Смирнов А.Н., Сафонов В.М. и др. Металлургические мини-заводы

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 241

называемый "пробой" ванны: практически прекращается распад

струи и начинаются выбросы металла и шлака из ковша [256].

Несмотря на очевидные преимущества продувки металла

диспергированным дутьём [257, 258, 259], в этот период времени

она не получила распространения и, главным образом, из-за низ-

кой стойкости пористых наконечников фурм. Так, керамические

наконечники, изготовленные из MgO и Al

, частично или пол-

ностью теряли газопроницаемость еще до начала продувки – из-

за прохождения слоя шлака при вводе фурмы. В результате дву-

кратного контакта в цикле каждой продувки поверхности пробки

с жидким шлаком происходила глубокая пропитка ее поверхно-

стно активными FeO и МnО и перерождение структуры, что при-

водило к

непродуваемости [260], а также отслоению спеченной

зоны [261].

Серьезной причиной выхода наконечников из строя явля-

лось их отгорание из-за нарушений плотности посадки наконеч-

ника на трубу под действием высокой температуры, архимедовой

силы и вибрации, а также вследствие забивания пор продуктами

взаимодействия пористого материала с металлом и шлаком.

Вместе с тем, применение погружаемой

продувочной фур-

мы не требует изменения конструкции сталеразливочного ковша,

устройство ввода надежно и просто в эксплуатации, что и предо-

пределило применение способа как резервного для перемешива-

ния стали на установке «ковш-печь». Большое количество уста-

новок «ковш-печь» оснащены дополнительной погружаемой фур-

мой, которая находится в поднятом положении и вводится

расплав только в случае нарушения газопроницаемости проду-

вочных устройств в днище ковша. В большинстве случаев такой

способ аварийного перемешивания позволяет восстановить рабо-

ту донных продувочных устройств.

242 Металлургические мини-заводы

Основной тенденцией развития новых конструкций проду-

вочных устройств является все более широкое применение спе-

циальных керамических пробок, устанавливаемых в днище ков-

ша. Это стало возможным благодаря повышению их эксплуата-

ционной стойкости и снижению удельных затрат. Применение

донных продувочных блоков позволяет более точно регулировать

расход вдуваемого газа при его стабильной подаче, а

также обес-

печить вдувание газа в нескольких точках.

В целом, за исключением каких-то специальных случаев,

следует отметить стремление технологов уменьшить интенсив-

ность продувки металла в ковше при увеличении ее продолжи-

тельности в ходе цикла обработки.

В соответствии с основными технологическими задачами

продувку стали инертным газом ведут на различных этапах

пре-

бывания стали в ковше с изменением интенсивности в широких

пределах: от 3-6 до 35-50 м

/ч (от 50-100 до 600-800 л/мин), что

предъявляет к продувочному узлу требование универсальности.

Характеристика газового потока из продувочного узла зависит от

профиля и расположения газовых каналов.

Для продувочной пробки выбирают огнеупорный матери-

ал, исходя из условий эрозии и абразивного износа при службе с

учетом конструктивного исполнения и особенностей изготовле-

ния [262, 263]:

•

пористые пробки из материала с высокой пористостью, где

газ протекает через произвольно расположенные капил-

лярные аналы, имеющие большой спектр величины диа-

метра;

• комбинированные пробки с круглыми каналами заданного

диаметра, которые соединены между собой или являются

независимыми;

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 243

• сборные сегментные пробки со щелевыми каналами за-

данного сечения, расположенные по какой-либо схеме.

Как показал опыт промышленной эксплуатации, пористые

пробки рекомендуется применять только для условий работы с

относительно коротким временем продувки и пребывания метал-

ла в ковше. Это объясняется тем, что из-за высокой пористости и

несистематизированного расположения

газовых каналов на прак-

тике происходит быстрое проникновение стали в поры продувоч-

ного узла. Последующие термические удары и химическая (ки-

слородная) очистка приводит к быстрому разрушению пробки (в

течение 7 - 15 плавок). При удлинении времени продувки разру-

шение пробки может происходить еще быстрее и приводить к

аварийным ситуациям.

Более высокая эксплуатационная стойкость продувочных

узлов может быть достигнута в случае применения специальных

блоков с направленной пористостью. При этом сборная пробка с

щелевыми каналами оказывается наиболее предпочтительной с

точки зрения организации процесса продувки и подбора наилуч-

ших по стойкости материалов для отдельных керамических эле-

ментов, входящих в конструкцию продувочного узла. При ис-

пользовании пробки сегментного

типа их проницаемость для газа

сохраняется в 90 % и более случаев без применения кислородной

очистки перед очередным наливом. Эксплуатационная стойкость

такой пробки может сохраняться в течение 30 - 50 плавок и более

(до 4000 минут продувки), что обеспечивает ее равную стойкость

в сравнении с огнеупорами днища ковша. При этом посредством

выбора начальной высоты пробки возможно

регулирование ее

эксплуатационной стойкости [262].

