автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Оптимизация технологии выплавки низкоуглеродистых высокохромистых сталей методом вакуум-кислородного обезуглероживания

НАУЧЮ-ПРОИЗЗОДСТВЕНГОЕ ОБЬЕЗШЕШЕ • ПО ТЕГНОНОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ ЧШИИТЫАВ"

На правах рукописи

СИДОРЕНКО Дмитрий Ыстиславович

УДК 669.14.018.8

(ШШЗШЯ ТЕГГОЛОШИ ВЫПЛАВКИ ПИЗКОУГЛЕЮДИСКХ высоиэшшстах СТАЛЯ МЕТОДОМ ВАКУТО-КИСЛОРОДШГО ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание уче«азЯ степени кандидата технических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Научно-производственном объединения но Этнологии машиностроения "ЦНИИТЫАШ".

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

С.А.Иодковский

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

А.Я.Стоыахин

кандидат технических наук, заведухь-щвД лабораторией А.В.Ревякин Ведущее предприятие - завод "Днепроспецсталь" имени

Кузьмина А.Н.

Защита состоится *?Л " 1991 г. в ^' час.

на заседании специализированного совета Д 145.03.01 при Научно-производственном объединении по технологии машиностроения "ЦНИШЖШ" по адресу: 109088, Москва, ул.Шаршгошщгстниковская, д. 4.

Телефон для справок: 275-85-33

- А. ' •

С диссертацией мохго ознакомиться в библиотеке НПО ЦНИИТМАШ.

Автореферат разослан 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Г.И.Васильева

- 3 -

О ЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Постоянно возраставшие потребности народного хозяйства в низкоуглеродистнх высокохроыистнх сталях, их высокая себестоимость, обусловленная высокими затратами на ферросплавы, дефицитность многих легирущих и слокеость производства делайт настоятельно необходимыми внедрение новых технологических процессов, а тахяе автоматизацию производства. Одним из наиболее аффективных методов получения низкоуглеродистнх высокохроыистнх сталей является метод вакуум-кислородного обезуглероживания (ВК0)у вклотяппий в себя процессы вакуум-кислородного рафинирования (комбинированная продувка в вакууме кислородом через верхний фурму и аргоном через донную пробку), вакуумного обезуглероживания (продувка аргоном в вдкууые через донную пробку), раскисления шлака. В СССР в настоящее время разворачивается работа по созданию агрегатов типа "кова-печь", которые в частности будут ориентированы на производство низкоуглеродистнх высокохроыистнх сталей методом ВКО. Исследования, направленные на оптимизирование конструкций установок типа "ковш-печь", технологии вакуум-кислородного обезуглероживания, а также на создание АСУ этого процесса, являются своевременными и актуальными.

Цель работы» Исследование гидродинамической ситуации в ковае установок типа "кова-печь" а процессе ВКО, повышение эффективности обезуглероживания за счет оптимизации расположения продувочных устройств («гаслородной фурмы и донных пробок для продувки аргоном) и технологии обработки (т.е. нахождения оптимальных режимов продувки кислородом в аргоном), а также создание математической модели вакуум-кислородною обезуглероживания стали, которая может служить основой АСУ втого процесса.

Научная новизна:

- разработана система безразмерных критериев подобия, возводящая повысить степень адекватности процессов перемешивания, протекающих на физической модели и на оригинале в процессе ВКО;

- определены "критические" значения интенсивности подачи кислорода и аргона, при верхней, донной и комбинированной продувке расплава;

- разработана комплексная, универсальная математическая модель процесса вакуум-кислородного обезуглероживания высокохромистого расплава, включающая модели процессов вакуум-кислородного рафинирования, вакуумного обезуглероживания, раскисления шлака,

а также модель изменения температура.

