Влияние толщины уровня шлака на интенсивность перемешивания при продувке металла в ковше инертным газом
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Влияние толщины уровня шлака на интенсивность перемешивания при продувке металла в ковше инертным газом

А.Н.Смирнов, С.Г. Жемеров
Донецкий национальный технический университет

В современной металлургии ковш-печь является наиболее распространенным агрегатом для обработки металла. Он обеспечивает возможность гибкого управления процессом формирования физико-химического состояния расплава для получения высококачественной стали с заданным химическим составом и свойствами[1].

При продувке металла в ковше пузыри газа проходят сквозь расплавленный металл, способствуя всплыванию различных включений и усиливая реакцию взаимодействия между шлаком и сталью. Пузыри газа поднимаются в газожидкостной струе, которая образует приподнятую область или «фонтан» на поверхности резервуара [2].

Поднимающийся поток из газовой струи горизонтально распространяется по поверхности ванны и отодвигает шлаковый слой к краям ковша. Если шлаковый слой достаточно тонкий, данный процесс приводит к образованию оголенной области жидкого металла, подверженной атмосферному воздействию, называемой пятно или бурун. Несмотря на то, что перемешивание в ковше является полезной практикой, в результате перемешивания возможны негативные явления, например, захват шлака или поглощение сталью кислорода и азота, что отрицательно сказывается на качестве металлопродукции [3]. Гидродинамика и связанные с нею явления переноса данных областей чрезвычайно важны для производства чистой стали. Задачей настоящей работы является получение четкого представления о процессе перемешивания ванны металла и взаимодействия ее со шлаком на основе физического моделирования.

Модель ковша представляет собой цилиндрический акриловый резервуар, внутренний диаметр которого составляет 24см, а высота 45см, оснащенного продувочными узлами. Конструкция модели позволяла изменять количество продувочных узлов (один или два) и их положение в днище ковша. Положение двух продувочных узлов в днище ковша определялось углом, который изменялся в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси ковша. Учитывая специфику работы агрегата ковш-печь, заключающуюся в расположении трех электродов в центральной части зеркала шлака, для исследования были выбраны углы в 60 и 135°, как наиболее характерные. В качестве жидкостей, моделирующих расплав стали и шлака, применяли соответственно воду и силиконовое масло. Для продувки использовали сжатый воздух. Физические свойства моделирующих жидкостей приведены в табл. 1.

Таблица 1 – Физические свойства моделирующих жидкостей

Физические свойства моделирующих жидкостей

Схематическое изображение установки представлено на рисунке 1. Фиксирование границ буруна проводилось с помощью цифровой видеокамеры, которую расположили над резервуаром. Записанные изображения обрабатывались на компьютере с помощью программы анализа изображений для более точного определения площади буруна. Каждый опыт проводился 3 раза.

Схематическое изображение установки

Рис.1 - Схематическое изображение установки

В ходе эксперимента предложена механистическая модель, позволяющая вычислить размер буруна, как функцию расхода газа и высоты верхнего и нижнего слоя жидкости. При ковшевой разливке шлаковый слой относительно тонкий (соотношение h/H менее 0,1) и достаточно легко смещается в сторону. Снимки бурунов, полученные при данных условиях, показаны на рисунке 2. На фотографиях видно, что размер буруна больше, чем фонтанирующая область.

Снимок буруна сверху (высота резервуара 42см, масла – 1см, расход газа – 0,2л/мин

Рис.2 - Снимок буруна сверху (высота резервуара 42см, масла – 1см, расход газа – 0,2л/мин).

Подаваемый газ поднимается в центре, масло смещается в сторону. На границе происходит частичное смешивание масла и воды [4]. Однако если направить камеру сбоку на стенку, снизу границы раздела масло-вода, и камера будет направлена наклонно вверх, то можно увидеть, что бурун снизу явно больше, чем зона воздушной струи (рис. 3).

