ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Нелипа Сергей Александрович
Е-mail:nelik@ukr.net
"Исследование режимов продувки стали в ковше инертными газами и разработка конструкции электромеханического клапана.
кафедра "Механическое оборудование заводов черной металлургии"
Категория работы: Автореферат магистерской работы
Руководитель работы: Ошовская Елена Владимировна
Структура реферата
Актуальность темы.Цель работы.
Научная новизна.
Практическая ценность.
Реализация результатов работы.
Методы исследования.
Содержание работы.
Основные результаты работы.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Задача получения высококачественной стали или сплава, пригодных для изготовления ответственных изделий, сводится к разработке такой технологии выплавки, раскисления и заключительного этапа обработки, которые могут обеспечить минимальное остаточное содержание вредных примесей, газов и неметаллических включений
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ ПРОДУВКИ СТАЛИ
1.1 Операции, выполняемые при продувке
Механизм удаления водорода из жидкой стали при продувке ее аргоном заключается в том, что растворенный водород диффундирует в готовые газовые пузыри аргона, в которые парциальное давление других газов ничтожно мало. На поверхности пузырьков аргона происходит рекомбинация водорода в молекулярное состояние. В результате этого процесса состав газа в пузырьке постепенно приближается к равновесному по отношению к газу, растворенному в стали
Скорость удаления водорода из жидкой стали зависит от первоначальной его концентрации в растворе. Чем выше начальная концентрация водорода, тем с большей скоростью он удаляется во время продувки ванны инертными газами.
Следовательно скорость удаления водорода из стали при продувке зависит от начальной концентрации водорода в стали, расхода инертного газа, размера формирующихся газовых пузырей, высоты их подъема, температуры и объема продуваемого металла.
Удаление азота из жидкого металла при продувке его инертными газами связано с химическим составом обрабатываемой стали. При продувке углеродистого металла окисью углерода или аргоном наблюдалось удаление азота.
Легированные и высоколегированные стали продуваются в ковше аргоном после окончательного раскисления. Кислород в такой стадии практически полностью находится в связанном состоянии в виде включений.
При продувке аргоном раскисленной стали содержание в ней кислорода значительно снижается.
Образующиеся в результате раскисления в жидкой стали неметаллические частички могут при благоприятных условиях под влиянием поверхностного натяжения и взаимного притяжения укрупнятся. Главными причинами, способствующими более частой встрече взвешенных в металле включений, их укрупнению и всплыванию в шлак, являются энергичное перемешивание и циркуляция металла.
Крупные частицы удаляются из металла более интенсивно. Продувка стали инертными газами способствует укрупнению частичек, а, следовательни и их удалению.
1.2 Существующие способы придувки
Рисунок 1 - Способы продувки стали в ковше
Однако ложные стопоры для продувки имеют и недостатки, поскольку представляют собой устройства одноразового использования. Еще более существенно то, что во время продувки наиболее интенсивное движение металла и газа происходит вдоль стопора (даже при использовании пробок, направляющих газ радиально или горизонтально). Вследствие этого огнеупорная футеровка стопора быстро размывается, и частицы ее поступают в металл, отрицательно влияя на возможность его очистки от неметаллических включений. Поэтому использование ложных стопоров для продувки металла инертным газом не нашло широкого применения.
Технология продувки через погружаемые фурмы и конструкция фурм постоянно совершенствуются. Так, на Орско-Халиловском металлургическом комбинате (ОХМК) разработали и используют фурму не с цилиндрическими, а с щелевыми соплами, расположенными перпендикулярно оси трубы. Для интенсификации процесса в стенках щелевых сопел сделаны проточки, вызывающие возникновение при продувке акустического поля. Продувку ведут при погружении фурмы на 2,2 - 2,4 м (? 70 % высоты жидкого металла) и давлении аргона перед фурмой 0,4 - 0,5 МПа. По сравнению с продувкой через фурму с цилиндрическим соплом при давлении перед фурмой 0,1 - 0,2 МПа меняется характер перемешивания металла в ковше: интенсивность бурления в районе фурмы уменьшается, наблюдается интенсивное перемешивание расплава по зеркалу ковша. Продувку производят в течение ? 3 мин, что обеспечивает равномерное распределение химических элементов в металле во всем объеме ковша.
Широкое применение для продувки металла в ковше получили огнеупорные пористые пробки (рис.2). Они изготавливаются из крупнозернистого материала под низким давлением прессования и подвергаются специальному отжигу. Высокой газопроницаемостью и удовлетворительными свойствами обладают пробки из спеченного муллита (70 % Аl2О3) и магнезита (95 % MgO); стойкость пробок до 15 - 20 плавок..