Практическая ценность. Определено рациональное расположение продувочных устройств установок типа "ковш-печь", оптимизирована технология процесса вакуум-кислородного рафинирования, васокохро-миотнх стаде!, разработан метод экспресс-анализа содержания хрома и железа в шлаке.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции "Молодежь и научно-технический прогресс в производстве и использовании металла" (Москва, 1989), пергой Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование металлургической технологии в машиностроении" (Волгоград, 1990), межреспубликанской научно-технической конференции "Передовой опыт производства стали, ее внепечной обработки, разливки в слитки" (Волгоград, 1990), научно-техническом семинаре "Гидродинамика разливки стали и качество металла" (Днепропетровск, 1989), седьмой Всесоюзной научной конференции "Современные проблемы электрометаллургии стали" (Челябинск, 1990), десятой международной конференции по вакуумной металлургии (Пекин, КНР, 1990), десятой Всесоюзной конференции по физико-химическим

- 5 -

основам металлургических ттроцессов (Ыосква, 1991).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем работа. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, включает таблиц, рисунков, приложений и состоит из введения, четнрех глав, общих выводов, списка литература из наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Современное состояние проблемы

Анализ литературных источников позволяет сделать следующие выводы:

- для создания аффективного. производства низкоуглеродисгых высоко хромистых сталей методом вакуум-кислородного обезуглероживания необходимо оптимизировать конструкцию соответствующего агрегата с точки зрения интенсификации перемешивания металла, создать рациональную технологию обработки и автоматическую систему управления;

- для интенсификации перемешивания расплава необходимо определить оптимальное расположение кислородной фурмы и пористых пробок для продувки аргоном, а также оптимальные режимы продувки;

- для создания автоматической системы управления процессом вакуум-кисло родного обезуглероживания необходимо создать комплексную математическую модель «того процесса, включающую иодми вакуум-кислородного рафинирования, вакуумного обезуглероживания, раскисления шлака и изменения температуры.

Методика проведения исследований

Влияние расположения продувочных устройств и интенсивности продувки кислородом и аргоном на перемешивание металла в ковше

изучали на физической модели установки "ковш-печь" ПО "ИжорскиЁ завод" вместимостью 70 т и полупромышленной установки 7ВР-1 НПО ЦНЖПЛАШ вместимостью 0,5 т. Металл моделировали водой, аргон и кислород - воздухом.

На дно модели подавали индикатор (азотную кислоту) и включали подачу воздуха, измеряя на поверхности рН раствора. 0 длительности перемешивания (длительности гомогенизации раствора по составу) судили по прекращению изменения рН. В ходе экспериментов исследовали влияние расположения продувочных устройств, а также интенсивности продувки аргоном и кислородом на длительность перемешивания.

Ддя повышения степени адекватности процессов перемешивания,

протекащих на модели и на оригинале, предложили новый критерий п- Р

подобия с. ~• зкллчазхцлй в себя мощность перемешивания - величину, прямо характеризующую перемешиваниее воздействие газовой струи на металлический расплав.

Мощность перемешивания за счет продувки аргоном и выделяющегося СО рассчитывали по выражению:

Р^го.оА^-тепк^), ш

где: / - интенсивность продувки газом, м^/ч; Т - температура металла. К; ро - остаточное давление, гПа. Мощность перемешивания струей кислорода рассчитывали по выражению:

% - {,27М5Еетр: (2)

ЕСТр> - кинетическая анергия струи.

Полную мощность, которая входит в критерий Е, рассчитывали по выражению:

Р— Р +Р +Р (3)

г го, V? со

В случае вакуум-кислородно го рафинирования (ВНР) плотность расплава по объему не является величиной постоянной. Поэтому при расчете мощности перемешивания учитывали изменение плотности расплава. Для этого в объеме металла условно выделили три зонн с различной плотностью - металл, металл + аргон, металл + 00.

-^Плотность второй и третьей зон определяли по выражению:

¿-¿Я + (4)

плотность газа и гадкого металла, соответственно, кг/ц3;

оТ - коэффициент объемного газосодержания, %.

Коэффициент объемного газосодержания определяли по выражении:

Т- -1- 1-ЛТ' -¿О-*) и' (5)

о

где: - 0,2 ц/с - скорость всплыв алия одиночного пузыря; иг - скорость движения металла в зоне газ-металл, м/с; - радиус одиночного пузыря, м; г - радиус зоны газ-металл, м.

