автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Теоретические основы и разработка гидродинамических способов воздействия на процессы в сталеплавильных ванных и ковшах

') /,

УРАЛЬСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕШЯЕСКйЯ ИНСТИТУТ а?л.С.Ы.КИРОВА

На правах рукописи НОСКОВ Александр Секзновяч

У

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОЭД И РАЗРАБОТКА ГИДРОД}ШАМ}ГЖ1Ш СПОСОБОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЦЕССЫ В СГГАЛШАВИЛЪШХ ВАННАХ И КОВШАХ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург 1932

Работа выполнена в Уральской ордена Трудового Красного Эь мени политехническом институте км.С.Ы.Кирова

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор С.Г.Братчиков

доктор технических наук С.М.Кузнецов

доктор технических наук.профессор Д.Я.Поволоцкий

Ведущая организация - Челябинский научно-иссяедовательсю инстотут металлургии

Задета состоится К9АП1992 г. е/.Ф. .4.: . .мин на заседании специализированного совета Д 063.14.01 Уральского ордена Трудового Красного Знамени полип кического института. Адрес совета: 620002, Екатеринбург, УШ им.С.Ы.Кирова.

С диссертацией иогжо озкакоииться в библиотеке Уральскоп политехнического института.

' /У /"> 7-£

Автореферат разослан "г.".О../77. 1992 г.

Ученый секретарь специализированного

совета Д 063.14.01

доктор технических наук, профессор

К.С.Шуиаков

.3

_ ; ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. 3 современной черной металлургии внед-гся комбинированная продувка в конвертерах и разнообразные печные устоды обработки металла. Реализация основных технологи-ких преимуществ комбинированной продувки в конвертере возможна ь при рациональноЯ организации дутьевого режима и гвдродинашг-конвертерной вакны, надежной в эксплуатации конструкция докных ы. Основное влияние донного дутья на ход конвертерной плавки омбинированной продузхой осуществляется через изменение гидро-акики ванны, приводящее к усилеш® перемеаизания и циркуляции плава, развил® меж^азной поверхности. /Гсточникоа о тих измене-гадродииаьв'/ли ванны конвертера являются двухфазны» струи, об-угсиеся при внедрении газовых потоков з расплав. :Гэ этого слет необходимость разработки моделей и методов расчета вертккаль-: газсяидяосгной струи, тепловых условий работа донкых фурм л лиза на их основе обдих гидродинамических принципов организа-I подачи донного дутья. Эффективность внепечных процессов сбра-■ни металла во многом зависит от способов ввода и .свойств фер-¡плаза. Для создания и использования новых гсонплехсных ферро-[авоз необходимо после предварительного подбора элементов в гаве в соответствии с составом к заданными сзоЯстваяи готового :алла определить рациональное состнозение ыезду элементами на ■газе изучения физико-химических своЛстз и характера взаиыодей-зия ферросплавов с расплавом при различных способах их ввода. * этого требуется разработать метод определения гвдродинамичес-£ и тепломассообыенных характеристик процесса обработки стали оковыми ферросплавами з коэпе на основе гидродинажгоесхой моде-тепломассообменного взаимодействия, перемещавшегося в движущем-расплаве куска сплава. Работа выполнялась в соответствии с ограмыами ГКНГ, совместных работ Минвуза РСФСР и УрО АН СССР отраслевыми программами.

Цель работы. Разработка теоретических основ процессов, происходящих в двухфазной струе, образующейся при денной подаче газового потока в расплав, и при тепломассообменном взаимодействи! между движущимся жидким металлом и перемещающимся в нем куском ферросплава, создание на этой основе моделей для анализа, расчет! определения гкдрсдикаияческих способов воздействия на протекание процессов в конвертерной ванне и ковшах для обработки стали куск< выми сплавами, а также рациональных составов комплексных ферросплавов.

Научная новизна. Для проведения модельных исследований гид родинамических: и иассообменных характеристик двухфазных струй, -образующихся при подаче через донную <?урму газа в расплав, разра ботаны конструкция изокинетического зонда и методика для измерения площади межфазной поверхности, основанная на явлении флотации ПАВ. На основании обобщения и статистического анализа полученных экспериментальных данных впервые построена модель двухфазной струя, образующейся при подаче газового потока вертикально вверх через донное сопло в расплав, которая позволила предста вить струю в виде пяти участков, имевших различную структуру газожидкостного потока. Показано, что суммарный массообменный эффект, вырааенный.через объемный коэффициент массоотдачи С ОКЫ) л расход жидкости, увлеченной струями, комплексно характеризуют в . нодельных опытах эффективность гидродинамического воздействия дутья на ванну. Построены математическая модель и метод гидродинамического и теплового расчета одинарных и двойных (типа "труба в трубе") донных фурм, учитывающие основные источники поступления тепла (Фурменный очаг, жидкий металл, кладка днища). Найдень условия, определявшие область возможных изменений диаметра и количества донных фурм в конвертере с комбинированной продувкой.

Главной особенностью (новизной) построенной общей матетти-;ской модели плавления (растворения) движущихся а потоке жидкого зталла кусков ферросплавов является учет взаимного влияния гидроманических и тепломассообменчых процессов (гидродинамической и гпловой части модели). Тепловая часть модели основана на предло-знной классификации ферросплавов в зависимости от вида процесса к усвоения на три группы. Гидродинамическая часть модели построна применительно х коксевой обработке металла, но может быть мо-ифицирозана (примеры такой модификации приводятся в работе) в ависимости от агрегата (процесса). На основе данной модели раэ-аботан метод определения гидродинамических и телломассообменных арактеристик процесса растворения кусковых ферросплавов при об-аботке стали в ковше, позволивший провести анализ пригодности угя ковшевой обработки стали трех групп ферросплавов (ниобий-, занадий- и борсодержацих).

Практическая ценность. Разработанные модели и схема расчетов позволяют: проводить анализ гидродюамического воздействия цонного дутья на конвертеснуя Еакну; служить основой для.выбора и расчета системы донных конвертерных фурм; после предварительного подбора элементов в сплаве определять рациональный с точки зрения процесса плавления (растворения) состав ферросплава; подбирать необходимую систему организации цветения расплава и ввода ферросплавов в агрегат для обработки металла, определять размер кусков ферросплавов.

Совместно с рядом институтов были составлены, переданы проектным организациям и реализованы в заводских условиях технические предложения для проектирования дониих фурм конвертеров НГМК, ЧусШ, металлургического завода им.Дзерчшского. Результаты исследования процесса растворения ферросплавов в жидком металле

б

совместно с технологами использованы на комбинате "Азовсталь' при замене феррониобия лигатурой ФСНб20Тк5 для шкролегироваи конвертерной стали; на комбинате "Криворожсталь" при освоении нологии производства новой стали Св-09Г2СЦ кккролегированной г роекликоцирконкем; на ЧМК при разработке технологии легирован! стали титаном при ее разливке; на ^уставскоы заводе "Цектролн1 при разработке технологии модифицирования чугуна лигатурами; 1 заводе "Днелроспецсгаль" при освоении выплавки стали с ислоль; ваннем ферромарганца взамен металлического марганца.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доло) и обсуждены на Всесоюзных конференциях по тепло- и ыаесообиен процессам в ваннах сталеплавильных агрегатов (Ыариулоль, 1976 1982, 1986, 1991), Всесоюзных научно-технических конференциях теории и практике кислородно-конвертерных процессов (Днелроде ровск, 1977, 1987), Есесосзной конференция по строен:» и свой вам металлических и плановых расплавов (Свердловск, 1983, 199 Всесоозних секшарах по газовый струяы (Красноярск, 1981; Лен град, 1984; Новосибирск, 1987; Севастополь, 1991), Всесоюзной ференции по физико-хккическкм основам нових, процессов произво ва стали (Уоеква, 1986), Всесоизной конференции литейщиков (К нас, 1986), Всесоюзной конференции по производству стели в ко вертерах (Липецк, 1983), Всесоюзной совещании по ингенсификаи тепловых, массообменных и физико-химических процессов в метал лургических агрегатах (Свердловск, 1989) и др.

Публикации. Результата работы опубликована в монографии 3 брошюрах, 28 статьях и 8 авторских свидетельствах.

Объеы. Диссертация состоит из введения, шести глав, зав чения к приложения, изложена на 329 страницах, содержит 40 та лиц к бб рисунков. Библиографический список из 260 наименовав

На защиту выносятся:

1. Новые представления о структуре и канальная модель двух-13ШЙ струи, образующейся при подаче через докнуп (¡урму в расплав нового потока. Метода расчета локальных характеристик струи ¡корости £аз, газосодержания), размеров структурных участков груи и расхода жидкой фазы.

2. Модель и методы гидродинамического и теплового расчетов энных одинарной и двойных фури.

3. Закономерности гидродинамики воздействия донного дутья

1 конвертерную ванну. Схема определения области рациональных зна-эний диаметра и числа доншг йурм.

