автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Теория и технология плавления материалов при производстве стали

министерство ОБРАЗОВАНИЯ украины днепродзержинска государственный технический университет

п -г л ;■ ■

I I 0 • ■ На правах рукописи

ПАВЛЮЧЕНКОВ Игорь Александрович

ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СТАЛИ

Специальность - 05.16.02. - "Металлургия черных металлов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Днепродзержинск 1995

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Днепродзержинском государственном техническом университете

Научный консультант:

заслуженный деятель науки и техники Украины,

академик АИН Украины,

доктор технических наук, профессор

ОГУРЦОВ А.П. *

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ГОРБУНОВ А.Д.;

доктор технических наук, профессор НЕДОПЕКИН Ф.В.;

доктор технических наук, профессор ОЛЬШАНСКИЙ В.М.

Ведущее предприятие;

ГКМК " Криворожсталь", г. Кривой Рог.

Защита состоится 1995г. в часов на

заседании

специализированного совета Д-37.01.01 при Днепродзержинском государственном техническом университете по адресу: 322618, (-.Днепродзержинск, ул. Днепростроевская, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Днепродзержинского государственного технического университета.

Автореферат разослан " " М^йЛЗ^ 1995 п

года.

Ученый секретарь еиеци.а/шяяропашгого совета,__ п

доктор технических паук, профессор

Чсрнов-НтН-

Ч 1

ОШЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Объемом производства металла, которое потребляет большое количество энергии и материальных ресурсов, в значительной мере определяется уровень развития экономик« государства. В последние годы для решения проблемы эффективного использования сырьевых и энергетических ресурсов при производстве стали внедрены новые технологические операции выплавки металла в дуговой сталеплавильной печи, в кислородном конвертере, при внепечной обработке стали, а также при разливке в изложницу и на машинах непрерывного литья заготовок.

Неотьемлемой основной частью указанных операций является стадия плавления твердых материалов в жидком расплаве. Высокая температура, непрозрачность и агрессивность жидкого металла, а также дороговизна натурных экспериментов не позволяют достаточно эффективно и промышленных условиях исследовать кинетические закономерности плавления материалов. Поэтому для изучения указанных процессов предпочтение отдается методам моделирования.

Бурное развитие вычислительной техники (в особенности персональных ЭВМ), а также разработка новых эффективных математических методов дают возможность построить адекватную реальному процессу математическую модель плавления материалов и получить более полные и точные результаты исследований. Переход от математической модели процессов тепломассопереноса к ее численному алгоритму, реализуемому с помощью ЭВМ, осуществляется, в основном, с применением метода конечных разностей.

Цель работы. Разработать математические модели и алгоритмы расчета процесса в плавления материалов при создании и освоении новых технологии сталеплавильного производства; исследовать в данных технологиях методами математического моделирования рациональные технологические режимы производства стали.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем.

1. Разработаны алгоритмы расчета, на основе метода Дюзинбера, кинетики нагрева и плавления легкоплавких, тугоплавких и диффузионного плавления сперхтугоплавких тел в расплаве. При расчете плавления материалов учитываются тепловой период (намерзание и последующее плавление оболочки расплава), зависимость теплофизических параметров от температуры, тепловой эффект от взаимодействия поверхности тела и расплава, а также возможное повторное намерзание оболочки расплава.

2. Впервые разработаны математические модели и алгоритмы расчета кинетики плавления материалов для новых технологических процессов в технологической цепи производства стали:

- процесса плавления в кислородно- конвертерной ванне нресспакетов одинаковой массы с продольными отверстиями различных диаметров;

динамики нагрева и плавления шихты в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) с учетом оставляемого металла от предыдущей плавки;

- формирования рафинирующего шлака из кусковых твердых шлакообразующпх компонентов (извести и плавикового шпата) для условий выпуска металла из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш;

- процесса плавления чушкового алюминия в процессе выдержки и продувки металла в сталеразливочном ковше;

- кинетики плавления, движения и последующего конвективного массопереноса (усреднения) жидкой фазы кусковых материалов в процессе выпуска металла из агрегата в сталеразливочкый ковш (с учетом гидродинамики расплава);

- кинетики пламенна порошковой проволоки в металлической оболочке в процессе выдержки металла в сталеразливочном ковше;

- кинетики плавления крупногабаритного алюминиевого слитка в процессе выдержки металла в сталеразливочном ковше с учетом продувки аргона через осевое отверстие слитка;

- кинетики плавления кусковых материалов в жидкой стали при вводе их в центровую сифонной разливки стали;

- кинетики плавления алюминиевой проволоки в металлической оболочке вводимой в кристаллизатор МНЛЗ;

3. Разработаны программы расчета на алгоритмическом языке Паскаль " и проведены численные эксперименты на IBM -совместимых ПЭВМ для всех рассматриваемых в диссертационной работе алгоритмов расчета кинетики плавления материалов.

Практическая ценность и внедрение результатов работы_в

промышленность. На основе разработанных математических моделей изложены основные выводы о кинетических закономерностях нагрева и плавления шихты в кислородном конвертере. Сделаны рекомендации по оптимальной массе "болота" при выплавке стали в 100-тонной дуговой сталеплавильной печи. Даны рекомендации о рациональном фракционном составе титансодержащих ферросплавов,-

гранулированного алюминия и компонентой твердой шлакообразующей смеси, применяемых при микролегировании, раскислении и формировании шлака в процессе выпуска металла из конвертера в сталеразливочный ковш. Выданы рекомендации по рациональной скорости ввода порошковой проволоки в ковшах большой емкости.

Кроме того, даны рекомендации о рациональном фракционном составе редкоземельных кусковых материалов при разливке стали сифонным способом. Для регулирования задаваемого в кристаллизатор количества алюминия даны рекомендации о рациональных скоростях подачи проволоки в зависимости от скорости разливки. Приведены области применения разработанных методик и результатов исследований.

Исследования, проведенные с помощью математического моделирования. позволили изучить тепло- и массообменные закономерности при плавлении лома з различных зонах конвертерной ванны. Предложенные разработки способствовали совершенствованию технологии выплавки стали в 250-т конвертерах Днепровского металлургического комбината (ДМК). Суммарный экономический эффект от внедрения результатов данной работы в 1987 году составил 376406 рублей, долевое участие автора составляет 30% - 113922 рублей.

Исследования с применением математического моделирования явились основой разработки и внедрения ресурсо-энергосберегающих технологий выплавки стали (технологические инструкции ТИ 840-С-02-87, ТИ 840-П2-01-87) в 100 т дуговой сталеплавильной печи Беларусского металлургического завода (г. Жлобин).

При внедрении названных разработок получены следующие результаты:

1. Снижение продолжительности плавки на 10 мин.(7%).

2. Снижение расхода электроэнергии за счет применения пенистых шлаков и работы ДСП по технологии с "болотом" на 1,5%.

Экономический эффект за 1990 год составил 113586 руб, долевое участие автора составляет 50% - ,56793 рублей.

По результатам исследования кинетики плавления твердых добавок различных материалов и изделий в ковше разработаны рекомендации по рациональным режимам ресурсосберегающей внеагрегатной обработки стали я ковшах большой емкости с целыо доводки по химическому составу, рафинированию, микролегированню и модифицированию металла.

Разработанные математические модели, алгоритмы и пакеты прикладных программ внедрены в институте черной металлургии (ИЧМ) HAH Украины (г.Днепропетровск) и Беларусской политехнической академии (г.Минск) для проведении НИР на металлургических комбинатах. На комбинате "Азовсталь" освоена и внедрена технология раскисления стали крупногабаритным алюминиевым слитком в ковше после выпуска планки из конвертера, рафинирования стали кусковой твердой шлакообразующей смесью (ТШС) в ковше, а также технология доводки и микролегирования стали на установке доводки металла с суммарным экономическим эффектом за 1982-1990г.г. 3,2 млн.рублей (доля автора составляет 320 тыс.рублей).

Результаты работы внедрены в учебный процесс на металлургическом и технологическом факультететах

Днепродзержинского государственного технического университета и применяются при чтении лекций и проведении практических занятий по курсам: "Моделирование и управление сталеплавильными процессами", " Разливка стали ", "Внепечные методы обработки стали", "Математическое моделирование теплофизических процессов", "Вычислительный эксперимент в металлургии".

