металла, причем, чем больше глубина ковша, тем большая доля чугуна не

095

а 050

5

х

| 085-

5 аао

^ 075

ОТО;

Влияние скорости ввода проволоки на глубину погружения и десульфурацию чугуна

[ % :УХ =10; ГМЭьш; а=0,4мм;1=1350°С

...........

оо

05

1.0 и

Скорость ввэда, м/с

Рис. 22

10

55

50

45

40

8

35 ю О

вовлекается в процесс. Уто подтверждают результаты промышленных данных по деоульфурации чугуна - кривая 2, рис.22. Проведенные расчеты показали ограниченные возможности этой технологии для деоульфурации чугуна е ковшах большой емкости.

Однако, вывод о невозможности применения данной технологии для деоульфурации чугуна в большегрузных ковша;-; был бы преждевременен без учета гидродинамики процесса. Приведенные выше расчеты были выполнены для неподвижной ванны и постоянном угле ввода проволоки - -6° по отношению' к вертикальной оси. Однако, образующиеся при испарении магния пузыри создают е ковше циркуляционные потоки металла, скорость которых может достигать 2 м/с, и, в результате чего, скорость проволоки по отношению к металлу может существенно отличаться от скорости ее ввода.

Если подобрать такой режим ввода проволоки, чтобы она погружалась в нисходящие потоки металла, изгибалась в них и разрушалась нг максимальном удалении от абсциссы ввода, как показано на рис.23, тс относительная скорость ее движения в металле будет ниже скороот! ввода, что значительно увеличит время ее "жизни", а, следовательно, и глубину ее погружения.

На рис.24 приведены расчетные траектории проволоки в объем« металла с учетом гидродинамической ситуации в • ковше и степею изгиба проволоки при различных углах ввода. Видно, что подбором угла ввода можно добиться значительных глубин погружения и осуществить глубокую десульфурацию даже в большегрузных ковшах.

Гидродинамическая сшуацин в ковше при десульфурации чугуна проволокой

© Оф

•а—V» /

№ ^тя

и V — 6

■ X

- бунт порошковой ПрОВОЛОКЕ

2 - порошковая проволока

3 - троЯб-аппарот

4 — порджзщвя труба

5 - газовые пузыри

6 — заливочный ковш

Рис. 23

Траектории движения проволоки в металле при различных углах ввода проволоки

1 у..

Абсцисса весна, м

-----У гсп вводае°........У гсп ввода 204-Угол ввсда 35°

Рис. 84

о

|

Результаты моделирования позволили также выявить еще несколько [«точностей в рекомендациях ведущих фирм - производителей порошко-юй проволоки:

1. Проволока должна вводиться навстречу восходящим потокам металла, С этим нельзя согласиться, т.к. это резко увеличивает отно-:ительнуга скорость проволоки и значительно уменьшает глубину погружения.

2. Наилучший угол ввода 0°. В случае использования летучего »езгента здесь полностью реализуется первая ложная рекомендация.

3. Оптимальным местом ввода является центр ковша. В этом случав при больших угла:«: ввода проволоки и узком ковшэ стенка ковш; может сыграть роль отражатели па пути проволоки, искажал ее траекторию .

3.4. Обсуждение результатов и выводы по л.З

Анализ расчетов по математическим моделям П-1. . .П-4 и результаты промышленных исследований и экспериментов показали, что использование порошковой проволоки для внепечной обработке металл; имеет свои 'особенности и сложности. Если при внепечной обработк* металла кусковыми реагентами основной кинетической проблемой является ускорение растворения вводимого объекта, то при применении порошковой проволоки во многих случаях задача меняется на обратную -замедление скорости растворения оболочки с целью достижения максимальной глубины погружения проволоки в объем металла. Последня; проблема особенно актуальна для проволок, содержащих тугоплавки* реагенты, легкоплавкие реагенты, обладающие малыми коэффициентам] тепло- и температуропроводности и летучие реагенты.

Увеличить время "жизни" проволоки в жидком расплаве можно несколькими путями:

1. Выбор оптимального дизайна проволоки, включающего - в себ: толщину' оболочки и диаметр.. В большинстве случаев увеличение эти; параметров приводит к увеличению продолжительности растворения проволоки. Однако, диапазон варьирования этими параметрами ограничен технологическими причинами изготовления проволоки и ее ввода, и, в; многих случаях не дает положительного эффекта, особенно для большегрузных ковшей.