Снимок буруна направленной сбоку камерой

Рис. 3. - Снимок буруна направленной сбоку камерой

В ходе экспериментов установлено, что при продувке через один центрально расположенный узел «металл» в зоне выхода продувочного газа оголяется практически при всех вариантах продувки, за исключением режима минимального расхода газа (0,1 л/мин) при максимальной толщине слоя масла (25-30 мм). В ходе экспериментов установлены следующие характерные варианты поведения «расплава» при продувке:

  • в зоне выхода газовой струи не происходит явного оголения «металла» ( рис. 4, а- одно продувочное устройство)
  • оголяется центральный участок «металла» в зоне выхода газовой струи, при этом значительная часть его поверхности находится под «шлаком» (рис. 4, б – два продувочных устройства)
  • «металл» оголяется по всей площади выхода каждой из газовых струй (рис. 4, в – два продувочных устройства)
  • «металл» оголяется по всей площади выхода каждой из газовых струй при слиянии двух зон продувки в общее пятно (рис. 4, г – два продувочных устройства)

Основные варианты поведения шлака при продувке

Рис. 3 – Основные варианты поведения «шлака» при продувке: а – поверхность «металла» не оголяется (продувка одной пробкой), б, в – на поверхности «металла» образуется бурун (продувка двумя пробками), г – два буруна слились в один (продувка двумя пробками)

При продувке через два продувочных узла, разнесенных в днище ковша под углом 60°, не происходило оголения «металла» в зоне выхода вдуваемого газа при минимальном его расходе и максимальной толщине слоя шлака (0,1 л/мин и 25-30 мм соответственно), что полностью соответствует ситуации с продувкой через один продувочный узел. Вместе с тем, при повышении расхода вдуваемого газа на поверхности масла отмечалась только одна зона оголения. В случае снижения толщины шлака наблюдалось образование двух отдельных зон оголения «металла», объединение которых происходило при увеличении расхода газа до 0,2 л/мин и выше.

При продувке через два продувочных узла, разнесенных под углом 135°, оголение «металла» в зоне выхода вдуваемого газа происходило при толщине слоя масла 15 мм и расходе газа 0,1 л/мин. При этом увеличение толщины слоя масла до 25-30 мм и расхода газа 0,2 л/мин приводило к оголению «металла» над одним из продувочных узлов. Объединение зон выхода газа в одно общее пятно наблюдали при продувке с расходом 0,3-0,6 л/мин и слое масла толщиной 5-15 мм. В остальных случаях на поверхности масла образовывались две отдельно расположенные зоны выхода газа.

В табл. 2 обобщены сведения о конфигурации зоны выхода газовой струи для всех исследуемых случаев.

Таблица 2 – Сведенья о конфигурации зоны выхода газовой струи

Сведенья о конфигурации зоны выхода газовой струи

В результате экспериментов установлено, что характер изменения площади оголения «металла» от толщины слоя «шлака» в случае низкой интенсивности продувки двумя пробками не зависит от их расположения. При этом продувка двумя пробками в сравнении с одной приводит к оголению большей площади «металла» под слоем «шлака» минимальной толщины и меньшей – в случае максимального слоя «шлака».

Картина поведения «шлака» меняется при увеличении интенсивности продувки. Так, в случае максимальной интенсивности продувки характер изменения площади оголения «металла» от толщины слоя «шлака» практически не отличаются при продувке одной и двумя пробками, которые расположены под углом 60°. При этом во всем диапазоне толщины шлака для указанных вариантов площадь оголения «металла» меньше, чем для двух пробок (135°).

Применение полученных данных позволит более обоснованно подходить к вопросу оптимизации конструктивных и технологических параметров перемешивания расплава в сталеразливочном ковше от выпуска до разливки, как в действующих сталеплавильных цехах, так и на стадии проектирования и реконструкции оборудования.

Библиографический список

  1. 1. Смирнов А.Н., Сафонов В.М., Дорохова Л.В., Цупрун А.Ю. - Металлургические мини-заводы. –Донецк: Норд-пресс, 2005. – 469с.
  2. 2. А.Н. Смирнов, Е.В. Ошовская, И.Н. Салмаш, В.М. Сафонов, К.Е. Писмарев Некоторые вопросы оценки интенсивности перемешивания при продувке металла в ковше инертным газом // «Металл и литье» - № 3 – 4, - 2007. – с. 44 - 49
  3. 3. M.Iguchi, K.Takanashi, O.Ilegbusi Влияние физических свойств верхнего масляного слоя на характеристики газожидкостного потока в резервуарах с донной подачей газа //- ISIJ International. Vol.38 (1998). - No.9. - pp.1032-1034
  4. 4. Krishnapisharody K. and Irons G.A. Modeling of Slag Eye Formation over a Metal Bath Due to Gas Bubbling// Metallurgical and Materials Transaction B. – 2006. V.37B, №6. – P. 764-772