Дніпродзержинський державний технічний університет

Болотова Юлія Олександрівна

УДК 669.717:669.040.26:669.046.55.001.57

РОЗРОБКА РАЦІОНАЛЬНИХ РЕЖИМІВ ПЛАВЛЕННЯ ЗЛИВКІВ

АЛЮМОВМІСТКИХ СПЛАВІВ НА ОСНОВІ ЗАЛІЗА ПІД ЧАС

РОЗКИСЛЕННЯ СТАЛІ В КОВШІ

05.14.06 - “Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпродзержинськ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпродзержинському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник

Доктор технічних наук,

професор Павлюченков Ігор Олександрович

Дніпродзержинський державний технічний університет, ректор, завідувач кафедри програмного забезпечення та обчислювальної техніки

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук,

професор Білоусов В’ячеслав Володимирович

Донецький національний університет,

професор кафедри нерівноважних процесів,

метрології та екології

Доктор технічних наук,

професор Стовпченко Ганна Петрівна

Національна металургійна академія України, професор кафедри покриттів, композиційних матеріалів і захисту металів

Провідна установа – Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кафедра теплотехніки, м.Харків.

Захист відбудеться “12” жовтня 2006 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К09.091.01 при Дніпродзержинському державному технічному університеті (51918, м. Дніпродзержинськ, вул. Дніпробудівська, 2).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Дніпродзержинського державного технічного університету (51918, м. Дніпродзержинськ, вул. Дніпробудівська, 2).

Автореферат розісланий “11” вересня 2006р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К09.091.01,

к.т.н., доцент О.С. Косухіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Позапічеве розкислення сталі алюмовмісткими матеріалами є одним з найбільш ефективних напрямків суттєвого підвищення якості та властивостей металопродукції масового призначення. Вироби з первинного (алюмінієва катанка) та вторинного (зливки, чушки, стрижні, відливки, гранули) алюмінію масово застосовуються на вітчизняних та закордонних металургійних підприємствах для розкислення і мікролегування більшості спокійних та низьколегованих сталей. При цьому ступінь засвоєння алюмінію, згідно з багаторічними середньостатистичними даними, складає для алюмінієвої катанки 40-50%, для виробів з вторинного алюмінію АВ-87 від 15 до 23% та характеризується високим показником нестабільності: 10-12% і 20-25% відповідно. Поряд із застосуванням виробів з первинного і вторинного алюмінію, одним з найбільш ефективних способів ресурсозберігаючої технології позапічевого розкислення сталі є введення зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза (фероалюмінію) у розплав сталерозливного ковша в період випуску плавки зі сталеплавильного агрегату, що забезпечує краще засвоєння алюмінію і зниження його витрати в 1,5-2 рази, підвищення стабільності процесу розкислення, простоту здійснення і поліпшення властивостей сталі.

На основі аналізу дослідно-промислових даних по впровадженню технології позапічевого розкислення сталі фероалюмінієм стає очевидним той факт, що дана технологія ефективніша за конкуруючі. Найкращі по показниках ступеня засвоєння і стабільності розкислення результати дає застосування зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза великої маси (8-12кг) витягнутої форми зі співвідношенням довжини зливка до його ширини 1:5-8, тобто умовно циліндричної форми. Незважаючи на накопичені емпіричні знання по засвоєнню матеріалу зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза в розплавах сталі, технологічні параметри обробки розплавів фероалюмінієвими зливками,отримані в результаті дослідно-промислових досліджень, хоча і забезпечують засвоєння добавок, але не є уніфікованими, тобто вони не відбивають комплексного взаємовпливу технологічних параметрів на ступінь і якість засвоєння добавки.

Засвоєння фероалюмінію при випуску металу в ківш включає взаємозалежні тепло- та масообмінні процеси під час руху, плавлення зливка алюмовмісткого сплаву та наступного конвективного масопереносу рідкої фази розкислювача в обємі ковша. Якість і тривалість засвоєння фероалюмінія розплавом визначається кінетикою протікання теплофізичних процесів при плавленні зливків фероалюмінію. Таким чином для встановлення впливу технологічних параметрів обробки розплавів зливками фероалюмінію (маса, розмір і склад зливків, місце введення на дзеркалі металу, маса, температура і склад розплаву), необхідне детальне вивчення закономірностей протікання теплофізичних процесів при переміщенні та розплавлюванні зливків з урахуванням гідродинаміки розплаву в ковші.