2. Понижение температуры обрабатываемого расплава. Эта мер; воздействия очень эффективна, но также имеет нижний технологически; предел.

3. Изменение теплофизических параметров ре,агента, путем присадок к наполнителю проволоки легкоплавких добавок, обладающих повышенной теплопроводностью и теплотой плавления. Этот путь также ' н> может :быть признан .'универсальным, т.к. снижает в проволоке содержание основного реагента и, в ряде случаев, вносит в металл нежелательные элементы.

4. Изменение гидродинамической обстановки в ванне путем организации ' ее циркуляции с последующим вводом проволоки в то мест; зеркала расплава, где наиболее интенсивны нисходящие потоки металла. Циркуляция ванны может быть осуществлена несколькими способами продувкой металла инертными газами, электромагнитным перемеиивани-

ж, использованием экерпш падающей или погруженной струи и др. Это 1аибол*= универсальный и эффективный способ увеличения времени 'жизни" проволоки и доставки ее на требуемую глубину, но для достижения максимальной эффективности процесса в этом случае требуются ■шдивидуальные кгеледовзния для определения влияния технологических параметров (скорость ввода проволоки, интенсивность циркуляции ван-гы, конструкционные параметры проволоки, температура ванны и др.) усвоение реагента в условиях конкретного технологического цикла.

5. При обработке металла летучими реагентами в ковшах, где невозможно организовать циркуляцию металла, например, при десульфура-дпп чугуна магнием в заливочном ковше, перемешивание может быть обеспечено выделяющимися при испарении реагента пузырями. Б этом злучае особенную важность приобретают такие параметры ввода провоюют, как угол и скорость ввода.

ббщие выводы

1. Сделано обобщение, классификация и уточнение существующих латематичеоких моделей по кинетике растворения металлургических до-5авок в металлическом расплаве и проведено комплексное исследование злияния различных факторов на скорость растворения кусковых реагентов.

2. На основе анализа существующих гидродинамических .моделей ^заработана математическая модель Г-1 для расчета траектории погружения сферы з жидкость, отличающуюся тем, что в ней учитывается тредыстория передвижения сферы в ламинарной жидкости.

3. Изучено влияние геометрических, тезлофизичеоких, гидродинамических и физике-химических факторов на кинетику плавления сферы в чаминарном расплазе. На основании этих исследований и обобщения результатов существующих работ в данном направлении разработаны оригинальные математические модели плавления твердых реагентов в жид-сом металле, учитывающие гидродинамику ванны и физико-химические процессы взаимодействия реагента и расплава. Математические модели ?Т-1 и ГТ-3 разработаны на базе решения задачи Стефана для одноком-тснентного легкоплавкого реагента и однокомпонентного тугоплавкого реагента, соответственно. Последняя имеет две модификации: ГТ-За зля реагентов, образующих интерметаллиды с элементами расплава и лодель ГТ-Зб, применяемую для реагентов, не образующих с расплавом омических соединений. Впервые для расчета кинетических параметров плавления многофазных добавок разработана математическая квазирав-яовесная модель ГТ-2 (а и б), учитывающая наличие двухфазной области при плавлении добавки.

- 4С -

4. Изучено влияние геометрических, теплофизических, гидродинг мичеоких к физико-химических факторов на кинетику плавления сферы турбулентной ванне. Проведены обширные лабораторные гидродинашчес кие исследования взаимодействия добавки и турбулентной жидкой es* ны. Разработана гидродинамическая модель Г-2. На основании эп исследований и на базе модели ГТ-1 разработаны математические моде ли ГТ-1 (а и 5) . учитывающие гидродинамическую ситуацию в распдз! и многофаанооть реагента.

5. На базе модели ГТ-la и ГТ-16 разработана и внедрена в прс изеодотво конструкция многофазной добавки и технология ее ввода расплав, направленная на повышение степени усвоения реагента.

6. Сделан всесторонний анализ тенденции развития методов ekg печной обработки металлов, ка основании которого определен спосс обработки расплава в ковше порошковой проволокой, как наиболе прогрессивный в настоящее время.

7. Разработанная в рамках настоящей работы установка по проиг водству порошковой проволоки внедрена и эксплуатируется на Чепецкс механическом заводе (г.Глазов, Удмуртия).

