автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка рациональных режимов удаления водорода из железоуглеродистых расплавов с целью ресурсосбережения

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

1 ^ !'><• к " ' УНИВЕРСИТЕТ

МАРМУР ХАСАН

УДК. 669.18.046.516.2

Разработка рациональных режимов удаления водорода ш железоуглеродистых расплавов с целью ресурсосбережения

Специальность 05.16.02 - «Металлургия черных металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мариуполь 1998

Диссертация является рукописью. Работа выполнена в Приазовском государственном техническом университете (ПГТУ) Министерства образования Украины г. Мариуполь

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

ХАРЛАШИН

Петр Степанович,

зав. кафедрой металлургии стали ПГТУ

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор СКРЕБЦОВ Александр Михайлович, профессор ПГТУ

Ведущее предприятие: Днепродзержинский государственный

технический университет Министерства образования Украины, г. Днепродзержинск

специализированного ученого совета К. 12.052.01 при Приазовском государственном техническом университете по адресу: 341 ООО, г.Мариуполь, переулок Республики, 7, корпус 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Приазовского государственного технического университета по адресу: 341 ООО, г. Мариуполь, ул. Апатова, 115.

кандидат технических наук

БУРОВ

Сергей Давыдович,

ОАО «Азов», г. Мариуполь,

начальник бюро производства стали ТОМП

Защита состоится: «

1998 года в УЗ г на заседании

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета доктор техн. наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В последние годы возросли требования потребителей различных отраслей промышленности к качеству углеродистых и специальных сталей, на что оказывают влияние растворенные в них газы, и, в особенности, водород. В обычных условиях производства, когда в атмосфере сталеплавильных агрегатов имеются водяные пары, получить стать, свободную ог водорода, не представляется возможным. Поэтому работают над проблемой выплавки и обработки металла с целью снижения в нем водорода. Выплавка стали в электрических вакуумных печах, хотя обеспечивает хорошую дегазацию металла, однако этими весьма дорогими способами получают в небольшом количестве лишь специальные стали и сплавы. Обработка стати аргоном, подаваемым в жидкий расплав через пористые огнеупорные вставки, находит некоторое применение в промышленности , но она требует значительных затрат и по удаления водорода из стали не является эффективной. Поэтому продолжаются поиски новых, более совершенных, эффективных и недорогих способов дегазации железоуглеродистых расплавов.

Актуальность темы. Проблема повышения качества металлопродукции имеет один из основных и важных аспектов: задачу интенсификации процесс;» дегазации жидкой стали. Дня повышения ее эффективности с целью ресурсосбережения первостепенное значение приобретает моделирование. Разработка современной и более совершенной модели процесса удаления водорода га железоуглеродистых расплавов продувкой инертным газом представляет актуальную задачу, так как позволит внести существенный вклад в решение проблемы ресурсосбережения, что является одним из приоритетных направлений. Наибольшей эффективностью обладает продувка через пористые швы кладки днища сгалеразливочного ковша: она базируется на большом количестве пор малого размера и обеспечивает высокую эффективность массопереноса удаляемого газа к межфазной поверхности металл-газ за счет большого числа всплывающих газовых пузырей небольшого размера.

Разработка всеобъемлющей гидро- и газодинамической, физико-химической и математической моделей процесса удаления водорода из железоуглеродистых расплавов , описание закономерностей отдельных его сторон во взаимосвязи и совокупности, является главной задачей на пути развития этого способа дегазации. Такой комплексный подход к решению этой проблемы позволит перейти к обоснованному выбору технологических решений тех практических задач, которые выдвигаются

промышленностью и решаются сейчас, в основном, эмпирическим путем, и осуществлять априорную оценку перспективности новых направлений со значительной экономией средств и времени.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась в рамках научно-технической разработки: 04 "Экологически чистая и ресурсосберегающая технология", утвержденная в 1993 г. Минвузом Украины; 91-87 "Разработка технологии внепечной обработки стали с целью повышения механических свойств и улучшения ее служебных характеристик", утвержденная в 1992 г. генеральным директором МК "Азовсталь".

Цепь и задачи исследования: Целью работы является разработка рациональных режимов процесса удаления водорода из железоуглеродистых расплавов с целью ресурсосбережения на основе гидро- и газодинамического, физико-химического и математического моделирования массообменных процессов в двухфазных газожидкостных системах.