Личный вклад в научную разработку. Диссертация является самостоятельной работой автора, основанной на опубликованных ранее его результатах исследований. На различных этапах этих исследований автор пользовался консультациями видных ученых ( Вихлевщук В.А., Никитенко Н.И., Огурцов А.П. ). В соавторстве с ними был опубликован ряд научных работ. Содержание диссертации является дальнейшим развитием положений, изложенных в этих публикациях, в значительной мерс содержит новые исследования автора и не ущемляет интересы консультантов.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на III, IV и V Всесоюзных конференциях по тепло- и массообменным процессам в ваннах сталеплавильных агрегатов (г. Мариуполь, 1982, 1986, 1991 гл.), Всесоюзных научных конференциях: " Теория и практика тепловой работы металлургических печей" (г. Днепропетровск, 1988 г.), " Процессы разливки, модификация и кристаллизация стали и сплавов"

(г.Волгоград, 1990 г.),—"Проблемы_кристаллизации сплавов и

компьютерное моделирование" (г.Ижевск, 1990 г.), " Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в

металлургии" (г. Новокузнецк, 1991 г.), "Совершенствование металлургической технологии и машиностроении" (г. Волгоград, 199! г.), " Автоматизация проектирования и управления качеством отливок " (г. Ленинград, 1991 г.); на международных конференциях: "Тепло-и массоггеренос и технологических процессах " (г. Юрмала, 1991 г.), "Тепло- и массообмеи и гидродинамика в турбулентных течениях (г.Алушта, 1992 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 35 научных работах, в том числе в одной монографии, защищено 2 изобретениями СССР.

Объем и структура работа. Основное содержание диссертации изложено на 267 страницах машинописного текста. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы (234 наименования), приложения, содержит 58 рисунков и 17 таблиц.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) алгоритмы расчета кинетики плавлении твердых материалов в расплаве;

2) математические модели и алгоритмы расчета;

- процесса плавления в кислородном Конвертере прс-сспакстов с продольным отверстием;

динамики нагрева и плавления шихты в дуговой сталсплавилытой пеш;

- формирования рафинирующего шлака из кусковых твердых шлакообразующих компонентов (извести и плавикового шпага) для условий выпуска металла из конвертера в сталеразливочный ковш;

- процесса плавления чушкового алюминия, расположенного на границе раздела шлака я металла ь сталеразлиночном котле;

- кинетики плавления, движения и последующего усреднения жидкой фазы кусковых материалов в процессе выпуска металла из конвертера в сталеразливочный ковш (с учетом гидродинамики расплава);

- кинетики плавления порошковой проволоки в сталеразливочном ковше;

- кинетики плавления крупногабаритного алюминиевого слитка в жидком металле;

- «давления кусковых материалов в жидкой стали при сифонном заполнении изложницы;

- кинетики плавленая проволоки вводимой в кристаллизатор МНЛЗ;

3) Результаты численных исследований на основе разработанных математических моделей и алгоритмов :

-зависимости величины продольного отверстия в пакетах одинаковой массы на длительность их расплавления в кислородно -конвертерной ванне;

- процесса нагрева и плавления шихты в дуговой сталеплавильной печи в зависимости от массы металла, оставляемого в печи от предыдущей плавки;

-процесса формирования рафинирующего шлака из кусковых твердых шлакообразуюших материалов в зависимости от скорости обтекания компонентов смеси металлом и их фракционного состава;

-процесса плавления чушкового алюминия, расположенного на границе раздела шлака и металла в сталеразливочном ковше в зависимости от скорости обтекания мегалом в процессе выпуска и продувки;

-процесса усвоения титан содержащих кусковых ферросплавов в жидкой стали в процессе выпуска плавки из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш в зависимости от их фракционного состава;

-кинетики плавления порошковой проволоки в жидкой стали при выдержке металла в сталеразливочном ковше в зависимости от толщины оболочки, диаметра проволоки, скорости ввода и температуры металла;

-кинетики плавления крупногабаритного алюминиевого слитка в зависимости от расхода аргона при продувке через осевое отверстие и глубины его погружения в процессе выдержки металла в сталеразливочном ковше;

- кинетики плавления кусковых редкоземельных материалов в зависимости от их фракционного состава и температуры металла ири сифонной разливке.

- кинетики плавления проволоки в металлической оболочке, вводимой в кристаллизатор МНЛЗ в зависимости от скорости ее ввода.

4) Проверка в лабораторных и опытно-промышленных условиях адекватности разработанных методик расчета кинетики плавления материалов в расплаве.

5) На основе использования численного моделирования процессов плавления материалов в технологической цени производства стали предложенные рекомендации по усовершенствование этих процессов и их внедрению в производство.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

1. Состояние вопроса и задачи диссертационной работа.

Из анализа литературных источников, посвященных исследованиям процессов плавленкя твердых материалов в жидком металле, вытекают следующие задачи исследования:

разработка эффективных алгоритмов расчета кинетики плавления твердых материалов а расплаве, учитывающих немонотонность движения границ фазовых переходов, тепловые эффекты взаимодействия поверхности тела с расплавом и возможные процессы повторного нарастания оболочки расплава;

разработка математических моделей и исследование процессов плавления материалов во всех основных технологических агрегатах при производстве стали;

- на основе полученных результататов использования численного моделирования процессов плавления материалов в технологической цепи производства стали провести усовершенствование этих процессов и сделать рекомендации по их внедрению в производство.

2. Плавление тугоплавких и легкоплавких материалов в расплаве.

В главе подробно описаны методики расчета кинетики плавления тугоплавких и легкоплавких тел в расплаве. Уравнение теплопроводности для жидкой, твердой фаз тела и стальной оболочки имеет вид:

где к=1-жидкая фаза тела; к=2-твердая фаза тела; к=3-затвердевшая оболочка расплава, V- признак формы тела.

При плавлении легкоплавких сплавов учет теплоты фазового перехода в теле осуществлен путем введения эффективной теплоемкости с равномерным ее распределением внутри интервала температур солидус -ликвидус. Значения температур во внутренних точках тела определяются из разностного аналога уравнения (1):

п+1

Аг Дг2р;пС"

ч-1 Ч ч_ч+1

V tг+1

п т п л п

1

I51 ¿¡•И

411

4-1 1

(2)

1П 1 II

л|+1

1—1,2,3...,М,

где теплофизические параметры -теплопроводность, р"-плотность, с?-теплоемкость определяются на предыдущем временном слое "п". Расчет избыточной температуры ^ ^ (согласно метода Дюзинбера) осуществляется по уравнению:

п+З си

Ах

РмсмДг

X1

м

О,

1м+^р с»

, (3)

где оЕ - тепловой эффект взаимодействия твердого тела к расплава,(Дж/кг); - температура плавления тела, °С; индекс

"р" относится к расплаву.

Для легкоплавких материалов учитывается возможное повторное нарастание оболочки расплава. Для условий естественной конвекции в расплаве проведено сравнение расчетных и экспериментальных результатов но длительности плавления тел сферической формы. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными, проведенными в институте черной металлургии НАН Украины, не превышает 10% [1,2,28]. Разработанные алгоритмы расчета тугоплавких и легкоплавких материалов, использованы при исследовании кинетики плавления проволоки в сталеразлнвочном ковше и кристаллизаторе машины непрерывного литья заготовок.

Одним из наиболее эффективных способов ресурсосберегающей технологии доводки металла является ввод проволоки в расплав сталеразливочного ковша, промежуточного ковша или кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок. В данной работе рассматривается плавление проволоки из чистого материала (алюминий) и порошковой проволоки в стальной оболочке.

Проведены расчеты кинетики плавления проволоки диаметром 6, 9, 12, и 15 мм при температуре расплава 1550, 1600 и 1650 "С и скорости ввода 1, 4, 10 и 12 м/с [3]. Результаты расчетов показали, что для всех рассматриваемых вариантов проволока внутри" стальной оболочки расплавляется в 2-3 раза, быстрее, чем успевает

расплавиться намерзшая сталь. Установлено, что время расплавления оболочки значительно увеличивается с увеличением диаметра алюминиевой проволоки, хотя максимальная толщина оболочки практически не зависит от упомянутого фактора. Увеличение скорости ввода проволоки в сталь, приводящее к повышению коэффициента теплоотдачи, обеспечивает уменьшение толщины намерзающей оболочки и существенное сокращение времени ее полного расплавления. Установлено также, что повышение температуры стали значительно ускоряет процесс расплавления алюминия и намерзшей оболочки.

Исследована длительность плавления проволоки диаметром 3 мм в жидкой фазе непрерывного слитка сечением 250 ж 300 мм, отливаемого на МНЛЗ в условиях Беларусского металлургического завода. Расчеты проведены для средней температуры жидкой стали в кристаллизаторе порядка 1520 °С и скоростей 0.3; 0.35; 0.40 и 0.45 м/с, что соответствует скоростям разливки металла 0.6; 0.7; 0.8 и 0.9 м/мин. Анализ результатов показывает, что длительность расплавления проволоки существенно снижается с повышением скорости ее ввода в кристаллизатор. Для выбранных скоростей ввода проволоки она успевает расплавиться, находясь в кристаллизаторе.