8. Выполнены системные лабораторные исследования по кинетик взаимодействия расплава и порошковой проволоки. Изучены теплофизк ческие свойства порошков - наполнителей проволоки. Разработаны ме тодики этих исследований.

S. На основании лабораторных исследований разработаны матемг тические модели по кинетике взаимодействия расплава и порошковс проволоки: модель П-1 - для проволоки, содержащей тугоплавкий pes гент; II-2 - легкоплавкий однокомпонентный реагент; П-3 - легкоплав кий многокомпонентный реагент; Л-4 - летучий реагент. Зт-и и вышел риведенные математические модели могут быть использованы для форми рования банка компьютерных программ.

10. Проведены обширные производственные исследования на заво дах России и Германии по отработке технологий внепечной обработк чугуна и стали порошковой проволокой. На основании этих зксперимек тов и с учетом результатов математического моделирования разработа ны теоретические основы кинетики взаимодействия порошковой проволо ки с жидким расплавом. Предложены составы смесей, используемых качестве наполнителей порошковой проволоки, используемых для вне печной обработки чугуна и стали. Предложены новые технологически рекомендации по использованию порошковой проволоки в металлургии.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

1. Никулин А.Ю., Девятов Д.Х., Алфимова H.A. Математическая лодель процесса растворения порошковой проволоки в жидкой стали при знепечной обработке в ковше// Черная металлургия России и стран СНГ з XXI веке: Материалы международной конференции. М.,1994. т.З. 165-69.

2. Никулин А.Ю., Николаев O.A. Взаимодействие печного шлака с леталлом в сталеразливочном ковше// Интенсификация технологических троцессов в металлургии: Межвузовский сб. науч. трудов. Новокуз-1ецк. 1983. С.44-45.

3. Раскисление стали алюминийсодержащими реагентами, имеющими меньшую плотность, чем плотность жидкой стали/ А.Ю. Никулин, Т.Д. эехвиашвили, Ф.Г. Ибрагимов и др.// Совершенствование технологии и автоматизации сталеплавильных процессов: Межвузовский сб. науч. трудов. Свердловск: изд. УПИ. 1987. С.123-135.

4. Раскисление стали алюминием, наплавленным на чугунную чуш-■;у/ А.Ю. Никулин, М.И. Кричевец, Т.А. Рехвиашвили и др.// Стзль. 1984. N03. С.15-18.

5. Никулин А.Ю., Ноггев В.П., Рехвиашвили Г.А. Применение утя-келенного .алюминия для раскисления стали 08Ю// Еюл.ин-та "Черметин-¡юрмация". 1985. No5. С.46-48.

6. Никулин А.Ю., Гречишный В.В., Рехвиашвили Т.А. Обработка зтали в ковше утяжеленным алюминием// Теория и практика внепечной обработки стали: Межвузоский сб. науч. трудов. М. МИСиС. 1985.;

98-101.

7. Никулин А.Ю., Гиниятуллин И.Н. Использование экспрессного термоэлектрического метода определения углерода в стали для совершенствования раскисления// Термоэлектрические и другие физико-хими-юские методы исследования металлопродукции: Межвузовский сб..науч. трудов. Магнитогорск. 1987. С.15-17.

8. Никулин, А.Ю. Непрерывная разливка стали под шлакообразующи-«î смесями с РЗМ/ Интенсификация технологических процессов в ме-. ?аллургическом, горном и строительном производствах: Межвузовский¡: :б. науч. трудов. Новокузнецк. 1980. С.15-16.

9. Никулин А.Ю. Влияние серы и марганца на пораженность непрерывного слитка дефектами поверхности// Совершенствование технологии, i автоматизации сталеплавильного производства: Межвузовский сб.¡на-.-"I.трудов. Свердловск. 1980. С.115-121.

10. Никулин А.Ю., КрякоЕСкий Ю.В. Поверхностное легирование ¡епрерывного слитка РЗМ// Известия вузов. 4M. 1973. МоЗ. с,31-34.

11. Технологические способы обработки жидкой стали порошковой

проволокой/ А.П.Шкирмонтов, О.В.Курагин, С.Б.Долбилов, А.Ю.Никулин и др.// Черметинформация. Сер. Сталеплавильное производство: Обзорная информ. Вып.2. М.. 1990. 27 с.