Для достижения поставленной цели, задачей исследования является: разработка условий приближенного моделирования гидродинамики двухфазных систем с применением критериальных уравнений; исследование динамики изменения относительного уровня ванны, скорости подъема газовых пузырей и времени пребывания их в жидкости при различных режимах продувки ванны неассимилируемьш газом; разработка физико-химической модели массообменных процессов при дегазации железоуглеродистых расплавов; разработка современной математической модели процесса дегазации жидкой стали продувкой неассимилируемьш газом через пористые швы днища сталеразливочногс ковша; практическое приложение разработанных моделей к производственному процессу дегазации жидкой стали.

Научная новизна полученных результатов. Разработаны физическая, физико-химическая и математическая модели, позволившие установить условия подобия гидродинамики ванны, процессов удаления водорода из жидкой стали. Созданы модели массоперенося растворенного газа в пузыри инертного и удаления его из растворов е зависимости от интенсивности донной продувки неассимилируемьш газом, подаваемым через пористые швы днища модели и агрегата. Комплекс выявленных кинетических закономерностей \

технологических особенностей дегазации растворов позволил оптимизировать процесс, разработать рациональные режимы удаления водорода из железоуглеродистых расплавов с целью ресурсосбережения.

Практическое значение полученных результатов. На основе и с «¡пользованием гидро- и газодинамической, физико-химической и гатематической моделей разработаны и предложены к внедрению ациональные режимы продувки жидких железоуглеродистых расплавов, оставлен алгоритм, разработана и предложена предприятиям программа шя расчета на компьютере по интенсификации процесса дегазации стали. )жидаемый годовой экономический эффект от внедрения научных »азработок составит 580 тысяч гривень, (доля автора 45 тысяч гривень).

Личный вклад соискателя. Автором выполнен анализ штематических моделей , механизма, лимитирующих стадий и кинетики [роцессов дегазации металлических расплавов всплывающими пузырями шертного газа; рассмотрены характерные гидродинамические акономерности всплывания пузырей в двухфазных газожидкостных истемах, условий подобия при моделировании гидродинамики ванны и 1ассообменных процессов; разработаны математическая модель для ^следования гидродинамики ванны, физико-химическая модель гассообменных процессов дегазации жвдких расплавов, разработана и «готовлена лабораторная установка для проведения экспериментальных ^следований; составлена математическая модель процесса дегазации келезоуглеродистых расплавов продувкой неассимилируемым газом 1ерез пористые швы днища сталеразливочного ковша; методика •кспериментального исследования в лабораторных и заводских условиях; ¡оставлены алгоритмы и компьютерные программы численного жсперимента по определению ресурсосберегающих режимов подачи »ргона в железоуглеродистый расплав. Разработанные рациональные >ежимы подачи аргона опробованы в мартеновском цехе металлургического комбината "Азовсталь". Автором подтверждено шучшение качества рельсового металла при использовании >ациональных режимов продувки стали аргоном через пористые швы сладки днища сталеразливочного ковша.

Апробация результатов диссертации. Материалы работы сложены и обсуждены на региональных научно-технических конференциях, проводимых в Приазовском государственном ехническом университете в 1993, 1995 и 1998 годах (г. Мариуполь)

Публикация. Основное содержание диссертации опубликовано в [0 научных работах и материалах конференций.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из (ведения, четырех разделов, общих выводов, приложения, изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 11 таблиц. 3 списке использованных источников 155 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Раздел 1. Термодинамические, гидродинамические и технологические аспекты дегазации железоуглеродистых расплавов всплывающими пузырями неассимилируемого газа

В теоретическом обзоре приводятся выбор и обоснование направления исследований; термодинамика, механизм, лимитирующие стадии и кинетика процесса дегазации; характерные закономерное! у всплывания пузырей в двухфазных газожидкостных системах; акали математических моделей процесса удаления . водорода и: железоуглеродистых расплавов всплывающими пузырями инертного газа. В последнем подразделе главы сформулирована цель работы у задачи исследования.

