автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка теоретических и технологических основ комплексной доводки стали в ковше с пульсационным перемешиванием

Министерство образования Украины Днепродзержинския государственный технический университет

М 5 ОД 2 2 АПР 1996

На правах рукописи

РУБИН ЛЕОНИД ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕтаЧЕСКйХ И ТЕХШЛОГЙЧЕСКИХ ООЮВ КОМПЛЕКСНОЙ ДОВОДКИ СТАВ! В КОШЕ

с пульшшш* перемеешшем

Специальность 05. 16. 02. - Металлургия черных

металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепродзержинск - 1996 г.

Диссертация на правах рукописи Работа выполнена в Днепродзержинском государственном техническом университете

Научный руководитель: канд.техн. наук, доцент ШИШ

Юрий Иванович

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, профессор ЯКОВЛЕВ

Юрий Николаевич

канд.техн.наук, старший

научный сотрудник СТ0Р0ЖЕНК0

Анатолий Сергеевич

Ведущая организация - Криворожский металлургический комбинат,

"Криворожсталь". г. Кривой Рог

Зшита состоится "_. " 1996 г.

на заседании специализированного ученого совета Д 37.01.01 Днепродзержинскего технического университета по адресу: 322618 г. Днепродзержинск, ул. Днепростроевская, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Днепродзер-жинского государственного технического университета

<Г пЬ

Автореферат разослан: "_" _ ^ 1996 г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета докт. теин, наук, профессор

.ЧЕРНОВ Н.Н.

- 3 -

ОШАЯ ХАРАОТШОША РАБОТЫ

Актуальность работа.

Важная роль в повышении качества металлопродукции, ре-сурсо- и энергосбережении в сталеплавильном производстве в настоящее время отводится внепечной обработке стали, обеспечивавшей достижение заданного состава металла, удаление из него вредный примесей и подготовку к разливке. Однако широко применяемые при производстве стали массового назначения для достижения этик целей способы, основанные на перемешивании металла нейтральными газами, характеризуются относительно низкой степенью использования рафинирующим материалов, особенно с высокой упругостью пара, большими затратами на их подготовку в виде проволоки или порошков, вторичным окислением и эмульгированием металла в шлак, низкой интенсивностью перемешивания металла в донной части ковша.

Указанные недостатки практически полностью устраняются при пульсационной обработке металла в сталеразливочном ковше, включающей периодическое вытеснение металла в ковш из погружного Футерованного патрубка за счет изменения давления нейтрального газа над металлом в патрубке при одновременном вводе в него различных материалов. Вместе с тем широкое внедрение этого способа в настоящее время в сталеплавильном производстве сдерживается отсутствием по ряду вопросов информации, характеризующей теоретические и технологические основы пульсационной обработки металла в сталеразливочном ковше.

Цель работа.

Исследование процесса пульсационной обработки металла в сталеразливочном ковше. Разработка теоретических и технологических ее основ, определение параметров пульсационной установки и технологии.

Научная новизна: - изучен механизм гидродинамических процессов, протекающих в патрубке и ковше при пульсационной обработке в нем металла. Установлено, что перемещение металла в патрубке сопровождается возникновением волн и всплесков, интенсивно пе-ремешиваших металл и задаваемые в него материалы в пределах патрубка. Впервые определены гидродинамические условия вытеснения материалов и газа из патрубка в ковш. Установлено, что при опускании металла в патрубке образуются кольце-

вые вихри, вовлекающие и перемещающие к днищу ковша вытесняемые из патрубка материалы и газ. Дана количественная оценка начальных параметров кольцевого вихря в зависимости от условий вытеснения металла из патрубка, а также разработана методика расчета динамики параметров вихря на различных участках его движения в объеме ковша;

- определен режим перемещения металла в патрубке, обусловливающий минимальное развитие процесса настылеобразова-ния. Установлено максимальное число обрабатываемых плавок, не вызывающих перегрев металлического каркаса патрубка, разработаны решения по его охлаждению:

- впервые разработана математическая модель витания кусковых материалов в пределах кольцевого вихря, на базе которой с помощью известных методик решена задача плавления этих материалов, на основании чего определены режимы их присадки в патрубок при дискретной и непрерывной подаче;

- разработаны технологические параметры пульсационной обработки в режимах перемешивания, дегазации и ввода в металл материалов с низкой и высокой упругостью пара, в том числе кускового силикокальция;

- создана математическая модель работы пульсационной установки с учетом нагрева газа и сил, затрачиваемых на вих-реобразование. На базе этой модели предложена методика оценки энергии и мощности пульсашонного перемешивания металла в ковше, определены параметры системы впуска и выпуска газа для всех предусмотренных технологических режимов пульсационной обработки, разработаны методики управления работой установки при ступенчатом и плавном изменении объема внутренней ее полости, обеспечивающие поддержание заданных параметров колебания металла в патрубке:

- разработаны основы технологии комплексной доводки металла в сталеразливочном ковше с использованием пульсашонного перемешивания.

Прзгтгическая ценность:

- предложены режимные параметры колебаний металла в патрубке, рациональные значения Фракции, порции и расхода задаваемых в него материалов, необходимые для выполнения заданных технологических операций пульсационной обработки, что позволило разработать дополнение к ТЛЗ 5.5-14-28&-88 на "Технологию пульсационной обработки металла в 250-т стале-

разливочном ковше". На способы, обеспечивающие ввод материалов с низкой и высокой упругостью пара в сталеразливочный ковш через патрубок пульсационной установки, получены а.с. СССР N 1447874 и положительное решение по заявке N 4437607/31-02;

- разработана конструкция патрубка с охлаждаемым полым каркасом, позволяющая значительно повысить температуру нагрева Футеровки патрубка без перегрева его металлического каркаса, защищенная а.о. М 1578207;

- составлена принципиальная схема системы подачи рабочего газа в пулъсационную установку. Подготовлено и выдано техническое задание С дополнение к ТЛЗ 5.5-14-288-83) на проектирование этой системы применительно к пульсационной установке, создаваемой для конвертерного цеха Днепровского металлургического комбината С ДМКЗ;

- подготовлено и вьщано дополнение к ТЛЗ 5.5-14-288-88 на "Алгоритм управления технологическими процессами установки пульсационной обработки метала в 250-т сталеразливочном ковше", которое будет использовано при проектировании и создании автоматизированной системы управления работой данной установки.