Зв’язок роботи з науковими програмами та напрямами. Тематика роботи відповідає визначеним законодавством України пріоритетним напрямам розвитку науки і техніки, зокрема напряму “Нові технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі”. Матеріали дисертації є узагальненням наукових результатів, отриманих автором при виконанні науково-дослідних робіт відповідно до плану НДР Дніпродзержинського державного технічного університету. Автор приймав участь у виконанні науково-дослідних робіт “Розробка теорії та комплексної енергозберігаючої технології фінішних процесів обробки сталі з метою підвищення якості металопродукції” (131/04дб, №держреєстрації 0104U000810) та “Вдосконалення технологічних режимів роботи агрегатів типу “ківш-піч” для зниження енерго- та ресурсовитрат в процесі позапічевого доведення металу” (ДЗ/183-2005, №держреєстрації 0105U008756).

Мета роботи. Зниження витрат сировинних ресурсів у технологічних операціях позапічевого розкислення сталі за рахунок підвищення ефективності їхнього використання шляхом застосування зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза для доведення розплавів.

Об'єктом дослідження являється процес позапічевого доведення розплавів у ковші.

Предметом дослідження являється вивчення тепломасообмінних процесів і технологічних особливостей при позапічевому розкисленні металу алюмовмісткими матеріалами.

Для досягнення мети в роботі вирішені наступні задачі:

-

-

-

Методи дослідження. У роботі використані сучасні розрахункові методи (методи математичного моделювання), що дозволяють установити кінетику протікання тепломасообмінних процесів на окремих етапах засвоєння зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза, що вводяться в період випуску розплаву в сталерозливний ківш. Для чисельних розрахунків по розроблених математичних моделях побудовані консервативні кінцево-різницеві схеми, проведено дослідження стійкості обчислювальних алгоритмів.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

1)

2)

3)

4)

Практична значимість роботи. Підтверджено технологічну можливість більш ефективного використання алюмовмістких добавок у процесах позапічевого розкислення металу в порівнянні із широко застосовуваними на сучасному етапі методами. Розроблені технологічні рекомендації підвищення ефективності процесу обробки розплавів сталі зливками алюмовмістких сплавів на основі заліза показали перспективність їхнього використання та прийняті для вдосконалення технології позапічевого розкислення розплаву та корегування по хімічному складу, що підтверджується актами їхнього промислового впровадження на Дніпровському металургійному комбінаті ім.Дзержинського і ДП "Дніпродзержинський сталеливарний завод" ВАТ "Дніпровагонмаш". Очікуваний економічний ефект від впровадження результатів роботи в цінах 2006 року склав 3,2-4,33 грн/т сталі.

Розроблені в процесі виконання дисертаційної роботи математичні моделі й алгоритми розрахунків використовуються в навчальному процесі на металургійному та енергетичному факультетах Дніпродзержинського державного технічного університету, застосовуються при читанні лекцій і проведенні практичних занять по курсам: "Математичне моделювання теплофізичних процесів", "Комп'ютерне моделювання технологічних систем", "Моделювання і керування процесами виробництва сталі".

Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною роботою автора, заснованою на опублікованих раніше результатах його досліджень. На різних етапах цих досліджень автор одержував консультації відомих вчених (Огурцов А.П., Самохвалов С.Е. Тимошпольський В.Й.). У співавторстві з ними був опублікований ряд наукових праць. Основні ідеї роботи, постановка задач, обгрунтування запропонованого нового підходу та основних припущень, теоретичні викладення, розробка та реалізація комплексної математичної моделі та методик чисельного дослідження процесу засвоєння алюмовмістких зливків, аналіз одержаних результатів та формулювання висновків за підсумками проведених досліджень належать авторові. Автор не використовував у роботі ідей і розробок, що належать співавторам спільно опублікованих робіт.

Публікація й апробація роботи. Основні результати дисертації викладені в 5 статтях у фахових наукових журналах і збірниках наукових праць, 3 матеріалах і тезах доповідей науково-технічних конференцій та конгресів. Основні положення і результати досліджень, узагальнених у дисертації, були повідомлені, обговорені та одержали позитивну оцінку на:

-

-

-

Обсяг і структура роботи. Основний зміст дисертації викладений на 158 сторінках машинописного тексту. Робота складається з введення, чотирьох розділів, висновків, переліку використаної літератури (141 найменування), додатків, містить 40 малюнків і 14 таблиць.

Автор щиро вдячний науковому керівникові - докторові технічних наук, професорові Павлюченкову Ігорю Олександровичу, методичні поради і рекомендації якого допомогли виконати цю роботу.

На захист виносяться:

1)

2)

3)

ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ дисертаційної роботи присвячений аналізу за літературними даними технологічних особливостей та теплофізичних процесів під час розкислення сталі в ковші зливками алюмовмістких сплавів на основі заліза. В розділі показано перевагу способу розкислення металу алюмовмісткими сплавами на основі заліза для одержання якісної продукції та зниження витрат сировинних ресурсів в порівнянні з масовими технологіями розкислення сталі алюмінієм. Проаналізовано також переваги та недоліки досліджень засвоєння алюмовмістких матеріалів розплавом сталі, які були проведені раніше іншими авторами теоретично чи в промислових умовах. Проведено детальний аналіз методів розрахунку тепло- та масообмінних процесів, які відбуваються під час засвоєння зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза розплавом сталі. Детально проаналізовано та узагальнено фізичні та теплофізичні властивості алюмовмістких матеріалів на основі заліза при різному вмісті алюмінію. Зроблено постановку задач досліджень.