Раздел 2. Некоторые закономерности гидро- и газодинамического моделирования процессов продувки ванны иеассимилируемым газом

Рассмотрена взаимодействующая механическая система газ (1) металл (2). Система находится в поле действия гравитационных сил Через слой металла продувается инертный газ. Для разработки услови: подобия при моделировании гидродинамики двухфазных систем з: основу приняты уравнения движения для каждой из фаз, записанные 1 прямоугольной системе координат:

(щ* )м~2 = - ~УРг + ^Д гГ2 + ГиУ 0 (2)

дт 4 ' рг Рг «

где ^ - вектор - оператор «Набла»:

„ д д д . съа

А - оператор Лапласа:

д 2 0 2 02

0Х 0у 02 _ ^

Дальнейший анализ уравнений (1) и (2) позволили установит граничные условия моделирования гидродинамики ванны. Характерным безразмерными параметрами являются критерии Архимеда (Аг), Эйлер (Ей), Рейнольдса (Ке), Фруда (Рг) и Вебера ^е).

Для определения относительного уровня барботируемой азожидкостной системы составлена совокупность безразмерных )изических параметров:

Я0 V \Уе ' Ей • \Уе ' и-г ' с!к ' ,1С )' де I - удельная интенсивность продувки,нм3/см2.с [ - средняя скорость всплывания пузырей, м /с

!:сД..> и с1с-диаметр продуваемой ванны, калиброванного отверстия и опел.

Моделирование гидродинамики ванны выполнялось на специально □готовленной лабораторной установке. В результате проведенных гсследований получены зависимости изменения относительного уровня шдкости от удельного расхода неассимилируемого газа (? ), значений омплексного критерия Аг/\¥е и Ке • Рг/(Еи • We) при различном уровне покойной жидкости и диаметре калиброванного с1к0= 9,6 и 12,0 мм при [родувке в режиме прямо- и противотока Полученные зависимости: кН/Н0 = (/ ); АгАУе; Ле» Гг/(Еи* We); и= Г (г ); тГф = Г (/ ), показывают ложный их характер, что обусловлено изменением режима движения и юрмы пузырей в газожидкостной системе. Продувка в противоточном 'Сжиме характеризуется большим увеличением относительного уровня ■арботируемой жидкости. Использование в качестве моделирующей жидкости 26 % раствора МаС1 в воде (р = 1,197 кг/м3 и а = 0,083 кгс/м) не юзволило установить влияние плотности жидкости на изменение ДН/Н0. $ремя пребывания и скорость всплывания газовых пузырей в жидкости -!ва взаимозависимых параметра гидродинамики барботируемой ванны. Характерные зависимости и = £ (/ ) показывают, что средняя скорость сплывания пузырей тем выше, чем больше уровень продуваемой ванны. 1ри малых расходах газа пузыри движутся линейной цепочкой пузырьковый режим). Однако, с ростом г от 0,01 до 0,04 нм

3/(м2с)

корость всплывания пузырей уменьшается до уровня стационарного и в альнейшем практически не зависит от удельной интенсивности |родувки. Различная плотность жидкости (рв = 1000 кг/м3, рр = 1197 :г/м3) влияет на скорость всплывания газовых пузырей лишь при малых дельных расходах газа (г = 0,01 -ь 0,05 нм3/(м2с). При / > 0,05 нм3

/(м^с)

лияние плотности жидкости на скорость всплывания невелико, а при / = ,08 0,11 нм3/(м^с) практически не наблюдается. Теоретический анализ ;инамики движения газового пузырька в момент отрыва его от сопла гоказал, что он претерпевает как ускорение, так и торможение. Если корость подъема купола пузыря (Х-у,,) выше скорости всплывания

пузыря (u„.), то отрывающийся газовый пузырек претерпевает торможение и скорость v„yn -> u,„ при un > vKy!, газовый пузырек претерпевает ускорение. Эти параметры зависят от i и стационарной скорости всплывания газового пузырька. Как ускорение, так и торможение пузырька протекает практически мгновенно, пульсационно.

Результаты холодного моделирования гидродинамики ванны были использованы при определении рационального режима продувки стали в ковше аргоном. Для этого была разработана схема, составлен алгоритм для расчета основных газо-гидродинамических параметров продувки металлического расплава аргоном через пористые швы днища сталеразливочного ковша. Исследования гидродинамики металлического расплава в ковше с учетом условия Re* Fr/(Eu* We) = ídem, ;/(u - i) = idem и AH/H0 = f (Re • Fr/(Eu *We)), i /(u - / ) позволили определить АН, H, АН/Н0 и установить рациональные режимы продувки. Начинать продувку металла аргоном необходимо при наполнении ковша на 0,2 его высоты при повышенных расходах аргона ( /д, =0,02-Ю,03 нм3/с ), однако, при приближении шлакометаллического расплава к верхнему уровню (HN, = 0,8 Нк) интенсивность подачи Аг необходимо уменьшить до 0,01 нм3/с, и продувку после слива металла из печи продлить на 2^3 мин с этой же интенсивностью, что позволит исключить переполнение сталеразливочного ковша шлакометаллическим расплавом и приведет к повышению эффективности обработки стали аргоном.