12. Никулин А.Ю. Внепечная обработка стали кальцийсодержащими экологически чистыми реагентами// Экологические проблемы промышленных зон Урала: Материалы международной конференции . Магнитогорск, 1997. С.72.

13. Никулин А.Ю., Шубина М.В. Сравнение технологических и экономических показателей различных способов внепечной десульфура-ции// Внепечная обработка стали: Межвузовский сб. науч..трудов. Киев.'1991. С.23-27.

14. Применение порошковой проволоки при производстве высокопрочного чугуна/ Й. Кирст, . X.- Майер, А.Ю. Никулин и др.// Литейное производство. 1993. N0 10. С.11-12.

15. Десульфурация передельного чугуна в ковше магнийсодержащей порошковой проволокой/ А.Ю. Никулин, Б.А. Никифоров, В.Ф. Сарычев, С.М. Швейкин// Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке: Материалы международной конференции. М., 1994. т.З. С.61-65.

16. Внепечная обработка чугуна магнийсодержавдми реагентами/ А.Ю. Никулин, Б.А. Никифоров, В.Ф. Сарычев, П. Фершурен и др.// Сталь. 1993. N0 9. С.18-21.

17. Обработка низкокремнистой стали в ковше кальцийсодержащимм реагентами/ Р. Пипенброк, А.Ю. Никулин, Б.А. Никифоров, П. Фершурен// Бюл. ин-та "Черметинформация". 1993. N0 2. С.31-32.

18. Никулин А.Ю., Никифоров Б.А., Логийко Г.П. Эксплуатационные свойства проволоки, предназначенной для ввода раскислителей и легирующих в жидкий металл.// Современные проблемы электрометаллургии стали: Межвузовский сб. науч. трудов. Челябинск. 1990. С.41-42.

19. Исследования скорости растворения порошковой проволоки в жидком металле/А.Ю. Никулин, Б.А. Никифоров, Г.П. Логийко, В.И. Жучков и др.// Современные проблемы электрометаллургии стали: Межвузовский сб. науч. трудов. Челябинск. 1990. С.48-49.

20. Исследование кинетики растворения кальцийсодержащей порошковой проволоки/ А.Ю. Никулин, Б.А. Никифоров, Г.П. Логийко, М.В. Шубина// Внепечная обработка стали: Межвузовский сб. науч.трудов. Киев, 1991. С.33-36.

21. Никифоров Б.А.. Никулин А.Ю., Логийко Г.П. Использование отходов ферросплавных заводов для внепечной обработки стали// Новые и усовершенствованные технологии для окускования сырья и производства чугуна и ферросплавов: Материалы международной конференции. Болгария. Варна. 12-14 июня 1990.-С.20.1 - 20.13.

22. Никулин А.Ю., Алфимова H.A. Изучение кинетики взаимодействия порошковой проволоки с жидким металлом// Физико-химия металлических и оксидных расплавов: Материалы республиканской научно-технической конференции. Екатеринбург. 1993. С.11-14.

23. Никулин А.Ю. Взаимодействие кальвдйсодержащей порошковой проволоки с жидким металлом при внепечкой обработке стали// Современные проблемы электрометаллургии стали: Материалы IX-й международной конференции. Челябинск. 1995. С.51- 52.

24. Никулин А.Ю. Компьютерное моделирование кинетики растворения порошковой проволоки в расплаве при внепечной обработке черных металлов// Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов: Труды 3-го Российского семинара. Курган. 1996. С. 84-85.

25. Никулин А.Ю., Никифоров Б.А. Некоторые кинетические и гидродинамические аспекты десульфурации чугуна магнийсодержащей порошковой проволокой// Труды 3-го международного симпозиума по улучшению качества жидкого чугуна и стали. Магнитогорск. 1996. С. 13-21.

26. Никулин А.Ю. Разработка математической модели взаимодействия магнийсодержащей порошковой проволоки с жидким металлом при внепечной десульфурации чугуна// Фундаментальные проблемы металлургии: Материалы Российской межвузовской науч.-техн. конф. Екатеринбург. 1995. С.6-7.

27. Никулин А.Ю., Логийко Г.П. Взаимодействие кальцийсодержащей порошковой проволоки с жидким металлом при внепечной обработке стали// Известия вузов. Черная металлургия. 1996. No 11. С.4-9.