Поряд з такими елементами - розкислювачами як вуглець, марганець, кремній - основним і кінцевим розкислювачем сталі є алюміній. Найбільше розповсюдження для розкислення сталі одержав алюмінієвий сплав марки АВ87, що випускається у виді зливків (паць) за ДСТУ 3753-98. Фактична витрата такого розкислювача в залежності від виду металургійного процесу, футерівки плавильного агрегату і марочного сортаменту виплавлюваної сталі знаходиться в межах від 0,5 до 2,5кг на одну тонну металу. Ступінь засвоєння алюмінію, згідно з багаторічними середньостатистичними даними, складає від 15 до 23% і характеризується високим показником нестабільності 20-25%. Таке низьке та нестабільне засвоєння дорогокоштовного алюмінію повязано з тим, що розкислюємий розплав підчас випуску з плавильного агрегату має "випадковий" контакт з алюмінієм, який, через суттєву різницю по щільності та знаходячись на дзеркалі металу в ковші при наповненні, практично згоряє під впливом високої температури та кисню повітря. З метою більш високого ступеню засвоєння алюмінію та стабільності розкислення сталі на багатьох підприємствах чорної металургії застосовують примусове занурення алюмінію в метал, порошки для вдування алюмінію в розплав, алюмінієві гранули для подачі в струмінь металу, вистрілювання розкислювача з алюмінію в розплав за допомогою метального пристрою тощо. Усе це вимагає додаткових витрат на підготовку розкислювача у відповідному вигляді, виготовлення та експлуатацію необхідних пристроїв і устаткування, утримання для цих цілей додаткового обслуговуючого персоналу

Значним досягненням у розвитку позапічевих процесів розкислення, мікролегування і доведення сталі за хімічним складом варто вважати розробку і впровадження технології обробки металу в ковші алюмовмісткими сплавами на основі заліза.

З аналізу літературних даних випливає, що у порівнянні з конкуруючими методами позапічевого розкислення металу метод розкислення із застосуванням фероалюмінієвих зливків має наступні переваги:

· краще засвоєння алюмінію і зниження його витрати;

· зменшення кількості неметалічних включень і поліпшення пластичних властивостей сталі, одержання більш дрібного природного зерна при однаковій витраті алюмінію;

· підвищення стабільності процесу розкислення металу;

· відсутність необхідності попереднього закріплення зливків або виливків на штангах;

· застосування фероалюмінію технологічно переважніше чушкового алюмінію, тому що не відрізняється експлуатаційними характеристиками від інших феросплавів і цілком виключає втрати по суб'єктивних причинах на шляху "склад - місце розкислення";

· подача фероалюмінію в ківш органічно вписується в існуючі механізовані системи подачі феросплавів, що цілком виключає важку ручну працю по закиданню чушкового алюмінію в ківш;

· коефіцієнт заміни чушкового алюмінію на фероалюміній (у залежності від виду сталеплавильного процесу і марки виплавлюваної сталі) складає 1,4-1,9 (по чистому елементу);

· зменшення капіталовкладень і експлуатаційних витрат.

З аналізу літературних даних випливає, що в даний час з метою одержання інформації про ступінь і якість засвоєння добавки зі зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза проведено значну кількість теоретичних та дослідно-промислових досліджень.

При побудові математичної моделі для визначення місця розплавлювання добавки в ковші авторами тим або іншим методом моделювався процес руху алюмвмістких зливків у рідкому розплаві. У більшості робіт траєкторія руху алюмовмістких зливків у розплаві розраховується в наближенні руху сферичних часток, що неадекватно відбиває поводження зливків, що мають іншу геометричну форму, у розплаві.

Незважаючи на достатню кількість теоретичних і експериментальних робіт, залишилися недостатньо вивченими досить важливі питання - визначення місця розплавлювання добавки при взаємному урахуванні впливу руху і плавлення зливків алюмовмістких сплавів умовно циліндричної форми і великої маси під впливом гідродинаміки розплаву і вплив технологічних параметрів обробки (маса, розмір і склад зливків, місце введення на дзеркалі металу, маса, температура і склад розплаву) на якість і тривалість засвоєння добавки.

