Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
25
ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
АНІКАЄВА Алла Анатоліївна
УДК 669.18.054
ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ БЕЗПЕРЕРВНОЛИТОГО МЕТАЛУ ЗА РАХУНОК РАФІНУВАННЯ І ДОДАТКОВОГО РОЗКИСЛЕННЯ СТАЛІ
В ПРОМКОВШІ
Спеціальність 05.16.02 –Металургія чорних металів
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття вченого ступеню
кандидата технічних наук
Маріуполь –
Дисертація є рукописом.
Робота виконана на кафедрі теорії металургійних процесів Приазовського державного технічного університету (ПДТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Заслужений діяч науки України
Казачков Євген Олександрович,
Приазовський державний технічний
університет (м. Маріуполь), завідувач
кафедрою теорії металургійних процесів.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
кафедри ливарного виробництва ПДТУ
Скребцов Олександр Михайлович
кандидат технічних наук, начальник
групи лабораторії безперервного розливання
сталі ЦЛМК ВАТ МК "Азовсталь"
Ісаєв Олег Борісович
Провідна установа: Національна металургійна академія України,
м. Дніпропетровськ
Захист відбудеться "__"_жовтня_2000р. о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, ПДТУ, пров. Республіки, 7, м. Маріуполь Донецької області, Україна.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Приазовського державного технічного університету за адресою: 87500, м. Маріуполь, вул. Апатова, 115.
Автореферат розісланий "__"_вересня_ 2000 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради К 12.052.01
доктор технічних наук, професор В.О. Маслов
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Нині велика увага приділяється підвищенню якості безперервнолитого металу за рахунок зниження забрудненності сталі неметалічними включеннями, стабілізації її хімічного складу і механічних властивостей прокату.
Актуальність теми.
Одним із способів рафінування сталі від НВ є використання промковшів (ПК) з фільтруючими перегородками. Процеси рафінування в таких ковшах засновані на коагуляції НВ за рахунок струмних турбулентних потоків металу і подальшому видаленні укрупнених включень. Незважаючи на численні дослідження, присвячені аналізу процесів коагуляції НВ в процесі позапічної обробки і безперервної розливки сталі, кількісні оцінки зміни розподілу НВ в ході рафінування досить небагаточисленні. Наслідком цього є і переважно емпіричний характер вибору конструктивних параметрів фільтруючих перегородок в промковшах. Таким чином, актуальним є дослідження зміни розподілу НВ за розмірами в процесі безперервної розливки через ПК різноманітної конструкції і аналіз впливу конструктивних параметрів ПК і перегородок на процеси рафінування сталі від НВ.
Крім того, широко застосовуються технологічні прийоми, які грунтуються на потоковому рафінуванні і мікролегуванні сталі реагентами, що вводяться порошковим дротом або монолітною катанкою (алюміній), що перетворює ПК в агрегат для комплексної обробки сталі в процесі безперервної розливки. Обробка сталі в ПК алюмінієм дозволяє стабілізувати хімічний склад металу і, зокрема, запобігти помітному впливу вторинного окислення на хімічний склад сталі.
Наявність фільтруючих перегородок помітно впливає на структуру потоків в ПК і розподіл добавок, що вводяться. Тому дослідження гідродинамічних процесів в таких ПК і вибір раціональних параметрів введення легуючих добавок також є досить актуальними.
Дисертаційна робота присвячена дослідженню поля швидкостей і структури потоків в промковшах (ПК) з фільтруючими перегородками, математичному моделюванню процесів коагуляції і видалення неметалічних включень (НВ) в ПК, а також аналізу процесів вторинного окислення в ПК при розливки серій плавок і вибору раціональної технології обробки сталі в ПК алюмінієм з метою стабілізації її хімічного складу.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках теми 1.6.2.13-97 НАН України “Дослідження фізико-хімічних особливостей взаємодії хімічно активних елементів з рідкою сталлю в процесі безперервної розливки при обробці її порошкоподібними добавками”, а також госпдоговірної теми № 174/884-95/894 “Розробити і освоїти технологію введення мікролегуючих добавок в промковш при безперервній разливці”.
Пошукувачем виконані дослідження безперервної розливки із застосуванням фізичного і математичного моделювання процесів массообміну в промковші, процесів видалення неметалевих включень і фізико-хімічних процесів вторинного окислення і розкислення сталі алюмінієвою катанкою в промковші, участь в промислових експериментах процесів безперервної розливки
Мета і задачі дослідження. Метою цієї роботи була оцінка впливу конструктивних параметрів ПК і фільтруючих перегородок на процеси рафінування сталі від НВ і вибір раціонального режиму введення алюмінієвої катанки в промковш для стабілізації вмісту алюмінію в сталі на основі дослідження поля швидкостей і структури потоків в ПК, математичного моделювання процесів коагуляції і видалення НВ, дослідження інтенсивності процесів вторинного окислення і динаміки зниження концентрації алюмінію в сталі в ході безперервної розливки.