Одним из наиболее эффективных и перспективных способов микролегирования, модифицирования и доводки стали является ввод в жидкий металл твердых добавок в металлической оболочке (в виде порошковой проволоки). Произведены расчеты длительности плавления порошковой проволоки в стальной оболочке, состоящей из порошкообразных силикокальция (СК-30) и лигатуры РЗМ (ФСЗОРЗМЗО) [4,26]. Толщину оболочки принимали равной 0.2 и 0.5 мм. Определено, что продолжительность плавления порошковой проволоки лимитируется расплавлением исходной металлической оболочки и намерзающей на ней оболочки стали (толщиной 1-3 мм) и значительно повышается при снижении температуры жидкой стали, уменьшении скорости ввода и увеличении диаметра и толщины металлической оболочки.

3. Диффузионное плавление сверхтугоплавких материалов.

Процесс плавления сверхтугоплавкого тела в расплаве происходит в два периода. Тепловой период определяется намерзанием и плавлением стальной оболочки на поверхности тела и аналогичен тепловому периоду плавления тугоплавкого тела. Диффузионный период плавления тела характеризуется взаимосвязанными процессами

внешнего и внутреннего тепло- и массопереноса. К уравнениям, описывающим процессы теплопереноса добавляется уравнение диффузии оксидов:

ЭСМ_Р

дх

УС(г, т) у 8С(г,-г)

5г2 + гу &

О < г < г0, т > тт (4)

где тт- длительность теплового периода плавления, с соответствующими граничными и начальными условиями.

Полученная система уравнений может быть решена при наличии дополнительных условий связи тепло- и массопереноса на поверхности плавящегося тела. Для численного решения данной задачи разработан алгоритм на основе метода Дюзинбера [5]. Данная методика использована для расчета диффузионного плавления извести в шлаковом расплаве и жидком плавиковом шпате, а также растворения лома при комбинированной продувке конвертерной ванны.

Определяющим звеном процесса шлакообразования является растворение (ассимиляция) извести в шлаковом расплаве. Добавляемая в плавку известь, должна быстро образовывать реакционноспособный шлак. Для этого необходимо создать условия, чтобы скорость растворения извести в расплаве была достаточно высокой. Ускорение ассимиляции (растворения) куска извести в шлаковом расплаве объясняется понижением температуры плавления извести в связи с интенсивным "пронитывакием" ее оксидами железа и кремнеземом.

Расчетами установлено, что увеличение содержания окислов железа в шлаке существенно снижает длительность растворения извести в шлаке. Для всех вариантов расчета прогрев куска до температуры расплава заканчивается в начале процесса растворения. После прогрева куска скорость его растворения увеличивается, т.к. за счет уменьшения размера куска увеличивается коэффициент массоотдачи [6].

С использованием математического моделирования процесса плавления плавикового шпата под воздействием тепла жидкой стали и последующего диффузионного плавления в полученном расплаве извести рассмотрены закономерности формирования рафинирующего шлака из ТШС при обработке малоуглеродистой спокойной стали в ковше емкостью 250 т [7,8].

Согласно диаграмме состояния СаО - Са?2, плавление поверхностного слоя извести начинается при содержании в нем не

менее 45% жидкого СаРз. При этом температуру плавления поверхностного слоя извести можно выразить в виде кусочно-линейной зависимости от процентного содержания СаР2 :

_ [2050 - 10 ■ Сп, при Сп < 60% л~ [1740 - 4.8 • Сп, при Сп > 60% где Сп - процентное содержания жидкого плавикового шпата в поверхностном слое извести.

Определено, что продолжительность формирования рафинирующего шлака при одинаковой температуре стали в значительной мере определяется размером кусков компонентов ТШС и интенсивностью перемешивания смеси с жидким металлом. Полученные закономерности использованы для определения необходимого фракционного состава ТШС в зависимости от условий формирования шлака в ковше. Установлено, что для обеспечения интенсивного (за 1- 2 мин) формирования рафинирующего шлака при вводе ТШС строго под струю малоуглеродистой стали из конвертера, диаметр кусков извести и плавикового шпата должен составлять не более 30 мм.

Результаты расчетов подтверждены исследованиями и практикой конвертерных цехов комбинатов "Азовсталь", "Криворожсталь" и им. Дзержинского; при использовании ТШС упомянутого гранулометрического состава, обеспечивается быстрое формирование шлака и достигается степень десульфурации спокойной стали в ковшах с кислой и основной футеровкой в пределах 30-50%. При этом дополнительно установлено, что воизбежание быстрой гидратации извести и выноса смеси из ковша восходящими газовыми потоками, целесообразно также ограничение минимального размера кусков ТШС (не менее 5 мм).

Численное исследование плавления лома осуществляли при различных скоростях обтекания куска лома расплавом и начальных температурах заваленного лома. Учитывая, что блюм или прессиакет являются наиболее тяжелыми и крупными кусками в составе заваливаемой шихты, по длительности их расплавления можно оценить время плавления всей шихты. В.данной работе исследована кинетика плавления лома, который в расчетах представлен в форме пластины, находящейся на границе реакционной и застойной зон в процессе комбинированной продувки конвертерной ванны [ 9-11,29].

Проведены расчеты кинетики плавления стального лома в виде: 1 - блюминговой обрези размером 400x400x850 мм: 2 - пресспакетов размером 700x1000x1800 мм. Расчеты проведены с учетом анализа литературных данных по вопросу скоростей обтекания потоками расплава куска лома в различных областях конвертерной ванны. Расчеты проведены при начальных температурах заваленного лома в диапазоне от 0 до 900 °С, свыше которой лом нагревать не рекомендуется из-за резкого увеличения длительности подогрева к возможности появления жидкой высокоокисленной фазы металла.

В результате расчетов установлена линейная зависимость времени плавления блюма, находящегося между реакционной и застойной зонами, от его начальной температуры при различных скоростях обтекания потоками расплава. Более сложный характер эта зависимость имеет в случае плавления пресспакетов, что в первую очередь обусловлено значительным влиянием температуры на теплофизические свойства спрессованного лома. Проведенные исследования способствовали совершенствованию технологии выплавки стали е 250-т конвертерах и внедрены на Днепровском металлургическом комбинате.

А. Несимметричное плавление материалов.

В некоторых задачах теплотехнологил сталеплавильного производства возможны случаи, когда плавление твердых материалов правильной геометрической формы невозможно описать схемой симметричного плавления. Например, некоторые материалы, имеющие удельный вес меньше удельного веса жидкой стали, по больше такового жидкого шлака при загрузке в сталеплавильный агрегат располагаются на межфазной границе шлак-металл. К таким материалам, в частности, относятся шлак от производства силикомарганца и алюмокремнистый шлак, применяющиеся при раскислении металла в мартеновских ¡течах Днепровского металлургического комбината. Кинетика плавления указанных материалов приведена в работах [12,30].

В данной главе описываются математические модели и алгоритмы расчета кинетики плавления легкоплавких и тугоплавких материалов, которые по форме близки к пластине и расположены между границами раздела двух жидкостей. На верхней поверхности пластины — учитывается процесс намерзания шлаковой оболочки и се последующее расплавление. Аналогично, кг нижней поверхности учитывается

процесс намерзания и последующее плавление металлической оболочки. При плавлении тугоплавкой пластины математическая модель процесса описывается уравнением теплопроводности с двумя внешними границами плавления (намерзания). При плавлении же легкоплавкой пластины необходимо учитывать возможное плавление пластины внутри шлаковой и металлической оболочек.

В практике производства стали имеются также случаи плавления материалов, которые частично погружены в жидкий металл или шлак. Если форма таких материалов такова, что ее можно рассматривать п виде пластины, то их плавление также описывается несимметричной схемой плавления в одномерной постановке задачи. Рассмотрены 2 возможных случая: плавление с сохранением расплава на верхней поверхности пластины и частичным или полным удалением расплава. Для численного решения указанных процессов разработаны алгоритмы расчета на основе методов Дюзинбера и Н.И. Никитенко. Разработанные математические модели и алгоритмы расчета несимметричного плавления материалов использованы для расчета плавления чушкового алюминия на границе раздела шлак-металл и плавления пресспакегов с продольными отверстиями в кислородном конвертере.