28. Раиников В.Ф., Никифоров Б. А., Никулин А.Ю. Математическая модель взаимодействия жидкой стали и порошковой проволоки с тугоплавкими реагентами// Прогрессивные технологические процессы в обработке металлов давлением: Сб. науч. трудов под ред. В.А.Никифорова. Магнитогорск: МГМА. 1997. С.32-41.

29. A.c. 1089147(СССР). ММ3, С21 С 7/06, Способ раскисления стали алюминием и чушка для раскисления/ А.Ю. Никулин, Т.Д. Рехви-ашвили, В.И. Ишимов и др. -Опубл. в В.И. No.40. 1984. С.23.

30. A.c. 1668411 (СССР). МКИ3, С21 С 7/06. Способ раскисления и легирования стали/ И.И. Ошеверов,П.М. Смирнов, А.Ю. Никулин и др. -Опубл. В Б.И. N0.29. 1991. С.29.

31. Пат.2004599. Заявка No 4955273/02 от 13.07.91. Смесь для легирования расплава/ А.Ю. Никулин, Г.С. Уваровский, Б.А. Никифоров, Г.П. Логийко.

Подписано в печать 16.10.97 Формат 60x84 Бумага тип N0 2 Плоская печать Усл., печ. л. 2,00 Тираж 100 экз ЗаказЗ/'Яр Бесплатно

455000, Магнитогорск, пр.Ленина, 38 Полиграфический участок МГМА

г7/.- 9$

д

и

Магнитогорская государственная горно-металлургическая академия им. Г. И. Носова

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ РАСТВОРЕНИЯ РЕАГЕНТОВ ПРИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКЕ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

Специальность - 05. 16. 02 «Металлургия черных металлов» Диссертация на соискание ученой доктора технических наук

НИКУЛИН Александр Юрьевич

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники РФ,

профессор, доктор технических наук Никифоров Б, А.

4л о& 2Ъ

Магнитогорск -1997

- г -

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................... 7

1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАМИНАРНОЙ ЖИДКОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ВАННЫ С ОДНОФАЗНЫМ ТВЕРДЫМ РЕАГЕНТОМ............................... 10

1.1. Гидродинамика процесса.................................. 14

1.1 Л. Состояние вопроса...................................... 15

1.1.2. Разработка и адаптация математической модели погружения

падающего тела в ламинарную жидкость (Гидродинамическая

к

модель Г-1)............................................. 17

1.1.3. Изучение влияния физических параметров жидкости и геометрических параметров реагента на динамику его погружения. 23

1.1.4. Анализ результатов, полученных по модели Г-2........... 28

1.2. Теплофизические и физико-химические аспекты процесса взаимодействия твердого реагента и жидкой металлической ванны.. 30

1.2.1. Состояние вопроса...................................... 32

1.2.2. Систематизация подхода к разработке математических моделей растворения кусковых реагентов в металлической ванне.... 40

1.2.3. Математическая модель растворения легкоплавкого одно-компонентного реагента в ламинарной жидкости (Гидро-

теплофизическая модель ГТ-1)........................... 44

1.2.4. Влияние физико-химических, теплофизических и гидродинамических факторов на скорость расплавления сферы в жидком металле............................................ 60

1.2.5. Математическая модель растворения легкоплавкого многокомпонентного реагента в ламинарной жидкости (Гидро-теплофизическая модель ГТ-2)........................... 75

1.2.6. Применение математической модели ГТ-2 для различных сплавов................................................. 94

1.2.7. Математическая модель растворения тугоплавких реагентов в ламинарной жидкости (Гидро-теплофизическая модель ГТ-3)................................................... 99

1.2.8. Использование модели ГТ-3 для кинетических расчетов растворения тугоплавких реагентов...................... 106

1.3. Обсуждение результатов и выводы поп.1................... 110

2. ТУРБУЛЕНТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА С ТВЕРДЫМ РЕАГЕНТОМ.................................................. 112

2.1. Гидродинамика процесса................................... 115

2.1.1. Состояние вопроса...................................... 115

2.1.2. Гидродинамическое моделирование движения сферы в ковше. 120

2.1.3. Разработка программы расчета движения сферы в турбулентной ванне. Математическая модель ГТ-2................. 124

2.1.4. Обсуждение результатов гидродинамического и математического моделирования..................................... 132

2.2. Гидродинамические и теплофизические предпосылки использования многофазных реагентов для внепечной обработки черных металлов................................................. 137