Об'єкт дослідження: процеси рафінування і додаткового розкисления сталі в ході безперервної розливки через проміжні ковші з фільтруючими перегородками.
Предмет дослідження: поле швидкостей і структура потоків в промковшах різноманітної конструкції, зміна забрудненності сталі і розподіл неметалевих включень за розмірами в ході безперервної розливки з урахуванням впливу конструктивних параметрів промковша і перегородок, зміна і стабілізація вмісту алюмінію в сталі за рахунок введення невеликих добавок алюмінію в промковш в процесі розливки серій плавок.
Основними методами дослідження в представленій роботі були: використання математичного і фізичного моделювання, проведення експериментів у виробничих умовах на діючій слябовій МБЛЗ. Розрахунки за математичними моделями виконувалися на персональних ЕОМ за спеціально розробленими програмами. Результати розрахунків зіставлялися з експериментальними даними, отриманими на промисловій слябовій МБЛЗ. Для визначення складу металу використовувалися сучасні методи хімічного аналізу. Обробка даних за вмістом алюмінію в процесі безперервної розливки способом “плавка на плавку”проводилася за допомогою методів математичної статистики. Оцінка забрудненності металу неметалічними включеннями здійснювалася на нетравлених шліфах від проб металу, відібраного з ПК і кристалізатора з використанням стандартних методик.
Наукова новизнаотриманихрезультатів.
Практичне значення отриманихрезультатів. Результати теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних в дисертаційнійроботі, використані на металургійному комбінаті “Азовсталь”в процесі розробки рекомендацій до технологічного режиму обробки сталі мікролегуючимидобавками в промковшіі вдосконаленні його конструкції.
На основі виконаних в дисертації досліджень із застосуванням гідравлічного моделювання встановлені характеристики поля швидкостей металу в ПК з фільтруючими перегородками. Отримані результати дозволили уточнити значення коефіцієнта тепловіддачі від рідкої сталі до поверхні алюмінієвої катанки, що вводиться в приймальну секцію ПК і визначити раціональну швидкість введення її в ПК.
Результати проведеного дослідження процесів вторинного окислення металу в ПК і дослідження структури потоків в ПК використані у процесі розробки раціонального режиму додаткового введення алюмінієвої катанки в ПК для стабілізації вмісту алюмінію в металі при відливанні серії плавок.
Результати математичного моделювання процесів рафінування сталі від НВ при її проходженні через ПК використані для вдосконалення конструкції ПК і фільтруючих перегородок.
Впровадження результатів дисертаційної роботи забезпечило зниження кількості відсортованих плавок низьколегованої сталі за нижньою межою вмісту алюмінію в 2 рази. Пайовий економічний ефект становив 60 тис. грн.
Випробування результатів дисертації. Основний зміст дисертаціоній роботи докладався і обговорювався на X міжнар. конф. “Сучасні проблеми електрометалургії сталі" (Челябінськ, 1998 р.), VI, VII і VIII регіональних науково-технічних конференціях (Маріуполь, ПГТУ, 1998-2000г. г.), науково-технічній конференції, присвяченій 100-річчю ДМетАУ (Дніпропетровськ, 1999 р.), конференції молодих фахівців МК “Азовсталь", міжнародній науково-технічній конференції присвяченій 90-річчю з дня народження професора Володимира Івановича Явойського (15-19 травня 2000 р.), наукових семінарах кафедри теорії металургійних процесів ПГТУ.
Публікації. Основний змістроботивідображенийв чотирьох статтях і тезах 5 доповідей.
Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, посилань з 108 найменувань, додатку і містить 184 сторінок машинописного тексту, 35 малюнків і 23 таблиці.
1. РАФІНУВАННЯ І МІКРОЛЕГУВАННЯ СТАЛІ В ПРОМІЖНОМУ КОВШІ
В останні роки промковш УНРС все більше перетворюється в металургійний агрегат безперервної дії, призначений для додаткового позапічного рафінування сталі і підвищення її якості. Застосування багатосекційних проміжних ковшів з системою перегородок і порогів різноманітної конструкції в поєднанні з продуванням аргоном і модифікацією неметалічних включень кальцієм або РЗМ сприяють отриманню надчистою сталі.
Способи і результати рішення задач рафінування сталі в ПК значною мірою залежать від гідродинамічних процесів в ньому, регульованих в основному конструкцією і місцем установки перегородок і порогів, а також фільтрів. Однак пряме дослідження гідродінаміки безперервної розливки практично неможливе, тому вибір раціональної конструкції ПК грунрується загалом на результатах моделювання (фізичного або математичного).