На згйзиту выносятся свадуплиэ пояозэния и результаты.

Механизм гидродинамических процессов, протекаших в патрубке и ковше при пульсационной обработке в нем металла, их количественное описание. Методика определения параметров присадки кусковых материалов в патрубок пульсационной установки. Параметры установки и технологии пульсационной обработки метала в режимах перемешивания, дегазации и ввода кусковых материалов в патрубок с низкой и высокой упругостью пара. Экспериментальные данные тепловой работы патрубка по динамике настылеобразования на его внутренней стенке и температурным полям в продольном ее сечении. Решение по конструкции патрубка с охлаждаемым полым каркасом. Математическая модель работы пульсационной установки и результаты численных расчетов по ней в заданных технологических режимах. Методики управления колебаниями металла в патрубке. Основы технологии пульсационной обработки стали в 250-т ковше применительно к условиям конвертерного цеха ДИК.

РЬадзизация работа в прошзгэнноста.

В соответствии с результатами исследований, отраженны-

ми в данной работе, Укргипромезом с привлечением других организаций. в том числе Тржинецкого металлургического комбината а.о. (Чехия), разработан технорабочий проект установки пульсационной обработки металла в 250-т сталеразливочных ковшах для действующего конвертерного цеха ДМК и Укргипромезом совместно с ПО "Азовмаш" технический проект аналогичной установки для строящегося конвертерного цеха металлургического комбината "Запорожсталь".

Апробация работа.

Основные результата и положения работы докладывались и обсуждались на пяти всесоюзных, одной республиканской и двух международных научно-технических конференциях.

Личный вклад автора.

Разработана методика Физического моделирования пульсационной обработки металла в сталеразливочном ковше, методика расчета параметров гидродинамических процессов в патрубке и ковше, математические модели движения кусков материалов в объеме кольцевого вихря и работы пульсационной установки. Получены параметры работы установки в режимах перемешивания, дегазации, ввода в металл материалов с низкой и высокой упругостью пара. Предложен алгоритм управления работой установки в этих режимах.

Публикации.

Согласно теме диссертации в соавторстве написано 17 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемой литературы из 180 наименований. Работа содержит 150 страниц машинописного текста, 8 таблиц. 73 рисунка и приложений на 8 страницах.

Содержание работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ освещены особенности и проблемы современных способов внепечной обработки стали. Приведен анализ основных из них в отношении перемешивания металла и ввода в него различных раскисляющих и легирувдих материалов. Показано, что наиболее благоприятно операции по доводке металла в ковше могут быть реализованы при пульсационной обработке, осуществляемой периодическим вытеснением металла и вводимых в него материалов из патрубка в ковш путем изменения давле-

ния нейтрального газа над металлом в патрубке. Учитывая положительный опыт эксплуатации процесса Ж, а также опробований такого способа без использования вакуума на ДМК и Донецком металлургическом заводе, руководство ДМК приняло решение применить пульсационный способ обработки метапла в 250-т сталеразливочных ковшах конвертерного цеха. Используя результаты лабораторных и опытно-промышленных исследований, а также зарубежный опыт эксплуатации пульсационных установок ДГТУ совместно с ЦНИИЧМ разработали технологическое задание СТЛЗ-5,5-14-288-86) на технологию комплексной доводки плавки в 250-т сталеразливочном ковше с использованием установки для пульсационного перемешивания металла (УП0М-250), которое было утверждено МЧМ СССР. Эта установка (рис. 1) дол-

Рис. 1. Схема установки пуль-сационной обработки металла сталеразливочном ковше

I-патрубок; 2-бункер-доза-тор: 3-питатель; 4, 5-вер-хний и нижний конический затвор; 6-приемная воронка; ?-течка: 8, 9- впускная и выпускная магистраль; 10,

II-впускной и выпускной клапаны; 12-пневмокашрный насос; 13, 14-клапаны системы подачи аргона в патрубок; 15-аргонопровод; 16-сопла для ввода аргона в металл; 17-расходные бункера; 18-питатели; 19-весы: 20-дозатор; 21-передаточный конвеер; 22, 23, 24, 25 -кольцевой вихрь на этапах соответственно Формирования, движения, соприкосновения с дниием и стенами ковша; 26-ресивер.

жна работать в рзжимах перемешивания металла» его дегазации аргоном, подаваемым в нижнюю часть патрубка, ввода в металл кусковых материалов с низкой и высокой упругостью пара и порошкообразных в потоке аргона.

Однако имеющиеся на время создания ТЛЗ сведения о гидродинамических и теплофизических процессах в системе патрубок-ковш не позволили разработать технологию пульсационной обработки металла в объеме, необходимом для практической ее реализации. Это потребовало проведения дополнительных исследований, задачами которых являются:

- изучение гидродинамических процессов в патрубке и ковше;

- исследование тепловой работы патрубка и режимов присадки в него материалов:

- разработка параметров пульсационной обработки в предусмотренных технологических режимах;

- определение технических характеристик установки.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвяшена гидродинамическим исследованиям пульсационной обработки металла на физических моделях.

Основные параметры пульсационной обработки металла приведены на рис.2.

Рис. 2. Основные параметры пульсационной обработки металла в ковше.

, - время соответственно опускания и подъема .металла в патрубке. Остальные обозначения в тексте.