4. Состоящую из тепловой и • гидродинамической частей модель астворения движущихся в потоке кидкого металла кусков ферросява» ов. Классификация ферросплавов по отношению их температуры плав-ения и плотности к свойствам обрабатываемого металла. Описание кдродинамики процесса обработки стали в ковше кусковыми ферро-плавами. Результаты анализа теплсмассообиенных характеристик про-есса растворения кусков ферросплавов при ковшевой обработке стали.

5. Результаты анализа на основе тепломассообыешшх характе-/истик процесса растворения я пригодности дяя ковзезой обработай :тади ниобий-, ванадий- и борсодерясащих ферросплавов.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССВДОВАШ

В работе проведен анализ состояния исследований гидродинш®:-' гесгскх проблем конвертерного процесса с комбинированной-продувкой 5 способов обработки яидксго металла кусковыми ферроспл&ваин э ювяе. Реализация основных преимуществ комбинированной продувки а инвертере возможна лишь при рациональной организации дутьевого режкиа и гидродинамики конвертерная веинн, надежной в эксплуа^а-

ции конструкции докшх фурм. Для создания и использования новых комплексных ферросплавов необходимы целостные сведения о тепло-кассообменных процессах, происходящих между кусками ферросллаво и жидким металлом, которые определяются гидродинамикой расплава способом ввода и характером движения куска в коше.

Основное влияние донного дутья на ход конвертерного проце с комбинированной продувкой осуществляется через изменение гидр динамики ванны, приводящее к усилении перемешивания и циркуляци расплава, развитию неж(*азной поверхности. Источником этих измен ний гидродинамики ванны конвертера являются двухфазные струи, с раэующяеся при внедрении газового потока в расплав. Целью настс щей работы является на основе экспериментальных и теоретических исследований построить модели и метода расчета двухфазной струи тепловых условий рабоун донных, фурм, с помощью которых возможно проводить анализ и выбор рациональных режимов дутья и систем пс дачи газа с днища конвертера с комбинированной продувкой.

Для определения состава комплексных Ферросплавов необход1 решить три задачи: I. Предварительный подбор элементов в сплав« в соответствии с составом и заданными свойствами металла. 2. От ределение рационального соотношения элементов в сплаве на осное изучения влияния физико-химических свойств и характера его вза1 модействия с расплавом на полноту усвоения ферросплава. 3. Опре деление технологии- изготовления ферросплава. Целью данной работ было репение второй задачи: определение гидродинамических а те1 локассообменных'характеристик процесса обработки стали в ковше кусковыми ферросплавами, рационального соотношения, между соста] яяющями их элементами на основе гидродинамической модели тепло-массообменного взаимодействия, перемещающегося в движущемся расплаве куска.

2. ГВДРОДИНШКА ВЕРТИКАЛЬНОЙ ГАЗОНИДКОСГНОЯ СТРУИ В КОНВЕРТЕРНОЙ ВАННЕ'

Проведено модельное исследование гздродинамичесхих и массо-генннх характеристик двухфазной струи, образуюг;еПся при подаче ¡а через донну» фурыу в ванну конвертера с комбинированной про-жой. Для измерения в модель™* условиях плотности потоков юс-газа и жидкости разработана конструкция и применен специальный акинетический зонд, а также использован кетод лазерйо-доплеров-зй анемометрии. Для определения площади иэтфйзной поверхности зработана новая методика, основа;-мая на. флотации ПАВ, адсорби-ванных на поверхности поднимающихся газошздкостннх образований.

Для лэмере^и гюссообменигх1характеристик применен кетрд, ис-льзугядиЯ явления хемосорбции. кислорода еоэдз^ной струи водики .створом сульфида натрия.

Анализ экспериментальных распределений плотности потока лен жидкости £) в'поперечных сечениях струи показывает,что тцествувт три качественно различных типа профилей. Профиль типа I описывает течение с газовый ядром, в котором отсутствует жид-эсть, расположен вблизи среза сопла. Профили типа Л описывают эченке, в котором жидкость полностъп заполняет все сечение струи, о максицузх 2Г) смещен относительно ее оси. Максимум профиля ипа В расположен на оси струи. По &;ере удаления от среза сопла рофили типа I непрерывно деформируются в профили типа И, а те, свою очередь, - в профили типа Ш. Проведенный статистический . .вализ позволил описать профили всех трех типов полиномом третьей .•тепени, содерта^ы один параметр, вел этика которого уменьшается ю мере удаления от-среза сопла. Установлена независимость профилей ^ (£ ) в данном сечении струи от глубины ванны, что гхазывает на отсутствие влияния характера движения авдкосги а шшв на процесс ее увлечения в. двухфазную струа. Продувка раст-

• 10 •

воров, содержащих ПАЗ, показала, что образование газовой экульси; вне двухфазной струи не приводит к изменении ее структуры.

Построена канальная модель, двухфазной струи, образующейся при подаче газа в жидкость вертикально вверх через донное сопло. В этой модели предполагается, что газ движется через систему как лов, образованных жидкостью, а давление в струе изменяется по ги; ростатическому закону. В двухфазной струе выделены пять зон с ра; личной структурой жидкостной системы: зона 4 (газовое ядро) -структура не, взаимодействующих между собой капель (границы по значении газосодержанид - <¿>0,38), зона 3 - капельная структура с несущей газовой высокоскоростной фазой. (0,8о<о¿-С 0,98); зона 2-смешанная калельно-пузырьксвая структура с несущей газовой фазой (0,66 <о(- < 0,85), зона I - смешанная пузырьково-капелькая структура, в которой дисперсной фазой в основном является газ (0,43 <• ■С 0,66), зона 0 (зона барботаяа) - однородная барботажная стр;л тура ( сС < 0,43).

На основании установленного закономерного изменения структуры газ (жидкостной струи ее можно разбить на ряд участков (рис.1). Длина участка I определяется размером газового ядра. Дл; недораеаиренной струи внутри газового ядра, которое в это« случаг совпадает с головнкм пузырем, определявдим явление "обратных ударов", формируется система скачков уплотнения. Далее следует участок П, который,в свою очередь, распадается на три - Па, Пз, Пс. В центральной части участка Па располо-кека зона 3, участка Пв - зона 2, в пределах участка Лс заканчивается формирование однородно? пузырьковой структуры. На участке И структура струя имеет барбо-тажный характер с небольшой скоростью движения газа I м/с). Статистический, анализ экспериментальных данных позволил"аштрскс;:-мировать границы струи прямыми линиями (угол полураскрытия 5,7°)

Рис Л. Схема гаэояидкостной струи: I - лузирьково-капельная структура, 2 - капелыю-пузырьковая структура, 3 - капельная структура, 4 - газовое ядро, 0 - зона барботаха

и определить зависимость длин отмеченных участков:

г = ^/рг)0'^ ; д ¿^

от начального избыточного импульса струи

И

где А - значение Л при критическом режиме истече>

газа, - массовый расход газа, - плотности газг

жидкости,/т-а^^н - давление на глубине среза фурмы в струе и жидкости, 5 , С/С - диаметр Фурмы.

Таблица I

Значения постоянных в зависимости (I) для ¿п Срис.1)

Струя 4 Г ¿е ¿/г

А а А а А а А а

Дозвуковая 7,7 1,0 13,8 0,16 64,3 0,39 138,8 0,8;

- - 75,0* 0,28* -

Недо расы и ре?ш&я 7,7 1,0 13,8 1,08 64,3 о,ео 138,8 0,8:

к Результаты обработки литературных данных.

Применяя теорему импульсов, найдено общее выражение для расхода жидкости, увлекаемой двухфазной струей . Для второ! участка струи, испол>зуп результаты статистической обработки экспериментальных данных, получена критериальная формула для р< хода жидкости

беКЩ^А*) = 4.2 6 /р,)с- «Д^Ф (3

Сопоставление с экспериментальными данными других авторов, пол; ченкыми в том числе для продувки жидкого чугуна кислородом, по] зало хоротее согласие их с данной формулой.

На основании канальной модели струи проведен распет продоль-с к поперетакх профилей, скорости газа и жидкости и газосодержа-В «астности,усгаиов»ено, что продольный профлль скорости яид-:ти и^еет максимум на расстоянии приблизительно 12 калибров от эза сопла. С учетом того, что этот профиль имеет в данном сече- • и на оси провал, жидкость для струй со степенью керасчетноста нее 2 разгоняется до скорости не более 4-5 ц/с.

Построенная на основе экспериментальных исследований модель ртикатьной поднимаются вверх газожидкостной струи позволяет -оизводить расчет локальных характеристик струи (скорости фал, .зосодер^ния) к расход жидкссти,увлеченлой в газовый поток. Дан-1Я модель может служить основой для анализа эффективности воз-¡йствия донного дутья на конвертерную ванну.