Незважаючи на наближений характер фізичного моделювання, його результати представляють значний інтерес як для розробки раціональної конструкції ПК, так і для оцінки адекватності результатів математичного моделювання. У зв'язку з цим найбільш привабливими є методи імпульсного введення індикатора і візуалізації турбулентної течії, що допускають використання результатів моделювання безпосередньо для проектування технології. На основі результатів фізичного моделювання вдалося уточнити місце установки перегородок в ПК і оцінити раціональний кут нахилу отворів у фільтруючих перегородках.
Опубліковано цілий ряд робіт, що стосуються математичного моделювання безперервної розливки. Однак їх очевидним загальнимнедолікомєскладність програмування і рішеннядиференціальних рівнянь гідродинаміки, що обмежує можливість вживаннярезультатів моделювання до технічних задач. Для опису структури потоків в ПКзастосовуються і більш прості комбіновані осередкові моделі, що засновуються на уявленнях про ідеалізовані осередкиідеального змішення, ідеального витіснення і “мертві”зони. Оцінка параметрів осередківпроводитьсяза кривими відгуку, що отримуютьсяна водяних моделях, приімпульсному введенні індикатора. Незважаючи на те, що ці моделі єпереважно статистичними, їх застосуваннядля чисто інженерних цілей є не менш (а іноді і більш) продуктивним, ніж застосування складних математичних моделей, заснованих на теорії турбулентності. Однак для ПКз фільтруючими перегородками відомі лише одиничні напівкількісні дослідження, що стосуютьсяопису структури потоків в ПКабо його розливної секції.
Перемішування розплаву в проміжному ковші має значний вплив на укрупнення і видалення включень, забезпечуючи перенесення включень до поверхні розділу метал-шлак і їх укрупнення. Загальноприйнятою є точка зору, що основним механізмом видалення неметалічних включень з розплаву є їх укрупнення внаслідок злиття більш дрібних часток з подальшим спливанням до межі розділу метал-шлак. Кількісний опис процесу укрупнення НВ грунтується на уявленнях про ортокінетичну коагуляцію. Сильний вплив процесів коагуляції на очищення сталі від НВ і в ПК з фільтруючими перегородками підтверджується в багатьох роботах, однак кількісні оцінки, що стосуються відносного впливу процесів коагуляції і спливання НВ в шлак на результати рафінування сталі в ПК, практично відсутні.
Велика увага приділяється процесам вторинного окислення, що протікають в промковші. Вторичне окислення помітно впливає як на чистоту металу за НВ, так і на хімічний склад сталі. Для стабілізації хімічного складу сталі широко застосовується введення алюмінію в промковш (порошковим дротом або катанкою). Використання ПК з фільтруючими перегородками внаслідок високої ефективності рафінування значною мірою знімає проблему видалення НВ, утворення яких можливе в приймальній секції ПК при введенні алюмінію. Рівномірність розподілу в ПК з перегородками також досягається, але з метою економії алюмінію і стабілізації його вмісту у вузьких межах режим його введення в ПК повинен бути пов'язаний як з інтенсивністю процесів вторинного окислення, так і з температурно-швидкісним режимом розливки.
2. ФІЗИЧНЕ І МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПОЛЯ ШВИДКОСТЕЙ І СТРУКТУРИ ПОТОКІВ В ПРОМІЖНОМУ КОВШІ
Основні характеристики руху розплаву і структури потоків в промковші можна встановити, використовуючи гідравлічне моделювання на прозорих моделях. При виборі масштабу моделі, досить забезпечити умову автомодельності за числом Рейнольдса. При цьому масштаб швидкостей визначається за критерієм Фруда. Достатня подібність гідравлічних процесів в реальному ПК і водяної моделі забезпечується при лінійному масштабі М= 1/6, який і був прийнятий при виготовленні гідравлічної моделі ПК дворівчакової слябової МБЛЗ місткістю 43 т з фільтруючими перегородками.
Для дослідження поля швидкостей в промковші і виявлення застійних зон використовувався метод фотознімання візуалізованого турбулентного потоку. Візуалізація течії досягалася введенням в потік контрастної фарбувальної речовини. Напрям течії і швидкість рідини визначалися за переміщенням межі підфарбованої рідини.
На мал. 1 наведенийзразок фотограми, отриманоїпривведенні контрастноїфарбувальної речовини в три ряди каналів, розташованих в роздільній перегородці.
Для дослідження структури потоків використана та ж фізична модель, що і при дослідженні поля швидкостей методом візуалізації потоків. Моделюючою рідиною була водопровідна вода, а індикатором - водний розчин соляної кислоти. Концентрація індикатора у воді визначалася кондуктометричним методом Градуювання системи вимірювання опору датчика проводилося за серією розчинів НCl.