Раздел 3. Физико-химическое моделирование массообменных процессов удаления водорода из металлического расплава

Термодинамический анализ равновесия хлора в системе жидкость-газ позволил получить уравнение

Q™ 1С/]* [СП,

ídQ,„ = 10~2 f {-K:lPz/[Cl}2).d{Cl}+ 1(К2 ¡d[Cl] w

O [Cí ], [СП,

для теоретического определения удельного расхода неассимилируемого газа в зависимости от начальной и конечной концентрации хлора в водном растворе.

Физико-химическое моделирование массообменных процессов удаления водорода из металлических расплавов вопрос достаточно сложный. Поэтому публикации по нему отсутствуют. В данной работе впервые сделана попытка рассмотреть этот вопрос. Оценивающим параметром процесса принята глубина удаления хлора из водного

эаствора. С учетом влияния технологических факторов на глубину дегазации составлена совокупность физических параметров:

е = [дн-[дк/ган = ф(в, н0 /4, ако / 4). (7)

-де В - комплексный критерий массопереноса

В = щсп - Г*- т) / V, (8)

Массоперенос хлора из объема жидкости к пузырьку газа при трямоточном режиме изучали на модели с интенсивностью продувки, трактически применяющейся на практике и обеспечивающей максимальное время пребывания газа в жидкости. Отрывной диаметр тузыря от сопла определяли по методу В.М. Шевелева и Л.М. •Сислнциной.

Кривые изменения концентрации хлора в водном растворе при различной удельной интенсивности продувки (г = 0,025; 0,033; 0,044; ),078; 0,086 нм3/(м2.с)) и уровне спокойной ванны (Н0 = 0,2; 0,4 и 0,6 м) в ¡ависимости от времени (т), а также построенные зависимости в <оординатах 1/[С1] - -с; 1п I [С1]о/[С1] | -т (рис.1) показывают сложный сарактер зависимости^ и процесс дегазации описывается кинетическими /равнениями второго порядка. Анализ кинетики дегазации водного эаствора при продувке его воздухом в режиме стационарного процесса диффузии хлора в растворе и газе пузырька с применением дифференциального уравнения

[%с/]Д/г=- Дс^,:^ ([%с;/] - [%с/],_), (9)

показал (по фактической величине удаленного хлора из раствора ) снижение скорости дегазации по ходу продувки, что обусловлено уменьшением перепада концентраций [С1] - [С1]ж.г. Процесс дегазации >асгвора лимитируется массопереносом хлора в растворе. Установленная ;вязь Е == Г (В) при различном относительном уровне спокойной ванны Н,/с!к = 0,87; 1,74; 2,61) показывает, что глубина дегазации раствора )астет более интенсивно при малых значениях В (следовательно, и малых значениях удельной интенсивности продувки), при В>5 рост Е снижается.

Влияние Но/с1к на Е проявляется слабо. Однако, заметно троявляется режим продувки. При противоточном реясиме глубина дегазации выше, что связано со скоростью всплывания и временем требывания пузырей в жидкости.

Для установления эффективности дегазации проанализировали по жспериментальным данным зависимости соотношения удаленного хлора I расхода воздуха (У^/Уд) в зависимости от начальной концентрации его $ растворе ([С1],), уровня спокойной жидкости, удельной интенсивности

г) д)

Рисунок 1. Кинетические кривые удаления хлора из водного раствора в координатах 1/[С1] -1 (г), 1п[С1У[С1] -1 (д): Ц , = 0,2 (а); 0,4 (б); 0,6 (в) I = 0,0248 (1); 0,0327 (2); 0,0441 (3); 0,0778 (4) и 0,0857 (5) ни^с).

продувки, комплексного критерия массопереноса; количества удаленного хлора; скорости дегазации раствора в зависимости от [Cl]i, /, Н,„ расхода воздуха. Выявленные закономерности позволяют устанавливать оптимальные режимы продувки на модели и натуре. При моделировании массообменных процессов дегазации жидких растворов необходимо соблюдение условий Е = idem, В = idem.