~ 3. ПЩРСЙ^К^ЖСКИЕ, гатловш И ИАССООВЕНКЫЗ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОДАЧИ ДОЙНОГО ДУТЬЯ В КОНВЕРТЕР

В конвертере с комбинированной продувкой жидкий металл подергается воздействии системы двухфазных потоков, образующихся ри истечении газа кз груш дснкнх и верхних фурм. За хараетерке-иии этого воздействия приняты объемиыЛ коэффициент кассоотдггои ЗКМ) К «г и массовый расход жидкости-, узлеченноЯ састе;.юй ти величины определяют развитие циркуляционных потоков в ванне, ремя гомогенизация, развитие кеяйазной поверхности, йктенсиэ-ость теплокассообменшх процессов Ь ванне. В общем случае (КМ т одной струи, находящейся в окружения других струй, ггледстз!4о закмодействия метду ними отличен от 0Й1 для од;гночной струи.

На модели конвертера исследованы различные варианты распо-южения (симметричные, асй^Зтрйчные7 вдоль диаметра) фурм в даи-хе, количество которых изменялось от 3 до 13, а также группу из :рех одинаковых донных фурм (элементарная ячейка для любой подо<5-

ной системы). При среднем расстоянии между фурмами С> (0,4-0, ( ¿ - глубина ванны) массообыендай аффект гидродинамичес кого взаимодействия отсутствует и с точки зрения кассообменных характеристик каждую струю в такой системе можно рассматривать как изолированную. Установлено, что несмотря на изменение струк туры потоков б ваннах различной форма (цилиндрическая, шаровая, коническая) • величина СКМ для всех шх оказалась практически ода каковой. Преобладающее влияние на интенсивность массообмена ока зьгеают процессы, протекающие вблизи границы раздела фаз и внут{ струи,' а не движение жидко си-, в объеме ванны. Исследовано, в за» действие между группой верхних струй, образующихся при подаче газа через четырехсопловую фурму, и группой донных струй, обра; вдихся при истечении из семи Фурм, расположенных в днише. Наибе лее сильное взаимодействие меяду верхними и донными струями наблюдается при приблизительно равном распределении дутья между группами (донной и верхней) струй. При-этом взаимодействие мсг.£ привести к&гк усилении процесса маесообмена, так и к его ослаС лешш. Если доля дутья с дна .невелика (менее 10-205«), взаимодейс вие между донними и верхними струями незначительно.

При постоянном общем расходе донного дутья ( - cen-st за независимые переменные при исследовании влияния на величины СКМ и Cgs. способа подачи rasa из системы, состоящей из один; ковых донных фуры, может быть принята лпбая пара из пяти величр п , dc - число и внутренний диаметр фургл, ~ давление г за перед фурмами, - расход дутья через одну фурму, /£г

обдал плосадь поперечного сечения фурм. Используя анализ разно-мерностей, получены критериальные уравнения для этих зависимостей, которые затем можно представить в размерной форме, вид которой зависит от Еыбранных независимых переменных. В частности получены зависимости

г- 1- п Mf 1-°-! ~ // = А Г,** Л

d* ' 2 г с ' С4>

е по результатам наоей работы и литературным данным наиболее

роятны значения показателей степеней * Q/ 1/3, = 1,0,

« 0,5.

Построена математическая модель тепловых условий работы ¡итарной и двойной (типа "груба в трубе") донных ifypu для хон-¡ртеров с комбинированной продувкой. В модели учтены три ochob-ix источника, передаст« тепло к $урме: излучение (фурменного ;ага на внутреннею поверхность труба (центральной для двойной гркы), конвективный нагрев торца трубы (периферийной для дзой-зй фурмы), и нагрев путем тсплслрсэсдшосгл внешней поверхности зубы (периферийной для двойной йуркы), а такяе источники охлаж-5ния - потоки газов, подаваемых в ванну конвертера. Первые два гтсчника тепла (фурменный очаг и жидкий металл) оказывает свое озде;1стзие только на глубину около двух калибров от среза фурвд. ри этом изменение температуры газа и трубок фур-ы происходит в сновноы в предела:; этого короткого участка вблизи среза (?урмы. оэтому возможно решить уравнение теплопроводности для кладки тдельно (применен метод конечных интегральных преобразований) т уравнений, опксыващих теплообмен <£урмы с жидким металлом и урменнкм очагом. Численные вычисления с привлечением экспериыен-■альных д'ч н-п, полученных при измерении' температуры кладки дниша ¡абораторного и 22-т конвертеров вблизи донной $уркы, позволили гстановйТь^прскси;.;аци?ннуЬ формулу для нахождения теплового' потока от кладки к фурме.

Анализ результатов численного решения уравнений теплообмена для $урш позволил установить следующее. Температура торца грубки равна или близка к температуре плавления ее материала. Нагрев трубки и газа происходит в пределах около двух калибров

от ее среза. При этом температура газа при нормальгазх режимах продувки увеличивается незначительно. "Тепловая закупорка" фурм т.е. резкое возрастание сопротивления фурмы вследствие подогрев; газа, возу кна лишь для одинарных ¿турм малого диаметра (менее 3-4 км). При продувке ванны конвертера нейтральным газом влияни! лучистого теплообмена на нагрев трубки и газа незначительно. Интенсивность охлаждения фурмы определяется плотностью потока массы газа и слабо зависит ст диамотра, вирикы цели и толщины стенок трубок. Для надежного охлаждения <[урмы расход газа (для двойной фурмы расход газа, двигающегося по центральному каналу) i должен быть ниже некоторого минимального значения, за которое в первом приближении мс.тно принять критический расход. Б результате экспершенталькых исследований на лабораторном и 2£-т конвертерах установлено, что в начале первой плавки на всех донных Фурмах образуется пористые настыли, приводящие к резкому (на 100-300 кПа) увеличешт гидравлического сопротивления фурм. Хнм; •оеский состав настылей характеризуется поБьшенным содержанием ух лерода (около 3*) в hjekkx слоях к значительно более низким (оке ло 0,5*) - в верхних его слоях.

Т^ссреГ^гтс'ченыГ докного дутья в конвертере (при условии = const) может производиться тремя основными путями: а) прк jSV = Ссаst ; б) при dc -censt; в) в обцен случае при не зависимом изменении Л. и cJa . Из зависимостей типа (4) следует, что при любом указанно!,: вше способе ' рассредоточения' эф^ектив-

______„_______ ^ - - ................ ££ и OHM) возрастает при

уменьшении dc и увеличения <ъ . Этот вывод подтвержден резуль татами опытных плавок на 22-т конвертере, в котором ванадиевый чугун продавался кислородом через донные фурмы. При приблизитесь но одинаковых общих расходах кислорода, начальных и конечных температурных условиях показатели деванадации и усвоения алгоме-

ата последсзательно ухудшается при переходе от 9 s 4 фурмам, á атен ж 2 (содержание ванадия я полупродукте вдвое болыяе пря /2. « 2, чем при /г. . 9).

Однако рассредоточение дутья (т.е. изменение п. ъ c/v ) :сгно производить только d определенных пределах. На етя нзмене-яя накладываются установленные в работе ограничения. Снизу диа-етр фурмы огракячяваат соотновеняя: по усгозюэ пробоя ванны

с/с >coast//Lfá, (5)

о усювип максимального давления в цеховой магистрали

6Í > cc,isf¡LS^ л , (6)

по условно резкого увеличения сопротивления фурм калого дягиет-а за счет интенсивного нагрева газа. Сверху диаметр фуры ограни-ен по условию затекакяя гадкого металла в ФтРИ7

c/t с ccn.<>tfn , (7)

дв é * 0-0,5. Сверху количество фурм ограничено по условна вза-модействия «езду стругая, ухудзеяяя цярхуляцац расплава, износа тен я дняза конвертера.

Л ^«..ъ ~ ~ ¿£/)/¿c , (g)

депо нашим и латературти данным S0 • 0,4-0,6; Sf • 0,5-1; ¿j » 4-5. В совокупности »та условия (5)-(8) в плоскости Л , dt ) ввделявт сгранкченнуэ область возможных изменений тих величин (рис.2). & основания результатов язяаяенных вше сследований возможно проведение гидравлических я тепловых рас-етов донных фурм, выбор числа,диаметра я расположения их в низе конвертера.

так

Рис.2. Поле возможных значений и п. .:.;.. (заштриховано). Ограничения по условиям: Л -, (8), 2 - по условии минимума диаметра фурмы, 3 - (б), 4 - (7). 5 - (5)

4. ТШШАССООШН ПРОЦЕССА УСВОЕНИЯ ФЕРРОСПЛАВОВ

в аидаси металле

Тепзовая часть модели основала кд предложенной в работе классификации ферросплавов в зависимости от вада процесса ах усвоения на три группы: легхоплааня®, для которых ТП<ТК(ТП - температура. плавления ферросплавов, Тк - температура кристаллизации расплава) , тугоплавкие, для которых (Тв - температура расплава), к сэерхтугоплаэкае, для которых Т^Тд. Данная классификация является не абсолютной, а относительной к данному железоуглеродистому расплаву, находящемуся при определенной температура.