Раскисление стали алюминием обычно производится путем ввода чушкового алюминия з процессе выпуска металла из агрегата в ковш. Присадка чушкового алюминия используется также для корректировки содержания этого элемента в стали на установках доводки стали. Поэтому представляет значительный практический интерес определение продолжительное™ плавления чушки при различных температурах и относительных скоростях движения металла, характерных для процессов выпуска его из агрегата в ковш и доводки.

Методами математического моделирования определена длительность плавления чушки толщиной 65 мм при следующих условиях: в процессе выпуска металла из конвертора (^=1580...1650° С) при относительной скорости движения У0 от нуля (застойная зона ковша) до 15 м/с (в струе), в процессе доводки стали в ковше (<:р=1580... 1650°С) и относительной скорости движения равной 0

(застойная зона ковша) и 0.2 - 1 м/с (в зоне продувки).

Определено, что продолжительность расплавления чушки в застойных зонах ковша примерно в 40 раз больше, чем при вводе под струю металла. Это свидетельствует о целесообразности присадки алюминия при выпуске плавки из агрегата только под струю металла с

учетом возможности попадания чушек в застойные зоны. Алюминий следует присаживать не позднее чем за 165 с до момента окончания выпуска плавки из агрегата в ковш [13].

Процесс плавления алюминиевой чушки на границе шлак - металл при доводке стали в ковше рассмотрен как расплавление пластины с несимметричными граничными условиями. Продолжительность плавления алюминиевой чушки и толщина намерзшей металлической оболочки на ней значительно увеличиваются при снижении температуры жидкой стали и скорости обтекания. Это свидетельствует о необходимости ввода алюминия в околофурменную зону с наиболее интенсивным перемешиванием металла. Учитывая возможность попадания чушек в застойные зоны, алюминий должен вводиться не позднее чем за 380 с до окончания аргоняой продувки металла в ковше.

Эффективным . способом повышения скорости плавления пресспакетсв в кислородном конвертере является организация каналов в них, при этом увеличивается площадь контакта металла с пакетом. Учитывая, что длина пакета значительно превышает его поперечные размеры, которые между собой незначительно отличаются, в качестве расчетной области выбран полый цилиндр, внешний радиус которого определяется в виде И — ^аЬ / л , где а и Ь - размеры поперечного сечения пакета. Процесс плавления описывается нестационарными одномерными уравнениями теплопроводности и диффузии в цилиндрической системе координат с двумя внешними движущимися границами плавления [14,15].

При изготовлении пакета с отверстием предполагается, что его внешние размеры и масса не изменяются. Пакет имеет пористую структуру. При увеличении диаметра отверстия (а,Ь=сопхО пористость пакета уменьшается и, соответственно, изменяются теилофизическис характеристики материала пакета. Теплопроводность материала при изменении его пористости определена но формуле В. И. Оделевского :

Х,=ЛК(М,5П), (6)

где -теплопроводность компактного материала; П-пористость.

Теплоёмкость и теплота фазового перехода определен,'! по аналогичным формулам.

Проведены расчеты по определению длительности расплавления пакетов с отверстиями в зависимости от отношения внутреннего диаметра отверстая в пакете к внешнему эквивалентному диаметру

пакета. Ввиду наличия довольно низких значений коэффициентов теплопроводности пакета, при проведении расчетов не учитывали процесс намерзания расплава. Данные о пористости, тенлофизических параметрах пакетов и длительности их расплавления приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Длительность х расплавления пакета в зависимости от отношения диаметра внутреннего отверстия <1 к внешнему диаметру О.

(1 О/ - ,/о о П Рп. кг/м3 К Вт/.мК СП, Дж/кгК <Эп, Дж/кг т., с

0 0,57 3500 4,3 305 118250 288

10 0,55 3535 5,4 322 124644 175

20 0,53 3646 6,0 332 128539 166

30 0,51 3846 7,2 350 135602 164

40 0,47 4167 9,0 379 146902 157

50 0,4 4667 11.9 425 164530 136

При увеличении диаметра внутреннего отверстия длительность расплавления пакета значительно уменьшается. Так, например, при диаметре отверстия равном 50% диаметра пакета время расплавления уменьшается более чем в 2 раза в сравнении с пакетами тех же габаритов и массы, но не имеющих отверстия. Пакеты с продольными отверстиями позволяют также упростить подъемно-транспортные операции при их использовании в различных сталеплавильных агрегатах. Разработана конструктивная документация в копровом цехе ДМК по модернизации гидравлического пакетировочного пресса модели Б1642 усилием 16 МН с целью получения пакетов с отверстиями.

5. Исследование кинетики плавления и траектории движения кусковых материалов.

Важными параметрами внепечных технологий раскисления, легирования, микролегирования стати твердыми добавками являются

фракционный состав ферросплавов, лигатур, алюминия, а также место и момент их ввода в ковш в процессе выпуска плавки из сталеплавильного агрегата. В настоящей главе рассматривается методика комплексного решения задачи определения рациональных параметров технологии внепечной обработки стали твердыми кусковыми материалами в процессах выпуска плавки из конвертера в сталеразливочный ковш и сифонной разливки металла . Данная методика основана на численном решении двумерной задачи гидродинамики при выпуске металла в сталеразливочный ковш или изложницу, решении совместной задачи двумерного движения и плавления кусковых материалов с учетом полученных нолей скоростей расплава, а также решения задачи массообмена (усреднения) жидкой фазы добавки в объеме металла.

В одном из самых распространенных (для двумерных задач) методов решения уравнений Навье-Стокса естественные переменные заменяются на завихренность и функцию тока. Основным преимуществом данного подхода является то, что при введении данных переменных, исключается давление, вернее исключаются все сложности, связанные с его расчетом. При исследовании процесса выпуска метачла из кислородного конвертера в сталеразливочный ковш предполагали, что ковш имеет цилиндрическую форму. При выпуске из конвертера струя металла падает практически постоянно в центр ковша, благодаря его движению в направлении смещения струи. Таким образом, расчетная область может быть сведена к половине осевого сечения ковша, т.е. трехмерная задача гидродинамики расплава сводится к двумерной осесимметричной задаче; в работе используется алгебраический подход учета турбулентности 116]. Для решения системы уравнений гидродинамики расплава используется эффективный метод, предложенный профессором Н.И. Никитенко. Проведены расчеты гидродинамических процессов при выпуске металла из кислородного конвертера в 250-тонный сталеразливочный ковш для условий Днепровского металлургического комбината.

Приведена методика движения металлодобавки при выпуске металла из конвертера в ковш, которая состоит из трех этапов: движение в воздухе до встречи с поверхностью расплава, проникновение добавки в расплав (удар и переход через свободную поверхность), движение внутри расплава. Первый и второй этапы кратковрсменны. Проникновение добавки через свободную

поверхность расплав.1 приводит к уменьшению ее скорости. Полагаем, что добавка падает вертикально вниз на поверхность жидкого металла. Движение куска описано уравнением вида:

т(т)^ = Рр + ?А+Р1> + ?В1 (7)

где 8(т) - скорость движения куска, м/с; 1%, = т§ - вес куска; т(т) - масса куска в момент времени т, кг; РА -т*(т)§ - выталкивающая

сила; Р0=-кт*(т)~^ - сила, обусловленная движением куска в

жидкости; РЕ = -С{ ■ 3(т) • - - V) - сила сопротивления

куска; Э - V - скорость движения куска относительно расплава; С( -коэффициент сопротивления куска; 8{т) - площадь миделева сечения

куска; V - скорость расплава; т * (т) - масса расплава, вытесненная куском в момент времени г.

При расчетах принято, что в случае, когда траектория движения куска пересекает границы расчетного объема (боковую стенку, дно ковша), его удар считается абсолютно упругим, т.е. горизонтальная и вертикальная составляющие скорости куска меняют знак на противоположный, а при достижении свободной поверхности вертикальная составляющая приравнивается нулю.

Выполнены расчеты по определению продолжительности плавления и траекторий движения алюминиевых гранул сферической формы в зависимости от их размера, момента и места ввода в 250-тонный ковш при выпуске плавки из конвертера для условий Днепровского металлургического комбината. Расчет проведен до полного расплавления гранулы внутри расплава в ковше или до момента всплытия гранулы на свободную поверхность металла [17,18,31,34].

В работе рассмотрено плавление и движение отдельной гранулы, поскольку в промышленных условиях ввод кусковых (гранулированных) добавок из бункеров-дозаторов самотеком в ковш при выпуске плавки из агрегата характеризуется значительным рассеиванием присадки по зеркалу металла и раздельным входом

частиц в металл. Поэтому в модели используется процесс плавления одиночных частиц, а не их ансамбля.