Для производственных условий составлен алгоритм расчета значения комплексного критерия В с учетом поверхностно-активных элементов. Подработаны физические параметры для расчета соответствия модели фактическому процессу. Расчеты выполненные на компьютере, показали, что глубина дегазации железоуглеродистого расплава (рельсовая сталь) с увеличением расхода аргона (g) растет непропорционально. Так, при увеличении g с 0,01 до 0,05 нмЛ/т глубина дегазации увеличивается с 0,1 до 0,25, в то время, как при дальнейшем увеличении g с 0,05 до 0,185 нм3/т, Е растет лишь с 0,25 до 0,35. Эта характерная связь подтверждается закономерностью изменения соотношения Vj2/Var от критерия В.. Характер зависимости, установленный на объекте, аналогичен зависимости, установленной на модели. Сопоставив Е от В по данным холодного моделирования и на объекте, следует отметить хорошее их совпадение при В < 12. Величина относительного отклонения не превышает 10 %. Следовательно, соблюдая условие В = idem по уравнению

Ч ^ PMF*TMV„ I PHF*Vm , (10)

можно прогнозировать продолжительность продувки железоуглеродистого расплава аргоном, подаваемым через пористые швы днища сталеразливочного ковша. Режим продувки аргоном при В < 12 является наиболее рациональным. Удельный расход его необходимо поддерживать на уровне 0,04-3-0,07 нм3/т. Продолжительность продувки 6+8 мин. Совмещая ее с выпуском металла из сталеплавильного агрегата, следует начинать продувку при наполнении ковша металлом на 0,2 его высоты и продолжать продувку после наполнения ковша еще в течение 2-ьЗ мин, но уже при минимальной интенсивности продувки.

Раздел 4. Разработка математической модели процессов удаления водорода из железоуглеродистых расплавов при продувке иеасснмилируемым газом через пористые швы дпшца ковша

При разработке математической модели использованы теоретические и технологические аспекты массопереноса растворенного в металле водорода Глубина удаления водорода из металлического

расплава всплывающими пузырями инертного газа, описывается уравнением

Е = Уо , (И)

где У(Х) - объем жидкости в рафинировочной емкости в момент времени; С>' - поток массы основного газа на пузырьковую поверхность, отнесенную к единице объема расплава; 1 - текущее время продувки; т„ - момент начала продувки.

Пользуясь выражением для среднего значения функции на заданном интервале, получим

Ш QÍX> •>'> -- Ь = Q'cP (тУ(г)> (12)

V

где (3Ср - значение О', усредненное по всему объему жидкости в данный момент времени. Следовательно, приходим к выражению:

Е = | е (г)</г

(13)

Для усредненного по всему объему жидкости в данный момент времени получим:

Огр - пср ' Л/> > (14)

п(р =т/(шо.У(г)) (15)

т = т . гр , (16)

тр = Н(т)11ф). (17)

После некоторого преобразования получаем:

Е = 1 I <2Н | {{т • Н - I (иер ■ т0))с!г (18)

' о

Составлен укрупненный алгоритм расчета. Проверка достижения заданной глубины дегазации стали от водорода Е при т > тс,, осуществляется по неравенству:

|5,/а-£|<<У, (19)

где 9 - малый параметр; при невыполнении (19) - переход к следующему шагу по времени, а в случае его выполнения переходим к окончанию расчета и выводу на печать основных параметров процесса.

Разработана блок-схема расчета процесса дегазации расплава всплывающими пузырями газа и массопереноса водорода в него

инертного газа. Приводится последовательность расчета параметров та , П1, И, иер, гср, 1с,,, формирующих под интегральную функцию Ф. При этом использованы современные данные по закономерностям взаимодействия газовой и жцдкой фаз. Модель наиболее полно охватывает термодинамические параметры и технологические факторы процесса дегазации железоуглеродистых расплавов. Результаты выполненных расчетов показали, что количество газовых пузырей в объеме заполненного расплава возрастает с увеличением интенсивности продувки аргоном через пористые швы днища ковша (рис.2). Это приводит к более их тесному расположению по вертикали. Масса инертного газа в одном пузыре, которая в процессе его всплывания не изменяется, является также монотонно возрастающей функцией интенсивности продувки, это следует и из факта возрастания отрывного диаметра пузыря с увеличением значения рассматриваемого параметра.

