НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ
БОЛОТОВ ВАДИМ ЮРІЙОВИЧ
УДК 669.18:669.046.516.:51.001.57
РОЗРОБКА РАЦІОНАЛЬНОЇ ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЇ ОБРОБКИ
РОЗПЛАВІВ ДРОТОМ В СТАЛЕРОЗЛИВНОМУ КОВШІ
05.14.06 - “Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ – 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Дніпродзержинському державному технічному університеті
Міністерства освіти та науки України
Науковий керівник
Доктор технічних наук, професор
Павлюченков Ігор Олександрович
Дніпродзержинський державний технічний уні-верситет, завідувач кафедри програмного забез-печення обчислювальної техніки
Офіційні опоненти:
Доктор технічних наук, професор
Недопекін Федір Вікторович
(Донецький національний університет, професор кафедри фізики нерівноваж-них процесів, метрології та екології)
Кандидат технічних наук, доцент
Потапов Борис Борисович
(Національна металургійна академія України, доцент кафедри промислової теп-лоенергетики)
Провідна установа – Інститут технічної теплофізики Національної Академії Наук України, м. Київ.
Захист відбудеться “15” _травня__2001 р. о _12-30_годині на засі-данні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній Академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної Академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4)
Автореферат розісланий “10” _квітня_ 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
докт.техн.наук, професор В.К. Цапко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Позапічна обробка металу є одним із найбільш ефек-тивних напрямків корінного підвищення якості та властивостей металопродук-ції масового призначення і ресурсозбереження в металургії. Одним з найбільш ефективних засобів ресурсозберігаючої технології позапічної обробки металу є введення порошкового дроту або алюмінієвої катанки в розплав сталерозлив-ного ковша. З використанням цієї технології здійснюються технологічні опера-ції позапічної обробки металу: легування, дегазація, десульфурація, модифіку-вання, доведення за хімічним складом та ін.
На ступінь і якість засвоєння добавок дроту в розплаві сталерозливного ковша впливають технологічні параметри обробки (характеристики дроту, швидкість і місце введення на дзеркалі металу, розміри й обсяг ковша, кут від-хилення від вертикалі при введенні, температура металу, наявність шлаку в мі-сці введення дроту, інтенсивність і вид продування). Якість і тривалість засво-єння дроту в ковші визначається також рядом теплофізичних і фізико-хімічних процесів при плавленні або розчиненні дроту та його наповнювача. В основ-ному існуючі технологічні режими обробки розплавів дротом отримані в ре-зультаті узагальнення промислових дослідів та не являються уніфікованими, тобто призначені для конкретних умов обробки та характеристик дроту. При зміні якогось технологічного параметра обробки дуже важко без проведення промислового дослідження визначити його вплив на ступінь та якість засвоєння добавки дроту та встановити режим введення дроту в ківш, що приводить до втрат дорогокоштовних матеріалів. Тому актуальною задачею для металургій-ної промисловості являється розробка універсального метода для дослідження впливу перерахованих технологічних параметрів обробки на ступінь і якість за-своєння добавки.
Таким чином, засвоєння добавки, що складає наповнювач дроту, при продуванні металу в сталерозливному ковші включає взаємозалежні тепло- та масообмінні процеси при прямуванні дроту в ковші, його плавленні та наступ-ному масопереносі рідкої фази наповнювача в об’ємі ковша.
Мета роботи. Зниження витрат сировинних ресурсів у технологічних операціях позапічного доведення металу за рахунок підвищення ефективності їхнього використання при застосуванні дротів для обробки розплавів.
Об'єктом дослідження є процес позапічного доведення розплавів у ковші.
Предметом дослідження є вивчення тепло-та масообмінних процесів і тех-нологічних особливостей при обробці розплавів дротами.
Для досягнення мети в роботі вирішені такі питання:
-
розроблені математичні моделі, алгоритми і програми розрахунків спільної задачі руху і плавлення дроту з урахуванням впливу гідродинаміки розплаву при продуванні з подальшим усередненням розплавленої добавки в об'ємі ковша;
-
досліджено вплив технологічних параметрів на ступінь та якість засвоєння добавки дроту та встановлено раціональні режими обробки розплавів дро-тами.
Методи дослідження. В роботі використані сучасні розрахункові методи (методи математичного моделювання), що дозволяють встановити кінетику протікання тепломасообмінних процесів на етапах засвоєння дроту, який вво-диться в період аргонного продування в розплав сталерозливного ковша. Для чисельних розрахунків по розроблених математичних моделях побудовано еко-номічні кінцево-різницеві схеми, проведено дослідження стійкості обчислю-вальних алгоритмів.
Наукова новизна роботи складається в наступному:
1)
Розроблено метод визначення тривалості плавлення дроту, місця його розп-лавлення в ковші та тривалості усереднення розплавленої добавки на основі математичних моделей, комплексно враховуючих взаємовпливаючі процеси руху дроту під впливом гідродинаміки розплаву при продуванні, плавлення дроту та масопереносу (усереднення) розплавленої добавки в ковшовій ванні.