На підставі вищевикладеного зрозуміло, що для визначення ефективних і раціональних параметрів обробки розплавів масивними зливками алюмовмістких сплавів умовно циліндричної форми на основі заліза необхідно тільки комплексне урахування особливостей технології обробки та особливостей протікання взаємозалежних тепломасообмінних процесів під час руху і плавлення таких зливків з подальшим масопереносом розплавленої добавки в об`ємі ковша.

Другий розділ дисертаційної роботи присвячено математичному моделюванню гідродинаміки розплаву та траєкторії переміщення алюмовмісткого зливку в розплаві під час наповнення ковша. Побудовано математичну модель гідродинаміки ковшової ванни при наповненні з урахуванням інжекції повітря струменем металу та математичну модель просторового переміщення алюмовмісткого зливку в розплаві з урахуванням гідродинаміки розплаву.

Математичне моделювання гідродинаміки розплаву під час випуску плавки в ківш.

При математичному моделюванні гідродинаміки ковшової ванни під час випуску плавки з плавильного агрегату в ківш з урахуванням інжекції повітря струменем металу використовується математична модель, описана в роботах Вихлевщука В.А., Самохвалова С.Е., Яковлева Ю.М., яка у максимально можливому ступені позбавлена від необхідності використовувати тяжковизначаємі емпіричні параметри газорідинного потоку і враховує лише основні фізичні фактори, що впливають на характер руху двофазного газорідинного середовища. Перенос газової і рідкої фаз описується спільно в одношвидкісному підході в припущенні про суцільність єдиного газорідинного середовища, що є стратифікованою по щільності в’язкою нестисливою рідиною. Висота максимального рівня металу розбивається на ряд квазістаціонарних дискретних підрівнів, на кожному з яких проводиться розрахунок гідродинаміки методом розрахунку на встановлення. Стаціонарний рух суцільного газорідинного середовища на кожному квазістаціонарному етапі заповнення ковша описується системою нестаціонарних рівнянь Нав’є-Стокса в наближенні Бусінеска при :

,,, (1)

де -час, - барицентричний вектор швидкості рідини, що має наступні компоненти в напрямку ортів системи координат - і обумовлений як відношення щільності імпульсу середовища до масової щільності , - ефективний коефіцієнт кінематичної в'язкості рідкого середовища, що враховує турбулентний характер його руху, - щільність суцільного газорідинного середовища, - щільність рідини, об'ємна частка газу в газорідинному середовищі.

Граничні умови для вектора швидкості на стінках і днищі ковша ставляться з умов непротікання та вільного ковзання, а на вільній поверхні та у вхідному струмені металу - умовами вільного ковзання. На твердій стінці і днищі ковша на коефіцієнт газовмісту накладається умова непротікання, а на вільній поверхні, і у вхідному струмені металу - вільного протікання.

При вирішенні задачі гідродинаміки використовується метод розщеплення по фізичних факторах, запропонований академіком О.М. Білоцерковським. Розрахунок проводиться за розробленою в роботі явною кінцево-різницевою схемою з використанням протипоточних апроксимацій конвективних похідних та центрально-різницевих апроксимацій дифузійних доданків. Турбулентний характер переносу кількості руху в рівняннях руху проводиться по двопараметричному методу введенням ефективного коефіцієнта в'язкості, що включає апроксимаційну та турбулентну складові.

Адаптація математичних моделей гідродинаміки ковшової ванни під час випуску плавки здійснювалася порівнянням отриманих розрахунків заповнення замкнених об’ємів для різних режимів випуску з експериментальними даними, отриманими іншими авторами.

Результати розрахунків гідродинаміки розплаву під час випуску плавки в ківш представлені на рис.1.

Математичне моделювання траєкторії руху зливку

Розроблено математичну модель та досліджено тривимірну траєкторію руху зливку алюмовмісткого сплаву на основі заліза в розплаві з урахуванням гідродинамічної картини під час випуску плавки в ківш. Місцезнаходження центра мас зливка фіксується в циліндричних координатах , крім того, для фіксації напрямку зливка і відстані від центра мас використовуються сферичні координати , проілюстровані на рис.2. Довжина зливка позначена - L.

а) | в)

б)

Рис.1. Поля швидкостей металу в осьовому перерізі ковша під час випуску в 250-тонний ківш. Буквами позначено рівні наповнення ковша: а – 1/5 об’єму, б – на 1/3 об’єму, в – на 1/2 об’єму. Криві – ізолінії концентрації газової фази: 1 – 0,4, 2 – 0,3, 3 – 0,2, 4 – 0,1.

Рис.2. Геометрія задачі про рух зливку алюмовмісткого сплаву в ковші.

Рівняння руху зливку описуються рівняннями Лагранжа другого роду:

, (2)

де qi - узагальнені координати, Ткин - кінетична енергія, Qi - узагальнені сили, що діють на зливок.