Процесс растворения этих групп ферросплавов происходит различным способом. Для всех ферросплавов вследствие того, что их начальная температура меиьае Тк, в первый момент после погружения куска в расплав на его поверхности образуется коряа твердой стали. Процесс растзореняя легкоплавкого ферросплава проходят путем плавления в три периода. В течение периода I ферросплав прогревается и при достижении температуры поверхности куска величины Тп начинает плавиться. Ферросплав при этом находятся з оболочке твердой стали. В период 2 ферросплав плавится под коркой твердой стали за счет тепла, поступагоего от жидкого металла. В зависимости от конкретных условий (величины теплового потока, теплофизических свойстз ферросплава, размеров куска) период заканчивается либо полным расплавлением ферросплава и образованием жидкого ядра в оболочке твердой стали, либо полным расплавлением твердой оболочки и погружением нерасплавившейся части куска ферросплава в жидкую сталь. Период 3 в зависимости от того, как заканчивается период 2, может иметь две разновидности. В период За плавится оболочка твердой стали, & жидкое ядро прогревается. Он завершается полным расплавлением оболочки и растворением жидкого ядра в рас-

плаве. В период Зв твердый кусок ферросплава плавится, непосредственно контактируя с жидкой ст&лмз.

Процесс растворения тугоплавкого ферросплава происходит в три периода. Первый период отпивается полным расплавлением ко; ни стали,. В течение периода 2 кусок ферросплава непосредственно контактирует с расплавом и прогревается до температуря Тп. Во bi мя периода 3 ферросплав плавится. Процесс усвоения легкоплавких и тугоплавких ферросплавов определяется теплообменом кусок- расплав. Процесс растворения сверхтугоплавкого ферросплава состоит из двух периодов. Первый период заканчивается полным расплавлен, ем корки стали. Во время периода 2 сверхтугоплавкий ферросплав растворяется без плавления. Процесс усвоения сверхтугоплавкого ферросплава в основном определяется массообменом кусок-расплав.

Тепловая часть математической модели растворения включает уравнения теплопроводности для кахдоЯ из фаз (корка, гадкая обо лочка, твердое ядро).количество которых зависит от периода про цесса и типа ферросплаве, и граничные условия, определяемые кон вективнш«- тепломассообменом. Для решения уравнения Фурье прямей интегральный метод, основанный ка выборе профиля температуры,по лученного в результате решения стационарного уравнения теплопрс водности и приводящий задачу к системе обыкновенных дифференциальных уравнений. Сопоставление результатов численного решения дифференциальных уравнений, составляющих тепловую часть постро« ной математической модели, с данными эксперимента,и чйсленныг расчетов различными методами показало возможность применения ю зистационариого интегрального метода решения уравнения Фурье да кусков размером менее 100-200 мм.

Расчеты процесса растворения для более чем 100 ферроспла] различных марок в стационарных условиях (кусок расположен в ра<

ве неподагаено или движется с постоянной скоростью) позволил вить следутэяае закономерное«. Изменение формы куска (пластя-оар) не приводят к качественны« язмекоииям сроцясса раетворв-Отношение болше-иеньзе по времени плавления для кусков фар-:плавов в форме пластины и вара неизменно (исключение Й1н78 в :0). Другие слогами, ферросплавы, иыеисие. н&ибольаее (наимень-!> 8 определенной группе сплавов время плавления кусков в фор-плкстига, имеет иаибольэее (наименьшее) время плавления в форме за. На »то отношение но влияв? я другие параметры (размер кус, температура расплава). Это позволяет рассматривать время мления, рассчитанное в ставдарнкг условиях, как ксыпяекснуа плофазическуз характеристику расплава. Предварительный подогрев рросплава сократит эрз«я плавления в оспяном за. счет укснь-ния продолжительности первого периода. Время-плавления для туго-авких в несколько раз больве вреаенк плавления легкоплавка рросплавов, а время растворешш сверхтугрплавкнх болкзз его га грядок. Температуря плавленая ферросплава' ?п определяет аршзд-акость его-я одной из трех групл. Величина Тп в райках трупп >гксплавкях к свсрхтугсплавкиг сплавов не оказывай одноэимяо- . ) определявшего влияния на время плавления. Для быстрого плазло-1я необходимо, чтобы легкоплаэкнй 'ферросплав кмзл Тп' 0,9Тг.

5. ПДООДШАША ПРОЦЕССА УСВОЕШЯ СЕгРОСПШСЗ - В К03ШЕ

Движение куска ферросплава при коэтевой обработке металла остои? из трег • этапов: движение э газ о до встреча с поверхностью ас плава, проникновение куска в раегиаз, дввгеике куска внутри я о свободной поверхности расплава. На основе воетроегшой кодеги (рокшювения куска в расплав пздучена формула

которая определяет -р - отношение скорости куска после к скорости до проникновения в расплав в зависимости от относктельноЯ плотности ферросплава Эг « /'//Л (- плотности твердого ферросплаве, и жидкого металла). Величина ^ для кусков диаметром более 3 мм но зависят от кх размера.

В результате проведенного физического моделирования установлено, что при с л гае распльва в кова гсуск;: сплава, имсязего плотность ивньве'плотности евдкого мзгеглй, соеерсаю? циркуляр онное движение, в которой мохно выделить три фазы: движение по поверхности г. струе сливаемого идасго металла, погртузсние в расплав после взаимодействия со струей, всплы-;;:? }£ поверхнос?1 Величина времени пребывания куска под свободной поверхность» возрастает с увеличением диаметра куска, плотности ферросплава к скорости сливь.

Способ возбуждения двкгения расплава путем продувки его газовыми потоками ке обеспечивает увлечение кусков ферросплав« с плотности меньшей, чем плотность стали, вглубь кидкого меии ка.. С этой точки зрения предпочтетельнее является слив раса-авг в ков£. На основании отнх данных построена гсдродинамическая часть модели, которая источает дифференциальные уравнения двкс; ния куска ферросплава и граничные условия, определяющие взаимодействие куска с дном, стенкам;! ковпа и свободной поверхность*) расплава; задание поля скорости расплава с покоцьо функции ток! соотношения, отгсызавщие стохастическое взаимодействие куска с> струей расплава, приводящее к увеличению его вКчубь жидкого металла. Проведенная адаптация гидродинамической части математической модели на результатах физического моделирования позволь включить ее в обнята модель растворешш кусков ферросплавов в движущемся ккдком металле.

Путем видоизменения поля скорости расплава данная модель. может быть использована дня описания динамики куске- ферросплавов при друг« способах обработки металла (в других агрегатах) и использоваться при сравнительном анализе этих способов.

6. ОПРВДЕЛЕШЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ СОСТАВОВ И. ДРУГИХ ПАРАМЕТРОВ КУСКОВЫХ ОЕРРОСПЛАЗОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

Главной особенностью (новизной) построенной обезй- математической модели растворения (плавления) дзкгуяигся а потоке гцдяого металла кусков ферросплавов является учет взаимного влияния гидродинамических и гепдотссообмеших процессов. Влияние тсплскас-еообыеннкх процессов иа гидродинамические происходи? путем изменения размеров и кассы куска. Елиянме гвдрэдинаиягчрских процессов

«у

на тешгоьаессобиекныо осуществляется через изменение коэффициентов тепло- и шссоотдзчи, которые зависит с? относительной скорости движения куска. КонтгрегкыЯ вид уравнения двоения■ куска определяется теток агрегата, а котором происходит обработка металла.