2.2.1 Состояние вопроса...................................... 138

2.2.2. Кинетика растворения чушек утяжеленного алюминия в жидкой стали в промышленных условиях. Математические модели ГТ-la и ГТ-16................................... 143

2.2.3. Промышленное раскисление стали чушками утяжеленного алюминия............................................... 147

2.3. Обсуждение результатов и выводы по п. 2

153

3. АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ................................................... 158

3.1. Предпосылки развития технологии обработки жидкого металла порошковой проволокой. Сравнение эффективности существующих способов внепечной обработки металла................. 160

3.1.1. Сравнение двух способов обработки стали порошкообразными реагентами: вдувание порошков в струе инертного газа

и ввод порошковой проволоки............................ 161

3.1.2. Сравнительный анализ экономической эффективности обработки стали вдуванием порошков и вводом порошковой проволоки................................................. 165

3.1.3. Экологические аспекты применения порошковой проволоки

для внепечной обработки металла........................ 172

3.2. Промышленные варианты технологии внепечной обработки металла порошковой проволокой................... ........ 175

3.2.1. Промышленные варианты технологии обработки стали порошковой проволокой....................................... 177

3.2.2. Технологические особенности обработки чугунов порошковой проволокой......................................... 184

3.3. Обсуждение результатов и выводы по п.З................... 192

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ С ЖИДКОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ВАННОЙ......... 196

4.1. Лабораторные исследования по кинетике растворения порошковой проволоки в жидком металле и по определению ее параметров............................................... 196

4.1.1. Методика эксперимента и разработка установки по изучению кинетики растворения порошковой проволоки..... 198

4.1.2. Влияние параметров жидкой ванны и порошковой проволоки

на скорость ее растворения в стали и чугуне............ 203

4.1.3. Определение эффективных плотности, теплоемкости и теплопроводности порошковых материалов, применяемых

в порошковой проволоке................................. 211

4.2. Обсуждение результатов по п. 4............................ 216

5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ С ЖИДКИМ МЕТАЛЛОМ И ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА........ 218

5.1. Теплофизические, гидродинамические и другие аспекты взаимодействия порошковой проволоки с расплавом.......... 219

5. 1.1. Теплофизические аспекты............................... 220

5.1.2. Гидродинамические особенности взаимодействия порошковой проволоки с жидким металлом............................ 221

5.1.3. Физико-химические аспекты.............................. 227

5.2. Математические модели процесса растворения порошковой проволоки в жидком металле............................... 228

5.2.1. Взаимодействие жидкой стали и порошковой проволоки с тугоплавкими однокомпонентными реагентами. Математическая модель П-1...................................... 230

5.2.2. Влияние различных параметров на кинетику плавления порошковой проволоки с тугоплавкими реагентами......... 237

5.2.3. Жидкофазное растворение в стали порошковой проволоки с легкоплавким однокомпонентным нелетучим реагентом

Математическая модель П-2

243

5.2.4. Влияние различных параметров на кинетику плавления порошковой проволоки с легкоплавким однокомпонентным нелетучим реагентом.................................... 250

5.2.5. Взаимодействие жидкой стали и порошковой проволоки с двухкомпонентными нелетучими реагентами. Математическая модель П-3............................................. 255

5.2.6. Применение математической модели П-3 к реальным системам и сопоставление расчетных и экспериментальных данных................................................. 267

5.3. Кинетика взаимодействия порошковой проволоки с летучими реагентами с жидким металлом............................. 274

5.3.1. Определение прочностных свойств оболочки............... 275

5.3.2. Взаимодействие жидкой чугунной ванны и порошковой проволоки с магнием. Математическая модель П-4......... 277

5.3.3. Анализ возможности десульфурации чугуна порошковой проволокой с магнием................................... 283

5.3.4. Растворение в жидком металле порошковой проволоки

с квазисплавами, содержащими летучие компоненты........ 291

5.4. Обсуждение результатов по п. 5............................ 300

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................. 304

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ................................ 304

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.................................................. 330

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.................................................. 334