Рисунок 2 - Пористая пробка
Пористая пробка в форме усеченного конуса монтируется в днище ковша изнутри или снаружи При замене пробки более простым является монтаж снаружи, но при этом способе несколько усложняется устройство для усиления днища и жесткости установки. По сравнению с ложными стопорами пористые пробки имеют то преимущество, что при проникновении через них газа он поступает в жидкий металл в виде мелких пузырьков. Это обеспечивает большую поверхность контакта металл - инертный газ и, соответственно, большую скорость перехода компонентов между этими фазам.
На отечественных заводах также применяют продувку инертным газом через шиберный затвор. Этот способ отличается простотой устройства и отсутствием необходимости специальных переделок в футеровке ковша. При установке разливочного стакана в гнездо ковша в него вводят трубку для продувки аргоном (рис. 15) и засыпают стакан и верхнюю приемную часть гнезда ковша магнезитовой крошкой. С начала выпуска стали в ковш начинают продувку аргоном, который в первый же момент пробивает ход в подсыпке, образуя своеобразное "сопло". Через это сопло и ведется продувка. После окончания продувки концевую часть трубки, пошатывая, вынимают из стакана и затвора, и ковш с металлом готов к разливке. При открытии шиберного затвора подсыпка высыпается, освобождая проход для стали. Если подсыпка сама не высыпается, ее прожигают кислородом.
Рисунок 3 - Устройство для продувки жидкой стали в ковше инертным газом
Продувка аргоном через трубку, установленную в шиберном затворе, имеет преимущество по сравнению с другими способами продувки, поскольку при одинаковом расходе газа она обеспечивает большую мощность перемешивания вследствие большей кинетической энергии поступающей в жидкий металл газовой струи. Это обусловлено тем, что при подводе через трубку нет таких больших потерь напора, как при подводе через пористые пробки. При продувке через стопор эти потери также невелики, но кинетическая энергия газа теряется вследствие того, что движение его направлено вниз, т.е. против последующего затем всплывания. По сравнению с продувкой через ложный стопор продувка через шиберный затвор имеет и то преимущество, что интенсивное движение над местом поступления газа в металл не вызывает размывания огнеупорных материалов (футеровки стопора).
ГИДРОДИНАМИКА ВАННЫ ПРИ ПРОДУВКЕ СТАЛИ В КОВШЕ ИНЕРТНЫМ ГАЗОМ
Решающее влияние на результаты продувки металла в ковше инертным газом оказывают гидродинамика жидкой ванны и интенсивность перемешивания. Прямое определение этих показателей в промышленных условиях не представляется возможным, так как жидкая сталь непрозрачна и имеет высокую температуру, что очень затрудняет проведение исследований. Поэтому характер движения жидкого металла в ковше, направления и скорости возникающих при этом потоков изучают с использованием математического и физического моделирования на холодных прозрачных моделях, принимая в качестве стальмоделирующей жидкости воду и вводя в нее в качестве трассеров (индикаторов) подцвечивающие примеси. При соблюдении геометрического и физического подобия, т.е. равенстве некоторых характеризующих движение металла критериев подобия для модели и реального образца (ковша с жидкой сталью) получают данные о гидродинамике жидкого металла в ковше. Конечно, вследствие того, что при моделировании обеспечить одновременно равенство некоторых критериев не представляется возможным, оно лишь приближенно описывает действительное поведение металла в ковше. Но и приближенно моделирование имеет важное значение, так как позволяет довольно надежно представить гидродинамику ванны при продувке жидкого металла в ковше инертным газом. Результаты холодного моделирования в определенной мере подтверждаются косвенными данными о реальном характере движения металла в ковше по результатам определения изменения состава и температуры стали на разных уровнях (по ходу разливки).
Вероятное распределение векторов скоростей движения потоков жидкой стали в 250-т ковше при продувке металла инертным газом через пористую пробку, расположенную в центре днища, приведено на рис. 4. Как видно, наибольшая интенсивность движения имеет место по оси ковша над пористой пробкой. Над этим местом поднимается "султан" металла, с которого частично стекает шлак. В зависимости от интенсивности продувки и, соответственно, высоты подъема султана в этом месте шлак может покрывать металл более или менее тонкой пленкой или полностью сходить, оголяя сталь. Если в ковше - окислительная атмосфера (например, воздух), это вызывает вторичное окисление металла и может вызвать загрязнение стали оксидными неметаллическими включениями. Поэтому появление султана металла, не покрытого шлаком, недопустимо или требует создания нейтральной атмосферы.