Глубина удаления водорода из железоуглеродистого расплава возрастает с увеличением интенсивности продувки через пористые элементы (О). Это обусловлено повышением количества газовых пузырей в объеме расплава и , следовательно , увеличением суммарной площади, контакта газ-металл . Однако величина роста М (Ю при этом уменьшается и при некотором значении интенсивности продувки г остается практически на одном уровне , что качественно подтверждается данным холодного моделирования. Рассмотрены два рациональных относительно интенсивности режима продувки. Первый из них (постоянная во времени интенсивность продувки) характеризует наиболее экономное расходование инертного газа, получается пересечением графиков е(Г2) и т^^Х) (рис.2). Второй режим (интенсивность продувки возрастает прямо пропорционально уровню наполнения ковша металлом), приводит к несколько более высокохму значению Е ценою значительно большей (~ в 3 раза) интенсивности продувки и затрат аргона.

Кривая Е(0) практически достигает уровня насыщения. Для 1 и 2 режимов оптимальные интенсивности продувки равны, соответственно, значениям: £2)1 = 0,031 нм'7с, =0,065-^0,070 нм3/с. При интенсивности продувки удельный расход аргона с учетом использованных в

расчете длительности продувки и массы плавки находится на уровне 0,2 нм7т. Реальные значения будут выше, по причине наличия факторов, понижающих эффективность процесса дегазации.

Сравнение результатов расчета по математической модели с экспериментальными данными, полученными в ходе исследования реального процесса, показало удовлетворительное их согласие.

в тн2

Рис.2. Зависимость количества газовых пузырей в объеме заполненного расплавом ковша (а), массы аргона в одном пузыре (б), глубины удаления водорода из жидкой рельсовой стали (1) и безразмерной его массы т^ (2), вынесенной одним пузырем по завершении слива металла из печи в ковш, от интенсивности продувки через пористые швы днища при :

в - постоянной во времени интенсивности продувки; г - возрастающей прямопропорционалъно уровню наполнения ковша.

Погрешность, не превышающая 32%, обусловлена частичным слиянием пузырей, одновременно исходящих из соседних пор, и флотацией неметаллических включений стенками всплывающих пузырей.

Даже относительно небольшие интенсивности продувки, ограничения продолжительности слива металла из печи в ковш позволили увеличить выход рельсов первого сорта Р 75 и Р 65 в среднем на 5,14 и 2,63 %, соответственно.

ВЫВОДЫ

Анализ состояния вопроса позволил сформулировать задачи исследования, решение которых позволяет построить различные модели удаления водорода из железоуглеродистого расплава продувкой его неассимилируемым газом, подаваемым через пористые швы днища с галеразливочного ковша.

1. Разработаны физическая, физико-химическая модели, изготовлена лабораторная установка для исследования гидродинамики ванны и массообменных процессов дегазации при продувке жидкости неассимилируемым газом.

2. В результате физического моделирования г идродинамики ванны установлены основные закономерности взаимодействия газовых пузырей с жидкостью, рациональные режимы продувки, изменения относительного уровня барботирующей жидкости от расхода неассимилируемого газа и значения комплексного критерия 11е-Рг/(Еи -\¥е), а также времени пребывания пузырей в системе жидкость - газ.

3. С помощью физико-химического моделирования установили характерные закономерности удаления хлора из водного раствора. Анализ изменения концентрации хлора в воде по ходу продувки неассимилируемым газом показал, что процесс дегазации описывается уравнениями второго порядка. С увеличением расхода газа эффективность удаления хлора из водного раствора уменьшается. Максимальные значения его имеют место при минимальном расходе газа. Скорость удаления хлора зависит от начальной концентрации его в растворе и уровня ванны. Соотношение количества удаленного хлора из раствора к расходу неассимилируемого газа увеличивается с ростом начальной концентрации хлора и уровня ванны. Физико-химическое моделирование позволило установить степень дегазации в зависимости от значения комплексного критерия В, характеризующего массообменные процессы при обработке жидкости неассимилируемым газом.

4. Величина приближения парциального давления хлора в пузырьках воздуха к равновесию, вычисленному в соответствии с законом Сивертса, составляет 0,06*0,6. С уменьшением времени пребывания пузырей в жидкости и увеличением интенсивности продувки она снижается. Это указывает на то ,что процесс удаления хлора из водного раствора лимитируется массопереносом его в растворе.

5. Результаты холодного моделирования гидродинамики ванны и массообменных процессов позволили выявить оптимальные режимы продувки, прогнозировать уровень продуваемой ванны, продолжительность продувки и другие очень важные технологические параметры обработки жидкой стали аргоном, подаваемым через пористые швы днюца сталеразливочного ковша.