Для аналізу структури потоків і дослідження процесів перенесенняв ПКвикористана однопараметричнамодель із зворотнимперемішуванням, що описується рівнянням:
(1)
де С - концентрація індикатора; τ - час; Deff- ефективний коефіцієнт дифузії (коефіцієнт зворотного перемішування); w - середня швидкість потоку з розрахунку на весь поперечний перетин ПК; х- подовжнякоордината.
Початкові і граничні умови визначалися для імпульсного введення індикатора:
С(τ= 0, х) = Снач*δ(0) (δ(0) дельта-функція; Снач- початкова концентрація); прих=0 ; прих=L (Свх- концентрація індикатора у вхідному потоку).
Для аналізу зворотногоперемішування в промковшібез перегородок були проведенідві серії експериментів: з імпульсним введенням індикатора під струмину, що поступаєв модель ПК, і з введенням індикатора в центральний вертикальний ряд отворів перегородки.
Експерименти проводилися припостійній швидкості розливки, що відповідала натурі в промислових умовах безперервної розливки. Середнє значення числа Пекле для ПКбез перегородок становило - 8,5; для розливної секції ПКз фільтруючими перегородками - 3,6.
Адекватність отриманихзначень Pe (Deff) перевірялася шляхом зіставлення результатів чисельного рішеннярівняння (1) для відповідних умов і експериментальних кривих відгуку. Прикладотриманихрезультатів представленийна мал. 2.
3. МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ І ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ РАФІНУВАННЯ СТАЛІ ВІД НЕМЕТАЛЕВИХ ВКЛЮЧЕНЬ
Використання ПК з фільтруючими перегородками є одним із способів зниження забрудненності сталі НВ. Процеси рафінування в таких ковшах грунтуються на коагуляції НВ за рахунок турбулентної течії металу в робочому просторі фільтрів і подальшому видаленні укрупнених включень.
Основою для кількісного опису процесів коагуляції і видалення НВ з урахуванням розподілу їх за розмірами може служити балансове інтегро-диференціальне рівняння:
, (2)
де f(v, t ) - щільність розподілу кількості включень за об'ємом, K(f, v-f) і K(f, v) - константи швидкості коагуляції, v - об'єм НВ, t - час, Sуд - швидкість видалення включень.
Повнота видалення великих НВ в промковші дозволяє обмежити верхню межу інтегрування в рівнянні (2) об'ємом включень діаметром 120-150 мкм. Крім того, промковш МБЛЗ - проточна місткість, що працює в умовах, близьких до стаціонарних.
Застосовно до проточного осередку ідеального змішення і при використанні кусково-лінійного (або кусково-постійного уявлення) рівняння (2) зводиться до системи алгебраїчних рівнянь:
, i =1,…., N; (3)
де - значення щільності розподілу НВза розмірами увхідному потоці для фракції з об'ємомчасток ; i - індекс фракції; N - число фракцій; u - швидкість спливання часток i-й фракції; S - поверхня розділу метал-шлак для осередку, що розглядається; R-швидкість розливки; r- щільність металу; - середній час перебування металу в осередку, ; G - маса металу в секції.
Для характеристики розподілу НВза розмірами найбільш зручна нормована щільність розподілу, що визначається умовами і (- число включеньз розмірами, що знаходяться в інтервалі ; N- загальнечисло включеньз розрахунку на одиницю об'ємуметалу).
Привикористанні відносної функції розподілу і з урахуванням скорочення чисельника і знаменника на Nпрививеденні (3) константи швидкості коагуляції K(v, v) розраховувалися за рівнянням:
, (4)
де dv1, dv2- діаметри включеньоб'ємомvі vвідповідно; - питома швидкість дисіпаціїтурбулентної кінетичної енергії; - кінематична в'язкість; - ефективність зіткнень; С - постійна, рівна 4/3.
Для вільної струмини середнє значення питомої дисіпаціїенергії оцінювалося за рівнянням:
, (5)
де I - імпульс вільного струменя; r - щільність металу; Н- довжина вільної струмини; V - об'ємрозплаву.
У рівняння системи (3) входить безразмернийтвірабо, що більш зручно для алгебраїчних перетворень, , яке може бути зведене до форми, що залежить лише від перетину отворів джерела і довжини струмини, але не від об'ємуагрегату (зони):
, (6)
де: , NОТВ- число отворів; Sобщ- загальнийперетинотворів.
Процеси коагуляції (і одночасно видалення НВв шлак) в приймальній секції для стаціонарних умов розливкибезпосередньо описуються системою рівнянь (3). Однак для розливної секції ПКкартина течії і математичний опис процесів рафінування складніше. Спрощеноможна розділити стадії коагуляції і рафінування, і одинрівчак трехсекційногопромковшапредставитикомбінованою моделлю, яка включає:
Промковшбез перегородок представляється аналогічною моделлю.
