Внепечная обработка чугуна и стали
СОДЕРЖАНИЕ Доклад №13

О перемешивании расплава на установке ковш-печь переменного тока малой мощности

Пиптюк В.П., Поляков В.Ф., Чичерин А.Г., Институт черной металлургии НАН Украины, Самохвалов С.Е. Днепродзержинский государственный технический университет, Логозинский И.Н., ПАО “Днепроспецсталь”

УДК 669.17.046:621.746.001.5

Приведены результаты численных исследований перемешивания металлического расплава в ванне емкостью 60 т при обработке на установке ковш-печь переменного тока с мощностью трансформатора 20 МВ·А в разные периоды продувки.

Ключевые слова: Перемешивание, металлический расплав, математическое моделирование, установка ковш-печь

Введение. Численными исследованиями гидродинамики металлического расплава в ковше цилиндрической формы емкостью 60 т при обработке на установке ковш-печь (УКП) переменного и постоянного тока [1, 2] установлено влияние интенсивности продувки и расположения донной фурмы на условия его перемешивания. Результаты указанных исследований соответствовали 10-й секунде от начала продувки, а использованный программный продукт (“предшествующая версия”) в качестве расчетной области рассматривал половину ванны ковша.

Цель работы. Уточнение ранее полученных результатов и изучение влияния конусности ванны ковша аналогичной емкости и расположения донной продувочной фурмы на параметры перемешивания металлического расплава в разные моменты времени с варьированием интенсивностью подачи аргона на УКП переменного тока.

Метод и объект исследования. Исследования выполнены численным методом с использованием усовершенствованной трехмерной математической модели гидродинамики [3], реализованной в виде программного продукта новой (“последней”) версии [4]. Исходные параметры и конструктивно-компоновочная схема УКП приняты по данным [5]. В дополнение к ранее выполненным работам [1, 2] гидродинамику исследовали в расширенном диапазоне расходов аргона (от 0,04М до 1,00М, где М – максимальное рассмотренное значение расхода аргона). Кроме того, изучали влияние радиуса расположения продувочной фурмы (Rф) в днище ковша в пределах Rф=0,38 – 0,73Rдн, где Rдн – радиус днища ковша, и конусности ковшовой ванны (Кк). При этом сопоставляли ее коническую форму (Кк=2,9°) с цилиндрической (Кк=0°). Использовали практически реализуемый в условиях ПАО “Днепроспецсталь” вариант компоновки УКП фирмы “Danieli”.

Условия перемешивания расплава оценивали путем анализа ранее использованных результатов расчета в виде полей скоростей в различных сечениях ванны, значений вертикальной составляющей скорости потоков по глубине ванны по осям отверстий для вода кусковых и проволочных добавок, контурных диаграмм распределения усредненных по высоте ванны значений вертикальной составляющей скорости потоков и предложенных новых параметров (значения результирующей, тангенциальной и радиальной составляющих скорости потоков в ванне; продолжительность формирования квазистационарного состояния перемешивания расплава; продолжительность усреднения добавки, введенной в геометрический центр поверхности ванны; объем застойных зон в ванне).

Рассмотрены изменяющееся (нестационарное) и установившееся (квазистационарное) состояния перемешивания расплава.

Результаты исследования и их обсуждение. Выявлено, что конусность ванны практически не изменяет характер распределения потоков металла в вертикальных и горизонтальных ее сечениях, как в нестационарный период массопереноса, так и в квазистационарном состоянии перемешивания. Отмечено, что в вертикальном сечении металлической ванны, проходящем через ось симметрии ковша и ось отверстия для ввода проволочных добавок при расходах аргона свыше 0,1М, независимо от радиуса расположения фурмы, наблюдаются два вихря: один у поверхности, а второй примерно на одной третьей высоты расплава. В начальный период продувки нижний вихрь находится у боковой стенки ковша, тогда как в квазистационарном состоянии перемешивания он смещен ближе к центру ванны. В сечении, проходящем через ось симметрии ковша и ось отверстия для ввода кусковых добавок, вихри не наблюдаются, а потоки металла имеют нисходящий характер независимо от периода продувки.

Проведен анализ графиков изменения величины вертикальной составляющей скорости по глубине ванны. В частности, для условий квазистационарного перемешивания выявлено, что в конической ванне по сравнению с цилиндрической максимальные значения такой составляющей, в среднем, на 15 % выше в зоне ввода кусковых добавок (для радиуса расположения фурмы 0,38Rдн и 0,53Rдн в рассмотренных пределах расхода аргона) и в среднем на 25% ниже в зоне ввода проволочных добавок (для аналогичных условий) независимо от периода продувки. При расположении фурмы на 0,73Rдн (в ванне конической формы в рассмотренных пределах расхода аргона) этот параметр в зоне кусковых добавок в среднем на 5% ниже, чем в цилиндрической ванне, а в зоне ввода проволочных добавок в среднем ниже на 25%.