Для проверки результатов модельных экспериментов, разработки усовершенствованной технологии ВКР, методики экспресс-анализа и хрома в шлаке провели серит экспериментов по рафинированию стали 03-08Х18Н10 на полупромышленной установке УВР-Т. Измерения активности кислорода в шлаке проводили до и после ВКР, после вакуумного обезуглероживания (ВО) и раскисления плана с помощью устройства контроля .окисле нности л температуры шлака УКОШ-Т. По результатам экспериментов строили, зависимость активности кислорода в шлаке от активности железа и хрома в шлаке, содержащим 15-30* ( С?г03 ), 5-10* ( ПрО ).

На установке "ковш-печь" Белорусского металлургического завода Есследовали возможность применения найденных зависимостей

для исследования шлаков с малым количеством хрома и хелеза {{^ф < 0,5?, ( ГеО ) 1%). Дня этого проводили замеры окисленности шлака до и после вакуумировання полупродукта стали 20ХГН.

Исследование на физической модели различных вариантов продувки расплава в ковше

Массоперенос в металлической ванне можно интенсифицировать за счет увеличения интенсивное« продувки, оптимизации расположения и количества продувочных устройств. В настоящей работе исследовали зависимость длительности перемешивания (т.е. длительности гомогенизации расплава по составу) от интенсивности продувки кислородом и аргоном, а также о; расположения кислородной фурмы н донннх пробок для продувки аргоном.

В первой серии экспериментов исследовали зависимость длительности перемешивания от расположения фурмы относительно поверхности расплава и от интенсивности продувки кислородом. При этом исследовали четыре варианта расположения фурмы: на высоте

0.083 и (0,5 м для оригинала) и 0,СЗЗ (0,2 ы для оригинала) над раствором, на уровне поверхности раствора, погружонвая в раствор на 0,033 м (0,2 м для оригинала). Интенсивности продувки изменяли в пределах 7-17 ы3/ч (500-1500 м^/ч для оригинала).

Установили (рис. I), что при любом расположении фурмы длительность перемешивания уменьшается с увеличением интенсивности продувки. Причем при интенсивности продувки выше некоторой "критической" влияние интенсивности продувки на длительность перемешивания резко уменьшается.

При удалении фурмы, расположенной на высоте 0,08 и (0,5 и для оригинала) над уровнем расплава к стенке ковша (на расстояние 2/3 (рис. I, кривая I) или 1/3 радиуса от центра модели (рис.

1, кривая 2) минимальное значение длительности перемешивания воз-

Рис. I. Зависимость длительности перемешивания от интенсивности продувки сверху:

Высота над поверхностью металла - 0,5 м, расположение

Фурмы:

1 - на расстоянии 2/3 радиуса от центра модели;

2 - на расстоянии 1/3 радиуса от центра модели;

3 - по центру ковша

фурма установлена по центру ковша

4 - 0,3 м нал уровнем расплава;

5 - на уровне расилава;

6 - 0,3 м под уровней расплава;

7 - комбинированная продувка, / = 53 м /ч.

..я "

- 10 -

растает со 136 с до 242 с и 193 с, соответственно. Величина "критической" интенсивности продувки понижается до 1100 гР/ч в первой случае (2/3 радиуса), и до 1000 м3/ч во втором (1/3 радиуса).

Уменьшение расстояния ыевду фурмой и уровнем металла способствует уменьшение длительности перемещения, но не влияет на "критическое".значение интенсивности продувки (кривые 4-6 рис.1).

Во второй серии экспериментов исследовали зависимость длительности перемешивания от интенсивности продувки, количества и расположения донных пробок при продувке снизу. Продувку проводили последовательно через одну, две, три пористые пробки.