Установлено, что при вводе добавки под струю металла, максимальный диаметр гранулы, обеспечивающий ее полное расплавление в объеме металла, составляет 15-17мм. Результаты расчетов подтверждены данными опытно-промышленных исследовании в условиях Днепровского металлургического комбината. При вводе алюминиевых гранул диаметром 5 15 мм под струю металла при наполнении ковша примерно на 1/2 его высоты достигалось повышенное (9.9-17.2 %) усвоение алюминия низкоуглеродистой сталью. При использовании мелких кусков и стандартных чушек алюминия размером (в поперечнике) 25-50 и 60-70 мм усвоение алюминия снижалось до 6.9-9.0 и 4.8-6.2 % соответственно. Пироэффект от взаимодействия гранул со шлаком и воздухом на зеркале металла в ковше не наблюдался; при использовании же мелких кусков и чушек пироэффекг отмечен' не только в процессе выпуска металла из конвертера, но и после наполнения ковша. Это свидетельствует о том, что гранулированный алюминий диаметром 5-15 мм полностью расплавлялся под уровнем металла в ковше.

Проведены расчеты по определению продолжительности плавления и траекторий движения кусковых ферросплавов (тугоплавких ФТИ-30 и легкоплавких ©ТИ-65) сферической формы в зависимости от их размера и момента ввода в 250-тонный ковш при выпуске плавки из конвертера для" условий Днепровского металлургического комбината. Установлено, что куски диаметром 5 мм расплавляются, достигнув дна ковша; при наполнении ковша на 1/51/3 его уровня куски ферросплавов диаметром более 5 мм уносятся потоками металла, двигаясь вдоль днища, стенки ковша, зеркала металла к струе против часовой стрелки. По достижении поверхности струи, куски вновь затягиваются ею к днищу ковша, практически повторяя предыдущую траекторию до полного расплавления куска.

По известному нолю скоростей металла при выпуске из конвертера в сталеразливочный ковш и мест)' полного расплавления куска ферросплава массоперенос жидкой фазы куска определялся по уравнению [19]:

где С - объемная концентрация переносимого вещества; Оэф -коэффициент эффективной диффузии, учитывающий турбулентный характер движения расплава. На оси симметрии, стенке и днище ковша заданы условия непротекания, а на свободной поверхности и в струе металла С = 0.

При расчете плавления легкоплавкого ферросплава, учитывая небольшие размеры куска, полагали, что ферросплав полностью расплавляется внутри оболочки расплава. В начальный момент времени расчета массопереноса (после расплавления оболочки) но известным координатам места расплавления куска определяются целочисленные значения координат ячейки разностной сетки, которая использовалась для расчета задачи гидродинамики металла. В данной ячейке сосредотачивается вся жидкая фаза куска ферросплава. В дальнейшем происходит расчет но явной разностной схеме массопереноса жидкой фазы ферросплава в объеме металла.

Плавление и мас.соперепос тугоплавкого ферросплава происходит по несколько усложненной схеме. Процесс массопереноса начинается после расплавления оболочки расплава. С этого момента производится расчет совместных процессов движения куска, его плавления и усреднения образующейся жидкой фазы. В момент расплавления очередного слоя куска вычисляются соответствующие координаты расчетной сетки. К жидкой фазе ферросплава, содержащейся в данной ячейке, добавляется расплавленная фаза поверхностного слоя куска толщиной Дг. После полного расплавления куска продолжается расчет процесса массопереноса до заданной точности усреднения жидкой фазы ферросплава.

В этой же главе приведено исследование кинетики плавления и траектории движения редкоземельных кусковых материалов, вводимых через центровую при сифонной разливке стали [20,21,35]. Расчеты показали, что механические потери лигатуры в интервале температур жидкого металла, характерном для сифонной разливки (1550-1580 °С), исключаются при использовании частиц диаметром 9 мм и менее. Результаты математического моделирования использованы при разработке и освоении промышленной технологии микролегирования металла лигатурой редкоземельных металлов (РЗМ) в центровой. Исследованиями в промышленных условиях установлено, что ввод в центровую лигатуры РЗМ на основе лигатуры ФСЗОРЗМЗО в кусках фракцией 2-9 мм обеспечивает одинаковый уровень и стабильность усвоения редкоземельных элементов, которая

составляет от 41 до 59%. При использовании кусков лигатуры более крупных фракций усвоение микролигирующей добавки сталью уменьшается. С учетом этого для микролигирования металла в центровой рекомендовано использование лигатуры РЗМ фракцией 2-9 мм.

6. Плавление материалов сложной геометрической формы.

Все многообразие реальных металл о добавок, плавящихся в расплаве сталеплавильных агрегатов, невозможно свести к простейшим телам классической формы. В данной главе приведены исследования динамики нагрева и плазления шихты (в двумерной постановке задачи) в дуговой сталеплавильной печи. Решена также задача плавления (в двумерной и одномерной постановках) плавления крупногабаритного алюминиевого слитка при выдержке металла в сталеразливочшж ковше.

Анализ способов выплавки стали в мире показывает, что в последние годы электросталеплавильное производство развивается более высокими темпами, а роль электрических печей постоянно возрастает. Проанализировав 500 плавок в 100т ДСП, на Беларусском металлургическом заводе, пришли к выводу, что главным фактором, влияющим на продолжительность плавки и на стойкость подины, является количество оставляемого в печи расплава после выпуска металла. Естественно возникает задача определения оптимальной массы оставляемого расплава с тем, чтобы производительность печи была наибольшей. С целью исследования влияния массы остатка расплава на длительность расплавления шихты в ДСП, проведено математическое моделирование процесса плавления шихты с учетом остатка расплава.

Распределение температур в шихте и ее жидкой фазе описано двумерным уравнением теплопроводности с источниками теплоты [22,23]:

дх г дг

д ~

от

+ дг

дг

+ Оэк з+<Эк оно • <9>

Выделение теплоты фазового перехода в интервале температур ликвидус-солвдус учитывается введением эффективной теплоемкости. После 10 минут процесса подогрева и плавления шихты происходит

дополнительный подогрев расплава за счет тепла (Ч)ЭКЛ экзотермических реакций окисления примесей при подаче кислорода с расходом 1300 мЗ/час. Дополнительный подогрев шихты осуществляется посредством теплопроводности и конвекции отходящих печных газов и учитывается как источниковый член 0 „ в= ау х (^(г, г, г) - 1(г, г, г)).

Для численного решения двумерного уравнения теплопроводности с соответствующими граничными и начальными условиями применена неявная разностная схема с учетом расщепления тепловых потоков по координатам. По предложенному алгоритму проведены расчеты динамики нагрева и плавления шихты в зависимости от заданной начальной массы остатка расплава. Задача решалась для 100-т ДСП Белорусского металлургического комбинат, однако указанный алгоритм может применяться для расчета динамики плавления шихты для ДСП любой емкости.

На рис. 1а представлена динамика роста жидкой фазы шихты в зависимости от первоначальной массы "болота". При увеличении начальной массы "болота" длительность плавления шихты существенно уменьшается. Зависимость среднемассовой температуры представлена на рис 16. На основании проведенных расчетов с учетом синхронизации процессов выплавки и разливки стали определено рациональное количество оставляемого в ¡течи металла и шлака, составляющее около 15 т.

В институте черной металлургии НАН Украины разработана, освоена и внедрена в конвертерном цехе меткомбината "Азовсталь" ресурсосберегающая технология микролегирования стали алюминиевым слитком, погружаемым под уровень металла в ковше после выпуска плавки из конвертера. Для обеспечения минимального времени плавления алюминиевого слитка в жидком металле принята лепестковая форма его поперечного сечения. Расчетная область для слитка в форме лепестка представлена на рис. 2.

Изменение размеров лепестков для слитков одинаковой массы влияет на площадь контакта поверхности слитка и расплава, и, как следствие, на время плавления слитка. С целью уточнения указанного влияния проведен расчет (решалась двумерная задача плавления слитка методом Н.И. Никитенко) времени полного проплавления слитков одинаковой массы с различной длиной лепестков [24,32]. В результате решения форма слитка выбрана таким образом, чтобы его плавление было равномерным со всех сторон (равенство толщин дна, стенки и половины лепестка). Это обстоятельство позволило

Bio. I. Динамика роста мессы (а) и среднемассовой температуры (б) жидкой фазы ¡йихты.

Рис. 2. Расчетная область елз&шниевого слитка.

í-j

для дальнейших исследований применить одномерную модель

плавления.