2)
Визначено закономірності впливу технологічних параметрів обробки роз-плавів дротом (діаметр дроту, швидкість і місце введення на дзеркалі ме-талу, інтенсивність і вид продування, кут відхилення дроту від вертикалі при введенні, температура розплаву) на взаємозалежні процеси спільного руху і плавлення дроту та на тривалість усереднення розплавленої добавки.
Практична значимість роботи. Розроблено практичні рекомендації по вибору технологічного регламенту позапічного модифікування сталі порошко-вим дротом із силікокальцієм та корегування сталі за хімічним складом алюмі-нієвою катанкой у конвертерному цеху Дніпровського металургійного комбі-нату ім. Дзержинського, КДГМК “Криворіжсталь”, з-да ім. Петровського. Очі-куваний економічний ефект від впровадження результатів даної роботи на Дні-провському металургійному комбінаті ім. Дзержинського в 2000 році склав 812 тис. грн, частка автора - 168 тис. грн. Розроблені технологічні рекомендації під-вищення ефективності процесу обробки розплавів дротами показали перспек-тивність їх освоєння, що підтверджується актами їх промислового впрова-дження.
Розроблено програми для розрахунку сумісної задачі руху та плавлення дроту з урахуванням гідродинаміки розплаву при аргонному продуванні, з по-дальшим усередненням розплавленої добавки в об'ємі ковша. Розроблені в про-цесі виконання дисертаційної роботи математичні моделі, алгоритми та про-грами розрахунків використовуються в навчальному процесі на металургійному і технологічному факультетах Дніпродзержинського державного технічного університету, застосовуються при читанні лекцій і проведенні практичних за-нять по курсам: “Комп'ютерне моделювання технологічних систем”, “Моделювання та керування процесами виробництва сталі”.
Документи, що підтверджують використання результатів роботи приведені в додатках до дисертації.
Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною роботою ав-тора, заснованої на опублікованих раніше його результатах досліджень. На різ-них етапах цих досліджень автор користувався консультаціями відомих учених (Вихлевщук В.А., Огурцов А.П., Самохвалов С.Є. Тимошпольський В.І.). У спі-вавторстві з ними був опублікований ряд наукових праць. Основні ідеї роботи, вивід методик чисельного дослідження, теоретичні викладки і висновки нале-жать автору. Автор не використовував у роботі ідей і розробок, що належать співавторам спільно опублікованих робіт.
Автор щиро вдячний науковому керівнику - доктору технічних наук, професору Павлюченкову Ігорю Олександровичу, методичні поради і рекомен-дації якого допомогли виконати цю роботу.
Публікація й апробація роботи. Основні результати дисертації викла-дені в 5 статтях у спеціалізованих наукових журналах і збірниках наукових праць, 3 матеріалах і тезах доповідей науково- технічних конференцій. Основні положення і результати досліджень, узагальнених у дисертації, доповідалися, обговорені й одержали позитивну оцінку на:
-
міжнародній науково-практичної конференції "Проблеми пічної теплотех-ніки" (Дніпропетровськ, 1999 р.);
-
міжнародній науково-практичної конференції "Математичне моделювання технологічних процесів"(Дніпродзержинськ, 1999, 2000 р.);
-
міжнародній конференції "Тепло- та масообміні процеси у ваннах сталепла-вильних агрегатів" (Маріуполь, 2000 р.);
-
шостому міжнародному конгресі сталеплавильників (Череповець, 2000 р.).
Обсяг і структура роботи. Основний зміст дисертації викладено на 173 сторінках машинописного тексту. Робота складається з введення, трьох глав, висновків, переліку використаної літератури (173 найменування), додатків, міс-тить 61 малюнок і 22 таблиці.
На захист виносяться:
1)
Метод дослідження процесу засвоєння дроту з урахуванням гідродинаміки розплаву, траєкторії руху дроту, масопереносу розплавленої добавки при ар-гонному продуванні металу в сталерозливному ковші;
2)
Результати чисельних досліджень на основі розроблених математичних мо-делей і алгоритмів процесу засвоєння добавки порошкового дроту із силіко-кальцієм і алюмінієвої катанки з урахуванням гідродинаміки розплаву при продуванні через донні пробки і заглибну фурму, траєкторії руху дроту, по-дальшого масопереносу розплавленої добавки в об'єм і ковшової ванни;
3)
Перевірка в лабораторних і дослідно-промислових умовах адекватності роз-робленого методу дослідження процесу засвоєння дроту на прикладі засво-єння порошкового дроту із силікокальцієм і алюмінієвої катанки;
4)
Практичні рекомендації по вдосконаленню процесу позапічної доводки ме-талу дротом в сталерозливному ковші великої ємності в період його аргон-ного продування.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Переваги методу обробки металу дротом для одержання якісної продукції і зниження витрат сировинних ресурсів
У порівнянні з конкуруючим методом глибокого вдування, метод дове-дення плавки дротом має ряд безсуперечливих переваг: простота здійснення, велика гнучкість процесу - можливість обробки різних мас металу (у виливни-цях, у ківшах), підвищення стабільності переходу в метал легуючих і модифі-куючих елементів, зменшення капіталовкладень (у 10 разів) і експлуатаційних витрат, більш висока екологічна чистота процесу через відсутність баластових газів, низька швидкість спаду температури розплаву, що не перевищує швидко-сті спаду температури металу при продуванні аргоном.