Проведено численное экспериментальное ассяедосанпа процесса плавления легкоплавких ферросплавов при кошевой обработке стали. Вреия растворения куска определит 6 оскогкгх. гороист рои: плотность ферросплава ^ , диметр куска 2 £ , скорость и точка его ввода, скорость слива к температура жидкого металла. Анализ характера движения и растворения кускоз з зависимости от йх относительной плотности 38 позволил разделит?» ферросплавы на пять груш (рис.3). Первая грунта - очень тяжелые ферросплавы, имеющие > I (при обработке екдкой стала р/ > р = с 7000 нг/м3). Куски таких ферросплавов после звода а расплоа подаст на дно ковза, где и располагаются неяедвгаио до кокгр. своего расплавления. Распределение растворяющихся элементов по

Рис.3. Траекторий движения кусков ферросплавов в ковзе, заполняемого ст&яыэ. Диаметр кусков - 20 мм, температура стали - 1600°С, скорость слива стали - 8 и/с, скорость ввода кусков - ТО к/с. Марки ферросплавов и их плотность (кг/к3): 1-СН5СЮ (8X20), 2 - ®С26Вд20 ( 6400), 3 - ФС45Б&1 (5520), 4 - СК10 ( 4300), 5 -

Точки конца периодов плавления 6-1, 7-2, 8-3 (полное расплавление куска)

ковшу будет происходить очень медленно только за счет конвективных потоков расплава., крайне слабых вблизи дна ковша. Все остальные ферросплавы (Ж I) при достаточно большом размере куска (величина которого зависит от сплава) с течением времени всплывают на свободную поверхность жидкого металла. Путем изменения эффективной плотности ферросплава существенное влияние на характер движения куска, Имеющего fi < р , оказывает нарастающая на нем корка твердой стали. Вторую группу - тяжелые, составляют ферросплавы, имеющие относительную плотность 0,85 < Э£ < I (для стали 6000 кг/м^р« < 7000 кг/ы3). Эти сплавы отличаются тем, что во время движения их эффективная плотность превышает I ив начале процесса они ведут себя подобно сверхтяжелым, очень глубоко проникают в объем расплава и могут достигнуть дна ковша. Можно ввделить еще две группы ферросплавов - средние, у которых 0,7 с 0,85 (5000 кг/м3 С Р<"< 6000 кг/м3), и легкие

0,5 Яе < 0,7 (3500 кг/м3 <' f\<5000 кг/м3). Различие у этих Ферросплавов между собой количественное - куски средних ферросплавов погружаются более глубоко о расплав после ввода и взаимодействия со струей сливаемого мет алла, чем кз«{си легких. Однако в отличие от тяжелых ферросплавов их эффективная плотность не достигает I. Последняя (пятая) группа ферросплавов - очень

легкие, имеющие 0,5 ( С 3500 кг/ы3). После ввода куски

j

этих сплавов практически не погружаются в расплав и большую часть времени проводят вблизи струя сливаемого металла, плавая на поверхности и подвергаясь интенсивному окислению.

С увеличением размера (диаметра. 2 L ) куска ферросплава в пределах от 5 до 60 мм время его плавления увеличивается ~ б ^ Изменение скорости ввода саше 5 и/с и точки ввода в ковш кусков диаметром более 5-10 мм для всех групп ферросплавов не вли-

я»т на вреия pro плавления с точность» до 0,1-0,2 с. Увеличение скорости слива, от 2 до 20 к/с приводит к незначительному изменению времени плавления куска, но уменьшает время его пребывания на свободной поверхности. С уменьшением перегрева жидкого металла = Т0 - Тк время плавления куска ферросплава увеличивается 77

ся в среднем-^- а Т ' . С точки зрения гидродинамики процесса усвоения ферросплавов в стали, сливаемой в ковш, рационально иметь: куски сплавов размером I0-60 мм, плотность сплава 50006600 кг/м3, средний перегрев стали в ковае около 100°, ввод кус-ков'под струя, при этом скорость ввода кусков для ферросплавов с указанной плотностью не имеет существенного значения.

Для определения состава комплексных ферросплавов (по схеме ИМет УрО РАН) необходимо после предварительного подбора элементов в сплаве а соответствии с составом и заданными свойствами готового металла найти рациональное соотношение между элементами на основе изучения процесса взаимодействия ферросплава с расплавом в конкретном агрегате. Для процесса ковшевой обработки основными характеристиками являются скорость растворения (плавления) куска и характер его движения в расплаве (которые определяют полноту усвоения и равномерность распределения элементов сплава в жидком металле), а также тепловой эффект взаимодействия ферросплава с жидким металлом и его окисляемость. На основании изложенной математической модели с привлечением рассчитанных по экспериментальным данным значений тепловых еффектов ( А Ту - изменение температуры стали при введении в нее при 1600°С 1% сплава с температурой 25°С) и експериментальных значений скорости проведено исследование систем ниобий-, ванадий- и борсодерисаших ферросплавов. В табл.2 приведены результаты расчетов для времени плавления кусков ферросплавов диаметром 20 мм в ковше при температуре жид-

Таблица 2

Состав, свойства, расчетное время плавления ферросплавов (по периодам , П , Г) и общее Гг), изменение температуры стали при вводе в нее сплава

Марка ферросплава Содержание в сплаве,% вес ?1 Та. Время плавления, с

X У & Мп. кг/м3 °С Г, Г, г, г» °С

____I______ ____2____ 3 4 5 б 7 8 9 ____¡0_____ —П__ _____12____

ФНбСЮ 22,5 Ниобийсодеряащие ф - ЩО - - ерросплавы 6120 1499 (Х-Ж.У-М, 4,03 0,48 ост. -/е 16,55 ) 21,06 -14,2

ФН6С30 17,50 - Х.С - 7020 1410 1,90 5,35 10,51 17,76 -13,2

ФН6С40 15,00 - Щд 6450 1320 1,33 7,00 3,02 11,36 -11,2

ФН6А5 23,75 5,0 - 8000 1467 3,47 2,32 7,15 12,95 -13,1

ФНбАЮ 22,50 10,0 ' - 7800 1437 2,23 3,16 5,36 10,75 - 8,7

ФН6А20 20,0 20,0 - 6940 1200 0,95 3,53 2,09 6,57 - 2,0

ФН6А30 17,50 30,0 - 6800 1235 1,13 3,13 2,75 7,01 6,1

ФН6СА1 17,50 4,5 25,5 6800 1415 1,90 6,21 8,29 16,40 10,5

ФН6СА2 17,50. 9,0 21,0 6680 1390 1,70 6,45 4,34 12,50 -7,7

ФНбСАЗ 17,50 13,5 16,5 6550 1350 1,70 6,70 1,18 9,58 -4.2

ФН6СА4 17,50 18,0 12,0 6440 1325 1,28 5,99 0,08 7,36 -1,8

ФН6СА5 17,50 22,5 7,5 - 6300 1350 1,35 5,64 0,49 7,48 1.8

ФНбСАМн5 17,10 Н,4 11,4 5,0 6590 1436 2,12 5,27 6,70 14,09 -4,0

ФНбСАМн15 14,87 10,2 10,2 15,0 6570 1460 2,63 4,61 6,75 14,00 -0,9

Продолжение табл.2

I г 3 .„4 5 б 7 8 9 10 II 12

ФНбСАМнЗО 12,25 Щ6 8,4 30,0 6550 1427 2,05 5,25 3,11 10,45 -2,6

»НбЮ .10,00 - - - 7860 1390 0,67 3,20 2,85 6,72 -20,6

ФНбЫн20 20,0 - - . 20,0 7800 1420 2,03 3,41 3,37 8,82 -

ФНбЫнЗО 17,5 - - 30,0 7600 1330 1,60 3,87 0,91 6,38 -

Ванадийсодержащие сплавы (Х- V , У -Т(1 , ост. _>е )

ФС40Вд5 5,0 - 40,0 - 5800 1325 1,39 5,74 2,99 10,13 -14,6

ФС38Вд10 10,0 - 38,0 - 5850 1330 1,43 5,76 2,95 10,15 . - 8,1

ФС34Вд20 20,0 - 34,0 - 5900 1325 1,43 5,85 2,36 9,64 - 4,3

®С29ВдЗО 30,0 - 29,0 - 6000 1350 1,57 2,75 2,75 10,12 -11,0

ФС30Вд5 5,0 - 30,0 - 6150 1355 1,62 6,41 3,63 11,67 -19,2

ЗС28ВдЮ 10,0 - 28,0 - 6300 1320 1,46 6,71 2,05 10,22 -10,9

ФС26Вд20 20,0 - 26,0 - 6400 1340 1,59 6,77 2,28 10,65 - 8,3

ФС22Вд30 30,0 - 22,0 - 6700 1300 1,48 6,85 0,48 8,81 -12,7.

ФС2.0Вд5 5,0 - 20,0 - 6750 1215 1,12 6,52 0,28 7,93 -21,5

ФС19ВДЮ 10,0 - 19,0 - 6750 1220 1,09 6,04 0,69 8,72 -17,0

ФС17Вд20 20,0 - 17,0 - 6700 1270 1,30 6,88 0,05 8,23 -16,3

ФС15ВдЗО 30,0 - 15,0 - 6800 1340 1,65 6,72 1,67 10,05 -10,8

о

со

г-

«о

ю

n о V о о

со го со см

4 н-1 »-н

I I I

H ,

I00ni000llnûl04l000>4ln TT

. 7

С»Г--<ОС0',3,1ЛУЭ«ОтГС>СМ'в,1ПСО1-< ' M Cjf Cp l »y су «у CJ> CJ> ср

см I

I I

ео со о» о> ю

СО СО СО СМ и со с- со <¿ e¿

8 S S S £ 9 £

о о о о in к-( с\г

н О Ю О Г) о о> о» О OI С- С4- СП

О Ю Ю Ю П Ю П

g •Ч" t-н О »-4 3 в В в S я 8

оГ ГО со V-« ьн со о V-4 о 1—* «о ю

еч О (I) и О О С) N W Г> M

со о» to to n с»

й

_ Ч-1—|1ПГ-10Г^ООСУ<ОСМ ^Cvr-M<X)OC\iOVQ<7lCMC"-<OCM»-<

Cl "О w Ol

--- - ■ ф и CV w ч

tnr->-<<NTCOC\ICM^lOmOESOCM

Й Ю и

^î* со со

со «О со r«-со О <3 со

Ю О О О О О Q О» Л О Ю Ю о N N NN О СО

О

§ S S 3 £ s s

ооо Ю to о

о о

о о сэ

Ю О V V

о о

Ы Ю

1.0 о о см о о о

О 1Л «3 Ю СМ ■ч* го СМ СМ C\í СМ M .