6. Разработана математическая модель процесса удаления водорода из железоуглеродистого расплава всплывающими пузырями инертного газа, составлена методика проведения заводских исследований, алгоритм и программа расчета на компьютере. В нее включены данные современной науки по взаимодействию газожидкостных систем.

7. С применением математической модели установлена глубина удаления водорода из жидкой стали по завершении слива ее из мартеновской печи в ковш. Она возрастает с увеличенем интенсивности продувки аргоном через пористые швы днища ковша Однако, величина роста ее уменьшается^ при некотором значении интенсивности продувки степень дегазации остается практически на одном уровне.

8. За время пребывания пузыря в металлическом расплаве давление в нем водорода, определяемого в соответствии с законом Сивертса, приближается к равновесию, величина приближения составляет 0,90 +0,98 и уменьшается с увеличением расхода аргона.

9. Исследования с применением разработанной математической модели позволили установить рациональные режимы удаления водорода из железоуглеродистых расплавов.

10. Результаты математического моделирования процесса удаления водорода из железоуглеродистого расплава находятся в удовлетворительном согласии с данными заводских исследований.

11. Разработанная математическая модель позволяет '■> прогнозировать процессы дегазации, определять их рациональные

режимы. Созданная модель расширяет круг процессов дегазации, которые могут быть изучены с применением математического моделирования.

12. Новая технология обработки стали аргоном, позволяет уменьшить расходы, связанные с подготовкой ковша при замене футеровки, и существенно снизить расход аргона на продувку жидкого металла.

13. Продувка железоуглеродистого расплава аргоном по новой технологии совместно с обработкой стали шлаковыми смесями способствует снижению концентрации водорода на 13 -5- 45 % и объемной доли неметаллических включений в металле на 12 43 % , что позволяет увеличить выход рельсов первого сорта типа Р 75 и Р 65 в среднем на 5,14 и 2,63 %, соответственно. Годовой экономический эффект 45 тыс. гривень.

Список опубликованных соискателем работ на тему диссертации

1. Захаров Н.И., Мармур X., Полозкж О.Е Разработка рациональных режимов внепечной обработки металлов.// Приднепровский научный вестник. Днепропетровск, 1997. - № 21 (32). -С. 39-42.

2. Харлашин П.С., Захаров Н.И., Мармур Хасан.Математическое моделирование процессов дегазации жидкой стали продувкой инертным газом через пористые элементы // Приднепровский научный вестник. Днепропетровск, 1998. - № 12 (79), С. 43-48.

3. Харлашин П.С., Мармур X. Физико-химическое моделирование процесса удаления водорода из железоуглеродистого расплава продувкой инертным газом.// Првднепровский научный вестник,- Днепропетровск, 1998. - № 66, С 59-66.

4. Исследование процессов внепечной обработки металла на выпуске плавильной печи / Н.И.Захаров, X. Мармур, О.Е.Полозюк,

B.А.Даннлов// Деп. в ГНТБ Украины 14.05.96, № 1186 - ПГТУ: Мариуполь, 1996. - 3 с.

5. Захаров Н.И., АремМ., Мармур X. К вопросу ресурсосбережения при внепечной обработке металла // Материалы 2-й регион, науч.-техн. конф. Мариуполь: ПГТУ, 1993. - Т.1: Металлургия. -

C. 34.

6

Згурьев И.И..1 Мармур X. Моделирование процессов продувки металла в ковше аргоном с целью дегазации.// Материалы 2-й регион, науч. -техн. конф. Мариуполь: ПГТУ, 1993. - Т.1: Металлургия. - С. 43.

7. Харлашин П.С., Захаров Н.И., Мармур X. Дегазация металлических расплавов от водорода при различных режимах продувки

инертным газом.// Материалы 4-й регион, науч. - техн. конф. Мариуполь: ПГТУ, 1997. - Т.1: Металлургия. - С. 2.

8. Харлашин П.С., Мармур X. Холодное моделирование процессов массопереноса при дегазации металлических расплавов от водорода // Материалы 4-й регион, науч. - техн. Конф. Мариуполь: ПГТУ, 1997. - т. 1: Металлургия. - С. 3.

9. Харлашин П.С., Мармур X. Моделирование газодинамических процессов при продувке ванны неассимилируемым газом.// Материалы 4-й регион, науч. -техн. конф,- Мариуполь: ПГТУ, 1997. - Т.1: Металлургия -С.4.