Узагальнені сили, що діють на зливок, представлені сумою потенційних та дисипативних узагальнених сил. Узагальнена потенційна сила, пов'язана з полем сили ваги і сили, що виштовхує, визначається формулою , де g - прискорення вільного падіння, , і ;- щільності розплаву сталі та зливку відповідно. Узагальнені дисипативні сили розбиті на суму трьох складових перша з яких описує опір поступальному рухові зливка, друга - обертальному, а третя - ефектові захоплення зливку розплавом сталі, що рухається.

Кінетична енергія зливка визначається як сума складової кінетичної енергії, пов'язаної з поступальним рухом і складової, пов'язаної з обертальним рухом. Сумарна кінетична енергія зливка в обраних узагальнених координатах має вигляд:

(3)

Рівняння руху зливка у вигляді, розв’язаному відносно других похідних узагальнених координат, має вигляд:

(4)

де - перпендикулярна до зливку складова середньої швидкості поступального руху відносно розплаву.

Дана система рівнянь розв’язується за методом Ейлера.

Безрозмірний коефіцієнт опору , що входить у вираз для сили опору, що діє з боку розплаву на зливок, 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.

Результати розрахунків траєкторії руху зливка алюмовмісткого сплаву на основі заліза під впливом гідродинаміки розплаву представлено на рис.3.

а) |

в) |

г)

б)

Рис. 3. Траєкторія руху зливку алюмовмісткого сплаву до повного розплавлення в 250-тонному ковші з температурою сталі 16000С. Позначення: а,в – ввід під струмінь металу, б,г – ввід біля борту ковша; а,б – зливок вводиться на рівні 1/3 наповнення ковша, в,г – зливок вводиться на рівні 1/2 наповнення ковша; вміст алюмінію в матеріалі зливку: 1 - 20%, 2 - 30%, 3 - 50%.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячений математичному моделюванню процесу плавлення зливку алюмовмісткого сплаву на основі заліза в розплаві сталі та математичному моделюванню процесу усереднення (масопереносу) розплавленої добавки в об’ємі ковша. З метою аналізу кінетичних особливостей плавлення зливків алюмовмістких сплавів з різним вмістом алюмінію, ці матеріали відповідно до загальноприйнятої термінології розділені на дві групи - легкоплавкі (температура плавлення алюмвмісткого сплаву нижче температури затвердіння розплаву в ковші) і тугоплавкі (температура плавлення алюмовмісткого сплаву дорівнює або вище температури затвердіння розплаву).

При моделюванні процесу плавлення зливка алюмовмісткого сплаву на основі заліза використовуються наступні припущення:

-

-

-

Теплоперенос у твердих або фазах матеріалу зливку, що розплавилися, оболонки розплаву або шлаку описується одновимірними рівняннями теплопровідності з рухливими границями розподілу фаз у циліндричній системі координат. При побудові математичної моделі кінетики плавлення зливка алюмовмісткого сплаву з тугоплавкого матеріалу виділені чотири періоди (рис.4.), з легкоплавкого - три періоди (рис.5).

Період 1

Період 2 |

Період 3

Період 4

Рис.4. Розрахункові області періодів плавлення тугоплавкого алюмовмісткого

сплаву

Період 1

Період 2 |

Період 3

Рис.5. Розрахункові області періодів плавлення легкоплавкого алюмовмісткого сплаву

Дослідження кінетики плавлення зливка проведено із застосуванням методу з явним виділенням границі плавлення професора Никитенко М.І.

Період 1. Утворення оболонки шлаку на поверхні зливка. Розповсюдження тепла в двошаровому (тугоплавкий матеріал) або тришаровому тілі (легкоплавкий матеріал) описується рівняннями теплопровідності в циліндричній системі координат для матеріалу зливка (його твердої та рідкої фази) і для твердої шлакової оболонки при :

(5)

Граничні умови при :

, (6)

, (7)

, , (8)

,

, , . (9)

Період 2. Утворення і плавлення оболонки розплаву на поверхні шлакової оболонки. З моменту влучення зливка алюмовмісткого сплаву в рідкий метал на поверхні шлакової оболонки відбувається утворення і наступне плавлення оболонки розплаву. Поверхня шлакової оболонки прогрівається до температури її плавлення і, тому, можливий процес її плавлення усередині оболонки розплаву. Процес передачі тепла в чотирьохшаровому (тугоплавкий матеріал зливка) або п`ятишаровому (легкоплавкий матеріал зливка) тілі описується системою рівнянь теплопровідності (5), доповненою рівняннями для рідкої фази шлакової оболонки та оболонки розплаву при :

(10)

Граничні умови при :

, (11)

, (12)

, ,(13)

,(14)

, , (15)

,

, . (16)