I

CQ J

Ni

<a i

S

и

о

О о; ю о г? со o «e« 8 Й го см ч> о о о см о см о tO UÎ Ei

LO r? ** ю «í ro со со см см ы ьн см со о

О О со о о см "Г ts со lO Ю о 8 со о о с» о со ы о» э <о СМ

M см см *-« ы о о ъ о о см см >-<

ю со СП h—l ГО <í* »-H к-« й ы LO см t~i o Ю o t-( o o ю СО ем i—i со е- CJ h-( со >-| о о о со ы о о ■s* M о о *-») о о я » »-4

SS и s о & ю o CM L.0 o «-M Й o «o V) о a со О s со о о> a о о со см о в см о s СМ s со с- о Й г> о m к

llltltlillll.il мл ц) мп N N в о о o>

nív'ínoi'hnmrto WCV-?'^S-4,0£><0&C»0» « « t

o o

i ro

o o

I 00 I

д o n o) o

o o

ti CM

o -

e£ «JO í>

8.

á

СМ СУ

ел л со in г- с- m

ООО

С^иЭЮЮ^СМСМСМ I I I

Л о

С» CT»

en с» о» со о о о

О M H

о п о

'S Я i I о

s ;js TS *-Í

- -

- - o m

, - И в Ю H o Й Ю Щ Ю П tt LO

ic» it* S © *э» i© <t=»

oooooooooooooo iOOHIOOhiOOmûOmiO О

ООО >—IIOHMIOHHIOH

ййййиийий

in ЮйОЮПЮЙЮ

eôôââiSSeôû

H H LO

Öu и

О «3«

кой стали 1600°С, скорости ее слива 8и/с, скорости ввода куска 10 м/с.

Система р£ ~ Л/€-Температура плавления (за которую была принята гешература начала кристаллизации сплава) для комплексных ниобийсодеркащиг ферросплавов понижается при снижении содержания ниобия до 10-30$, увеличении кремния до 25-4С£, алюминия до 25-30? или суммы до 30!». Согласно введенной нами классификации из 23 исследованных сплавов ниобиевой системы при обработке стали (Гв * 1600°С) два сплава (ФН650 и ФН660) -сверхтугоплавкие, три (5К61Й10, $Н630,5Н6С20) - тугоплавкие, остальные относятся к группе легкоплавких. Более половины сплавов (12) - сверхтяжелые, а остальные-тяжелые. В сплавах систем ФНбСА, ФН5С, ФНбА в первую очередь окисляется алюминий и кремний (тем са*щы предохраняя ниобий). Причем скорость окисления тройных сплавов (5Н6С, ФНбА) въпе, чему четверных (ФНбСА). Сверхтугоплавкие и тугоплавкие сплавы (алеют время плавления (растворения) в 2-4 раза больше, чех* легкоплавкие сплавы, и является малопригодными для коваезой обработки стали. Установлено, что двойные сплавы /•е-А^ малопригодны для ковоевого легирования. В тройной системе Л (/ё/Л^ „ з) (несмотря на самый большой охлаждающий эффект) наиболее пригоден для коваевой обработки сплав ФН6С40. В тройной системе Ге-л^-Ж /л^ _ 3) наиболее пригоден для кошевого легирования сплав £Н6А30. В тройной системе /ё -А/б- Мп, (/ё/Л^ « 3) все сплавы (ФНбИнЮ, - 20, -30) являются очень тяжелыми. В системе /е - 5с ~ Л б (Ж + ¿V , Ш, /в'/Л^Г. 3) все сплавы (ФН6СА1, -2, -3, -4, -5) могут применяться для коввевого. легирования. Добавка марганца к ФК6СА4 увеличивает время плавления сплавов 5КбСАНк5, -15, -30, в два раза. Однако »ти сплавы тягедые, легкоплавкие и могут быть использованы для кошевого легирования.

Система /i-А'- f^-Mt- Тс % Изучены сплавы системы /ё -V (&/& = 0,73 , 0,27 , 0,46, И = 5-3«), (с добавкой 5-1СЙ марганца.),/ё-Л'-V~Ain.-Tl (с добавкой 2-6% титана).Температура плавления этих сплавов определяется,в первую очередь, содержанием кремния и на 90-230° ниже температуры плавления (1450°С) стандартного феррованадия. Для обработки стали все рассмотренные сплавы являются легкоплавкими. По отнозенип к чугуну (Тв = 1300-1400°С) комплексные сплавы являются тугоплавкими (стандартный феррованадий - сверхтугоплавкий). Это значительно расширяет область их применения для модифицирования чугуна. Все сплавы (кроме стандартного £СВд35) илевт плотность менее 7000 кг/а3; . ' При этом три сплава является средними, а остальные тяхелц-ми. Наибольшее енгаение температуры стали при здисадке ферросплавов в ковз происходит от ФВд35. Присадка комплексных сплавов незначительно понизит температуру стали в ко'зэ.Врс^л плавления з статических условиях сплавов (кроме Л1н50Вд10) данной систем; отличается незначительно друг от друга. В динамических условиях• разброс значений времени плавления по сравнении со статич&стм условиями значительно увеличивается. При втои относительно замедляется процесс плавления сверхтяжелого стандартного фзрровакздия.

Таким образок, ванадиевые сплавы с кре^жем могут успегно заме-

• \

нить стандартный феррованадий. Ка состав лигатуры для легирования стали и чугуна получено авторское свидетельство.

Система fit-Si-S . Бьпя кзучгны двойные систttmfe-ê, ' ■ Si' à и тройная /ё -iSi -/5 . Все рассмотренные сплаЕы (кромэ тугоплавкого SBI5) являптся легкоплавкими. Сплавы отой группы обладают плотностьо, изменящейся в очень широком диапазоне о-2800 до 7800 кг/м3, т.е. среди них есть представители dccx пятя отмеченных групп. Два сллага(СБ1, СБ5) растворяются с разогре-

воы ванны, а остальные охлаждают сталь на величину от б до 44°. Для промышленного ®Б скорость окисления в 2-3 раза больше, чек ~ для тройного сплава £€Б. В двойной системе 15 три сплава ($31, -5, -105 очень тяжелые. В двойной системе (Ж все сплавы очень легкие. В тройной системе ФСБ наименьшее время плавления в динамических условиях имеет сплавы 5С75Б1, - 5, -10, и £С45Б1. Однако сплавы на основе ФС75 из-за низкой плотности большую часть времени находятся на поверхности расплава.

Исходя из характеристик и свойств сплавов, установлено, что наиболее пригодными для ковшевой обработки стели являются: лиоби-евые сплавы, содержащие 15-20и#, 30-Ш& , 25-30л^' или сумму

& +Ж = 305 (из указанных вьше - ФН6А30, 5К6САЗ, -4, -5, ФНбСАМкЗО), ванадиевые сплавы, содержащие 5-30,* V, 15-40$ Хс, 1-10%>Мп, 1-б£ 7С (наименьшее время плавления из них имеют £С20Вд5, £С19Вд10, £<С25ВдМн10), борсодеряалиге сплавы га основе 5С45 с добавкой 1-555 бора (СС45Б1, К45Б5).

Построенная обцая математическая модель с внесением необходимых изменений в ее гидродинамическую часть била применена тате для анализа процесса растворения частиц титана при разливке стали в изложницы. Результаты расчетов и сравнение их с результатами разливки позволили определить максимальный размер титановой сгрузки, при котором обеспечиваются растворение фрагментов в пределах сифонной проводки и достигается равномерное распределение титана по объему металла. На основе общей модели разработана, так же математическая модель процесса охлаздения и кристаллизации гравированных из расплава ферросплавов. Расчетно-теоретический анализ, основанный на данной модели, позволяет выбрать основные параметры, геометрию (которая определяется необходимой конфигурацией потоков охладителя) к режим работы грануляционной установка

Б представленном вида разработанная модель может быть применена для процессоз обработки чугуна кусковыми сплавами. При видоизменении поля скорости жидкого металла эта модель применима для анализа закономерностей других металлургических процессов, в которых происходит плавление (растворение) кусков (гранул, частиц) э потоке жидкого металла. Такой анализ позволит выявить рациональные параметры организованного в агрегате потока расплава и кусков (гранул, частиц), а такте составы твердых сплавов пригодных для обработки лсидкого металла данным способом (с привлечением, других необходимых физико-химических свойств сплавов).