З аналізу літературних даних випливає, що в теперішній час із метою одержання інформації про ступінь і якість засвоєння добавок проведена велика кількість обробок дослідних плавок дротами на УКДМ. Незважаючи на нако-пичені емпіричні знання по засвоєнню порошкових дротів у розплавах і достат-ньо широке використання даної технології, на різних підприємствах результати обробки далеко неоднозначні як по кількості введеної в ківш добавки, так по її засвоєнню та залишковому вмісту. Слід зазначити, що отримані в результаті дослідно-промислових досліджень технологічні параметри обробки розплавів дротами, хоча і забезпечують засвоєння добавок, але не являються уніфікова-ними. Істотним недоліком накопичених дослідних даних по засвоєнню дроту є те, що вони не відбивають комплексного взаємовпливу технологічних парамет-рів на ступінь і якість засвоєння добавки.
При побудові математичної моделі для визначення місця розплавлення добавки в ковші авторами моделювався процес руху дроту в рідкому розплаві. У більшості робіт траєкторія руху дроту в розплаві припускає тільки її верти-кальне переміщення. Спроба моделювання процесу руху дроту з урахуванням впливу конвективних потоків розплаву здійснена в роботах Недопекіна, Білоу-сова. Ними прийнято, що матеріал дроту при влученні в розплав моментально втрачає пругкість, і процес руху дроту в розплаві під дією гідродинаміки моде-люється в наближенні руху сферичної частинки, цілком зневажаючи пружними силами в дроті. Слід зазначити, що даний підхід до моделювання руху дроту в розплаві не являється достатньо адекватним.
Незважаючи на велику кількість теоретичних і експериментальних робіт, залишилися недостатньо вивченими важливі питання - визначення місця розп-лавлення добавки при взаємному врахуванні впливу прямування і плавлення дроту під дією гідродинаміки розплаву і вплив технологічних параметрів об-робки розплаву на якість і тривалість засвоєння добавки.
На підставі вищевикладеного випливає, що для визначення ефективних і раціональних параметрів обробки розплавів дротами необхідно тільки комплек-сно враховувати особливості технології обробки та особливості протікання вза-ємозалежних тепломасобмінних процесів при посіванні та плавленні дроту з подальшим масопереносом розплавленої добавки в об'ємі ковша.
Математичне моделювання зв'язаної задачі засвоєння дроту з урахуванням гідродинаміки розплаву при аргонному продуванні, траєкторії руху дроту, процесу його плавлення і масопереноса розплавленої добавки в об'ємі ковшо-вої ванни
Математичне моделювання гідродинаміки розплаву при аргонному продуванні
При розробці математичної моделі, що описує гідродинамічну картину в ковшовій ванні у період її продування, приймаються такі допущення:
-
висувається припущення про суцільність єдиного середовища аргон - рідкий метал, що є стратифікованою по щільності в’язкою нестисливою рідиною;
-
на характер руху газорідинного середовища впливає піднімальна сила, обу-мовлена неоднорідністю по щільності через наявність газових включень;
-
передбачається, що газовміст залежить явно лише від просторової коорди-нати і часу;
-
продування відбувається в ковші, що має циліндричну форму.
Течія суцільного газорідинного середовища, що виникає при продуванні ківшової ванни, в силу введених припущень описується системою рівнянь На-вьє-Стокса в наближенні Буссинеска:
, , ,
де = - вектор швидкості рідини, визначений як відношення щільно-сті імпульсу середовища до масової щільності , - ефективний коефіцієнт кінематичної в’язкості рідкого середовища, враховуючий турбулен-тний характер його руху, - щільність єдиного газорідинного се-редовища, - щільність рідкого металу, - об'ємна частка газу в газорідин-ному середовищі.
Граничні умови для вектора швидкості на стінках і днищі ковша ставля-ться з умов непротікання та прилипання, на вільній поверхні - умовами непро-тікання та вільного ковзання. Граничні умови для вектора швидкості форму-люються в барботажной зоні з умов відсутності завихреності та горизонталь-ного переміщення середовища. На твердій стінці і днищі ковша на коефіцієнт газовмісту накладається умова непротікання, на вільній поверхні та в зоні бар-ботажа (заглибленого під прошарок рідкого металу кінця фурми) - умова віль-ного протікання.
Поставлена задача вирішується чисельно в змінних швидкість-тиск. При цьому використовується трьохетапний метод розщеплення по фізичних факто-рах О.М. Белоцерковського. Побудовано абсолютно стійку восьмиетапну схему типу “бігучого розрахунку”, із використанням односторонніх апроксимацій конвективних похідних на верхньому часовому прошарку, орієнтованих проти потоку, і центрально-різницевої апроксимації дифузійний членів на різних тим-часових прошарках.