ВидаленняНВв розливній секції приумовах, близьких до стаціонарних (), описувалося на основі двухпараметричноїмоделі зі зворотнимперемішуванням:
, (7)
де ui- швидкість спливання i-йфракції НВ; Dx, Dy- ефективні коефіцієнти турбулентної дифузії; w - осередненашвидкість течії рідини в перетині ПК; ci- концентрація НВi-йфракції.
Достоїнствоммоделі зі зворотнимперемішуванням єможливість оцінки параметрів перенесенняDXі частково DYпо кривих відгуку моделі ПКабо реального ПКна обуренняза потоком (імпульсне або ступінчасте). У першому наближенні DX=DY=Deff).
Граничні умови для рішення(7) приймалися такими:
на лівій межі; на правій межі; на нижній межі; на верхній межі.
Розроблена модель дозволяє прослідкувативплив основних конструктивних параметрів перегородки з каналами на рафінування металу.
Приневеликому куті нахилу каналів довжину вільної частиниструминм для області коагуляції можна прийняти рівною довжині розливної секції, тому що варіювання кутанахилу каналів в межах 0… 20слабо впливає на максимальну довжину струминм. Перетин каналів перегородки зручно охарактеризувати відносною величиною (- відносний сумарний перетин каналів; - площаперетину ПКпо перегородці; - сумарна площаперетину каналів).
Для розрахунків впливу конструктивних параметрів фільтруючих перегородок на процеси коагуляції і рафінування сталі від НВбрався логнормальныйзакон розподілу НВза розмірами. Збільшення числа отворів (при збереженні постійним їх сумарного перетину) призводитьдо зниження загальноїзабрудненностіметалу НВ. У цьому ж напрямі, але трохи слабше впливає зниження сумарного перетину каналів в перегородці (чим менше сумарний перетин, тим сильніше розвиваються процеси коагуляції). Припостійному сумарному відносному перетині отворів Sотн=0,1 збільшення числа отворів з 3 до 9 призводитьдо зниження розрахункового залишкового вмістувеликихі середніх НВдіаметром понад 14 мкмна 76 %. Зниження сумарного перетину отворів в 4 рази (з Sотн=0,2 до Sотн=0,05) припостійному їх числі (в розрахунку 9) призводитьдо зниження розрахункового залишкового вмістусередніх і великихНВна 49 %.
Однак отриманірезультати адекватні лише для відносно великихотворів в перегородці (діаметром 50-100 мм), так як приподальшому зниженні діаметра одиничного отвору буде зменшуватисяі довжина вільної струмини, і в рівнянні (6) доведетьсявраховувати залежність Н=Н(Sотн). Орієнтовно довжина вільної струмини, в якій досить інтенсивно протікають процеси коагуляції, не перевищує 10-20 діаметрів одиничного отвору (тобто 1…2 метрів).
Дослідно-промислова перевірка результатів фізичного і математичного моделювання процесів рафінування в ході розливкичерез ПКз фільтруючими перегородками проводилася в промислових умовах конвертерногоцеху металургійного комбінату “Азовсталь".
Розливказдійснюваласяна дворівчаковійслябовійМБЛЗ, прицьому фільтруюча перегородка встановлювалася лише на одинзрівчаків (другий- порівняльний).
Найбільш помітний вплив установкафільтруючих перегородок маєна забрудненність металу оксиднымивключеннями(середній бал з оксиднихвключень знижується в 2,67 рази, з силікатних в 2,11…2,54 рази). Оцінку забрудненностіна пробах, відібраних від листового прокату, проводили металографічнимметодом Ш по ГОСТ 1778-70 порівнянним за п'ятибальноюеталоною шкалою в процесі перегляду всієї площінетравленихшліфів. Кількісний підрахунок змістуНВпроводився методом індексів (метод “Л" по ГОСТ 1778-70).
Вплив параметрів фільтруючої системи на ефективність рафінування досліджувався на плавках низьколегованихмарок сталі 17Г1СУ і 09Г2С. В міру зменшення сумарного перетину отворів в перегородці ефективність рафінування спочатку збільшується (при переході від звичайної переточноїсистеми до фільтруючої перегородки), а потім залишається практично постійною (при переході від трьохрядноїдо дворядноїсхеми розташування отворів постійного перетину).
Придослідженні механічних властивостей різних марок сталі, відлитої із застосуваннямфільтруючих перегородок, встановлено, що стійкі показники сталі всіх марок за рахунокпідвищення ефективності рафінування від НВв промковшіпрактично не змінюються. Показники ударної в'язкості як вуглецевих, так і низьколегованихсталейпомітно зростають (для сталі 09Г2С КСU-зростає на 29%, для сталі 17Г1СУ КСU-зростає на 14%, для Ст3 КСU+зростає на 18%). Отримане зниження забрудненностісталі НВдозволяє зменшити більш ніж в 2 рази об'ємвирізки на листах з дефектами.
4. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ВТОРИННОГО ОКИСЛЕННЯ І ДОРОЗКИСЛЕННЯ МЕТАЛУ В ПРОМКОВШІ
Практично для всіх марок вуглецевої і низьколегованоїсталі, що виплавляються в кисневих конвертерах (Ст3сп, 09Г2ФБ, 13Г1СУ, 17Г1СУ і інш.), вміст алюмінію в готовій сталі повинензнаходитисяв межах 0,02…0,05%. Однак в ході розливкиплавкивідбуваєтьсязниження вмістуалюмінію, і метал перших метрів безперервнолитоїзаготовкизчергової плавкиможе не відповідати марочним вимогам. Втрати алюмінію на початку розливки-6 плавкив серії можуть перевищувати 0,03%. Середнє значення вмісту алюмінію в пробах зістальковшапісляобробки на УДМдля групи досліднихплавок становило 0,054 %, в пробах, відібраних зкристалізаторана початку розливки,029 %, в середині розливки,0%, в кінці розливки,035 %, тобто в наявним є збільшення втрат алюмінію на початку розливкиприблизно на 0,01 %.
Різке збільшення втрат алюмінію на початку розливкиможна віднести, зокрема, за рахуноквзаємодії з киснем повітря у процесі установкизахисної труби і взаємодії з емульгованимв металі ковшевимшлаком, що попадає в промковшв кінці розливкиплавки. Обидві ці причини призводятьдо різкого, хоч і нетривалого зниження концентрації алюмінію увхідному потоці.
Стабілізація вмісту алюмінію в сталі у вузьких межах вимагає її додаткової обробки (зокрема, введення в промковшалюмінію у вигляді катанкиабо порошковогодроту). Найбільш раціональним євведення невеликої кількості алюмінію на початку розливкиостанніх плавок в серії (починаючи з 3…4 плавки).
Для оцінки кількості алюмінію, що вводиться в промковшз метою компенсації його окислення і стабілізації концентрації у вихідному потоці, використана математична модель структури потоків в ПК.
Зміна в часі вмісту алюмінію в металі приймальної секції в рамках моделі ідеального змішення описується однимзвичайним диференціальним рівнянням:
, (8)
де [Al]ВХ-концентрація алюмінію в металі на вході ПК; [Al] - концентрація алюмінію на виході приймальної секції; - середній час перебування металу в приймальній секції; ; G - місткість приймальної секції; R - масова швидкість розливки; [Al]ДОП- додаткова концентрація алюмінію у вхідному потоку за рахунок введення катанки, % мас., яка розраховувалася за формулою ; w - швидкість введення катанки, м/с; g - її лінійна маса, кг/м; - міра засвоєння алюмінію, % (для розрахунку на математичній моделі ПК дорівнювала 70 %).
Для розливної секції можна використати однопараметричнумодель із зворотнимперемішуванням:
, (9)
де w - осередненаза поперечним перетином ПКшвидкість руху рідини; Deff- ефективний коефіцієнт турбулентної дифузії; [Al] - концентрація алюмінію, % мас.
На вході розливної секції ПК(тобто біля перегородки). Приінтегруванні рівнянь (8)-(9) можна взяти [Al]ВХ=0,03 % (крім-4мін. на початку розливкичергової плавки, коли [Al]ВХ~0 %), враховуючи отриманівнаслідок статистичного аналізу оцінки інтенсивності вторинногоокислення алюмінію в стальковшіі струмині, що поступаєв ПК, за винятком декількоххвилин на початку розливкичерговоїплавкив серії. На виході розливної секції ПК . Умови перемішування в ній характеризуються однимпараметром - числом Пекле .
Втрати алюмінію, які необхідно скомпенсувати за рахунок додаткового введення алюмінію в приймальну секцію ПК на початку розливки плавки, можна оцінити за рівнянням:
(10)
де - середня концентрація алюмінію на виході розливної секції; - поточна концентрація, що залежить від часу; τразл - час розливки плавки. Встановлено, що чим вище максимальне зниження концентрації [Al] на виході ПК, тим вище і сумарні втрати алюмінію.
Розрахована за теплофизичноюматематичною моделлю залежність оптимальної швидкості введення монолітної алюмінієвої катанкивід її діаметра і перегріву металу має вигляд(для поперечного обтікання дроту конвективнимипотоками; числове значення отриманедля LПРОВ= hПК):
, (11)
де Т- перегрів металу в ПК(К), d - діаметр катанки(мм).