Исследования осуществляли на моделях, выполненных из прозрачного материала в масштабах 1:10. 1:6,7 и 1: 5 при соблюдении постоянства чисел Эйлера, Фруда и Струхаля. Металл имитировали водой, растворами хлористого цинка и йодистого калия, рабочий газ - воздухом, продувочный газ -воздухом, водородом и гелием. Кусковые материалы моделировали пенополистиролом. Процессы, протекашме в патрубке и ковше Фиксировали на Фото- и киноленту.

Установлено, что увеличение высоты волны в патрубке происходит на участках ускоренного движения жидкости, а снижение - замедленного. С заглублением средней линии колебаний жидкости 1с в патрубке и уменьшением их амплитуды Агк скорость опускания жидкости V, при которой появляется всплеск, снижается. Погружение всплеска в жидкость приводит к интенсивному ее перемешиванию в пределах патрубка и при определенных условиях - к аэрации.

Найдены уравнения, опиеывашие: - скорость опускания жидкости в патрубке, обусловливающую появление всплеска.

25

от = ';

С1)

- высоту всплеска г

Ьвс - 0.2{щг - 0,5 4 с! с2)

- скорость опускания жидкости в патрубке, при которой начинается ее аэрации в нем,

[V -6.2.7с! ~0.2. 7 , <3)

где (1 - внутренний диаметр патрубка, м: б - ускорение 2

силы тяжести, м/с : Ь - глубина погружения патрубка, м.

Вытеснение жидкости из патрубка сопровождается образованием кольцевого вихря Сем. рис. 1), движущегося к днищу ковша, при соприкосновении с которым вихрь растекается по нему, достигает стен ковша и вдоль них перемещается вверх. Затем он попадает в циркуляционную зону потоков, расположенную ниже среза патрубка, и сливается с ней, усиливая ее движение. Перемещение вихря к днищу ковша протекает с незначительным увеличением наружного диаметра вихря и падением скорости поступательного и вращательного движения. Получена количественная оценка ядра и параметров вихря в процессе его движения в ковше. Благодаря пониженному давлению в вихре, на

стадии Формирования в него вовлекаются вытесняемые из патрубка газы и материалы плотностью ниже плотности жидкости и вместе с вихрем движутся к днищу ковша. При этом они располагаются в центре вихря в виде кольца. В зоне циркуляционных потоков, расположенных ниже среза патрубка, т. е., в месте разрушения вихря, материалы в основном выходят из вихря . В этой зоне материалы витают достаточно продолжительное время, после чего покидает ее и поднимаются к поверхности жидкости в ковше.

Установлено, что скорость потоков в зоне циркуляционного движения, расположенной ниже патрубка, составляет 15-25 % от скорости вытеснения жидкости из патрубка. У периферийной зоне этой части ковша скорость потоков равна 5-10 %, а в зоне выше среза патрубка - 2-7 X от указанной. Найдено уравнение, позволяющее рассчитать среднемассовую скорость движения жидкости в патрубке \гс в зависимости от высоты возникающих в нем всплесков

где гвс-положение жидкости в патрубке в момент погружения всплеска, м.

Минимальное значение скорости опускания жидкости в патрубке и, при которой пузыри аэрируемого и подаваемого в патрубок нейтрального газа для дегазации металла вытесняются из патрубка в ковш с образованием газовых колец, проникающих к днищу ковша, составляет и* =0,183 (-/ ёс1 ). С увеличением скорости опускания жидкости предельный расход подаваемого в патрубок газа ц , обусловливающий проникновение газовых колец к днищу ковша без их разрушения, возрастает. Максимальный объем газа, покидающего патрубок в виде неразрушающихся колец, составляет приблизительно половину объема газа, поступающего в патрубок. Количественная взаимосвязь между а и и определяется уравнением:

где Тг, Тм - температура газа, соответственно до попадания в металл и в металле, К.^е - плотность жидкого металла и барботажного газа, кг/м3.

Задаваемые в патрубок кусковые материалы перемешиваются

- и -

в нем с металлом лишь при скорости его опускания, вызывающей появление всплесков.

Найдены уравнения, позволяшие рассчитать:

- скорость опускания металла в патрубке, при которой кусковые материалы вытесняются из него в ковш

итЩ^М/Йг*//,) {¿с//?} - (№м/А«1<

с 6)

- количество циклов пульсации, необходимых для полного вытеснения порции материалов из патрубка

Г . М / /%>/ „ С 7)

у (¿М Щ+2

- скорость опускания, обусловливающую вытеснение жидких материалов из патрубка ^

- число периодов пульсации, необходимых для полного вытеснения жидких материалов из патрубка в ковш

Пш = 9МШвтР/П7п)5(ах/-0^гхр/-/ (9)

где - плотность материала соответственно твер-

дого и жидкого, кг/м : шр , - масса соответственно порции материала и металла, вытесняемого из патрубка за один период пульсации, кг.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена математическому моделированию теплсФизических процессов, протекающих в патрубке и 250-т сталеразливочном ковше, к которым относятся настылеобразова-ние на внутренней стенке патрубка, распределение температуры в ней и плавление материалов. Для описания этих процессов использовали двумерное уравнение конвективно го теплопе-реноса

= -щу{г\1с)+ с юз

где ТС г,2,1) - абсолютная температура. К: ССг, 2,Т) -удельная теплоемкость, Дж/ (кг Ю;(г,г) - плотность, кг/м: скорость движения металла, м/с: Р- доля затвердевшего металла, кг: - теплота Фазового перехода в интервале температур солидус-ликвидус Дж/кг.