Турбулентний характер переносу в рівняннях руху проводиться за двопа-раметричним методом введенням ефективного коефіцієнта в’язкості, що вмі-щує апроксимаційну та турбулентну складові:
де - турбулентна складова ефективного коефіцієнта в’язкості, - характер-ний масштаб вічка розрахункової сітки, - швидкість у межах даного вічка, =2 - сіткове число Рейнольдса, що визначає перехід у турбулентний режим течії рідини.
Адаптація математичних моделей гідродинаміки ковшової ванни при верхньому і донному продуванні аргоном проводилася порівнянням отриманих результатів з експериментальними і розрахунковими даними, отриманими ін-шими авторами. Зіставлення поля швидкостей дозволяє зробити висновок про якісну узгодженість отриманих результатів.
Математичне моделювання траєкторії руху дроту
Розроблена модель і досліджена тривимірна траєкторія руху дроту в роз-плаві з урахуванням гідродинамічної картини в ковші. При описанні траєкторії руху дріт моделюється набором твердих стрижнів однакової довжини l, що утримуються між собою силами пружності. Однозначно положення дроту ви-значається набором 2N узагальнених координат , , що по-дані на мал.1.
Динаміка стрижней описується системою 2N рівнянь Лагранжа другого роду:
, ( к=1,2,... ,2N )
де Ткін - кінетична енергія системи, -узагальнені координати (), - узагальнені сили, діючі на систему, як потенційні , так і дисипативні ( - радіус-вектор центру мас i-го стрижня, U - потенційна енергія).
Потенційна енергія системи стрижнів визначається полем сил ваги і си-лами пружності дроту, що виникають при його вигині:
,
де , і - відповідно щільність розплаву і щільність i-го стри-жня, - коефіцієнти пружності в з'єднанні i-го та i-1-го стрижня, , - кути залишкової деформації в площині кутів і відповідно. Коефіцієнти пружності визначаються по формулі ( - модуль пружності 1 роду, - осьовий (екваторіальний) момент інерції поперечного перетину i-го стрижня дроту).
Сила опору, що діє з боку розплаву на кожний стрижень визначається перпендикулярної до стрижня складової швидкості і визначається наступним способом:
,
де - діаметр i-го стрижня, - коефіцієнт опору.
При розв’язанні системи рівнянь Лагранжа використовується ідея методу дрібних кроків. Розв’язок системи, що описує динаміку переміщення стрижнів, отримується шляхом послідовного розв’язку двох систем:
, k=1,2,... ,N
, k=1,2,...,N,
кожна з яких зводиться до системи лінійних алгебраїчних рівнянь щодо невідо-мих кутових прискорень окремих стрижнів. Визначивши із системи кутові при-скорення та кутові швидкості, кути на наступному часовому прошарку знаходя-ться згідно метода Эйлера-Кромера.
Безвимірний коефіцієнт опору , що входить у вираз для сили опору, діючої з боку розплаву на кожний із стрижнів, визначається за результатами узагальнення розрахункових даних по обтіканню кругового циліндра потоком в’язкої рідини в зоні числа Рейнольдса Re>500. Значення коефіцієнта опору прийнято рівним 0,5.
На значення коефіцієнта пружності в місцях з’єднання стрижней
впливає температура матеріалу дроту та намерзлих на її поверхні металевих і шлакових трубкоподібних оболонок. З підвищенням температури модуль пружності значно знижується як у сталі, так і у кольорових металів. Втрата пружних властивостей матеріалом дроту впливає на характер прямування дроту в розплаві, вона фактично перетворюється в гнучку нитку, що витає в ковшовій ванні. Результати розрахунків траєкторії руху дроту під впливом гідродинаміки розплаву подані на мал.2-4.
а)
(продування через загли-бну фурму) |
б)
(продування через загли-бну фурму) |
в)
(продування через донні пробки)
мал.2 Траєкторія руху дроту з силікокальцієм (діаметр 12мм, сталева обо-лонка 0,2мм) при температурі сталі 16000С при введенні зі швидкістями: а) - 4м/с, б) - 5м/с, в) - 4м/с.
Математичне моделювання процесу плавлення дроту
При моделюванні процесу плавлення дроту прийнято наступні припу-щення:
-
розплавлені частки наповнювача, оболонки розплаву або шлаку миттєво уносяться потоками металу;
-
ефект розірвання оболонки металу або шлаку під впливом внутрішнього ти-ску, що виникає при плавленні, не враховується;
-
рух рідких фаз під оболонкою твердої сталі або шлаку не враховується.
З метою аналізу кінетичних особливостей плавлення дроту з різних мате-ріалів і з різними наповнювачами, можливі матеріали, що складають наповню-вач порошкового дроту та матеріал його оболонки, розділений на три групи: легкоплавкі - температура плавлення наповнювача нижче температури затвер-діння сталевої оболонки; тугоплавкі - температура плавлення наповнювача вище температури затвердіння оболонки, але нижче температури розплаву; зверхтугоплавкі - температура плавлення наповнювача вище температури розп-лаву.