Період 3. Утворення і плавлення оболонки розплаву на поверхні матеріалу зливка алюмовмісткого сплаву. Після розплавлювання шлакової оболонки поверхня зливка алюмовмісткого сплаву недостатньо прогріта (через низьку теплопровідність шлакового прошарку) і, тому, можливий процес утворення і наступного розплавлювання оболонки розплаву. Даний період плавлення описується системою рівнянь теплопровідності, що включає рівняння для матеріалу зливка алюмовмісткого сплаву (його твердої і рідкої фаз) і рівняння для оболонки розплаву при :

(17)

Граничні умови при :

, (18)

, (19)

,, (20)

,

, . (21)

Період 4. Плавлення матеріалу зливка алюмовмісткого сплаву. Якщо матеріал зливка алюмовмісткого сплаву є тугоплавким, то для того щоб почався процес його плавлення необхідно поверхню матеріалу зливка прогріти до температури плавлення (тривалість ), що вище температури плавлення розплаву. Цей процес описується рівнянням теплопровідності для матеріалу зливка з граничною умовою ІІІ роду на зовнішній границі при

. (22)

Після прогріву поверхні матеріалу зливка процес його плавлення описується рівняннями теплопровідності із зовнішньою границею плавлення, що рухається.

, , . (23)

Якщо після розплавлювання оболонки розплаву залишилася тверда фаза матеріалу зливка, то відбувається повторне утворення оболонки розплаву на його поверхні. Цей процес повторюється до повного розплавлювання матеріалу зливка.

Однією з важливих характеристик процесу засвоєння зливків алюмовмістких сплавів у металургійному розплаві є тривалість остаточного усереднення рідкої фази матеріалу зливка в об`ємі ковшової ванни. За основу математичної моделі прийняте рівняння переносу розплавленої рідкої субстанції в об`ємі ковша в циліндричних координатах у дивергентній формі:

(24)

У роботі побудовано консервативну кінцево-різницеву схему для розрахунку процесу масопереносу в об`ємі ковша з протипоточними апроксимаціями конвективних похідних та центрально-різницевою апроксимацією дифузійних доданків на різних тимчасових шарах. Граничними умовами на твердій стінці, днищі ковша та вільній поверхні металургійного розплаву є умови непроникності. Врахування турбулентного характеру переносу маси розплавленої добавки проводися введенням ефективного коефіцієнта дифузії, що включає апроксимаційну та турбулентну складові.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячено обчислювальному експерименту з дослідження процесу засвоєння зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза в сталерозливному ковші під час випуску плавки при різних режимах позапічевого доведення металу. Наведено результати чисельних розрахунків, вказано раціональні режими введення алюмовмістких зливків в розплав, сформульовано практичні рекомендації щодо вдосконалення технології позапічевого розкислення металу алюмовмісткими зливками в ковші. Обгрунтовано доцільність та підраховано економічний ефект від впровадження раціональних режимів розкислення сталі зливками алюмовмістких сплавів на основі заліза.

Рис.6. Тривалість розплавлення зливку 10% алюмовмісткого сплаву в ковші з температурою сталі 16000С. Буквами позначено діаметри зливку: а–60мм, б–67мм, в–73мм. Суцільні лінії – радіуси зливку та оболонки розплаву, пунктир – оболонка шлаку. | Рис.7. Тривалість розплавлення зливку 30% алюмовмісткого сплаву в ковші з температурою сталі 16000С. Позначення такі ж, як на рис.6.

Рис.8. Тривалість розплавлення зливку 30% алюмовмісткого сплаву діаметром 67мм в ковші з різною температурою сталі без врахування шлакової оболонки. Буквами позначено температуру сталі: а-16500С, б-16000С, в-15500С. | Рис.9. Тривалість розплавлення зливку 50% алюмовмісткого сплаву в ковші з температурою сталі 16000С. Позначення такі ж, як на рис.6

При розробці практичних рекомендацій з режимів введення зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза в розплав були враховані наступні фактори:

-

-

-

З огляду на перераховані фактори, при аналізі результатів окремих етапів засвоєння зливків алюмовмістких сплавів розроблено режими обробки сталі зливками алюмовмістких сплавів на основі заліза в ковшах різної ємності в період його наповнення під час випуску плавки. Під час обробки сталі в температурному інтервалі 1550-16500С рекомендовано застосовувати зливки алюмовмістких сплавів на основі заліза відповідно до режимів, що наведені в таблиці.1

Таблиця 1

Рекомендовані режими введення зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза в ківш різної ємності під час випуску плавки

Ємність ковша, т | Т-ра сталі, 0С | Марка FeAl | Маса зливків FeAl, кг | Рівень заповнення | Варіант вводу* | Ємність ковша, т | Т-ра сталі, 0С | Марка FeAl | Маса зливків FeAl, кг | Рівень заповнення | Варіант вводу*