Звичайно катанку (або порошковий дріт) вводять у промковш під кутом 40-70 до вертикалі, що помітно збільшує довжину навантаженої частини і, отже, оптимальну швидкість введення. При вертикальному введенні оптимальна швидкість введення алюмінієвої катанки діаметром 10…12 мм знаходиться в межах 0,10…0,12 м/с, при похилому введенні в межах 0,30…0,36 м/с. При виборі режиму введення потрібно враховувати, що міра засвоєння добавок, що вводяться в приймальну секцію ПК в досить широкому інтервалі варіювання швидкості введення практично не залежить від неї, що дає можливість легко погоджувати швидкість подачі алюмінію і швидкість розливки за рахунок варіювання в раціональних межах швидкості і кута введення катанки.
5. РЕЗУЛЬТАТИ ПРОМИСЛОВОГО ВИПРоБОВУВАННЯ КОРЕКТУВАННЯ ВМІСТУ АЛЮМІНІЮ В СТАЛІ ШЛЯХОМ ВВЕДЕННЯ АЛЮМІНІЄВОЇ КАТАНКИ В ПРОМКОВШ
Випробовування режимів обробки сталі в промковші монолітною алюмінієвою катанкою здійснювалося в промислових умовах конверторного цеху МК “Азовсталь". Об'єктом дослідження були низьколеговані і вуглецеві конструкційні марки сталі - 13ГС, 13Г1СУ, 17Г1СУ, 09Г2ФБ, 10Г2ФБ, Ст3сп і інш.
Повнеперенесеннявведення Al зСКв ПКнераціональне, оскільки обмежена гранична величина підвищення вмісту Al в металі за рахуноквведення катанки. Найкращі результати за стабілізації вмістуалюмінієм забезпечує введення алюмінієвої катанкидіаметром 10…12 ммна початку розливкиостанніх плавок в серії.
Введення алюмінієвої катанки в ПК проводилося трайбаппаратом з швидкістю 0.10...0.30 м/с, якщо вміст Al в пробі з СК після завершення позапічній обробки не перевищував 0.035%. Зміни макроструктуры металу, його механічних властивостей і забрудненності осьової зони неметалічними включеннями не виявлено.
Вміст алюмінію в перших метрах слябів, відлитих з введенням катанки на початку розливки чергової плавки, стабільний і цілком відповідає технічним вимогам (0,02<[Al]<0,05 %). Результати оцінки оптимального інтервалу швидкості введення монолітної алюмінієвої катанки з урахуванням обмежень за граничною величиною приросту концентрації елемента в умовах введення в промковш, використані в процесі розробки технологічних рекомендацій з обробки сталі мікролегуючими добавками в промковші (РТП 232-54-97, РТП 232-46-98) і випробувані на всьому обсязі виробництва низьколегованих марок сталі.
За рахунок використання рекомендацій з введення алюмінію в ПК знижена частота перепризначення плавок якісних низьколегованих марок сталі на сталь звичайної якості, що дозволило скоротити в два рази відсортування плавок з невідповідності вмісту алюмінію нижній марочній межі. Пайовий економічний ефект від оптимізації режимів розкислення і легування сталі алюмінієм в промковше в умовах ОАО МК “Азовсталь" становив 60 тис. грн.
ВИСНОВКИ
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ
ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
АННОТАЦИЯ
Аникаева А.А. "Повышение качества непрерывнолитого металла за счет рафинирования и дополнительного раскисления стали в промковше", рукопись на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 "Металлургия черных металлов". Приазовский государственный технический университет, Мариуполь, 2000.
Проведено исследование поля скоростей методом визуализации потоков в гидравлической модели трехсекционного промежуточного ковша с фильтрующими перегородками. Определена кратность циркуляции в приемной и разливочной секции. Проведено исследование структуры потоков в модели ПК методом импульсного ввода индикатора. Определены числа Пекле для разливочной секции ПК с фильтрующими перегородками и рабочего пространства ПК без перегородок. Среднее значение числа Пекле для ПК без перегородок составило 8,5; для разливочной секции ПК с фильтрующими перегородками –,6.
Установлено, что при анализе влияния условий перемешивания стали в ПК на степень удаления НВ необходимо обязательно учитывать процессы их коагуляции как в приемной, так и разливочной секциях. Предложен способ преобразования интегро-дифференциального уравнения коагуляции в дисперсных системах в систему интегральных уравнений, описывающая процессы коагуляции НВ в рамках ячеечной модели структуры потоков в промковше, удобную для решения на ЭВМ. Сформулирована комбинированная математическая модель коагуляции и удаления включений. Один ручей трехсекционного промковша представляется каскадом, включающим ячейку идеального смешения, в которой происходят коагуляция и удаление НВ в шлак, характеризующую приемную секцию ПК; ячейку идеального смешения, в которой происходит преимущественно коагуляция НВ, характеризующую область свободных струй в разливочной секции ПК; зону удаления НВ в разливочной секции со структурой потоков, близкой к модели идеального вытеснения. УдалениеНВ в разливочной секции при условиях, близких к стационарным, описывалось на основе двухпараметрической модели с обратным перемешиванием, коэффициенты которой определялись на основе результатов физического моделирования гидродинамических процессов в ПК. Проанализировано изменение распределение НВ по размерам по ходу непрерывной разливки в зависимости от конструктивных параметров ПК. Установлено, что как уменьшение суммарного сечения каналов в фильтрующих перегородках, так и уменьшение сечения одного отверстия (при сохранении постоянным суммарного сечения) приводит к улучшению рафинирования стали. Результаты моделирования подтверждены результатами анализа загрязненности НВ стали различных марок в промышленных условиях при использовании промковшей с фильтрующими перегородками различной конструкции.