Эксперименты показали, что при увеличении интенсивности продувки длительность перемешивания сначала уменьшается, затем несколько увеличивается, а затем опять уменьшается (рис. 2). Наименьшая длительность перемешивания имела место при продувке через пробку, расположенную на середине радиуса днлща (рис. 2, кривая 3). В случае продувки через две (кривая 5, рис. 2) или три (кривая 6, рис. 2) пористые пробки оптимальным расположением пористых пробок также является середина радиуса ковша. В случае продувки через одну пробку"критические"значения интенсивности продувки составляют 20 гР/ч и 30 м3/ч, через две пробки -- 25 м3/ч и 33 м3/ч, через три пористые пробки - 50 м3/ч и 73 м3/ч.

В случае комбинированной продувки кривые зависимости длительности перемешивания от интенсивности продувки имеет аналогичный вид. Однако, в отличие от верхней продувки "критическое" значение интенсивности продувки составило 1500 м /ч, а в случае продувки аргоном с интенсивность!) 55 м3/ч (кривая 7, рис. I) вообсе не наблвдалась. В отличие от донной продувки "критические" значения интенсивности продувки аргоном уменьшались до 17 м3/ч и 26 м3/ч,

соответственно (кривая 4, рис. 2). ,,

Рис. 2. Зависимость длительности перемешивания от интенсивности

продувки снизу

Одна пробка

1 - по центру модели;

2 - на расстоянии 1/4 радиуса от центра модели;

3 - на расстоянии 1/2 радиуса от центра шдели;

4 - комбинированная продувка, одна пробка по центру

ковпа, J„ - 1000 м3/ч;

¿а .

5 - две пробки на расстоянии 1/2 радиуса от центра моде-

ли;

6 - три пробки на расстоянии 1/2 радиуса от центра моде-

ли

Для проверки результатов физического моделирования провели ряд экспериментов на установке УЕР-I емкостью 0,5 т. В процессе исследований проводили обработку коррозиояностойкой стали типа 03-08XI8HI0 методом вакуум-кислородного рафинирования. Как известно, процесс перемешивания металла при BKF косвенно характеризуется такими величинами как средняя скорость обезуглероживания

— "12 - •

( £ ) и относительное уменьшение концентрации углерода ).

Поэтому для нахождения "критических1 значений интенсивностей продувки кислородом и аргоном строили зависимости Ц , от интенсивности продувки и сравнивали их с результатами, подученными на физической модели. Эксперименты показали хорошее совпадение модельных г натурных результатов, (рис. 3). Таким образом, подтвердили правильность выбранной методики физического моделирования V возможность применения результатов модельных экспериментов на практике.

Использование математических моделей для создания основ АСУ процесса вакуум-кислородного обезуглероживания

Поскольку процесс вакуум-кислородного обезуглероживания включает в себя такие технологические операции как вакуум-кислородное рафинирование, вакуумное обезуглероживание (ВО), раскисление шлака, математическая модель (ММ) этого процесса включает в себя модели каждой из указанных операций. Кроме того в процессе ВКО большое значение играет температурный режим рафинирования металла. Поэтому ММ процесса ВКО включает в себя также модель изменения температуры. ММ модель процесса ВКО позволяет рассчитывать расход кислорода и интенсивность продувки аргоном, количество раскислителей, длительность периодов ВНР и ВО, конечную (после ВКР и после ВО) концентрацию углерода и температуру, а также прогнозировать концентрацию углерода и температуру металла по ходу обработки.

ММ процесса ВКО разрабатывали для технологических условий нового ЭСЩ ПО "Ижорский завод". Расход кислорода определяли по выражению:

<2/(Хи~¡{1 К3 а°> (в)

где: Хн и ХИ - начальная и конечная концентрация хрома, кремния, марганца, геле за, соответственно, %', [Г]Н)[С]Кр, [С]п, [£]„ -начальная, критическая, конеч-

ная (после ВКР), конечная (после ВО) концент- • рация углерода, соответственно, %, ¿2/ , -константы; ~ эмпирические коэффициенты.