Известно, что усреднение стали в объеме сталеразливочно-

го ковша сопровождает ряд процессов, которые оказывают как

244 Металлургические мини-заводы

положительное, так и отрицательное влияние на её качество и

себестоимость

• энергичное перемешивание жидкой ванны металла в ковше

путем формирования восходящего газометаллического

циркуляционного потока в месте инжекции газа и нисхо-

дящих конвективных потоков стали по периферии;

• взаимодействие потоков металла и покровного шлака как

по всей поверхности, так и в зоне

выхода газа из металла в

шлак (степень развития этого процесса зависит от интен-

сивности вдувания газа и способа его инжектирования);

• повышение степени чистоты стали по неметаллическим

включениям за счет эффекта флотации во всплывающих

пузырьках инжектируемого газа и взаимодействия их с ра-

финировочным шлаком;

• ускорение процессов расплавления и усвоения

вводимых в

жидкую ванну твердых реагентов, раскислителей, модифи-

каторов и лигатур;

• ускорение процесса вакуумной дегазации стали за счет

транспортировки к поверхности зеркала расплава порций

металла, расположенных в нижней части ковша;

• развитие процесса вторичного окисления и насыщения

стали газами в случае чрезмерно интенсивной продувки;

• ускорение износа футеровки сталеразливочного ковша

, что

во многом предопределяет повышение требований к каче-

ству и химическому составу огнеупоров.

При проектировании технологии внепечной обработки все

вышеперечисленные процессы необходимо количественно оце-

нить и соизмерить в зависимости от целей, а также технических и

технологических ограничений в конкретных условиях производ-

ства. Наряду с обеспечением требуемого уровня рафинирования

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 245

стали оптимизируют конструкцию ковша, тип и расположение

продувочных устройств, а также режим продувки с целью эконо-

мии энергетических и материальных ресурсов.

Разработка техники и технологии внепечной обработки для

реконструируемых мартеновских, конвертерных и электростале-

плавильных цехов усложняется в силу более жестких ограниче-

ний, к которым, прежде всего, следует отнести:

• заданную конструкцию

сталеразливочного ковша и его

конфигурацию: величину отношения диаметра к высоте,

конусность;

• необходимость организации новой схемы оборота стале-

разливочного ковша с основной футеровкой, что, как пра-

вило, сказывается на изменении ритма внепечной обработ-

ки;

• специфику кондиции полупродукта, выплавляемого в том

или ином агрегате;

• дефицит производственного пространства.

Для разработки

рациональных схем технологии перемеши-

вания металла в ковше при вдувании инертного газа требуется

изучение гидродинамики жидкой ванны и интенсивности пере-

мешивания. Прямое определение рабочих параметров в промыш-

ленных условиях не представляется возможным, поэтому для

этих целей широко используются методы физического и матема-

тического моделирования.

Холодное моделирование, как правило, применяют с целью

визуальной оценки рационального расположения и количества

продувочных устройств, а также характера гидродинамических

процессов в системе, от которых в значительной мере зависит

размер зоны контакта покровного шлака с футеровкой, а, следо-

вательно, и скорости ее локального износа.

246 Металлургические мини-заводы

Современное изложение вычислительной гидродинамики и

конвективного теплообмена приведено, например, в работах [264

- 268].

В монографии С. Кутателадзе и М. Стыриковича [267] на

широком экспериментальном материале, полученном, в основ-

ном, для систем вода - воздух, изложены общие закономерности

совместного движения газа и жидкости, главным образом, ста-

ционарного и дозвукового - барботаж газа, некоторые волновые

явления и

т.п.

Газодинамике газожидкостных сред в металлургических

процессах посвящены монография А. Сизова [269] и обзор

Г.Сборщикова [270]. Закономерности распространения газовых

струй в жидкости экспериментально на холодных моделях изуча-

лись в работе [271]. Количественные результаты по барботажно-

му режиму продувки жидкой ванны аргоном, полученные экспе-

риментально в реальных промышленных условиях, приведены в

источнике [272]. В

работе [273] изучался температурный режим

металла при продувке в ковше.

Математические модели задач с газожидкостной средой

можно условно разделить на две группы. К первой из них отно-

сятся модели, которые не рассматривают двухфазную газожидко-

стную зону, задавая в ней или на ее границе значения необходи-

мых величин, исходя из эмпирических соотношений

и выполняя

расчеты лишь в чисто жидкостной зоне [274 - 281]. К другой

группе относятся модели, в которых с той или иной совокупно-

стью допущений двухфазная зона рассматривается в качестве са-

мостоятельной зоны, определяющей характер перемещения пото-

ков.

Математическая модель гидродинамических процессов при

наличии газовой фазы предложена в работе [274] для случая про-

дувки сталеразливочного

ковша инертным газом. В этой модели

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 247

ессов.