Проведено численное исследование кинетики плавления крупногабаритного алюминиевого слитка массой 450 кг и высотой 700 м.ч в сталеразлнвочном ковше, в условиях естественной конвекции при различных температурах расплава. После погружения слитка в сталь, одновременно с процессом намерзания стальной оболочки происходит плавление внутренних слоев алюминия. Установлено, что продолжительность плавления слитка мало зависит от температуры металла и значительно меньше, чем продолжительность оплавления намерзшей стальной оболочки. Лимитирующим звеном в процессе усвоения алюминия из слитка является оплавление оболочки. При этом продолжительность оплавления оболочки в решающей степени зависит от температуры расплава: при снижении температуры стали с Í650 до 1580 °С продолжительность плавления слитка увеличилась с 2.8 до 6.5 мин. Для установления адекватности математической модели проведены эксперименты в опытно-промышленных условиях. Алюминиевый слиток массой 450 кг вводили в сталеразливочный ковш емкостью 350 т со сталью СтЗкп, имеющей температуру 1600 "С. После выдержки слитка в металле з течение 4.5 и 5 мин. погруженную штангу вынимали из слитка. Установлено, что полное расплавление слитка происходило после выдержки в расплаве в течении 5 мин. При меньшей продолжительности выдержки на поверхности штанги наблюдались остатки слитка. Результаты расчетов и экспериментов практически совпадают [33].

Промышленная практика металлургического комбината "Азовсталь" показала, что при использовании крупногабаритных алюминиевых слитков обеспечивается экономия алюминия на 0.7-1 кг/т стали, однако требуется для полного расплавления слитка дополнительно около 5 мин., что в ряде случаев приводит к нарушению производственного ритма в высокопроизводительном комплексе конвертер - установка доводки металла - машина непрерывного литья, особенно при производстве толстых слябов. С учетом этого, актуально изыскание способов ускорения процесса плавления крупногабаритного алюминиевого слитка, например, за счет ввода аргона но оси слитка через иольгй футерованный стержень. Проведено численное исследование кинетики плавления алюминиевого слитка массой 300 кг и высотой 0.5 м в ковше емкостью 350 т с малоуглеродисто Г: сталью в процессе продувки металла аргоном.

Установлено, что подача аргона в количестве до 30-40 м3/ч обеспечивает значительное (с 5 до 2-3 мин) уменьшение продолжительности плавления крупногабаритного алюминиевого слитка в ковше; дальнейшее повышение расхода аргона менее эффективно и экономически нецелесообразно. Показано также, что продолжительность плавления алюминиевого слитка при одновременной обработке стали аргоном существенно (в 1.3-1.4 раза) уменьшается при увеличении глубины догружения слитка в жидком металле [25] ■ Результаты расчетов подтверждены опытно промышленными экспериментами в условиях меткомбинатов "Азовсталь" и Череповецкого. Определено, что продолжительность плавления слитка без одновременной продувки аргоном в стали типа СтЗсп составила около 5 мин, а с продувкой аргоном в количестве 3040 м3/ч на глубине около 2.5 м - около 2 мин.

7. Технпкс-экиномическне показатели результатов исследования режимов плавления материалов яри производстве стали.

В данной работе проведено численное моделирование процесса плавления материалов во всей технологической цепи-, выплавка, внепечная обработка и разливка металла. Исследована кинетика плавления блюма или пресспакета, расположенных в наиболее характерной зоне конвертера, - между рекциошюй и застойной зонами. Проведенные расчеты показали, что плавление блюма происходит лишь со стороны реакционной зоны и в кинетическом режиме, обусловленном высокими температурами г. скоростями омывающих потоков. При этом скорости намораживания, оплавления и остаточная величина оболочки существенно зависят от начальной температуры лома при любых скоростях обтекания.

Доцентом ДГТУ С.И. Морозовым разработан пакетировочный пресс, позволяющий пакетировать лом с продольным отверстием в пакете. Проведенные численные исследования влияния размеров отверстия в пакете на длительность его расплавления в кислородном конвертере при комбинированной продувке ванны показали, что увеличение диаметра каната существенно сокращает время полного расплавления пакета. Процесс плавления пресспакетов не является лимитирующим звеном в конвертерной плавке, тем не менее уменьшение длительности расплавления пресспакетов улучшает тепловую и гидродинамическую обстановку в ванне для ускоренного расплавления тяжеловесных кусков лома.

В период освоения технологии выплавки стали в 100-т дуговой сталеплавильной печи Беларусского .металлургического завода реализован один из аспектов технологии высшего технического уровня: процесс завалки и плавления шихтового материала при использовании жидкого остатка металла и шлака. Экспериментальным путем, а также с применением методов математического моделирования исследовано влияние на показатели плавки количества металла, оставляемого в печи после выпуска.

При вводе ферросплавов и чистых материалов в металл существуют проблемы их низкого и непостоянного усвоения, а также экологические проблемы. Наиболее важным параметром при подаче проволоки в металл является скорость ее ввода. Низкая скорость обуславливает ее растворение в верхних слоях металла, что способствует угару активных элементов, ухудшается рафинирование, модифицирование металла и распределение реагента по обьему ковша. Высокая скорость проволоки приводит к аналогичным результатам. Проволока, не успевшая раствориться при погружении, ударяется о дно ковша и, отражаясь от днища и стенок, выходи г в верхние слои металла или наружу.

С учетом результатов математического моделирования определено, что для промышленного использования должно быть рекомендовано применение алюминиевой проволоки умеренной толщины (9-12 мм) и высокой скорости ее ввода в сталь (10-12 м/с). Результаты расчета, полученные на основе разработанной математической модели, использованы при разработке рациональных режимов ввода порошковой проволоки через трайб-апиарат в сталеразливочный ковш емкостью 160 - 350 т. Было учтено, что ввод микролигирующих и модифицирующих добавок на установке доводки металла должен быть обеспечен за непродолжительное время (не более 3-5 мин). С учетом этого было предварительно определено, что для микролегирования и модифицирования стали в ковше емкостью 350 т следует использовать порошковую проволоку диаметром 12 - 16 мм с металлической оболочкой толщиной 0.2 мм, вводимую в металл со скоростью 7 - 10 м/с.

Перпективной является технология раскисления спокойной стали в сталеразливочном ковше массивным алюминиевым слитком, разработанная в Институте черной металлургии НАН Украины. Проведено математическое моделирование процесса плавления крупногабаритного алюминиевого слитка с учетом ввода аргона по оси

слитка через полый футерованный стержень. В 1983-1986 г.г. на комбинате " Азовсталь " с использованием алюминиевых слитков произведено более 4 млн. тонн стали. Освоение новой технологии микролегирования стали рекомендовано в конвертерных цехах других металлургических предприятий, имеющих аргонные установки для усреднения металла.

Значительный теоретический и практический интерес представляет расчет кинетики плавления кусков лигатуры ФСЗОРЗМЗО с целью определения необходимой степени ее измельчения перед вводом в центровую. Решение данной задачи представлено в предлагаемой диссертационной работе . Расчеты показали, что механические потери лигатуры в интервале температур жидкого металла, характерном для сифонной разливки (1550-1580 °С), исключаются при использовании частиц диаметром 9 мм и менее. Результаты математического моделирования использованы при разработке и освоении промышленной технологии микролегирования металла лигатурой РЗМ в центровой.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Диссертационная работа направлена на решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение. В ней разработаны теоретические основы режимов плавления материалов в жидкой стали, на основе которых исследованы ресурсосберегающие технологические процессы при выплавке, внепечной обработке к разливке стали. Многие теоретические разработки нашли применение в условиях крупных металлургических предприятий Украины, России и республики Беларусь.

2. Автором диссертационной работы применен комплексный подход. Исследования режимов плавления материалов проведены во всех основных технологических агрегатах сталеплавильного производства. Использованы современные методы исследования -математическое моделирование с применением эффективных разностных методов решения полученных дифференциальных уравнений и их систем. Разработан комплекс программ расчета процессов плавления материалов в расплаве. Программы выполнены на алгоритмическом языке ПАСКАЛЬ для IBM • совместимых персональных ЭВМ.

3. Подтверждена в лабораторных условиях адекватность разработанных методик расчета кинетики плавления материалов в расплаве. Полученные расчетным путем результаты исследований режимов плавления материалов сопоставлены с экспериментальными исследованиями в опытно-промышленных условиях и подтверждена их адекватность.