На основании результатов проведенных исследований били составлены, переданы проектным организациям и реализованы з заводских условиях технические предложения для проектирования системы подачи донного дутья в конвертеры: совместно с УралйВДМ для 1бО-т конвертера ШЖ и 22-т конвертера ЧусМЗ, совместно с ИЧН и ВНШМТ для 22-т конвертера завода им.Дзержинского. Совместно с технологами они были использованы на ряде металлургических предприятий: совместно о ИЧИ, Шет УрО РАН на мггкомбинате "Аэов-сталь" при замене феррониобия лигатурой ФС20Нб25Ти5 для микролегирования конвертерной стали 09Г2БГ; совместно с ИЧМ на комбинате "Криворожсталь" при освоения технологии производства новой . стали Св-092СЦ микролегированной ферросиликоцирконнем; совместно с Шет АН Грузии на Руставском заводе "Центролит" при разработке технологии модифицирования чугуна лигатурами на основе кремния, содержащими магний, кальций и металлы цериевой группы РЗМ; совместно с ДМетИ на заводе "Днепроспецсталь" при освоении выплавки сталей 10Х14АГ16, 12Х13Г10Д с использованием ферромарганца взамен металлического марганца.

34

3/ЮШЧЕй1Е

1. В диссертационной работе разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в изучении динамики железоуглеродистых расплавов и гидродинамических способов воздействия на протекание и результаты процессов в сталеплавильных ваннах и агрегатах для обработки стали.

2. Для проведения модельных исследований гидродинамических и массообменных характеристик струй, образующихся при подаче через донную фурму газа в ванну конвертера с комбинированной продувкой, разработаны конструкции изокинетического зонда для измерения плотности потоков массы газа и жидкости ,'и новая методика измерения межфазной поверхности. На основе анализа результатов экспериментального исследования построена канальная модель газо-хидкостной струи. Впервые с ее помощью проведен расчет локальных -характеристик струи: газосодержания, коэффициента скольжения фаз, скорости газа и жидкости. Установлено, что указанная двухфазная струя распадается на 5 участков с закономерным изменением газо-зидяостной структуры (от чисто газового до барботажного потока). Размеры участков и расход жидкости в струе определяется ее начальным полным избыточным импульсом.

3. Построена математическая модель тепловых условий работы одинарной и двойной донных фурм для конвертера с комбинированной продувкой, в которой учтены три основных источника подводядегося к фурмз тепла: фурменный очаг, жидкий-металл, кладка днида. На основе анализа результатов численных расчетов по этой модели, сопоставления их с експериментальныш данными, полученными на лабораторном и 22-т конвертерах, установлены основные закономерности процесса охлаждения таких фурм и составлены схемы их теплового и гидравлического расчетов.

4. Проведен анализ эффективности донного дутья при изменении количества Л- и диаметра фурм с/0 , Установлено, что возможные изменения ^ и с/е расположены в области, которая ограничена соотношениями, вытекающими из следующих условий: пробой ванны струями, максимальное давление газа перед фуркшя, минимальный диаметр фурм по условию их тепловой закупорки, затекание жидкого металла в фурму, взаимодействие между струями, ухудшение циркуляции расплава, износ стен и днища конвертера. Проведен анализ взаимодействия между струями верхнего и донного дутья.

5. На основании результатов проведенных исследований были составлены совместна с рядоы отраслевых институтов, переданы проектным организациям, внедрены в проект а реализованы з заводских условиях "Технические предложения для проектирования донных фурм конвертеров НГМК, ЧусМЗ, завода им.Дзержинского.

6. Особенностью (новизной) построенной математической модели плавления (растворения) движущихся в потоке пидкого металла кусков ферросплавоз является учет взаимного влияния гидродинамических и теплсмассообменных процессоз. Злияняе теплоыассообщенных процессов на гидродинамические происходит путем.изменения разборов и массы куска. Обратное влияние осуществляется через изменение коэффициентов тепло- и ыассоотдачи. Тепловая часть модели основана на классификации ферросплавов на три группы: легкоплавкие, для которых Тп< Тк (Тп - температура плавления ферросплава, Тк - температура кристаллизации расплаза), тугоплавкие, для которых 1К< Тп (Т3 - температура расплава), и сверхтугоплавки?, для которых ТП>ТВ. Установлено, что.время плавления (расплавления) куска, определенное в стандартных стационарных условиях, можно рассматривать как- комплексную теплофизичесную характеристику ферросплава. Время, плавления тугоплавких ферросплавов в не-

сколько раз больше времени плавления легкоплавких, а время растворения сверхтугоплавких больше его на порядок. Гидродинамическая часть модели плавления (растворения) куска ферросплава при сливе стали в кова включает проникновение куска в расплав, его движение в глубине и по свободной поверхности яадкого металла и стохастическое взаимодействие куска со струей стали. В•зависимости от агрегата, в котором происходит обработка металла, в 8ту часть модели могут быть внесены соответствующие изменения.

7. Анализ результатов численного экспериментального исследования процесса плавления кусков при сливе стали в кова позволил установить закономерности влияния плотности ферросплавов, размеров кусков, перегрева и скорости слива стали, скорости к места ввода куска. При »том по величине относительной плотности ферросплавы разделены на 5 групп. Характер движения кусков ферросплавов, при-надлекащих разным группам, является качественно отличным и опреде- • ляет процессы плавления усвоения и окисления сплава.

8. На основании общей иатематической модели с привлечением экспериментальных и расчетных данных по тепловым эффектам и окис-ляемости проведено исследование физико-химических характеристик систем ниобий-узанадий-, борсодержздкх ферросплавов. Установлено, что для ковшевой обработки стали пригодными являются: ниобиевые сплавы, содержащие \Ь-2.Ъ%Ш, 30-40^& , (или сумму

$1+ Л£ = ЗСЙ), 15-30®^, ванадиевые сплавы,, содержащие 5-30% V, 15-40&>й , 1-КЖМп, 1-6% и, Сорсодергацие сплавы на основе ФС45 с добавкой 1-Ь% бора. Среду? сплавов рационального состава указаны марки сплазов, наиболее пригодные с точки зрения скорости растворения.

9. Результаты исследования и расчетов времени растворения сплавов в жидком металле были использованы ка ряде.металлургичес-

них предприятий: совместно с ИЧМ, ИМет УрО РАН на меткомбинате "Азовсталь" при замене импортного феррониобия лигатурой ФСНб2СТиЮ для микролегирования конвертерной стали; совместно с ИЧМ на комбинате "Криворожсталь" при освоении технологии производства новой стали Св-09Г2СЦ микролегированной ферросвдикоцирконием; сотрудниками НИИМ на ЧЖ при разработке технологии легирования стали I2XI8HICT титаном при ее разливке; совместно с ИМет АН Грузии на заводе "Центролит" для совершенствования технологии модифицирования чугуна лигатурами на основе кремния; совместно с ДИетИ на заводе "Днепроспецсталь" при освоении выплавки стали I0XI4ATI6, 12Х13Г18Д с использованием ферромарганца взамен металлического марганца.

10. Разработанная математическая модель применима для анализа закономерностей металлургических процессов, в которых происходит плавление (растворение) кусков (гранул, частиц) в потоке жидкого металла. Такой анализ позволит выявить рациональные параметры организованного в агрегате потока расплава и кусков (гранул, частиц) , а также составы твердых сплавов,пригодных для обработки жидкого металла данным способом (с привлечением необходимых физико-химических свойств сплавов).

Основное содержание диссертации опубликовано в следупщих . работах:

1. Жучков В.И., Носков A.C., Завьялов А.И. Растворение ферросплавов в жидком металле. Свердловск: УрО АН СССР, 1990. 136 с.

2. Носков A.C., Завьялов А.Л., Жучков В.И. Определение скорости плавления ферросплавов в металлических расплавах. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1983. 48 с.

3. Гидродинамика и тепломассообмен процесса усвоения ферро-

сплавов в металлическом расплаве / А.С.Носков, А.Л.Завьялов, i.i;. Жучков, А.В.Некрасов. Свердловск: УрО АН СССР, 1987. 68 с.

4. Плавление ферросплавов при ковшевой обработке металлов / А.С.Косков, А.Л.Завьялов, В.И.Шучков, А.В.Некрасов. Свердловск: УрО АН СССР, 1991. 60 с.

5. Носков A.C. Форма газового пузыря при небольших числах Вебера // Металлургическая теплотехника. ■ Ы.: Металлургия, 1974. » 2. С.43-50.

6.Носков A.C. Волновое движение жидкости в ванне конвертера // Металлургическая теплотехника. М.: Металлургия, 1974.

>г 3. С.48-50.

7. Белов И.В., Носков A.C. Условия подобия для моделирования гидродинамики и перемешивания конвертерной ванны // Металлургическая теплотехника. Ы.: Металлургия, 1974. Р 3. С.45-48.