До 30 |

1550 | фа-30

фа-40

фа-50 | 6,6

5,8

5,2 | 1/3

1/3

1/4 | І,ІІ

І

І |

100-200 | 1550 | ФА-30

ФА-40 | 9,8

8,7 | 1/3

1/3 | І

І

1600 | фа-20

фа-30

фа-40 | 7,4

6,6

5,8 | 1/3-1/2

1/3

1/3 | І,ІІ

І,ІІ

І |

1600 | ФА-20

ФА-30

ФА-40 | 11,0

9,8

8,7 | 1/3-1/2

1/3

1/3 | І,ІІ

І

І

1650 | ФА-15

ФА-20

ФА-30 | 7,7

7,4

6,6 | 1/4-1/2

1/4-1/2

1/3-1/2 | І,ІІ

І,ІІ

І |

1650 | ФА-15

ФА-20

ФА-30 | 11,5

11,0

9,8 | 1/3-1/2

1/3-1/2

1/3 | І,ІІ,ІІІ

І,ІІ

І

30-100 | 1550 | ФА-30

ФА-40 | 8,2

7,3 | 1/3

1/3 | І

І |

200-300 | 1550 | ФА-30

ФА-40 | 9,8

8,7 | 1/3

1/3 | І

І

1600 | ФА-20

ФА-30

ФА-40 | 9,2

8,2

7,3 | 1/3-1/2

1/3-1/2

1/3 | І,ІІ

І

І |

1600 | ФА-20

ФА-30

ФА-40 | 11,0

9,8

8,7 | 1/3-1/2

1/3-1/2

1/3-1/2 | І,ІІ

І,ІІ

І

1650 | ФА-15

ФА-20

ФА-30 | 9,7

9,2

8,2 | 1/4-1/2

1/4-1/2

1/3-1/2 | І,ІІ

І,ІІ

І |

1650 | ФА-15

ФА-20

ФА-30 | 11,5

11,0

9,8 | 1/4-1/2

1/4-1/2

1/3-1/2 | І,ІІ,ІІІ

І,ІІ

І

* - варіанти введення зливків: І – під струмінь металу, ІІ – біля борту ковша,
ІІІ – на відстані половини радіусу від борту ковша.

При розкисленні сталі в ковші з температурою 15500С рекомендовано використовувати зливки алюмовмістких сплавів на основі заліза із вмістом алюмінію 30-50% у ковшах малої ємності та 30-40% у ковшах середньої та великої ємності . Введення зливків рекомендовано здійснювати під струмінь металу.

При обробці сталі з температурою 16000С в ковшах малої та великої ємності рекомендовано використовувати зливки алюмовмістких сплавів із вмістом алюмінію 20-40%. Введення зливків із змістом алюмінію 20% рекомендовано здійснювати як під струмінь металу, так і у борта ковша, із вмістом 30-40% - під струмінь металу.

При обробці сталі з температурою 16500С в ковшах малої і великої ємності рекомендовано використовувати зливки алюмовмістких сплавів із вмістом алюмінію 15-30%. Уведення зливків із вмістом алюмінію 30% рекомендовано здійснювати під струмінь металу, 20% - під струмінь або у борта , 15% - у будь-яке місце на дзеркалі металу в ковші.

Найбільш кращим по показниках засвоєння добавки, що вводиться, і тривалості її усереднення в об`ємі ковшової ванни (до 100с) для ковшів малої ємності є введення зливків на рівні 1/4-1/3 заповнення об`єму ковша, для ковшів середньої ємності - 1/3-1/2 заповнення об`єму, для ковшів великої ємності - 1/4-1/2 об`єму. Більш раннє введення зливків алюмовмістких сплавів призводить до їхнього виносу на поверхню, у результаті чого знижується ступінь засвоєння алюмінію. Більш пізнє введення не забезпечує максимального занурення зливків під рівень металу в момент розплавлювання і характеризується значною тривалістю процесу усереднення розплавленої добавки в об`ємі ковша.

Для підтвердження адекватності отриманих в даній роботі результатів вони порівнюються з результатами, отриманими в ході проведення дослідно-промислових досліджень на ВАТ "Дніпровський металургійний комбінат ім.Дзержинського", ВАТ "Криворіжсталь" та на Дніпродзержинському сталеливарному заводі ВАТ "Дніпровагонмаш".

Отримані результати по обробці сталі в ковші зливками алюмовмістких сплавів на основі заліза показують, що середній залишковий вміст алюмінію на плавках за традиційною технологією (із застосуванням виробів із вторинного алюмінію АВ-87) та із введенням фероалюмінію в ківш практично ідентично - 0,02132% та 0,02075% відповідно.