10. Харлашин Г1.С., Мармур X. К вопросу гидродинамики ванны при внепечной обработке металла // Материалы 5-ё регион, науч-тех. конф. Мариуполь: ПГТУ,1998. Т. I:Металлургия - С.1.

АНОТАЦ1Я

Мармур Хасан. Розробка рацюнальних режимов видалення водшо з затзовуглецевих розплав1в з метою ресурсозбереження.

Дисертащя на здобутгя наукового ступеня кандидата техгпчних наук по спещальноеп 05.16.02 - "Металурпя чорних метал ¡в'\ Приазовський державний техшчний ушверситет, м. Мар1уполь, 1998.

Дисертащя мостить результата теоретичних { експерименталыгих досл!джень по моделюванню гщродютнки ванни, ф!зико-х1м1чному моделюванню мacooбмiнниx процесгв дегазацн рщких розчишв. Розроблена математична модель процесу дегазацн зал!зовуглецевих розплавт вщ водню продуваниям неасишльованим газом кр1зь порист! шви днища сталерозливного ковша. В не! включеш сучаси пауков! розробки по взаемода газор!диних систем. Результата холодного моделювання дозволили оптимизувати режими продувания по пдродинамщ ванни, масообм!нним процесам дегазацн загшовуглецевих розплав1в вод водню, розробити ресурсозберцгаючу технологйо обробки стал! аргоном. Нова технолопя обробки зашзовуглецсвих розплав1в аргоном сприяе зниженню концентраци водню в середньому на 29%,

ооЧлппй частц| неметалевих включень в метам на 28%, що дозволяе збшьшити вихщ першого сорту рейок на 3.8%.

КЛЮЧОВ1 СЛОВА: моделювання, пдродинамнш, система, розчин, хлор, водень, газов1 бульбашки.

АННОТАЦИЯ

Млрмур Хасал. Разработка рациональных режимов удаления водорода из железоуглеродистых расплавов с целью ресурсосбережения.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - "Металлургия черных металлов". Приазовский государственный технический университет, г. Мариуполь, 1998.

Диссертация содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований по моделированию гидродинамики ванны, физико-химическому моделированию массообменных процессов дегазации жидких растворов. Разработана математическая модель процесса дегазации железоуглеродистых расплавов от водорода продувкой неассимилируемъш газом через пористые швы днища сталеразливочного ковша. В нее включены современные научные разработки по взаимодействию газожидкостных систем. Результаты холодного моделирования позволили оптимизировать режимы продувки по гидродинамике ваяны, массообменным процессам дегазации железоуглеродистых расплавов от водорода, разработать

ресурсосберегающую технологию обработки стали аргоном. Новая технология обработки железоуглеродистых расплавов аргоном способствует снижению концентрации водорода в среднем на 29 %, объемной доли неметаллических включений в металле на 28 %, что позволяет увеличить выход первого сорта рельсов на 3,8 %.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: моделирование, гидродинамика, раствор, хлор, водород, газовые пузыри, металл, сталь.

THE SUMMARY

Marmour Hasan. Development of the efficient methods of removing hydrogen from carbon iron melts with the purpose of resource saving

A dissertation is submitted in partial fulfillment of the requirement for a Candidate of Science in Technical Engineering ( Specialty 05.16.02 -« Metallurgy of Ferro-metals »). Priazovsky State Technical University, Mariupol, 1998.

The dissertation contains results theoretical and experimental researches on simulation of hydrodynamics of a bath in a ladle, on physical / chemical simulation of mass-transfer processes of removing hydrogen from liquid solutions. The mathematical method of the process of removing hydrogen from carbon iron melts (degassing) by means of (pressurization) blowing unassimilated gas through porous seams of the bottom of a ladle is developed. The modem scientific developments on interaction gas-liquid systems are included in the dissertation. The results of cold simulation have allowed to optimize conditions of a pressurization as related to hydrodynamics of a bath ,and to mass-transfer processes of degassing hydrogen from carbon iion melts . A new resource saving technology has also been Developed.

A new process of degassing melts by argon promotes allows to reduce „ hydrogen concentration to the average of a 29 %,and to reduce the volume share of non-metal inclusions in metal to the of 28 %, which contributes to that allows to increasing the output of the first grade rails by 3,8 %.

Keywords: simulation, hydrodynamic, system, solution, hydrogen, gas-bubles.