- 12 -

На основании численных исследований установлено, что:

- нарастание металлического настыля на внутренней поверхности патрубка в нижней части продолжается до 0,3-0,7 мин, а в верхней - 2,3-3,0 мин, затем происходит его плавление и приблизительно к 4,5-5,2 мин от начала обработки настыль полностью расплавляется;

- с уменьшением периода Тк, амплитуды кгк и заглубления средней линии колебаний металла 2с в патрубке толщина металлического настыля на внутренней поверхности патрубка снижается. При колебаниях металла в патрубке в диапазоне ниже исходного уровня с периодом не более 2 с и начальной температуре Футеровки патрубка 500°С наибольшая толщина указанного настыля не превышает 0,01 м;

- верхний предел температуры каркаса патрубка 800°С, обусловливающий снижение прочностных его свойств, при исходной -500"С достигается после обработки трех плавок с продолжительностью 15 мин и 45 мин выдержки на воздухе после каждой плавки. В условиях охлаждения патрубка азотом или воздухом, подаваемых через впускной клапан в период выдержки патрубка, количество плавок, при котором каркас патрубка не нагревается свыше 800°С, равно шести, т.е. вдвое больше, чем без продувки патрубка этими газами:

- для снижения температуры каркаса патрубка предлагается выполнить его полым с подачей в в эту полость технологического азота, идущего на пульсацию, или воздуха.

Относительную скорость движения кусков материалов Ум в патрубке, кольцевом вихре и в ковше после выхода их из вихря определяли из следующего уравнения движения куска материала в жидкости:

№ У-*"} а /и г</ л-ы Л*У» V« сиз

где Км - коэффициент присоединенной массы жидкости; гг-расстояние куска материала от центра вращения вихря, м; п - радиус вектор: С^ -коэффициент сопротивления движению куска; г* - радиус куска, м.

Адекватность расчетных данных о траектории движения кусков материала в жидкости, установленная по данным физического моделирования, достигается при Км и С^, равных соответственно 0.5 и 0,43.

- 13 -

При моделировании плавления материалов в патрубке учитывали изменение температуры металла Тм в зависимости от теплоподвода к материалам, перемешивания всплесками и подвода свежих порций металла в зону его взаимодействия с материалами со среднемассовой скоростью, определяемой выражением С 4).

Установили, что фракция материалов, при которой они успевают расплавиться за время витания в патрубке и ковие до попадания в шлак, составляет 20-45 мм, причем с увеличением порции этих материалов их Фракция снижается. Оптимальная величина Фракции материалов составляет 20-30 мм;

Обработка результатов исследований позволила найти уравнения для расчета:

- предельной порции т и расхода материалов а , задаваемых в патрубок, при которых не происходит заметалливание его внутренней полости

¿ъ/Щяр, с 133

- минимального числа периодов пульсаций пп ■ необходимых для расплавления порций силикокапьпия в патрубке.

г г.„ Мех^О-Мтр/Арк+тЫ'5 С14Э

"' ' (аз *-штр/лг.)иг

где Ям - теплопроводность материала, Вт/(м К).

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ разработаны параметры пульсашюнной обработки металла в заданных технологических режимах, приведена математическая модель и результаты численных исследований работы пульсационной установки с учетом потерь энергии металла на вихреобразование и нагрева газа, на основании чего получены параметры установки, необходимые для реализации запланированных режимов обработки.

Наибольшая интенсивность пульсашюнного перемешивания в соответствии с данными физического моделирования обеспечивается при максимальных значениях длины участка ускоренного движения металла в патрубке 1\> и скорости опускания в нем металла м>, которые достигаются в условиях колебания металла в патрубке с максимальным диапазоном Л 2.

- 14 -

Предельные значения этих параметров с увеличением глубины погружения патрубка Ь и диапазона колебания в нем металла а 1 возрастают. Однако, как показали результаты моделирования тепловой работы патрубка, диапазон колебания металла с целью минимального развития процесса настылеобразования на внутренней стенке патрубка необходимо поддерживать в пределах глубины его погружения в металл. С учетом этого верхний уровень металла в патрубке 7м следует располагать на 0-0,2 м ниже исходного. Нижнее положение металла 1п. при котором исключается прорыв газа из патрубка в ковш, обеспечивается, когда металл в патрубке не опускается ниже 80-90 % от глубины погружения патрубка, составляющей для 250-т ковша 1-2.1 м.

Период пульсации Тк в данных режимах обработки целесообразно поддерживать в пределах 1,5-3,5 с, время впуска газа 1г=(0,125-0,25) Тк, паузы Ьр =(0,125-0,25) Тк, выпуска 1и=С 0,375-0,75) Тк и выдержки и- = (0-0,125) Тк.

Минимальную скорость опускания металла в патрубке для всех режимов обработки с целью улучшения тепловой работы патрубка следует принять равной или выше значения, обусловливающего появление в патрубке всплесков, определяемых выражением (1), которые интенсивно перемешивают материалы и металл в объеме патрубка. Верхний предел скорости опускания металла в патрубке не должен превышать величину, обусловливающую возникновение всплесков, высотой, определяемой выражением (2) превышают длину патрубка. В результате для создаваемой установки скорость опускания металла в патрубке внутренним диаметром 0,6 м равна 0,75-3,1 м/с.

Исходя из данных работы процесса Ж в разрабатываемом скорость роста давления газа в установке л Р/1г и произведение ее на шаг изменения давления газа д Р Л.г, при которых должно обеспечиваться углеродное раскисление металла в кольцевых вихрях за счет создаваемого в них разрежения, приняты

4 2

не менее 250 кПа/с и 1,9*10 кПа /с.

Расход нейтрального газа, подаваемого в патрубок в режиме дегазации, следует выбирать в зависимости от скорости опускания металла в патрубке максимальным, обусловливающим проникновение газа к днищу ковша в Форме неразрушающихся газовых колец. Значение этого расхода газа в соответствии с

а

выражением (5) составляет 50-110 м /час.