Теплопереніс у твердих або розплавлених фазах наповнювача, сталевої оболонки дроту, оболонки розплаву або шлаку описується одномірними рів-няннями теплопровідності у циліндричній системі координат з рухомими ме-жами розподілу фаз. При побудові математичної моделі кінетики плавлення дроту з легкоплавким наповнювачем виділено чотири періоди, із тугоплавким або зверхтугоплавким наповнювачем - п'ять періодів. Розрахункові області для окремих періодів плавлення дроту легкоплавким наповнювачем подано на мал.3. Опис періодів плавлення дроту подано нижче. Дослідження кінетики плавлення дроту з різними типами наповнювачем проведено по методу з явним виділенням межі плавлення професора Никитенко.
Період 1. Намерзання шлаку на поверхні початкової оболонки. Розпо-всюдження тепла в трьохшаровому (тугоплавкий наповнювач) або чотирьох-шаровому тілі (легкоплавкий наповнювач) описується рівняннями теплопрові-дності для наповнювача (його твердої та рідкої фаз), для початкової сталевої оболонки дроту і для затверділої шлакової оболонки.
Період 2. Намерзання та плавлення сталевої оболонки на поверхні шла-кової оболонки. З моменту влучення дроту в рідкий метал на поверхні намерз-лої шлакової оболонки відбувається намерзання та подальше плавлення обо-лонки розплаву. Поверхня шлакової оболонки прогрівається до температури її плавлення і, тому, можливий процес її плавлення усередині оболонки розплаву. Процес передачі тепла в п’ятишаровому (тугоплавкий наповнювач) або шости-шаровому (легкоплавкий наповнювач) тілі описується системою рівнянь тепло-провідності періоду 1, доповненої рівняннями для рідкої фази шлаку і намерз-лої оболонки розплаву.
Період 3. Намерзання і плавлення сталевої оболонки на поверхні почат-кової сталевої оболонки дроту. Після сплавлення шлакової оболонки поверхня початкової сталевої оболонки не достатньо прогріта (через низьку теплопровід-ність шлакового прошарку) і, тому, можливий процес намерзання і наступного розплавлення розплаву. Даний період плавлення описується системою рівнянь теплопровідності, що включає рівняння для наповнювача (його твердої і рідкої фаз), рівняння для початкової сталевої оболонки і рівняння для оболонки розп-лаву.
Період1 |
Період2
Період3 |
Період4
мал.3 Розрахункові області для різних періодів плавлення дроту з легкоплав-ким наповнювачем
Період 4. Прогрів і плавлення початкової сталевої оболонки. Процес пла-влення початкової сталевої оболонки починається після прогріву її поверхні до температури плавлення. Розв’язується задача теплопровідності для двошаро-вого (тугоплавкий наповнювач) або трьохшарового тіла (легкоплавкий напов-нювач) із граничними умовами III роду на зовнішній межі. Після прогріву по-верхні початкової сталевої оболонки процес її плавлення описується рівнян-нями теплопровідності для наповнювача (його твердої і рідкої фаз) і для почат-кової сталевої оболонки.
Період 5. Плавлення або розчинення наповнювача. Процес прогріву по-верхні наповнювача до температури плавлення описується рівнянням тепло-провідності з граничною умовою III роду на зовнішній межі. Після прогріву по-верхні наповнювача процес його плавлення описується рівняннями теплопрові-дності з зовнішньою рухомою межею плавлення. Дифузійний період плавлення тіла характеризується взаємозалежними процесами зовнішнього і внутрішнього тепло- та масопереноса. На межі наповнювач - розплав рівняння теплопровід-ності доповнюється умовою масовіддачі вуглецю з розплаву в матеріал, що плавиться. Зв'язок між температурою плавлення і концентрацією вуглецю ви-значається по діаграмі стана Fe-C. У періоді розчинення наповнювача в якості вихідної прийнято математичну модель розчинення тугоплавких матеріалів у рідкому розплаві, розроблену О.С.Носковим. При використанні цієї моделі до-датково вводиться розподіл сумарного теплового ефекту від розчинення й оки-слювання елементів у рідкому металі між твердим тілом, що розчиняється, і розплавом. Концентрацію насиченого розчину поблизу поверхні наповнювача умовно характеризували сумою часткової щільності легуючих елементів, що вміщуються в наповнювачі.
При описанні кінетики плавлення дроту з наповнювачем, процес плав-лення якого описується з урахуванням двофазної зони, виділяються чотири за-значених періоди плавлення дроту з легкоплавким наповнювачем. Теплота фа-зового переходу в двофазній зоні температур солідусу та ліквідусу в враховує-ться в рівнянні теплопровідності для наповнювача за допомогою ефективної теплоємності, який вводиться в припущенні про паралельність ліній солидусу та ліквідусу.
Коефіцієнт тепловіддачі від металевого розплаву до поверхні дроту при його переміщенні в розплаві визначається з критеріального рівняння:
,
де Re, Pr, Nu - критерії Рейнольдса, Прандтля та Нуссельта. Ця формула отри-мана канадськими вченими в результаті узагальнення експериментальних та розрахункових результатів по тривалості плавлення алюмінієвої катанки в роз-плаві сталі.