Г.е а ■ * 0.9 щ ЗГА* А

25 ■ 0,8 5 Л \ —. ; _ \ у^в \ / 9X

20 ■ 0,7 4 XX. АX• 3

15 0,6 3 у \

ш 0,5 2

5 0.4 I ■ ¿Г

0,4 0,8 1,8 2.0

Рис. 3. Влияние интенсивности продувки кислородом и аргоном на технологические параметры ВКР стали 08ЫБН10

- □ - а

3 -о

- А

- А

- о

зависимость

зависимость

зависимость

менты)

зависимость

зависимость

зависимость

менты)

&с(е от 1Ат

¿С/С от4

Г от 1Лг. (модельные экспери-

от 10

Ус от 1Лх

Г от 1С (модельные экспери-

Дпя адаптации и настройки эмпирических коэффициентов разработали следующую процедуру:

1 - расчет значения коэффициента К1 по выражению:

_ №Л/. ~ 1Е1*Р

2 - адаптация коэффициента К1 по выражению:

K,i

' *+* ' ¿([с] t -ицг (i ki rcU (e)

где: ]f- параметр алгоритма (O^JT^ I)

3 - расчет коэффициента Кг по выражению:

Г* [Chi

(9)

где: Тк - длительность окисления углерода от [С]^ до [С]п 4 - адаптация коэффициента К2 до выражению:

и. "Р» * /-<•

" \({-Г)к* * лр» [¿"1; (Ю)

1Р /7.1

5 - расчет значения коэффициента К3 по выражению:

где: /Л^. - расчетная концентрация углерода после ВКР, %.

к . = —(п) 6 - адаптация коэффициента /с3 по выражению:

к к при [с£л и[с1И .+[с]3к

\Ci-tX * ¡ГК3>1 при [с]п>[С?Л1, (12)

- 15 -

У,

Текущую концентрацию углерода в процессе ВКР определяла по

где: [С]'' - заданная конечная концентрация углерода после ВО.

выражению:

/" при п -(13)

Дял сокращения длительности процесса ВКР и снижения угара хрома предусмотрели проведение комбинированной продувки в два этапа. Длительность первого этапа определяли по выражению:

где £ = 9-10, = 10-11 - эмпирические коэффициенты (значения / и соответствуют удельному расходу кислорода 0,6-0,8 м3/мин при удельной мощности перемешивания за счет продувки аргоном 0,65-1,0 ВТ/т). Длительность второго этапа определяли по выражению:

гг~ьВг(г}[с]п)ъ, (15)

где: /3 = 1,1-1,3, = 9-11 - эмпирические коэффициенты (значения и соответствуют удельному расходу кислоро-

о

да 0,4-0,5 м /мин при удельной мощности перемешивания за счет продувки аргоном 1,35-1,65 Вт/Т. Продолжительность вакуумного обезуглероживания и текущую концентрацию углерода в процессе ВО определяли по выражениям:

и% - [[]„ Г) (17)

Для адаптации коэффициента К^ использовали следупцую проце-

ДУРУ:

I КА при [Г]* ^ [С]* = | (1-Г)к< * Г V« [С]к (18}

Для повышения точности определения необходимого количества раскислителей разработали методику экспресс-анализа концентрации хрома и железа в шлаке, которая основывалась на контроле окислен-ности шлака.

Активность хрома и железа в шлаке определяли следу щим образом:

уЬМ + В. Н9)

4де: Р01 - парциальное давление кислорода в шлаке (окислен-йость слака), Па; , В2 , В3 , ВА - эмпирические константы 6пределенные экспериментально. Активность железа и хрома в шлаке Пересчитывали на концентрацию по модели Пономаренко.

Общее количество раскислителей, необходимое для наиболее йодного восстановления хрома из шлака, рассчитывали по выражению:

к к* т {8 т к т * 56 м т к

(20)

Ьде: 16, 48, 104, 56 - атомная масса одного и трех атомов кислорода, двух атомов хрома/ атома железа, соответственно;

Л - атомная касса раскислителя; /77 - шлака, кг; ПиК - стехиометрические коэффициенты реакции окисления:

п-Л + к-О-ИкОп, где: Я - раскислитель;

- эмпирические коэффициенты. При определении эмяиричес-

киг коэффициентов и Кв учитывала, что шс величины сильно зависят от физического вида и химического состава раскислителя, технологии раскисления (использования вакуума, подогрева, продувка аргоном). Поэтов коэффициенты Кг з К£ рассчитывали отдельно для каадого вида раскислителя и технологии раскисления и адаптировали по выражению аналогичному ураЕнен::ю(3).