- 15 -

Материалы с низкой упругостью пара, к которым относятся Ферромарганец, Ферросилиций, силикомарганец, алюминий и др., при атмосферном давлении и температуре шдкого металла 1600*С не вскипают, поэтому они могут задаваться в патрубок при различных глубинах его погружения в металл в диапазоне Ь=1-2,1 м и скоростях опускания металла в патрубке, обусловливающих вытеснение этих материалов из патрубка в ковш. Нижний предел данной скорости определяется для различных параметров колебания металла в патрубке из выражения (1). Верхний предел скорости опускания металла в патрубке ограничивается теми же условиями, что и в режимах перемешивания и дегазации металла, т. е., высотой всплесков, которая с целью исключения заметалливания конструкций установки, расположенных над патрубком, не должна превышать высоту его свободного пространства.

При указанных скоростях опускания металла в патрубке кусковые материалы фракцией 20-30 мм могут задаваться в патрубок как в дискретном, так и непрерывном режимах. Предельное значение массы порции материалов т/> и их расход ам с целью предотвращения заметалливания патрубка не должны превышать их значений, определяемых выражениями (125 и С13). В условиях дискретного ввода число пропускаемых циклов пульсации пд не должно быть ниже, рассчитываемого из выражения (7).

Ввод в патрубок материалов мелкой фракции 1-6 мм необходимо осуществлять при скоростях опускания в нем металла, вызывающих его аэрацию. Нижний предел такой скорости определяется выражением СЗ), а верхний, как указывалось выше, высотой всплесков в патрубке, исключающих заметалливание внутренних конструкций установки, размещенных над патрубком. Данное техническое решение по вводу порошкообразный материалов защищено авторским свидетельством СССР N 1447874.

Материалы с высокой упругостью пара, к которым относятся большинство щелочноземельных металлов С кальций, барий, стронций, магний) и их сплавы, при температуре обрабатываемого в ковше металла и атмосферном давлении после расплавления вскипают, вследствие чего значительная их часть теряется. Наиболее широко из указанных материалов используется си-ликокальций, поэтому основные параметры установки, разрабатывавши для ДНК, были подобраны именно для условий ввода этого материала.

- 16 -

Чтобы исключить вскипание расплавленного силикокальция, минимальное давление рабочего газа в установке должно превышать упругость пара чистого кальция в 1,01-1,03 раза, что обеспечивается при уровне металла в патрубке ниже исходного не менее 1,3 м. Верхний предел давления определяется исходя из условий изменения уровня металла в диапазоне, при котором обеспечивается перемешивание металла с силикокальцием и вытеснение его из патрубка в объем ковша. Это возможно при нижнем уровне металла 2п-А,7-1.9 м, соответствующем погружению патрубка на максимальную глубину (Ь=£, 1 мЗ.

Если необходимо вводить силикокальиий в объем металла в ковше в твердом виде, то подачу данного материала в патрубок целесообразно производить в непрерывном режиме, предусматривающем перемешивание кусков этого материала в патрубке и вытеснение их на каждом цикле пульсации в ковш. Это обеспечивается при скорости опускания металла в патрубке, определяемой по выражению С 6).

Для обработки металла жидким силикокальцием его надо задавать в патрубок отдельными порциями через определенное число периодов пульсации, необходимых для плавления данного материала в патрубке п„ и вытеснения их из него в ковш , рассчитываемых из уравнений соответственно С143 и (93. На данный способ обработки металла силикокальцием была подана заявка на изобретение N 4437607/31-02, по которой получено положительное решение ВНШГПЭ.

С использованием полученных методик определены предельные значения расхода и массы отдельных порций материалов для непрерывного и дискретного режимов работы УПОМ при предусмотренных глубинах погружения патрубка Ь и изменения уровня металла в нем. Например, при использовании Ферросилиция ФС-45 масса его предельной порции для Ь=1-2,1 м составляет 30-100 кг, а расход 7,2-11,8 кг/с.

Исследование работы пульсационной установки в заданных технологических режимах осуществлялось на основании численных расчетов по разработанной математической модели. При этом для описания колебаний металла в системе патрубок-ковш использовали уравнение Лагранжа, дополнив его потерями энергии жидкости на вихреобразование Рв. обусловленным силой лобового сопротивления. Давление газа в установке определили

из уравнения состояния газа с учетом его нагрева конвекцией. В результате математическая модель работы пульсационной установки приняла следующий вид :

^^^¡^иф,^ Н)

Н jf\ "gt '4t J rjt/

ii _ R /т. ЙГ far) nM) fie)

С17)

fb =

Ив >0 при sign ¿2*2/Л* <0 и sign ¡?2/<Pi <0 /is =0 при sign ¿?*2/¿¿г >0 и si en #2 /t?£ >o

tfi С /77r i '

dfr/t-O ПРИ dmr/tft <=0

АТгя=-ci8)

где S, Sk - площадь поверхности металла в патрубке и ковше.

~ коэффициенты трения и сопротивления металла на входе в патрубок и выходе из него: Те - температура газа в

5

ресивере. К: V - объем внутренней полости установки, м ; Кв-

коэффиииент присоединенной массы жидкости, вытесняемый из

патрубка: об-- коэффициент теплоотдачи газа, Вт/ См .Ю; С, Сц

- теплоемкость газа в установке и ресивере, Дж/Скг.К); Fiw.

F®n - площадь поверхности футеровки внутренних стен патруб-

2

ка смачиваемой и не смачиваемой металлом, м : А Тг<- изменение температуры газа в установке за счет поступления из ресивера в нее свежей порции газа массой и из ресивера, К.

Адекватность математаческой модели проверялась на основании сопоставления расчетных данных с экспериментальными, полученными на холодной и горячей Физических моделях с использованием жидкого чугуна. Установлено, что она достигается при коэффициенте Кв=5.

- 18 -

На основании данной модели получено выражение для определения доли энергии газа, затрачиваемой на вихреобразование

и Формула, позволяющая оценить удельную мощность пульсацион-ного перемешивания металла

где Pci, Pez - среднеинтегральное значение давления газа в установке, определенное при коэффициентах Кв, равных соответственно 5 и О: Zp/ и Zp2 - длины участков ускоренного движения металла в патрубке в рассматриваемых условиях: <С -продолжительность обработки, с; Мк - масса металла в ковше, т.