4. При исследовании режимов плавления шихты в нроцссах выплавки стали получены следующие результаты:

- разработаны математическая модель, алгоритм и программа расчета кинетики плавления лома в конвертерной ванне в условиях комбинированной донно - верхней кислородной продувки; методами математического моделирования определена длительность плавления блюминговой обрезки размером 400x400x850 и пресспакетов 700x1000 х1800 мм, находящихся на границе реакционной и застойной зон конвертерной ванны; получены зависимости продолжительности плавления блюминговой обрези и пресспакетов от скоростей обтекания их потоками расплава и начальных температур заваленного лома; выполненые исследования и предложенные разработки способствовали совершенствованию технологии выплавки стали в 250-т конверторах Днепровского металлургического комбината;

- разработаны математическая модель и алгоритм расчета процесса плавления лома в виде пакета с отверстием; исследовано влияние формы лома на длительность его расплавления. Изготовление продольного центрального отверстия в пакетах, полученных на пакетировочных прессах, позволяет сократить время расплавления пакетов. Так, например, при диаметре отверстия 250 мм время расплавления уменьшается примерно в 2 раза по сравнению с пакетами тех же габаритов и массы, но не имеющих отверстия;

- разработана математическая модель динамики нагрева и плавления шихты в дуговой сталеплавильной печи; на основании расчетов определена оптимальная масса оставляемого в цечи расплава, при которой достигается наибольшая производительность; проведены расчеты изменения среднемассовой температуры "болота" в зависимости от первоначального остатка расплава; получена динамика изменения жидкой фазы шихты в зависимости от массы оставляемого расплава; определена рациональная масса "болота" для достижения наибольшей производительности 100 - т дуговой сталеплавильной печи для условий Белорусского металлургического завода. В результате

внедрения предложенной технологии продолжительность плавки снизилась на 10 минут (7%).

5. При исследовании ресурсосберегающих режимов ввода материалов в процессе выпуска металла из кислородного конвертера в сталеразливочный ковш получены следующие результаты:

- разработаны математическая модель и алгоритм расчета формирования шлака в сталеразливочном ковше из кусковых плавикового шпата и извести; проведено численное исследование длительности формирования рафинирующего шлака в зависимости от фракционного состава компонентов и скорости омывания их расплавом; установлено, что для обеспечения интенсивности (за 1-2 мин) формирования рафинирующего шлака при вводе ТШС строго под струю малоуглеродистой стали из конвертера, диаметр кусков извести и плавикового шпата должен составлять не более 30 мм;

- разработаны комплексная математическая модель и алгоритм расчета кинетики плавления, движения и последующего усреднения жидкой фазы кусковых материалов в процессе выпуска металла из конвертера в сталеразливочный ковш (с учетом гидродинамики расплава); определено, что для минимизации взаимодействия плавящейся добавки алюминия с окисляющим воздействием шлака и атмосферы, необходим ввод алюминиевых гранул диаметром до 15-20 мм под струю металла из агрегата при заполнении ковша на 1 /2-2/3 его высоты;

разработаны предварительные рекомендации по режимам ввода в сталь титансодержащих раскислителей. Для ускорения усвоения ферротитана его добавки в процессе выпуска плавки необходимо осуществлять на ранней (до 1/2 высоты) стадии заполнения ковша. С целью завершения процесса усреднения расплавившихся добавок титана в объеме ковша ввод ферротитана необходимо завершить не позднее, чем за 2.2-2.5 минуты до окончания выпуска плавки, при этом куски ферротитана ФТиЗО должны быть размером не более 30, а ферротитана ФТи65 - 50 мм.

6. При исследовании ресурсосберегающих режимов ввода материалов в процессе выдержки металла в сталеразливочном ковше получены следующие результаты:

разработаны математическая модель и алгоритм расчета кинетики плавления алюминиевой проволоки в жидкой , стали; определены кинетические закономерности плавления проволоки в зависимости от температуры расплава, скорости ее ввода и диаметра;

проведенные расчеты и опытно-промышленные исследования показали, что технология доводки стали по содержанию алюминия за счет ввода алюминиевой проволоки (катанки) диаметром 9 мм со скоростью 12 м/с позволяет обеспечить высокое и стабильное усвоение алюминия и организовать выплавку стали с узкими пределами его содержания.

- разработаны математическая модель и алгоритм расчета продолжительности плавления порошковой проволоки в стальной оболочке при вводе в жидкую сталь; исследованы режимы плавления порошковой проволоки из силикокальцстя (СК-30) и лигатуры РЗМ (ФСЗОРЗМЗО) со стальной оболочкой толщиной 0.2 и 0.5 мм в процессе продувки металла в ковше; рекомендовано при микрелегировании и модифицировании стали в ковше емкостью 160350 т использовать порошковую проволоку диаметром 12-16 мм со стальной оболочкой толщиной 0.2 им, вводимую в расплав со скоростью 7-10 м/с;

разработана математическая модель плавления крупногабаритного алюминиевого слитка лепестковой формы в период выдержки металла в ковше; определена продолжительность плавления слитка от температуры металла в ковше; разработана математическая модель плавления крупногабаритного алюминиевого слитка лепестковой формы с одновременной продувкой металла аргоном в ковше; установлено, что подача аргона в количестве 30 - 40 куб. метров в час существенно уменьшает длительность расплавления слитка; показано также, что увеличение глубины погружения слитка способствует уменьшению длительности его расплавления;

7. При исследовании ресурсосберегающих режимов ввода материалов в процессе разливки металла получены следующие результаты:

- разработаны математическая модель и алгоритм расчета кинетики плавления частиц лигатуры ФСЗОРЗМЗО при микролегировании металла в процессе разливки сифоном; определена необходимая степень измельчения лигатуры (до фракции кусков 2 - 9 мм) перед вводом в центровую, обеспечивающая высокое и стабильное усвоение редкоземельных элементов; технология ввода кусковых редкоземельных материалов в центровую при сифонной разливке стали внедрена на металлургическом комбинате "Криворожсталь";.

- разработаны математическая модель и алгоритм расчета кинетики плавления проволоки в кристаллизаторе МНЛЗ;

установлено, что длительность расплавления проволоки сильно зависит от скорости ее ввода в кристаллизатор.

8. Разработанные математические модели, алгоритмы и результаты численных исследовании кинетики плавления материалов и изделий были использованы при разработке энерго- и ресурсосберегающих технологий производства стали на основных металлургических комбинатах Украины, России и республики Беларусь. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил более 4-х млн. рублей (в масштабах цен до 1990г.). Долевое участие автора составляет более 600 тыс. рублей.

Основное содержание диссертации отражено в работах:

1. Теплообмен н тепловые режимы в промышленных печах/ Ткмошпольский В.И., Трусова И.А., Стсблов А.Б., Павлюченков И.А. // Минск, "Вышейшая школа", 1992.. -217с.

2. Павлюченков И.А. Плавление тугоплавких материалов в расплаве // Математическое моделирование. - Днепродзержинск: ДГТУ, 1994. - С. 46-55.

3. Исследование процесса плавления алюминиевой проволоки при вводе в сталь/ В.А. Вихлевщук, И.А. Павлюченков, В.Г.Щербинсккй и др.// Изв. вузов. Черн. металлургия. -1988. - >è 2. -С. 32-38.

4. Исследование кинетики плавления порошковой проволоки при вводе в жидкую сталь /Павлюченков И.А., Вихлевщук В.А., Тнмошпольскнй В.И. и. др. // Изв. вузов.Экергетика. - 1992.- № 910. - С. 87-91.

5. Математическое моделирование процесса диффузионного плавления тел правильной геометрической формы в железоуглеродистом расплаве / А.П.Огурцов, Н.М.Барабаш, PI.А.Павлюченков и др.// Изв.вузов.Чер.металлургия. -1983.- №10.-С. 37-41.

6. Численное исследование процессов тепло- и массопереноса при растворении извести в шлаковом расплаве / А. П. Огурцов, С.К.Курганов, Н.М.Барабаш, И.А.Павлюченков и др. // Изв.вузов. Чер.металлургия. -1982. - №12. - С. 12-16.

7. Математическое моделирование процесса формирования рафинирующего шлака из кусковой твердой шдакообразующей смеси в , ковше /Вихлевщук В.А.,Павлюченков И.А.,Ленорский C.B. и др. // Изв. вузов. Черн. металлургия. -1992. - >5? 4,- С. 14-15.

8. Промышленная технология внепечного рафинирования стали кусковой и порошкообразными смесями / Харахулах B.C., Вихлевщук В.А., Стороженко A.C., Павлюченков И.А. и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1995. -Hal. - С. 11-14.

9. Численное моделирование растворения лома при комбинированной продувке конвертерной ванны /А.А.Гресс, И.А.Павлюченков, Е.В.Сало и др.// Изв.вузов.Энергетика. -1990. -№ 7. -С. 96-99.