Рис. 9. Вплив вмісту алюмінію в зливках на показник економічного ефекту від впровадження технології розкислення сталі зливками алюмовмістких сплавів на основі заліза.

У той же час, порівняння середніх кількостей алюмінію, введеного в метал, показує, що аналогічний результат отримано при в тричі меншій кількості введеного чистого алюмінію - 0,00192кг/кг сталі (середня витрата на плавках - 1,5кг/кг сталі) при використанні вторинного алюмінію марки АВ-87 та 0,00064кг/кг сталі (середня витрата на плавках - 0,00055кг/кг сталі) при використанні фероалюмінію. Отримані данні показують, що реальний коефіцієнт заміни вторинного алюмінію АВ-87 на зливки алюмовмістких сплавів на основі заліза за результатами дослідних випробувань склав 1,87кг/кг сталі.

ВИсНОВКИ

В результаті виконання дисертаційної роботи отримано наступні основні результати:

1.

2.

3.

4.

5.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ ПРАЦЬ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

АНОТАЦІЯ

Болотова Ю.О. “Розробка раціональних режимів плавлення зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза під час розкислення сталі в ковші”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – “Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика”. – Дніпродзержинський державний технічний університет, м.Дніпродзержинськ, 2006р.

На підставі результатів математичного моделювання визначено закономірності протікання тепло- та масообмінних процесів під час засвоєння зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза в сталерозливному ковші в період випуску плавки. Метод розрахунку розроблено з урахуванням взаємовпливу процесів просторового руху алюмовмістких зливків під впливом гідродинаміки розплаву та його плавлення з подальшим усередненням розплавленої добавки в ковші.

Розроблено та підтверджено в дослідно-промислових умовах раціональні режими обробки розплавів зливками алюмовмістких сплавів на основі заліза, які забезпечують зниження витрат алюмінію під час розкислення сталі, зменшення тривалості процесу позапічевого розкислення та підвищення однорідності розподілу добавки в ковші.

Результати роботи прийнято металургійними підприємствами України для вдосконалення технології позапічевого доведення металу з метою ресурсозбереження.

Ключові слова: математичне моделювання, позапічеве доведення сталі, плавлення, тепломасообмінні процеси, алюмовмісткий зливок на основі заліза, тугоплавкий та легкоплавкий матеріал.

АННОТАЦИЯ

Болотова Ю.А. “Разработка рациональных режимов плавления слитков алюмосодержащих сплавов на основе железа при раскислении стали в ковше”. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – “Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика”. – Днепродзержинский государственный технический университет, г.Днепродзержинск, 2006г.

Диссертация посвящена разработке рациональных режимов обработки расплавов стали слитками алюмосодержащих сплавов на основе железа при раскислении стали в сталеразливочном ковше с целью снижения затрат дорогостоящего алюминия.

Усовершенствован метод исследования процессов усвоения слитков алюмосодержащих сплавов в расплаве с учетом взаимовлияния процессов пространственного перемещения слитка под действием гидродинамики расплава и его плавления с дальнейшим усреднением расплавленной добавки в объеме ковшевой ванны. Разработана и адаптирована математическая модель связанной задачи усвоения материала алюмосодержащих слитков с учетом вышеперечисленных факторов.

Разработана математическая модель гидродинамики расплава в период выпуска плавки в ковш из плавильного агрегата с учетом инжекции воздуха струей металла в приближении единой газожидкостной среды, являющейся стратифицированной по плотности вязкой несжимаемой жидкостью. Для численной реализации построены явные консервативные конечно-разностные алгоритмы с противопоточной аппроксимацией конвективных производных и центрально-разностной аппроксимацией диффузионных слагаемых. Численными расчетами определен характер движения расплава в зависимости от объема ковша и продолжительности выпуска.

Разработана математическая модель, алгоритмы расчета и вычислительным путем изучены закономерности пространственного перемещения слитков алюмосодержащих сплавов на основе железа в расплаве с учетом его гидродинамики при различных режимах ввода и характеристиках слитков.

Разработаны математические модели процессов плавления слитков алюмосодержащих сплавов на основе железа с учетом различного состава материала слитка на основании метода с явным выделением границы плавления профессора Н.И.Никитенко.

Адекватность отдельных этапов усвоения слитков подтверждается сравнением результатов расчета с экспериментальными и расчетными данными отечественных и зарубежных исследователей.

На основании результатов математического моделирования связанной задачи движения и плавления алюмосодержащих слитков определены закономерности протекания тепломассообменных процессов при усвоении слитков алюмосодержащих сплавов на основе железа в период выпуска плавки в сталеразливочном ковше.

Разработаны и подтверждены опытно-промышленным путем рациональные режимы обработки расплавов алюмосодержащими слитками,