Для условий обработки металла с периодом пульсации Тк=2,3 с и глубине погруженя патрубка h=2,1 м удельная мощность пульсационного перемешивания составляет 12,1 Вт/т, что в 1,5-2 раза выше, чем при продувке металла в ковше нейтральным газом С а =30 м3/ч ) и порционном вакуумировании.

Математическим моделированием работы пульсационной установки определено, что заданные технологические режимы пульсаимонной обработки металла в 250-т сталеразливочном ковше обеспечиваются при давлении газа в ресивере 0,4-0,8 МПа, расходе газа на одну пульсацию 0,36-6,5 мэ , периоде пульсации 0,7-3,5 с, времени впуска газа 0,125-0,375, паузы 0,125-0,25, выпуска 0,25-0,75 и выдержки 0-0,6 от периода пульсации, диаметре условного прохода впускного клапана 20150, выпускного 40-150 мм и продолжительности их срабатывания до 0,15 с. Максимальная температура газа в установке при ее работе без подачи аргона в нижнюю часть патрубка не превышает 150°С. В случае его подачи температура газа в полости установки может подняться до 600°С.

На основании численных исследований по указанной модели разработан алгоритм управления установкой в заданных технологических режимах. Он предусматривает уменьшение влияния на ход пульсации резкого и плавного изменения объема внутренней полости установки, что имеет место в условиях дискретного и непрерывного режимов ввода материалов. Это осуществляется путем корректировки степени открытия регулирующих впускного и выпускного клапанов на основании текущей информации о положении металла в патрубке, рассчитываемого по

С 20)

С 21)

Фактическому изменению давления газа в установке с использованием разработанной математической модели.

Разработаны циклограммы работы установки в заданных технологических режимах и обобщены технические характеристики установки пульсационной обработки металла в 250-т стале-разливочном ковше.

В ПЯТОЛ ГЛАВЕ изложены рекомендации по промышленной реализации установки и технологии пульсационной обработки металла в сталеразливочном ковше.

На основании обобщения данных численных исследований работы пульсационной установки в заданных технологических ремлмах, а также результатов Физического моделирования этого процесса разработана принципиальная схема подачи рабочего газа в установку. Управление ее работой в соответствии с этой схемой предлагается осуществлять по разработанному алгоритму, включающему достижение заданного диапазона и скорости перемещения металла в патрубке за счет коррекции степени открытия регулирующих клапанов и периода пульсации при постоянных относительных значениях временных его характеристик.

По предложенной схеме подачи азота в пульсационную установку разработано два дополнения к ТЛЗ 5.5-14-288-88 соответственно на систему подачи азота и алгоритм управления технологическими режимами работы пульсационной установки, создаваемой для конвертерного цеха ДМК.

Для предотвращения перегрева металлического каркаса патрубка и намораживания на его внутренней стенке металлического настыля каркас патрубка целесообразно выполнить полым с возможностью подачи в него в качестве охладителя азота, идущего на пульсацию, или воздуха. Это позволит охлаждать каркас патрубка не только во время обработки, но и при разогреве Футеровки патрубка в печи. В результате начальную температуру разогрева патрубка можно значительно _ увеличить, что уменьшит развитие процесса настылеобразования и исключит перегрев металлического каркаса патрубка.

Поскольку производительность установки в режиме ввода в металл материалов достаточно высокая, то с целью экономии этих материалов установку целесообразно использовать не только для корректировки состава металла, но и предваритель-

- 20 -

ного его раскисления и науглероживания. В этой связи при разработке технологии пульсашонной обработки металла принято решение задавать в сталеразливочный ковш при сливе металла из конвертера лишь минимальное количество материалов, необходимое лишь для предупреждения вскипания металла в ковше. После слива металла из конвертера ковш на сталевозе подают под установку пульсашонной обработки, где производится комплексная доводка стали, включашая выполнение следующих операций: усреднение металла по составу и температуре, его дегазация, предварительное раскисление и науглероживание металла, измерение температуры металла и отбор его пробы на анализ, ввод в металл ТШС и материалов, рекомендуемых ГОСТ, в том числе и силикокалиция. а также окончательная корректировка состава металла после получения результатов анализа и измерения температуры.

Определены продолжительность указанных операций и всей доводки, которая не превышает при работе с дегазацией металла и без нее соответственно 15 и 20 мин.

По результатам исследований было разработано дополнение к ТЛЗ 5,5-14-288-86 на технологию комплексной доводки плавки в сталеразливочном ковш при пульсадаонном перемешивании металла. На основании этого и указанных выше дополнений к ТЛЗ выполнены технорабочая документация на весодозирувдую систему, механическую часть и клапанный блок установки и ее размещение в конвертерном цехе ДМК, а также технический проект аналогичной установки для условий строящегося конвертерного цеха на комбинате "Запорожсталь".

Ожидаемый гарантированный экономический эффект от внедрения технологии пульсационной обработке металла только за счет снижения угара раскислителей на 5-40 % при выплавке низколегированного и спокойного углеродистого металла в количестве 500000 т в год по ценам 1991 г. составляет 264000 руб.

в ы в о л ы

1. Гидродинамическими исследованиями пульсационной обработки металла на физических моделях установлены закономерности образования волн и всплесков в патрубке пульсационной установки, найдена количественная оценка среднемассовой скорости в нем металла, изучен процесс Формирования и определе-

ны параметры кольцевого вихря, возникающего ниже среза патрубка при вытеснении из него металла. Установлены скорости потоков металла в ковше в зависимости от скорости вытеснения металла из патрубка. Найдено уравнение, позволяющее рассчитать среднемассовую скорость движения жидкости в патрубке в зависимости от высоты возникающих в нем всплесков.