Основными химическими реакциями, влияющими на изменение температуры в процессе ВКР являются реакции окислсния кре?.-кия , хрома. Поэтому изменение температуры металла зависит в основном от расхода кислорода:

(21)

где: 4 • ~ начальная и конечная температура ЗКР, °С; Ci , Сг - эмпирические коэффициенты.

Температура металла в период ВО изменяется в зависимости от длительности обработки:

Г ■г'

/ „ + + с + г (221

где: ^кво - начальная и конечная температура ВО;

С3, СА - эмпирические коэффициенты.

Текущую температуру определяли по выражении:

где: = - эмпирический коэффициент-

Величину эмпирического коэффициента С5 определяли в зависимости от таких технологических параметров плавки, как начальное содержание хрома и начальная температура. После этого представляли коэффициент в вдне:

С5 - Zzl -Х£) + 20 , (24)

где: , zB - константы;

X¡ - технологический параметр;

x¡ - технологический параметр в стандартном варианте обработки.

Под стандартным вариантом обработки понимали следу ¿дне величины: //"4=18?. ±„ = Г700°С. Опробование математической модели процесса ВКО проводшш на установках ВНР завода "Красный Октябрь" с ковшами вместимостью 20 т е 100 т, на установке "ковш-печь" Белорусского металлургического завода с ковшом вместимостью 100 т,также на установке внепечного рафинирования и вакуумирования стали (УВР-I) НШ ЦЗШТЫАЕ с ковшом вместимостью 0,5 т.

Расчеты для определения коэффициентов модели проводили по результатам обработки сталей 08П8ГО, 03X20H3M, 0812Ш0Г6, 04XI9H9, 0П25М2Т, 06II9H9, 0ПГЗН9, ОЗИ7Ш4МЗ.

Для определения коэффициентов Ki , Кг , К3 , И^ и констант 11{ и 0о обрабатывали массив экспериментальных данных методом наименьших квадратов.

Константу ¡Г определяли, подставляя в выражения (8 Д (^1^18} реальные значения Q, [Г]н, [С]п,

и усредняя подученные значения по результатам нескольких плавок. В результате расчетов подучили следующие значения константы f для ковшей различной вместимости: 0,5 т - 0,63, 20 т - 0,74, 100 т -- 0,82.

После этого.провели сравнение расчетных и фактических значений технологических параметров. Установили, что точность определения концентрации углерода после ВКР и после ВО составила + 0,02?, расхода кислорода - + 0,3 (ковш 0,5 т), + 0,62 (ковш 20 т),. + 0,8 м^/т (ковш ТОО т), длительность ВО - + 2 мин.

Для определения коэффициентов Ве , Вг , В3 , ВА (уравнение

(19)) проводила эксперименты на установке "коЕШ-печь" Белорусского металлургического завода (сталь 20ШЙ) и на установке УБР-1 (стали 03П8Н10 и 08П8Н10). Эксперименты показали, что величина парциального давления кислорода в шлаке коррелирует с активностью железа и хрома в шлаке (рис. 4). Расчеты показали, что 0,35, Вг = 4,96, В3 = 0,059, В4 = 0,63 (уравнение 19).

0,5

0,4 0,3

0,2

• 0,8 а ^ ° X у/ А\ 2

0,6 У* о / А ° л/

■ 0,4 / А / / л д А

0,2 У* л А

- 13 - II - 9

-5 -П.«*

Рис. 4. Зависимость активности хрома и железа в шлаке от окислен-ности шлака

1 - активность хрома;

2 - активность железа;

Л, А - замеры на установке УВР-1;

о, в - замеры на установке "ковш-печь" БМЗ

Для определения констант ^ , С2, С3 , С^ (уравнения (21-22)) изучали зависимость изменения температуры в процессе ВНР от расхода кислорода, а также в процессе ВО от длительности обработки.