Деякі результати модельної задачі плавлення порошкового дроту й алю-мінієвої катанки в розплавах сталі подані на мал.4-7.
Мал.4
(без урахування шлакової оболонки)
Цифри біля кривих – температури розп-лаву, 0С. | Мал.5
(з урахуванням шлакової обо-лонки)
Температура сталі 16000С.
Тривалість розплавлення намерзлої оболонки розплаву і початкової сталевої оболонки дроту з силікокальцієм СК-30. Швидкість – 5м/с.
мал.7
(без урахування шлакової оболонки) | мал.6
(з урахуванням шлакової оболонки)
Зміна товщини сталевої оболонки на поверхні алюмінієвої катани діамет-ром 9мм при різноманітних швидкостях введення і температурі стали 15500С. Стрілки – момент розплавлення алюмінію, крапки – момент розплав-лення шлакової оболонки. Швидкості введення, м/с : а - 1, б - 4, в - 10
Математичне моделювання масопереноса розплавленої добавки в об'ємі ковшової ванни
Однією з найважливіших характеристик процесу засвоєння дроту в мета-лургійному розплаві є тривалість остаточного усереднення рідкої фази дроту в обсязі ковшовій ванні. За основу математичної моделі прийнято рівняння пере-носу концентрації розплавленої рідкої субстанції в об'ємі ковша в циліндри-чних координатах у дивергентній формі:
,
У роботі розроблена консервативна неявна кінцево-різницева схема для розрахунку процесу масопереноса в об'ємі ковша з односторонніми апроксима-ціями конвективних похідних на верхньому часовому прошарку, орієнтованими проти потоку, і центрально-різницевою апроксимацією дифузійний членів на різних часових прошарках. Граничними умовами на твердій стінці, днищі ковша і на вільній поверхні розплаву є умови непроникності.
Врахування турбулентного характеру переносу маси розплавленої до-бавки проводиться введенням ефективного коефіцієнта дифузії, що включає апроксимаційну і турбулентну складові.
Практичні рекомендації по режимах обробки розплавів порошковими дро-тами й алюмінієвою катанкою
Результати чисельних досліджень процесів засвоєння алюмінієвої ка-танки і порошкового дроту із силікокальцієм СК-30 свідчать про те, що практи-чно при всіх режимах запровадження в сталерозливний ківш великої ємності (250т) у період його аргонного продування, усереднення продуктів плавлення напов-нювача порошкового дроту до точності хімічного аналізу вмісту кальцію (0,0001%) відбувається за нетривалий час (до 100с при донному продуванні і до 170с при фурменому продуванні), усереднення продуктів плавлення алюмініє-вої катанки до точності хімічного аналізу вмісту алюмінію (0,001%) відбуває-ться також за нетривалий час (до100с). З урахуванням цього і резерву часу для промислової практики рекомендований закінчувати введення порошкового дроту із силікокальцієм і алюмінієвої катанки за 3 хвилини до завершення го-могенізуючого (остаточного) продування металу аргоном у ковші.
Встановлено, що введення пруткового алюмінію і порошкового дроту по-винно проводитись вертикально (можливі невеликі відхилення до 15-200) до дзеркала металу для виключення аварійних ситуацій виходу дроту на поверхню ковша. Введення дроту повинно бути організовано у борта сталерозливного ковша, щоб спадні потоки металу в зоні введення дроту не сприяли його виносу на поверхню. Це сприяє винятку аварійних ситуацій виходу дроту на поверхню ковша у вигляді петлі.
З огляду на перераховані фактори, при аналізі результатів окремих етапів засвоєння дроту із силікокальцієм розроблено режими обробки сталі порошко-вим дротом із силікокальцієм СК-30 у ковші великої ємності (250т) у період його аргонного продування. Технологічні режими опрацювання сталі в темпе-ратурному інтервалі 1550-16500С порошковим дротом із силікокальцієм СК-30 наведені в табл.1.
З огляду на результати окремих етапів засвоєння алюмінієвої катанки, для промислової практики при доведенні стали з температурою 1550-16500С по хімічному складі алюмінієм рекомендовано використовувати алюмінієву ка-танку діаметром 8-10мм. Швидкість введення в розплав як при наявності шла-кового прошарку на поверхні металу, так і в області оголеного металу рекомен-дована в інтервалі 7-10м/с.
Таблиця 1
Рекомендовані режими обробки сталі порошковим дротом з силікокаль-цієм СК-30 в 250т сталерозливному ковші
Тем-пе-ра-тура сталі, 0С | Тов-щина ста-левої обо-лонки дроту, мм | При проходженні скрізь прошарок шлаку | При введенні в області оголенного металу
Рекомендовані параметри введення
швидкість, м/с | діаметр, мм | швидкість, м/с | діаметр, мм
1550 | 0,2 | 3-5 | 10-12 | 5-7 | 10-14
0,5 | 3-5 | 8-10 | 4-6 | 8-12
1600 | 0,2 | 4-6 | 10-14 | 5-7 | 12-16
0,5 | 4-5 | 10-12 | 5-6 | 12-14
1650 | 0,2 | 6-8 | 10-14 | 7-8 | 14-16
0,5 | 5-7 | 12-14 | 6-7 | 12-16
ВИСНОВКИ
1)
Розроблена й адаптована просторова математична модель засвоєння добавок дроту в сталерозливному ковші в період його аргонного продування з ураху-ванням гідродинаміки розплаву, взаємовпливаючих процесів руху і плав-лення дроту в розплаві й усереднення розплавленої добавки в об'ємі ковша.