2. Определены условия ввода в патрубок нейтрального газа, обеспечивающие проникновение его в кольцевые вихри, перемещающие газ к днищу ковша в Форме неразрушающихся колец. Установлены гидродинамические условия ввода кусковых материалов в патрубок пульсационной установки. Получены выражения, позволяющие рассчитать нижний предел скорости опускания металла в патрубке и минимальное число пульсаций, при которых материалы замешиваются с металлом в патрубке и вытесняются в объем ковша.

3. Математическим моделированием теплофизических процессов, протекающих в патрубке, установлено, что минимальное развитие процесса настылеобразования на внутренних стенках патрубка обеспечивается при колебаниях металла в патрубке в диапазоне, не превышающем глубину его погружения. Определено количество плавок, обрабатываемых на пульсационной установке, при которых исключается нагрев каркаса патрубка до температуры, обусловливающей снижение его прочностных свойств. Предложены мероприятия, позволяющие увеличить количество обрабатываемых плавок.

4. Разработана конструкция полого каркаса патрубка, охлаждаемого технологическим азотом, подаваемым на пульсацию, или воздухом, позволяющая уменьшить настылеобразование внутри патрубка и производить комплексную доводку без ограничения числа обрабатываемых подряд плавок.

5. Численными исследованиями витания и плавления кусковых материалов, задаваемых в патрубок пульсационной установки, определено, что оптимальная их фракция должна составлять 20-30 мм. На основании результатов этих исследований разработаны режимы присадок материалов в патрубок, созданы методики расчета предельных порций и расхода вводимых в патрубок материалов в дискретном и непрерывном режимах в зависимости от теплофизических свойств материалов и скороста опускания металла в патрубке, при которых исключается заметалли-вание его внутренней полости.

- 22 -

6. На основании обобщения результатов гидродинамических и теплофизических исследований пульсационной обработки металла в сталеразливочном ковше разработаны граничные и рациональные значения параметров, характеризующих режимы перемешивания и дегазации металла, ввода в патрубок материалов с низкой и высокой упругостью пара.

7. Разработана математическая модель работы пульсационной установки с учетом температуры нагрева газа в ней и сил, идущих на вихреобразование. Достигнута адекватность математической модели реальному процессу изменения давления и уровня металла в патрубке пульсационной установки. Предложена методика определения доли энергии газа, затрачиваемой на вихреобразование, и дана оценка мощности пульсационногс перемешивания, которая в среднем составляет 12 Вт/т, что в 1,5-2 раза выше, чем при продувке металла в ковше нейтральным газом и порционном вакуумировании.

8. Численные исследования работы УП0М-250 в заданных технологических режимах позволили определить временные характеристики периода пульсации, диаметры условного прохода впускного и выпускного клапанов и параметры рабочего газа в установке, обеспечивающие реализацию этих режимов.

9. Разработан алгоритм управления установкой в предусмотренных технологических режимах с использованием предложенной математической модели, позволяющей определять уровень металла в патрубке по фактическою давлению газа в нем.

10. На основании обобщения результатов Физического и математического моделирования работы пульсационной установки разработана принципиальная схема подачи в нее рабочего газа и управления этим процессом по предложенному алгоритму и заданным значениями уровня металла в патрубке.

11. Получены циклограммы работы установки в заданных технологических режимах и технические характеристики установки пульсационной обработки металла в 250-т сталеразливочном ковше. На основании обобщения результатов исследований разработана технология пульсационной обработки металла в стапе-разливочных ковшах применительно к условиям конвертерного цеха ДМК.

12. Разработаны и выданы дополнения к ТЛЗ 5.5- 14-288-86 на технологию пульсационной обработки металла в 250-т сталераз-

- 23 -

ливочном ковша, систему подачи рабочего газа в пульсацион-ную установку и алгоритм ее управления.

13. В соответствии с результатами исследований, отраженными в данной работе, Укргипромезом с привлечением других организаций, в том числе Тржинещсого металлургического комбината а.о. С Чехия), разработан технорабочий проект установки пульсационной обработки металла в 250-т сталеразливочных ковшах для действутего конвертерного цеха ДМК и Укргипромезом совместно с ПО "Азовмаш" технический проект для строящегося конвертерного цеха металлургического комбината "Запо-рожсталь".

Публикации

1. Шиш О. И., Рубин Л. В.. Зражевский А. Д. Особенности гидродинамических процессов при пульсационной обработке металла в сталеразливочном ковше // Изв. АН СССР. Металлы.-1992,- N 1.- С. 13-19.

2. Рубин Л. В., Самохвалов С. Е., Шиш Ю. И. Математическая модель гидродинамики процессов при пульсационном перемешивании металла в ковше // Изв. вуз. Черная металлургия.- 1993.-N 1,- С. 12-15.

3. Гидродинамические условия ввода в сталеразливочный ковш реагентов при пульсационной обработке металла /Ю. И. Шии, Л. В. Рубин, А. Д. Зражевский, Р. В. Белянский // Изв. вуз. Черная металлургия.- 1990.- N 7.- С. 19-21.

4. Особенности гидродинамических процессов в установке для пульсационной обработки металла в сталеразливочном ковше / Ю. И. Шиш, Л. В. Рубин, Л. Г. Волков и др. // Изв. вуз. Черная металлургия.- 1988.- N 4.- С. 13-16.

5. Численное моделирование теплофизических процессов в патрубке пульсационной установки при перемешивании металла в сталеразливочном ковше / В. Г. Щербинский. Ю. И. Шиш, Л. В. Рубин, Ю.А. Володин // Наука - производству: сб.статей.- Днепродзержинск. Производственно - практическое издание ДИИ, 1991. - С. 34-39.

6. Шиш Ю. И., Рубин Л. В., Ролей В. А. Математическое моделирование пульсацмонного перемешивания металла в ковше // Юбилейный научно-технический сб. тр. ДГТУ. - Днепродзержинск. 1995. - С 25-32.