Установлено, что при непрерывной разливке методом “плавка на плавку”снижение содержания алюминия в жидкой стали происходит неравномерно как по ходу разливки одной плавки, так и от плавки к плавке в серии. В начале разливки второй и последующих плавок в серии интенсивность вторичного окисления значительно увеличивается.
Показано, что стабилизация содержания алюминия в стали в узких пределах возможна за счет ее дополнительной обработки (в частности, ввода в промковш алюминия в виде катанки или порошковой проволоки). Наиболее рациональным является ввод небольшого количества алюминия в начале разливки последних плавок в серии (начиная с 3…4 плавки).
Для оценки количества алюминия, вводимого в промковш с целью компенсации его окисления и стабилизации концентрации в выходном потоке, использована математическая модель структуры потоков в ПК, в рамках которой приемная секция рассматривается как ячейка идеального смешения, а разливочная секция –как ячейка вытеснения с обратным перемешиванием. Установлено, что чем выше максимальное снижение концентрации алюминия в стали на выходе ПК, тем выше и его суммарные потери.
Определена рациональная скорость ввода алюминиевой катанки. Она зависит от диаметра катанки и перегрева металла в промковше и для катанки диаметром 10…12 мм составляет 0,10…0,12 м/с при вертикальном вводе катанки и 0,30…0,36 м/с при наклонном вводе. На основании расчетов с использованием математической модели отклика промковша на ступенчатое возмущение во входном потоке оценены суммарные потери алюминия в начале разливки очередной плавки в серии. Для компенсации окисления алюминия и стабилизации его концентрации в выходном потоке необходимо производить дополнительный ввод алюминия на четвертой и последующих плавках в серии в количестве 6…11 кг с увеличением по мере увеличения номера плавки.
Внедрение технология стабилизации содержания алюминия в стали за счет ввода алюминиевой катанки в промковш МБЛЗ позволило снизить в два раза отсортировку качественных низколегированных марок стали из-за несоответствия содержания алюминия марочному составу по нижнему пределу.
Ключевые слова: жидкая сталь, промковш, структура потоков, неметалические включения, математическая модель, алюминий, вторичное окисление.
АНОТАЦІЯ
Анікаєва А.А. "Підвищення якості безперервнолитого металу за рахунок рафінування і додаткового розкислення стали в промковші", рукопис на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.16.02 "Металургія чорних металів". Приазовський державний технічний університет, Маріуполь, 2000. Проведене дослідження поля швидкостей та структури потоків в ПК з використанням водяної моделі. Встановлена кратність циркуляції та числа Пекле для ПК різних конструкцій. Розроблена математична модель коагуляції та видалення НВ в промковші, результати
моделювання підтверджені промисловими експериментами. На основі дослідження вторинного окислення в ПК встановлена залежність зниження концентрації алюмінію в сталі при розливці методом "плавка на плавку" від її номера в серії. Запропонована та випробувана методика розрахунку коректуючої добавки алюмінію, що вводиться в промковш на початку розливки плавки. Отримані результати випробувані в промислових умовах і впроваджені у виробництво.
Ключовіслова: рідка сталь, промковш, структура потоків, неметалевівключення, математична модель, алюміній, вториннеокислення.
SUMMARY
Anikaeva A.A. Increase of continuously-cast metal quality by refining and additional deoxidizing steel in tundish. - Manuscript.
Thesis for competition scientific degree of Candidate of technical science in speciality 05.16.02 “Metallurgy of ferrous metals”. Priazovscy State Technical University. Ministry of Education and Science of Ukraine. Mariupol, 2000.
The research is carried out on velositi field and structure of flows in tundish with the use of water model. Ratio of circulation and Pekle number for tundish of various design were established. Mathematical model of coagulation and removal nonmetallic inclusions in tundish is developed. The results of modelling are confirmed by industrial experiments. On the basis of research the secondary oxidation in tundish the dependence of decrease aluminium concentration in steel is established for the case of pouring by method “heat on heat”from heat number in series. Method of calculation the adjusting addition of aluminium in tundish at the beginning of heat is offered and tested in industrial conditions and realised in industry.
Key words: liquid steel, tundish, structure of flows, nonmetallic inclusions, mathematical model, aluminium, secondary oxidation.