2)
На підставі результатів чисельних розрахунків по розроблених математич-них моделях визначені закономірності протікання процесів руху і плавлення порошкового дроту із силікокальцієм СК-30 при модифікуванні розплаву сталі й алюмінієвої катанки при доведенні сталі за хімічним складом, розра-ховані координати розплавлювання дроту в об'ємі ковшової ванни, дослі-джена тривалість усереднення розплавленої добавки в ковші.
3)
Розроблено раціональні ресурсозберігаючі режими введення порошкового дроту із силікокальцієм і алюмінієвої катанки в сталерозливний ківш великої ємності в період його аргонного продування.
4)
Результати дисертаційної роботи прийнято металургійними підприємствами України для вдосконалення технології позапічного доведення сталі. Очіку-ваний економічний ефект від впровадження результатів роботи на Дніпров-ському металургійному комбінаті ім. Дзержинського складає
812 тис. грн. (участь автора - 168 тис.грн.)
ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ РОБІТ
1.
Исследование процессов плавления и траектории движения проволоки при вводе в сталь / Тимошпольский В.И., Болотов В.Ю., Павлюченков И.А. Самохвалов С.Е., Черномаз Г.Н. // Литье и металлургия. Официальный журнал Белорусского объединения литейщиков и металлургов. - 1999. - №2. - С.21-23.
2.
Болотов В.Ю., Самохвалов С.Е. Комплексная задача движения, плавления и усвоения проволоки при продувке металла в сталеразливочном ковше. // Сборник научных трудов Днепродзержинского государственного технического университета.–1998.–С.39-44.
3.
Математическая модель комплексной задачи движения, плавления и усвоения проволоки при продувке металла в сталеразливочном ковше / Болотов В.Ю., Павлюченков И.А., Самохвалов С.Е., Черномаз Г.Н. // Металлургическая теплотехника (Энергетика. Металлургия). Сборник научных трудов Государственной металлургической академии Украины.–1999.–Т.2.–С.113-116.
4.
Математическое моделирование трехмерной задачи движения алюминиевой и порошковой проволок с учетом их плавления и усреднения при донной продувке металла аргоном / Вихлевщук В.А., Болотов В.Ю., Павлюченков И.А., Черномаз Г.Н. // Теория и практика металлургии. – 2000.–№3.–С.46-50.
5.
Computer simulation of composite ingot crystallisation / A.Stovpchenko, I.Pavlyuchenkov, V.Leybenzon, S Kazakov, V.Minaeva, V.Bolotov // Papers of 10-th international metallurgy and materials Congress. Istanbul. 24-28 may 2000. –Р. 1347-1351.
6.
Трехмерная задача гидродинамики и теплопереноса при заполнении промежуточного ковша МНЛЗ / С.С.Бродский, В.Ю. Болотов, И.А. Павлюченков., Г.Н. Ченомаз, С.М. Хейлик // Литье и металлургия. Официальный журнал Белорусского объединения литейщиков и металлургов.– 2000.–№1.–С.47-51.
7.
Болотов В.Ю., Павлюченков И.А., Черномаз Г.Н. Моделирование задачи об усвоении проволоки в металлургических расплавах. // Тезисы докладов международной конференции “Компьютерное моделирование”.–Днепродзержинск.–2000.–С. 81-82.
8.
Математическое моделирование задачи об усвоении проволоки в промежуточном ковше МНЛЗ / Болотов В.Ю., Павлюченков И.А., Самохвалов С.Е., Черномаз Г.Н. // Тезисы докладов международной конференции “Компьютерное моделирование”.–Днепродзержинск.–1999.–С.44-45.
Болотов В.Ю. “Розробка раціональної теплотехнології обробки розплавів дротом у сталерозливному ковші”. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - “Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика”. - Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, 2001 р.
На підставі результатів математичного моделювання визначені закономірності протікання тепломасобмінних процесів при засвоєнні порошкових дротів і алюмінієвої катанки в період аргонного продування в сталерозливному ковші при позапічевій доводці металу. Метод розрахунку розроблено з урахуванням взаємовпливу процесів просторового переміщення дроту під дією гідродинаміки розплаву та його плавлення з подальшим усередненням розплавленої добавки в обсязі ківшової ванни.
Розроблено та підтверджено експериментально і дослідно-промисловим шляхом раціональні режими обробки розплавів порошковим дротом із силикокальцием і алюмінієвою катанкою, що забезпечують зниження витрат добавки на обробку, зменшення тривалості аргонного продування та підвищення однорідності розподілу введеної добавки в об'ємі ковша.
Результати роботи прийнято металургійними підприємствами України для вдосконалення технології позапічної доводки сталі.