ВВЕДЕНИЕ

Современная технология производства стали развивается в направлении использования основных металлургических агрегатов только для расплавления твердой части составляющих шихты и окисления углерода, кремния, марганца и фосфора. Все остальные металлургические операции: раскисление, дегазация, легирование, модифицирование, рафинирование, доводка по химическому составу и температуре, инокулирование и др. проводятся вне их - в сталеразливочных ковшах, промежуточных ковшах, кристаллизаторах и изложницах. Этот комплекс мероприятий получил у зарубежных металлургов название "Secondary metallurgy" - вторичная металлургия, а в странах СНГ - внепечная обработка металла. Технология введения реагента в ванну (количество, очередность и способы ввода) определяется сортаментом выплавляемой стали, технической оснащенностью предприятия и физической формой (кусковая, порошкообразная, чушки и т.п.) добавки и, в большинстве случаев, носит частный характер для данного предприятия. Общим в разработке оптимальной технологии внепечной обработки является осуществление мероприятий, направленных на увеличение степени усвоения вводимых добавок и их равномерного распределения по объему обрабатываемого металла, что, в конечном итоге, определяется скоростью их растворения* и местом протекания этих процессов.

В последнее время в черной металлургии получили развитие новые способы внепечной обработки металла. Если раньше для интенсификации

* Термин "растворение твердой добавки в расплаве" включает в себя два понятия: диффузионное растворение - растворение тугоплавкой добавки с температурой плавления выше температуры жидкой ванны и растворение плавлением - растворение легкоплавкой добавки с температурой плавления ниже температуры жидкой ванны. Здесь и далее термин "растворение" с соответствующими комментариями включает в себя оба этих понятия.

тепломассообменных процессов использовалась только кинетическая энергия падающей при выпуске струи стали, то сейчас все шире применяются способы обработки металла в наполненном ковше. Это продувка металла порошками в струе инертного газа, ввод реагентов в упакованном состоянии в виде порошковой проволоки, удержание легких добавок в объеме металла с помощью специальных штанг, встреливание реагента, имеющего для этого специфическую форму и т.д. Находят применение и такие способы, в которых механическая подача совмещена с каким-либо методом перемешивания: продувка инертным газом, магнитное перемешивание или вакуумирование.

Несмотря на очевидный прогресс в области внепечной обработки черных металлов, в настоящее время является насущным решение следующих научно-производственных проблем:

1. Повышение степени усвоения добавок, особенно легких и высокоактивных, таких как алюминий, РЗМ, ЩЗМ и других;

2. Повышение скорости растворения добавок с целью повышения их усвоения;

3. Решение экологических проблем, поскольку взаимодействие многих реагентов с металлом связано с токсическими выбросами;

4. Уменьшение загрязнения металла вредными примесями и неметаллическими включениями;

5. Снижение температурных потерь при обработке металла;

6. Автоматизация процессов внепечной обработки;

7. Компьютерное обеспечение ввода реагентов с целью улучшения воспроизводимости результатов и сужения диапазона колебания содержания примесей;

8. Создание современной технологии внепечной обработки жидкого металла, обеспечивающего решение вышеперечисленных проблем.

Исходя из этого в настоящей работе поставлены следующие цели:

1. Обобщение известных работ по исследованию кинетики растворения кусковых реагентов в жидком металле;

2. Изучение и уточнение существующих математических моделей растворения кусковых добавок, а также разработка новых моделей с учетом теплофизических, физико-химических и гидродинамических особенностей процесса;

3. Разработка новых способов внепечной обработки металла кусковыми реагентами на базе разработанных моделей и их реализация в промышленных условиях;

4. Анализ тенденций развития, а также сравнение технологических, экономических и экологических аспектов для современных способов внепечной обработки черных металлов;

5. Изучение физико-химических и теплофизических свойств новых реагентов и разработка методик исследования кинетики их растворения;

6. Классификация и разработка новых математических моделей для изучения кинетики растворения упакованных порошковых реагентов в металлической ванне и обоснование технологических рекомендаций по применению новых способов внепечной обработки черных металлов;

7. Проверка предлагаемых технологий в промышленных условиях.

1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАМИНАРНОЙ ЖИДКОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ВАННЫ С ОДНОФАЗНЫМ ТВЕРДЫМ РЕАГЕНТОМ

Практика введения твердых реагентов в расплавленную металлическую ванну является неотъемлемой частью многих пирометаллургических операций. В черной металлургии в этот процесс вовлекаются значительные количества материалов. Для некоторых марок стали расход реагентов при внепечной обработке может превышать 10% от общей массы плавки, а в стоимостном выражении достигать 50% от суммы всех затрат на производство стали.