Рисунок 4 - Схема движения потоков жидкой стали в 250-т ковше при продувке через пористую пробку в центре днища (расход инертного газа 0,25 м3/(т.мин); цифры над стрелками - скорость потока, м/с)
Рисунок 4 - Схема движения потоков металла при продувке через кольцо, образованное пористыми швами в кладке днища 250-т ковша (расход газа 3 м3/мин))
Характер и интенсивность движения стали в ковше зависят от ряда параметров продувки, которые вследствие этого влияют на ее эффективность, в частности на гомогенизацию металлической ванны, т.е. выравнивание состава и температуры металла.
В результате проведенных исследований было установлено, что вследствие увеличения кинетической энергии поступающего в металл газа при продувке через трубку, установленную в шиберном затворе, по сравнению с продувкой через пористые пробки, при одинаковом расходе газа уменьшается длительность перемешивания. При продувке через ложный стопор, когда выходящий из него поток газа направлен вниз, энергия перемешивания существенно меньше.
Анализ публикаций показывает что, информация, касающаяся расчета профиля кулачка, который описывает зависимость расхода газа от режима продувки отсутствует.
В связи с этим задачей исследования является разработка методики расчета профиля кулачка для различных режимов продувки стали в ковше инертным газом.
В ходе работы выведена зависимость расхода инертного газа от наполнения ковша и получены различные профили кулачков для разных режимов продувки
Использование разработанного в работе клапанаприводит к уменьшению расхода вдуваемого инертного газа, а, следовательно, и к уменьшению себестоимости продукции (7-10 грн/тонну стали)
Результаты работы ещё не реализованны, но изготовлена лабораторная модель и будут проводится эксперименты.
Для исследования процесса перемешивания используется математическая модель процесса продувки стали в ковше.
Используемая математическая модель процесса перемешивания металла газом, подаваемым через донное продувочное устройство ковша, основана на следующих положениях:
- передача энергетического факела наиболее интенсивно происходит в период ее разгона, т.е. при наличии скоростей взаимодействующих фаз, когда сопротивление со стороны жидкости, направленное против архимедовых сил, имеет максимальное значение;
- при пробойном истечении струи вдуваемого газа подавляющая часть ее кинетической энергии остается неиспользованной, поскольку покидающая перемешиваемую систему газовая фаза, в том случае взаимодействует с жидкостью только на поверхности их раздела, имеющего форму обращенного конуса с углом раскрытия 20-25
- для каждого фиксированного объема перемешиваемой жидкости достаточно полная ее гомогенизация наступает после 3-х кратной циркуляции, в дальнейшем энергия газовой струи расходуется лишь на поддержание устойчивой циркуляции жидкостных потоков.
На основании этой модели при реализации донной продувки стали в ковше во время ее выпуска из плавильного агрегата необходимо обеспечить проведение процесса перемешивания таким образом, чтобы истечение газовой струи в расплав происходило в так называемом "допробойном" режиме, при котором с наибольшей эффективностью используется ее кинетическая энергия. Целесообразным также является изменение с определенной периодичностью расхода газа, когда чередуется разгон и торможение циркулирующей жидкости, в течении которых наблюдается значительный градиент скоростей взаимодействующих фаз, способствующий эффективной передаче энергии газового факела жидкостной схеме.
Математическая модель процесса перемешивания стали инертным газом в ковше, разработанная с учетом данных физического моделирования, позволяет обеспечить функционирование автоматизированной системы управления продувкой металла в дискретном режиме ,способствующей снижению расхода энергоносителя в 2 раза.
1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ, СВЯЗАННЫХ С ПРОДУВКОЙ
1.1 Особенности применения продувки стали в условиях внедрения комплекса внепечной обработки.
1.2Пути совершенствования оборудования для реализации новых технологий.
1.3 Цель задачи исследования.
2 РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
2.1 Исследование на физических моделях особенностей гидрогазодинамических процессов в ванне разливочного ковша.
2.2 Кинематическая схема и конструкция фурмы и системы.
2.3.1 Описание принципа построения АС.
2.3.2 Проэктирование клапана.
2.3.3 Проэктирование профиля кулачка.
2.3Опробация на объемной модели.
3 Предложения для промышленного применения.
ВЫВОДЫ
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
Рисунок 3 - Профиль кулачка электромеханического клапана.
Домашняя страница | Полезные ссылки | Электронная библиотека