учитываются два поля скоростей - скорости жидкости и осред-

ненные по скорости газовой фазы (пузырьков жидкости). Сила

взаимодействия двух фаз определяется относительной их скоро-

стью, направлена вертикально вверх и ее величину оценивают

полуэмпирической зависимостью. Однако, наличие двух эмпири-

ческих параметров в модели, которые к тому же зависят от харак-

тера течения, существенно

снижает практическую ценность

двухскоростной модели, так как какие-либо надежные числовые

данные об их величине отсутствуют. Помимо этого, при наличии

конвекции в большинстве случаев, особенно в условиях много-

фазной среды, необходимо учитывать эффекты турбулентности,

поскольку они часто оказываются решающими для хода

рассматриваемых проц

Перспективным направлением численного решения слож-

ных уравнений,

имеющих место в случае многофазных сред, яв-

ляется применение принципа расщепления, позволяющего сво-

дить одну сложную задачу к определенному числу более простых

задач, что значительно облегчает решение [282, 283]. В работе

О._Белоцерковского [284] сформулирована математическая мо-

дель, в максимально возможной степени избавленная от необхо-

димости использовать трудноопределимые параметры и учиты-

вающая лишь

основные физические факторы, влияющие на ха-

рактер движения двухфазной газожидкостной среды. В отличие

от источника [274] в работе [284] описан перенос газовой и жид-

кой фаз не раздельно с двумя различными полями скоростей ка-

ждой фазы, а совместно в односкоростном подходе с помощью

предположения о сплошности единой газожидкостной среды, яв-

ляющейся стратифицированной по

плотности вязкой несжимае-

мой жидкостью. При этом исчезает необходимость делать какие-

либо предположения о форме и размерах пузырей газа.

248 Металлургические мини-заводы

Авторами сделано предположение о том, что основным

фактором, определяющим характер движения газожидкостной

среды, является подъемная сила, возникающая из-за неоднород-

ности по плотности, обусловленной наличием газовых включе-

ний. Это предположение позволило записать уравнение движения

единой газожидкостной среды в приближении Буссинеска. С це-

лью установления адекватности предложенной модели проведена

серия расчетов для

сопоставления с достаточно надежными экс-

периментальными данными. На основании сравнения экспери-

ментальных данных и расчетных результатов установлено, что

предложенная в работе [284] математическая модель в широких

пределах изменения параметров адекватно описывает гидроди-

намику заполнения емкости с учетом инжекции воздуха струёй

жидкости и может быть применена для исследования течений ре-

альных газожидкостных

систем.

На базе математической модели разработан пакет приклад-

ных программ STARG-LF, позволяющий выполнять сравнитель-

ную оценку условий перемешивания металла в ковше при про-

дувке аргоном [285]. Исходными параметрами для расчетов при

этом являются:

• конструктивные параметры сталеразливочного ковша (ра-

диус днища, высота налива металла, размеры и место рас-

положения электродов на установке

«ковш-печь», количе-

ство и место расположения продувочных блоков и стале-

выпускного отверстия);

• теплофизические свойства расплава (химический состав

стали; плотность, теплоемкость и теплопроводность стали;

удельная теплота кристаллизации; равновесный коэффици-

ент распределения примеси);

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 249

• технологические параметры процесса (расход газа при

продувке; длительность продувки; начальная температура

расплава и стенок ковша; скорость подвода тепла при по-

догреве стали).

Основные выходные расчетные параметры представлены:

• полями скоростей, газосодержания и температур в распла-

ве в различные моменты продувки;

• изменением полей скоростей, газосодержания и темпера-

туры в расплаве

в зависимости от исходных параметров.

Адаптация разработанной математической модели была

выполнена на физических моделях различного объема и по кос-

венным оценкам на промышленных объектах.

Характер графического представления результатов расче-

тов приведен на рис. 3.6.

Разработанный пакет прикладных программ успешно при-

меняется для оптимизации технологических параметров, количе-

ства и места расположения продувочных

узлов установок «ковш-

печь» различных металлургических цехов.

Альтернативным методом перемешивания металла в ковше

является воздействие на расплав электромагнитного поля

(рис._3.7). Характерной особенностью этого метода перемешива-

ния является то, что индуктор расположен с внешней поверхно-

сти ковша и воздействие проникает от стены ковша внутрь жид-

кой ванны. При этом в

оборудовании отсутствуют движущиеся

части и элементы, непосредственно контактирующие с жидким

металлом. Кроме того, при наложении электромагнитного поля

на металл имеются весьма широкие возможности по регулирова-

ню мощности перемешивания, а также по реверсированию на-

правления движения потоков [286]. Между тем, нельзя не отме-

тить и достаточно очевидные недостатки электромагнитного пе-

250 Металлургические мини-заводы

ремешивания – ограничения в глубине проникновения поля в ме-

талл и необходимость наличия «немагнитных» вставок в сталь-

ных кожухах ковшей в зоне расположения индуктора. Достаточ-

но очевидным также представляется и тот факт, что в случае по-

вышения интенсивности перемешивания значительно возрастает

скорость износа огнеупоров в зоне расположения индуктора.

Рис. 3.6. Формат рабочего окна программы «STARG-LF»