Для лучшего усвоения добавок их, зачастую, вводят в струю металла при выпуске в наполняющийся ковш. При этом кинетическая энергия падающей струи заглубляет добавку в объем металла, препятствуя ее всплыванию и взаимодействию с составляющими атмосферы, и, одновременно, происходит перемешивание металла, что способствует равномерному распределению реагента в расплаве.

Однако, подобная практика имеет свои недостатки. Как правило, особенно в сталеплавильных агрегатах большой емкости, неизвестна точная масса выпускаемой плавки. Это вызывает трудности в определении количества вводимого реагента, что в свою очередь приводит к необходимости корректировать химический состав стали на последующих стадиях процесса. Также, во время выпуска, происходит вторичное окисление и понижение температуры металла. Изменение этих параметров не является постоянным от выпуска к выпуску и зависит от многих факторов: качества струи, состояния ковша, химического состава и количества попадаемого в ковш шлака и т.д. Это приводит к существенным колебаниям усвоения реагентов, особенно высокоактивных.

Поэтому в черной металлургии имеет широкое развитие практика ввода добавок в наполненный ковш с металлом известной массы,

- и -

температуры и химического состава, с последующим принудительным перемешиванием. В этом случае на первое место выходят проблемы транспортировки добавки на требуемую глубину и ее последующего удержания в объеме металла до полного расплавления или растворения.

Процесс взаимодействия твердой добавки с жидким расплавом сложен и многообразен. Для успешного решения поставленной задачи необходимо, чтобы способ ввода реагента обеспечивал достаточное для полного растворения время его нахождения в объеме ванны, т.е. гидродинамика объекта должна соответствовать теплофизике процесса. При этом необходимо учитывать физико-химические процессы, происходящие между добавкой и намерзшей на нее корочкой металла. Эти процессы могут как замедлять, так и ускорять растворение реагента.

Экспериментальное исследование кинетики взаимодействия реагента и жидкого металла связано со значительными трудностями, а в ряде случаев невозможно вообще, поэтому математическое моделирование процесса в последнее время получает все большее распространение. По-видимому, математическая модель кинетики растворения добавки должна состоять, как минимум, из трех самостоятельных частей: гидродинамической, теплофизической и физико-химической, учитывающих все аспекта взаимодействия.

В данном разделе предпринята попытка обобщить существующие фундаментальные работы в этой области и разработать практические рекомендации по технологии ввода различных реагентов.

Перечень символов, применяемых в математических моделях

ах= Х1/с1р1 - коэффициент температуропроводности, м2/с; Ах = Дт/с^Дг2 - коэффициент в разностных уравнениях; [А] - объемный процент компонента А в сплаве, %;

- 12 -

В - эмпирический коэффициент в уравнении Френкеля, Па-с; Са - коэффициент присоединенной массы; Са - коэффициент лобового сопротивления;

к,аК и ш-эмпирические коэффициенты в уравнении для расчета Сй; Сп - коэффициент предыстории процесса погружения сферы; С - молярность, моль/м3;

- удельная теплоемкость, Дж/кг-К; (3 - толщина намерзшей корочки, м; й - символ часной производной; Б - диаметр сферы, м;

Од/Ее -коэффициент диффузии реагента А в жидком железе, м2/с; Е - энергия активации вязкого течения, Дж/моль; Е - удельная теплота испарения, Дж/кг; Е - сила, Н;

g - ускорение свободного падения, м/с2; Н - энтальпия процесса, Дж;

ДН|_ - теплота образования реагента в реакции, Дж/моль;

ДН: - тепловой эффект реакции, Дж;

КА - коэффициент массопереноса, м/с;

1 - характеристическая длина, м;

Ь^ - удельная теплота плавления, Дж/кг;

М - молярная масса, кг/моль;

ш,п, р,ц - номера узловых точек;

пА - массопоток реагента А, кг/м2с;

N - молярный поток, моль/м2с;

Я - тепловой поток, Дж/м2с;

г - радиус, м;

И - универсальная газовая постоянная, Дж/моль-К; Дг и бг*! - приращение радиуса, м;

I - температура, °С; Т - температура, К; Дt - приращение температуры, К; V - скорость ввода сферы в жидкость, м/с; Х^ - мольная доля 1-го компонента; У - ордината траектории погружения; а - коэффициент теплоотдачи,