Для определения констант строили зависимость коэффициен-

та (рассчитанного по уравнению (23)) от начальной концентрации хрома и температуры металла. Используя расчетные значения провели сравнение расчетных и фактических величин конечной температуры металла после ВКР и ВО. Расчеты показали, что точность определения температуры составляет + 10°.

В результате опробования математической модели ВНО были получены значения эмпирических коэффициентов и констант для ковшей вместимостью 0,5 т, 20 т, 100 т. Как видно из рис. 5 существует корреляция между значениями коэффициентов и констант с одной стороны и удельной мощностью перемешивания и вместимостью ковша - с другой. £ связи с тем, что зависимость эмпирических коэффициентов и констант от вместимости ковша близка к прямолинейной, появляется возможность экстраполировать полученные результаты на ковши разной вместимости. Лля этого по рис. 5 рассчитывали эмпирические коэффициенты и константы для ковшей вместимостью 17 т, 25 т, 40 т, 50 т, 55 т, 80 т. После этого рассчитывали параметры обработки и сравнивали их с фактическими. Расчеты показали, что точность определения концентрации углерода составила + 0,03*, расхода кислорода - + 1,1 м3/т, температуры - + 25°. 1Ьчыость расчетов при адаптации модели на новом агрегате может быть повышена путем уточнения константы ¡Г по результатам 3-5 плавок с последующим уточнением всех эмпирических коэффициентов.

ВЫВОДЫ

I. Проведено комплексное исследование процесса вакуум-кислородного обезуглероживания высокохромистых сталей на базе которого оптимизированы расположение продувочных устройств (кислородной фурыы у пористых пробок для продувки аргоном) и технология обработки стали, а также заложены основы АСУ этого процесса.

£Вт/г7 о > 4 ) 2 „

Рис. 5. Зависимость эмпирических коэффициентов и константа от вместимости ковша и удельной мощности перемешивания (штриховой показаны области изменения узельной модности перемешивания)

2. Для изучения гддродинамической сатуашп в ковше во время продувки создана физическая модель ковшей установок для внепечно-го рафинирования стали вместимостью 0,5 и 70 т. Разработана система безразмерных критериев подобия. Для повышения степени адекватности процессов перемешивания, протекающих на физической модели л на оригинале предложен критерий - безразмерная мощность перемешивания, учитывающий изменение плотности металла в процессе продувки.

3. Исследования на физической модели показали, что:

- 22 -

3.1. В случае верхней продувки. длительность перемешивания уменьшается с увеличением интенсивности продувки.до тех пор пока последняя достигнет некоторого "критического" значения. Дальнейшее увеличение интенсивности продувки оказывает незначительное влияние на длительность перемешивания и, таким образом, нецелесообразно в промышленных условиях.

3.2. Уменьшение расстояния между фурмой и поверхность!) расплава с 0,5 м до 0 и дальнейшее погружение на глубину 0,3 м способствует уменьшению длительности перемешивания на 30-50?, смешение фурмы от центра ковша на величину 1/3 и 2/3 радиуса ковш приводит к увеличению длительности перемешивания на 10-25? и 20-60?, соответственно, а также к понижешпо "критической" интенсивности продувки.

3.3. Исследование донной продувки показало наличие двух экстремумов (двух "критических" интенсивностей продувки) на кривой зависимости длительности перемешивания от интенсивности продувки. В промышленных условиях целесообразно проводить донную продувку с интенсивностью близкой к первой "критической" или большей, чем вторая "критическая". Наиболее эффективным вариантом продувки является использование трех пробок. Оптимальным расположением пробок (вне зависимости от их количества) является середина радиуса ковша. Продувка через три пробки эффективнее продувки через две или одну пробку (при оптимальном варианте расположения) соответственно на 10-30? и 70-110?.

3.4. В случае комоинироланвой продувки "критическая" интенсивность продувки сверху увеличивается, снизу - уменьшается по сравнению с продувкой только сверху или только снизу. Оптимальным расположением пробки является середина радиуса г.овша.