Ключові слова: математичне моделювання, позапічна доводка металу, тепломасообмінні процеси, порошковий дріт, алюмінієва катанка, аргонне продування.
Bolotov V.Yu. "Development of rational heat technology of melting processing by wire in steelpour ladle - Manuscript.
Dissertation for the Degree of Candidate of Technical Sciences, Speciality 05.14.06 - "Technical heatphisic and industrial heatenergy - National metallurgical academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2001.
On the grounds of results of mathematical modelling regularities of running heat- and masstransfer processes at the assimilation powdered wire and aluminium wire at an argon blast period in steelpour ladle at out of furnace bringing of metal are determined. Method of calculation is designed with provision of mutual interaction processes of wire spatial displacement under the action of hydrodynamics and its melting with further averaging a melted additive in the ladle volume.
Rational modes of processing an melting by powdered wire with silicocalcium and by aluminium wire, ensuring reduction of consumption of additive to processing, reduction of argon blast length and increasing of homogeneity of sharing an introductory additive in the volume of scoop are designed and confirm experimental and by experienced-industrial way.
Results of work are accepted by metallurgical enterprises of Ukraine for improvements of technologies an out of furnace bringing of steel.
Keywords: mathematical modelling, out of furnace metal bringing , heat- and masstransfer processes, powdered wire, aluminium wire, argon blast.
Болотов В.Ю. “Разработка рациональной теплотехнологии обработки расплавов проволокой в сталеразливочном ковше”. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – “Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика”. – Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск, 2001г.
Диссертация посвящена разработке рациональных режимов обработки расплавов порошковыми проволоками и алюминиевой катанкой при внепечной доводке стали.
Целью работы есть снижение затрат сырьевых ресурсов в технологических операциях внепечной доводки металла за счет повышения эффективности их использования при применении проволок для обработки расплавов.
Объектом исследования является процесс внепечной доводки расплавов в ковше. Предметом исследования является изучение тепло-массообменных процессов и технологических особенностей при обработке расплавов проволоками.
Разработан метод исследования продолжительности плавления проволоки, места ее расплавления в ковше и продолжительности усреднения расплавленной добавки на основе математических моделей, комплексно учитывающих взаимовлияющие процессы движения проволоки под воздействием гидродинамики расплава при продувке, плавления проволоки и массопереноса расплавленной добавки в ковшевой ванне.
Определены закономерности влияния технологических параметров обработки расплавов проволокой (диаметр проволоки, скорость и место ввода на зеркале металла, интенсивность и вид продувки, угол отклонения проволоки от вертикали при вводе, температура расплава) на взаимосвязанные процессы совместного движения и плавления проволоки и продолжительность усреднения расплавленной добавки.
Разработана математическая модель гидродинамики расплава в период его аргонной продувки в приближении единой газожидкостной среды, являющейся стратифицированной по плотности вязкой несжимаемой жидкостью. Численными расчетами определен характер движения расплава в зависимости от интенсивности и вида продувки.
Вычислительным путем изучены закономерности пространственного движения проволок в расплавах с учетом гидродинамики расплава и зависимости упругих свойств материала проволоки от температуры. Определены предельновозможные отклонения проволок от вертикали при вводе, исключающие обратный выход проволоки на поверхность металла в виде петли и ее запутывание.
Разработаны математические модели и алгоритмы расчетов (на основе метода с явным выделением границы плавления профессора Н.И.Никитенко) процессов плавления проволок с учетом разновидностей материалов наполнителя.
Адекватность отдельных этапов усвоения проволоки подтверждается сравнением результатов расчета с экспериментальными и расчетными данными отечественных и зарубежных исследователей.
На основании результатов математического моделирования связанной задачи движения и плавления проволоки определены закономерности протекания тепломассобменных процессов при усвоении порошковых проволок и алюминиевой катанки в период аргонной продувки в сталеразливочном ковше при внепечной доводке металла.
Разработаны и подтверждены экспериментально и опытно-промышленным путем рациональные режимы обработки расплавов порошковой проволокой с силикокальцием и алюминиевой катанкой, обеспечивающие снижение расхода добавки на обработку, уменьшение продолжительности аргонной продувки и повышение однородности распределения вводимой добавки в объеме ковша.
Разработанные практические рекомендации по выбору технологического регламента внепечного внепечного модифицирования расплава порошковой проволокой с силикокальцием и корректировки стали по химическому составу алюминиевой катанкой приняты для совершенствования технологии внепечной обработки стали в конвертерном цехе Днепровского металлургического комбината им. Дзержинского, КГГМК “Криворожсталь”, з-да им.Петровского. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов данной работы на меткомбинате им. Дзержинского году составил 812 тыс. грн, долевое участие автора составляет 168 тыс. грн.
Использование результатов работы обеспечивает экономию материальных ресурсов, улучшение условий труда, повышение качества выпускаемой продукции, снижение ее себестоимости, обеспечение конкурентоспособности продукции на мировом уровне.
Ключевые слова: математическое моделирование, внепечная доводка металла, тепломассобменные процессы, порошковая проволока, алюминиевая катанка, аргонная продувка.