8. Белов И.В., Носков A.C. Моделирование гидродинамики конвертера с донным дутьем // Известия вузов. Черная металлургия, 1975. * б. С.25-27.

9. Носков A.C., Тильк Л.Г. Ламинарный пограничный слой между параллельными потоками несмешивавцихся жидкостей // Металлургическая теплотехника. М.: Металлургия, 1975. f 4. С. 160-162

10. Белов И.В., Носков A.C., Тильк Л.Г. Тепло- и иассообмен в начальном участке плоской ламинарной струи // Гидроаэромеханика и теория упругости. Днепропетровск: ДГ7, 1977. JP 22. С.30-33

11. Тепловые условия работы газокислородных фурм конвертера с донной кислородной продувкой / И.В.Белов, В.В.Смоктий, В.В.Ла-пицкий, А.С.Носков, А.С.Пестряев // Металлургия и коксохимия. Киев: Техника, 1977. №52. С.49-52.

12. Моделирование процессов ыассообмена в конвертере с донной кислородной продувкой / И.В.Белов, А.С.Носков, Л.А.Смирнов

а др. //Известия вузов. Черная металлургия, 1978. 10. С.64-69.

13. Белов И.В., Носков A.C. Тепловая модель фурменного очага при продувке сталеплавильной ванны струей кислорода // Тепло- и массообмен в ваннах сталеплавильных агрегатов: Сб.научн.тр. / МИСиС. М.: Металлургия, 1979. С.19-22.

14. Белов И.В., Носков A.C. Исследование процесса настыле-образования при донной кислородной продувке конвертера // Тепло-и массообмен в ваннах сталеплавильных: агрегатов: Сб.научн.тр. / МИСаС. М.: Металлургия, 1979. № 120. С.93-95.

15. Применение ПАВ для определения межфазной поверхноета з газожидкостнкх системах / И.В.Белов, Б.Т.Белов, А.С.Носков,

Д.А.Смирнов // Известия вузов. Черная металлургия, 1980. ,'í 4. С Л 9-23.

15. Эффективность кассообкена при взаимодействии газовых струй с жядкостьв / К.В.Белов, Б.Т.Белов, A.C.Носков, Л.А.Смирнов //Гидроаэромеханика и теория упругости. Днепропетровск: ДГУ, 1981. 1Р 26. С.63-83.

17. дучков З.И., Носков A.C., Завьялов А.Л. Прялйненпе методов моделирования для определения оптимальной плотноста.ферросплавов ff Известия вузов. Черная металлургия, 1931. I? 12.

С. 21-23. , ч

18. Закономерности распространения газовой струн в жидкости / И.В.Белов, Б.Т.Белов, А.С.Носков,- Л.'А.Смирнов // Известия вузов. Черная металлургия, 1983. f 2. C.II9-I23; № 4. С.90-92; 1983. № 8. С.83-85.

19. Завьялов А.Л., Яучков В.И., Носков A.C. Влияние марганца на физико-химические характеристики комплексных сплавов // Совершенствование технологии марганцевых сплавов. - Тбилиси: Советская Грузия, 1983. G.II4-II9.

20. Моделирование и расчет параметров центробежной грануляции ферросплавов и модификаторов / В.Д.Баранов, К.В.Белов, В.Г.Ли-сиенко, A.C.Носков, А.В.Некрасов // Известия вузов. Черная металлургия, 1985. f 2. C.I06-II2.

21. БелОв Б.Т., Носков A.C., Смирнов Л.А. Некоторые закономерности распространения газовой струи в жидкости // Тепло- и ыас-сообмен в ваннах сталеплавильных агрегатов. М.: Металлургия, 1985. C.I08-II2.

22. Носков A.C., Жучков В.И., Завьялов А.Л. Плавление ферросплавов в железоуглеродистом расплаве // Известия вузов. Черная металлургия, 1985. № 10. С.32-37.

23. Расчет времени плавления ниобиевых ферросплавов /_

В.IÎ.Тучков, Н.А.Ватолив, А.Л.Завьялов, A.C.Носков // Известия вузов. Металлы, 1986. F I. С.72-75.

24. Физико-химические характеристики ванадиевых ферросплавов / А.Л.Завьялов, A.C.Носков, Ф.С.Раковский, В.И.Нучков // Известия вузов. Черная металлургия, 1986. КТО. С.43-47.

25. 0 скорости плавления титана в расплаве нержавеющей стали / В.А.Голубцов, A.C.Носков, А.Л.Завьялов и др. // Известия вузов. Черная металлургия, 1987. № 2. С.35-39.

26. Закономерности распространения газожидкостной струи / A.C.Носков, Г.И.Фугыан, Б.Т.Белов, В.А.Кудршов // Газодинамика и акустика струйных течений; Сб.научн.тр. / ИТПМ. Новосибирск, 1987. С.143-147.

I

27. Носков A.C., Белов Б.Т., фугкан Г.И. Экекционные свойства двухфазных струй, образующихся при истечении пстохса газа в слой жидкости // Известия вузов. Черная металлургия, 1988.

Я> 2. С. 133-136.

28. Исследование формирования кипящего стального слитка

при обработке твердой углекислотой / Р.П.Бобова, А.С.Носков, ..Л.Завьялов и др. // Расплавы, 1988. ff 3. С.35-38.

29. Тепловой эффект взаимодействия твердых ванадийсодержа-щих ферросплавов с жидкой сталью,/ Н.В.Гизенко, Ф.С.Раковский, А.Л.Завьялов, В.И.Жучков, А.С.Носков // Расплавы, 1989. № 4. С.122-124.

30. Пате?:атичесх;ая модель дашенад" кусков фёррссплагсв,

в ксн'.е / A.C. Нооков, A.B. Некрасов,"В.И. лучков, и др.//" Известия вузов. Черная металлургия, 1989. № 8. С.133-136.

31. Математическая модель плавления куска ферросплава при циркуляционном движении жидкого металла в козле / Носков A.C., Некрасов A.B., Тучков В.И. и др.-// Расплавы, 1990. № 5.

С .113-120.

32. Математическая модель растворения твердых добавок,движущихся в расплаве / А.С.Носков, Н.А.Ватолин, В.И.Жучков и др.// ДАН СССР, 1990. T.3II. J* 4. С.898-901.

Авторские свидетельства

1. A.c. ПС9¡¿66 СССР, !ЖП3В 22 F 9/10. Установка для пглученхя псрспаор. / Баранов В.Д.. Белов ¡I.D., Носков A.C., Некрасов А.З.(СССР). £ 3C0I212/22-02; Заявл.28.03.83; Опубл. 23.08.64, Бал..!' 31.

2. A.c. I2I7565 ОСТР. МКИ3 В 22 Д 7/0G. Смесь для обработки жидкой стага / Бсбсва Р.П., Денисов В.А., Нссасв A.C.2 др. (СССР). 3792748/22-02; Зачвл.¿0.08.84; Опубл. 15.03.86,Вкл..'5 IG.

3. A.c. 1342586 СССР, ПС!3 Б 22 Д 7/00. Способ закупоривания слктха i-ciTHH^eü стали /Бсбова Р.П., Сосковец О.Н., Нооков A.C. л др. (СССР), .i 40S7ÜI9/22-C2; 3аявл.13.05.8и;

Спубл.07.10.67, Бгд.Л 37.

4. A.c. 1407632 СССР, 1Ш3 Б 22 F 9/08. Установка для получения металлических гранул из расплавов / Баранов 2.Д., Лисиенкс В.Г., Носков A.C. ж др. (СССР), ä 4II6090/3I-Ü2; Заязл. 09.Сб.86; Опубл.07.07.88, Брл.й 25.

. 5. Ji.c. 1497228 СССР, ЫКИ3 С 21 С5/28. Спсссб ксыбпнл-рсванясЗ проруЕкк металла б конвертере / <3уг!.:&н Г.И., Са:.:-сснсз В.А., Нссксв A.C. 2 др. (СССР). 'Л 4320354/23-02; Заязл. 13.07.87; Опубл. 3G.07.89, Бел..« 28.

6. A.c. I65754C СССР, î.uCi3 С 22 С 35/00. ¿сррссшгав для ¡.зпсрс легирования стаит / Вкхлевшух В.А., Батсаиз H.A., Тучков В.И., Носков A.C. и др. ССССР). Г» 465I5CC/02; Заявл. 15.02.69; Опубл.23.Сб.91, Бал.:» 23.

Подписано в печать 29.06.92 Формат 60x64 1/16

Бумага "шсчая ■ Плоская печать Усл.п.л. 2,56 Уч.-езд.л. 1,91 Tzpar. ICC Заказ 49S Бесплатно

Редакционнс-гздетелъский отдел УПК '/.к.С.М.Кгрсва 620002,Екатеринбург, УШ', 8-3 учебный корпус Ротапринт УПИ. 620CG2,Екатеринбург, ЛИ, 8-й учеОккк корпус