10. Математическое моделирование кинетики плавления лома при комбинированной продувке конвертерной ванны / И.А.Павлюченков, А.Г.Черпятевич, В.Р. Джувага и др. // Изв.вузов. Чер.металлургия.-1987. -№ 6. -С. 116-119.

11. Павлюченков И.А., Кривко Е.М., Чуб П.И. Кинетика плавления коржей шлака силшсомарганца в конвертере /'/' Изв.вузов. Чер.металургия. -1987. 7. -С. 11-13.

12. Кривко Е.М., Павлюченков И.А., Чуб П.И. Исследование кинетики плавления шлаков ферросплавного производства в мартеновской печи./,/ Изв.вузов. Черная металлургия. -1983. -№ 7. -С. 28-32.

13. Моделирование процесса плавления чушкового алюминия при раскислении и доводке стали в ковше / Вихлевщук В.А., Носов К.Г., Поляков В.Ф., Павлюченков И.А. и др. // Известия вузов.Черная металлургия. - 1988. -№9. -С. 31-34.

14. К вопросу использования пакетов с отверстиями при выплавке стали в кислородных конвертерах /С.И.Морозов, И.А.Павлюченков, Е.А.Сало и др. // Изв.вузов. Чер. металлурги я. -1991. - №8. - С.64-66.

15. Павлюченков И.А., Морозов С.И., Черномаз Г.Н. Плавление пакета с отверстиями в кислородном конвертере.// Математическое моделирование. - Днепродзержинск: ДГТУ, 1994. - С. 56-66.

16. Самохвалов С.Е., Огурцов А.П., Павлюченков И.А. Методика определения параметров турбулентности в численных экспериментах // Тепломассообмен и гидродинамика в турбулентных течениях. -Алушта,- 1992,- С. 126-127.

17. Разработка рационального сортамента ресурсоэкономных изделий для раскисления стали в ковше / Вихлевщук В.А., Вяткин Ю.Ф., Павлюченков И.А. и др. // Изв. вузов. Черн. металлургия. -1992. - №2. - С. 12-14.

18. Численное моделирование кинетики плавления легкоплавких кусковых металлодобавок при выпуске металла в сталеразливочный ковш / Харахулах B.C., Вихлевщук В. А., Огурцов А.П., Павлюченков И.А. и др. // Изв. вузов. Черн. металлургия. -1994.-№ 9. - С. 16-18.

19. Кривко Е.М., Павлюченков И.А., Самохвалов С.Е. Численное моделирование распределения примесей при заполнении ковша металлом. /Изв. вузов. Чёрная металлургия. - 1991. - № 11. - С. 1517.

20. Исследование плавления лигатуры РЗМ при микролегировании стали в процессе разливки / Вихлевщук В.А.,Коловай Л.В.,Пинпок В.П.,Павлюченков И.А. и др. // Изв. вузов. Черн. металлургия. - 1987. - J>!?12. - С. 126-131.

21. Исследование кинетики плавления раскислителей при химическом закупоривании кипящей стали /Кривко Е.М.,Щербипский В.Г.,Павлюченков И.А. и др. // Изв.вузов. Черная металлургия.- 1986. - №11. - С. 28-32.

22. Теплотехнические расчеты электросталеплавильных печей Белорусского металлургического завода / В.И.Тимошпольский, И.А.Т русова, И.А .Паалюченков и др. // Изв. вузоз. Энергетика. -1992. - № 7-8. - С. 70-74.

23. Математическое моделирование теплообменных процессов в сверхмощных дуговых сталеплавильных печах/ М.И. Стрелюк,

B.И.Тимошпольский, Папкович В.Н., Воронова Н.П., И.А.Павлюченков и др. // Изв. вузов. Энергетика. - 1991. - №5. -

C.86-90.

24. Павлюченков И. А. Тспломассообменныс процессы при плавлении твердых материалов в жидком расплаве сталеплавильных агрегатов. / Дне. канд. техн. паук. Днепродзержинск. 1983. -155 с.

25. Исследование процесса плавления слиткового алюминия с одновременной продувкой стали в ковше аргоном / Харахулах B.C., Вихлевщук В.А., Павлюченков И.А. и др. // Изв. вузов. Черн. металлургия. - 1995. - N.>1. - С, 18-20.

26. A.c. 1219654 (СССР) Способ легирования стали / К. Г. Носов,Е.М. Кривко, А. П. Огурцов, И. А. Павлюченков и др.-Заявлеко 22 02.84. - № 3703597/22-02,- 0публ.23.03.86. - Бюл. № 11.

27. A.c. 1154341 (СССР) Способ раскисления и легирования стали в ковше / Кривко Е.М., Кокнаниец В.Н..,В.А.Тарасенко,

Павлюченков И. А и др.- Заявлено 18.05.83.-№3591790/22-02,-Опубл.07.05.85.-Бюл.№ 17.

28. Расчет кинетики плавления пластины в расплаве /, Павлюченков И.А., Джувага O.A., Щербинский В.Г. и др. // УкрНИИНТИ. - Днепродзержинск, 1987. - 6с. Деп. № 11392п -Д87. 7.04.87.

29. Математическое моделирование кинетики плавления ферросплавов в кислородном конвертере /Кохан Л.С., Павлюченков И.А., Щербинский В.Г. и др. // УкрНИИНТИ. - Днепродзержинск, 1985. - 5с. Деп. N.. 2727и -Д85. 12.12.85.

30. Кривко Е.М., Павлюченков И.А., Щербинский В.Г. Исследование кинетики плавления шлаков ферросплавного производства в мартеновской печи методом сеток.// УкрНИИНТИ. -Днепродзержинск, 1983. - 5с. Деп. № 331п -Д83. 25.07.83.

31. Расчеты кинетики плавления твердых микродобавок азотированного феррованадия при выпуске металла в ковш / В.А.Вихлевщук, В.И.Тимошнольский, Павлюченков И.А и др.// РЖ "Известия вузов. Энергетика". - М.ВИНИТИ. - Минск, 1992. - Зс,-Деп. №3417. - ВД2 2.12.92.

32. Исследование кинетики плавления слиткового алюминия в жидкой стали методом сеток / Никитенко Н.И., Павлюченков И.А., Вихлевщук В.А. и др.// Черметинформация. - Днепропетровск, 1983. - 6с.- Деп. №2117. - Д83 29.08.1983.

33. Плавление слиткового алюминия при выдержке металла в ковше / Павлюченков И.А., В.И.Тимошпольский, В.А.Вихлевщук и др.// РЖ "Известия вузов. Энергетика". - М.ВИНИТИ. - Минск, 1992. - 6с,- Деп. №2700. - ВД2 31.8.92.

34. Численное моделирование процесса плавления и усреднения гранулированного алюминия при выпуске металла в сталеразливочный ковш/ Вихлевщук В.А., Павлюченков И.А., Самохвалов С.Е. и др. //Совершенствование металлургической технологии в машиностроении: Тез. докл. Волгоград, 1991. - С. 94-97.

35. Павлюченков И.А., Черномаз Т.Н. Исследование кинетики плавления гранулированных материалов при микролегировании стали в процессе разливки сифонным способом / / Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии: Тез. докл. Новокузнецк, 1991. - С. 181-182.

Si-

Annotation

Pavlyuchenkov I.A. Theory and technology of materials melting during the process of stee! production.

Thesis submited for degree of Doctor of Sciences on ferrous metallurgy Speciality's code 05.16.02. the State Techical University, Dneprodzerzhinsk, 1995, manuscript, 350p., 17 tables, 58 figures, bibliografy - 234 titles.

There are defended 33 articles and 2 author licences.

This dissertation contains the teoretical investigations of materials' melting processes in the steel production technology. The recommendations are made as to optium mass of melt residue during steel smelting in the 100-tons arc steel-smelting furnace. The recommendations are made as to the rational fractional composition of the ferroalloys containing titanium, granulated aluminium and components of slag forming mixture, which are used during the processes of alloyage, deoxidation and slag forming in the process of metal tapping from the converter to the steel-pouring ladle.

Worked out mathematical models, algorithms and kinetics' numerical investigations' results' and products' melting were used in the development of power- and resource-saving technologies of steel production at the main metallurgical works of Ukraine, Russian and Byelorussia. The tola economic benefit from the implementation of the dissertation's results constitutes more than 4 million roubles (according to the prices before 1990). Author's share holding constitutes more than 600,000 roubles.

Ключевые слова: плавление, выплавка, внепечная обработка, разливка металла, математическое моделирование,