Подученные рекомендации были использованы при проектировании установок "ковш-печь" с вместимостью ковшей 10-30 т, созданных в

НПО ЦШШТМАШ.

4. Разработана математическая модель процесса вакуум-кислородного обезуглероживания стали, которая может сдукить основой АСУ этого процесса. ?,'дтематическая модель процесса 31Ю состоит из моделей процессов вакуум-кислородного рафинирования, вакуу:.-лого обезуглероживания раскисления ¡клана, изменения температуры и позволяет рассчитывать для ковшей различной вместимости расход кислорода, необходимый для получения заданной концентрации углерода о точностью + 0,3-0,8 м3/ч, концентрацию углерода с точностью

+ 0,С2*, длительность вакуумного обезуглероживания с точностью + 2 мин, тешературу металла с точностью + 10°. Разработан алгоритм модели BKD.

5. Для повышения точности расчета по математической модели количества раскислителей, необходимых для наиболее полного восстановления хрома из плака, разработана методика экспресс-анализа концентрации зелеза и хрома в плаке, позволяющая определять их с точностью + 1% и + 3%, соответственно. Методика внедрена на Белорусском металлургическом заводе.

6. Разработана усовершенствованная технология ЗКР, включающая в себя разделение продувки на два этапа. На первом этапе (в области высоких (> 0,С£$) концентраций углерода) интенсивность продувки кислородом больше, а аргоном меньше, чем на втором. ¡Использование данной технологии позволит уменьшить угар хрома и длительность обработки на I % и 15 соотзетстзеннэ.

7. Внедрение результатов работы принесет экономический эффект 137,5 руб/т выплавленной стали.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: I. Левков Л.Я., Сидоренко Д.М., Новиков В.Л., "одковский С.А.

Определение серопоглатительной способности таков на осноге

- 24 -

контроля их окисленности. Изв. вузов, Черная металлургия, 1989, — JE IX. - с. 39-43.

2. Иодковский С.А., Новиков В.А., Куликов А.П., Сидоренко Д.М., Литвак В.А. Влияние начальных условий на протекание процесса обезуглероживания при выплавке коррозиоЕностойких сталей на установке "ковш-печь". Межреспубликанская научно-техническая конференция "Передовой опыт производства стали, ее внепечной обработки, разливки в слитки и получения кузнечнзх заготовок" Тез.докл. - Волгоград, 1989, - с. 32-33.

3. Сидоренко Д.М., Новиков В.А., Левков Л.Я., Куликов А.П., Иодковский С.А. Исследование процесса вакуум-кислородного рафинирования стали на основе контроля окисленности шлака. Всесоюзная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов "Молодежь z научно-технический прогресс в производстве и использовании металла". Тез докл. - Москва, 1989, с. 35-36.

4. Заявка Ä 4666389/23-02 (04I4CI6) МКИ 5С 22С 7/10. Способ выплавки корровионностойкой стали Левков Л.Я., Иодковский С.А., Новиков В.А., Куликов А.П., Сидоренко Д.М., Александрович В.Ы., Соболев D.M., Афанасьев С.Х). (СССР) - Положительное решение Государственной научно-технической экспертизы изобретений от 29.09.89.

5. Сидоренко Д.М., Левков Л.Я., Иодковский С.А. Повышение степени усвоения хрома на основе контроле окисленности шлака при ваху-ум-кислородном рафинировании стали. 1-я Всесоюзная научно-техническая конференция "Совершенствование металлургической технологии в машиностроении": Тез. докл. - Волгоград, I99C, -с.35-36.

ß. SidozenkoD.M., Iodkovsky S.fi MaihematicaP mode? of I'arut/m - Dxg^en ¿a í£u?¿¿¿2 /¿on of Steef. - 7/>e Iprtf/r Inferna ti on a / £оп/ег/>псе of Vact/t/m Tnciaffuzg//: Mstzaets. - ßeying, £h¿na, Í990. - p. 93.