7. А.с. 1447874 СССР. МКИ С21 с7/10. Способ внепечной

- 24 -

обработки жидкого металла в ковше / Ю. И. Шиш. Л. В. Рубин. К. Г. Носов и др. С СССР}.- N 4117082/23-02: Заявлено 10.09.86; Опубл. 30.12.88. Бил. N 48. - С. 123.

8. А.с. 1578207 СССР. МКИ С21 с1/02. Устройство для рафинирования металла / Ю. И. Шиш. К. Г. Носов. Н. П. Подберезный, П. С. Нефедов. Ю.И. Гладилин, В. А. Махницкий, В. А. Тарасенко, Г.М. Белопольский, Д.В. Рубин и др. (СССР).- N 4196548/3102: Заявлено 17.02.87; Опубл. 15.07.90. Бш. N 26. - С. 103.

9. Положительное решение по заявке N 4437607/31-02. Способ внепечной обработки жидкого металла в ковше /Ю. И. Шиш. Л. В. Рубин, В.Т. Лобачев и др. (СССР): Заявлено 30.03.88: решение о выдачи 10.09.89. МКИ С21.

10. Ропай В.А., Рубин Л.В., Шиш Ю. И. Математическая модель работы пульсатора для перемешивания расплава в ковше / В кн.: Тез.докл. Всесоюзного совещания "Моделирование Физико-химических систем и технологических процессов в металлургии". - Новокузнецк. 1991. - С. 167. 168.

11. Исследование гидродинамических процессов, протекающих в устройстве для пульсационного рафинирования металла в сталеразливочном ковше / Ю. И. Шиш, Л. В. Рубин, Л. Г. Волков и др. // Теория и практика внепечной обработки стали: Тез. докл. Всесоюзной научн. - технич. конФ. Москва. 1985.- С. 182, 183.

12. Рубин Л. В., Шиш Ю. И., Щербинский В.Г. Исследование образования всплесков в патрубке устройства для пульсацион-ной обработки металла в сталеразливочном ковше // Тепло- и массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов: Тез. докл. IV Всесоюзной научн. -технич. конФ., Жданов, 9-11 сен. 1986 г.- Ротапринт ЖдМИ.- С. 47.

13. Шиш Ю. И., Рубин Л. В., Зражевский А. Д. Особенности азрогидродинамических процессов при пульсашонной обработке металла в сталеразливочном ковше // X Мег1пагос1п1 ЬиПска копГегепсе "Р1упи1е осИеуат осе11".- Тг1пес (СББЮ, гиеп, 1989.- С. 145-154.

14. Гидродинамика пульсашонной обработки металла в ковше / В. В. Белоусов, Ф. В. Недопекин, Ю. И. Шиш, Л. В. Рубин, А. Д.Гусев // Проблемы кристаллизации сплавов и компютерное моделирование: Тез. докл. Всесоюзной научн.-технич. / НИИ мат. моделир. при Урдмурдском государственном университете. -Ижевск, 1990 - С. 52-53.

- 25 -

15. Математическая модель тепловой работы патрубка установки пульсационного перемешивания металла в сталеразливочном ковше /И. А. Павлюченков, С.Е. Самохвалов, Ю. И. Шиш. Л. В. Рубин. Г.И. Черномаз // Тепло- и массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов: Тез. докл. V Всесоюзной на-учн. - технич. конф., Мариуполь, 3-7 сен. 1991. Ч.1.- Мариуполь 1991 г. - С. 92-94.

16. Шиш Ю. И., Рубин Л. В., Самохвалов С. Е. Численное исследование плавления материалов в ковше при пульсашонном перемешивании металла // Теория и практика решения экологических проблем в горнодобывающей и металлургической промышленности: Тез. докл. Всеукраинской научн.-технич. конФ., Днепропетровск, 1993. - С. 55.

17. Математическое моделирование плавления поридо материалов в патрубке пульсационной установки / Шиш Ю. И., Рубин Л.В.. Самохвалов С. Е., Павлюченков И.А. // Теория и практика /кислородно-конвертерных процессов: Тез. докл. VIII Международной науч.- техн. конФ. Днепропетровск, 1994. - С. 43, 44.

- 26 -АННОТАЦИЯ

Рубин Л. В. "Разработка теоретических и технологических основ комплексной доводки стали в ковше с пульсадаонным перемешиванием", Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02. "Металлургия черных металлов". Днепродзержинска государственный технический университет Минобразования Украины, Днепродзержинск, 1996 г.

Защищаются результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса пульсационной обработки стали в ковше. Установлены закономерности и дана количественная оценка протекающих при этом гидродинамических и теплофизи-ческих процессов. Разработаны параметры пульсационной установки и технологии, предложены система подачи рабочего газа в установку и алгоритм ее управления. Выданы дополнения к технологическому заданию на установки комплексной доводки стали в 250-т ковшах действующего и строящегося конвертерных цехов металлургических комбинатов соответственно Днепровского и "Запорожстали".

Rubin L. V. Development of the theoretical and tehnical basis of complex steel treatment in pulse mixture ladless. The dissertation for Candidatis Degree CEng. 3 speciality 05.16.02. "Ferrous Metallurgy". Dnieprodzerzhinsk State Technical University. Ministry of Education of Ukrain. Dneprodzerzhinsk, 1996.

Results of the theoretical and experimental research of of the hrocess the pulse treatment of steel in the ladle are defended. The regularity of the process is established and the quantative estimation of the hydro-dynamic and theormal physical processes is presented. Parametes of pulse units and its tehnology is developed, the system of the supply of the operation gas to the unit is suggested, algarithms for its control are given. The papers to the technological task for the device of complex steel treatment in the ladle with the capacity of 250-t are given. Hie papers are given to the convertor shops which either operate or are under construction at the Dneprovskiy metallurgical works and "Zaporozchstal" respectively.

ANNOTATION