Установлено также, что величина вертикальной составляющей скорости потоков по новой программе, в целом, меньше полученной по предшествующей ее версии. Кроме этого, не выявлено изменения характера распределения скорости потоков в ванне в разные периоды продувки от интенсивности подачи аргона, конусности ванны и расположения фурмы для соответствующих вариантов. Определена меньшая (приблизительно на 10%) продолжительность формирования квазистационарного состояния перемешивания ванны конической формы по сравнению с цилиндрической. В условиях квазистационарного перемешивания расплава в конической ванне для практически используемого варианта размещения фурмы с увеличением (с 0,53Rдн до 0,73Rдн) радиуса ее удаления от центра днища величина вертикальной составляющей скорости потоков по оси ввода кусковых добавок повышается (по модулю), а с уменьшением (с 0,53Rдн до 0,38Rдн) снижается. При этом установлено противоположное влияние этого фактора на изменение величины аналогичной составляющей скорости по оси ввода проволочных добавок.

На рис. 1 приведена зависимость вертикальной составляющей скорости потоков расплава в конической ванне при квазистационарном перемешивании от интенсивности продувки аргоном.

Подтверждено наиболее значимое влияние расхода аргона на интенсивность перемешивания расплава. Показан (рис. 1) рост скорости восходящих и нисходящих потоков с увеличением расхода аргона. Одновременно выявлено, что каждому рассмотренному варианту расположения фурмы соответствует определенный расход аргона, превышение которого не обеспечивает увеличения интенсивности перемешивания расплава.

Для квазистационарного состояния перемешивания расплава в конической ванне при расположении фурмы на 0,38Rдн также выявлено увеличение (до 36%) максимальных значений вертикальной составляющей скорости потоков по сравнению с ее расположением на 0,53Rдн или их снижение (до 6%) при расположении фурмы на 0,73Rдн.

Установлено, что повышение интенсивности продувки способствует сокращению продолжительности нестационарного состояния перемешивания расплава в начальный период обработки. Так, например, для практически используемого варианта расположения фурмы (0,53Rдн) увеличение интенсивности продувки до 0,5М обеспечивает формирование квазистационарного состояния перемешивания расплава на 25% быстрее, чем при минимальных расходах аргона.

Ниже представлены результаты расчета продолжительности усреднения металла по химическому составу (рис. 2) и оценки застойных зон (рис. 3) в конической ванне в зависимости от интенсивности продувки расплава для исследуемых вариантов расположения фурмы при квазистационарном состоянии перемешивания

Изменение продолжительности усреднения металла по химическому составу

Рис. 2 – Изменение продолжительности усреднения металла по химическому составу. Обозначения аналогично рис. 1.

Показано (рис. 2), что при изменении интенсивности продувки (от 0,3М до 1,0М) с увеличением радиуса расположения фурмы в днище ковша от 0,38Rдн до 0,73Rдн сокращается продолжительность усреднения металла по химическому составу на 15 – 30 %. При этом увеличение интенсивности продувки (от минимума до 0,3М) позволяет сократить продолжительность указанного процесса почти в два раза. Также не выявлено заметного влияния конусности ванны на продолжительность усреднения расплава по химическому составу.

Из рис. 3 следует, что наибольшее влияние на уменьшение объема застойных зон в ванне оказывает интенсивность продувки. Увеличение расхода аргона, в рассмотренных пределах, приводит к уменьшению (до 80% отн.) объема застойных зон. Минимизации объема застойных зон во всем рассмотренном диапазоне расходов аргона способствует увеличение радиуса расположения фурмы с 0,38Rдн до 0,53Rдн. Дальнейшее увеличение радиуса расположения фурмы (с 0,53Rдн до 0,73Rдн) не обеспечивает сокращения объема застойных зон.

Наибольшее влияние конусность ванны оказывает на объем застойных зон. Так при расположении фурмы на 0,38Rдн в конусной ванне объем металла находящийся в застойных зонах в среднем на 20 % отн. меньше, а при расположении фурмы на 0,73Rдн в среднем на 15 % отн. больше, чем при расположении фурмы на 0,53Rдн.

Изменение объема застойных зон при продувке ковшевой ванны

Рис. 3 – Изменение объема застойных зон при продувке ковшевой ванны. Обозначения аналогично рис. 1.

Представленные на рис. 2 и 3 данные подтверждают результаты расчета (рис. 1) о наличии рациональных значений расхода аргона для продувки ковшевой ванны такой емкости, которые находятся в интервале от 0,3М до 0,6М в зависимости от расположения фурмы.

С целью лучшего восприятия результатов моделирования и анализа данных о распределении в ванне потоков разной направленности в нестационарный период продувки ниже (рис. 4) представлены контурные диаграммы для двух моментов времени от начала обработки расплава аргоном в ковше разной формы через практически используемый вариант расположения фурмы. Определено, что колеблемость значений длительности формирования квазистационарных условий перемешивания расплава в зависимости от интенсивности продувки ванны находится в пределах 35% ее максимальной продолжительности. Установлено, что экстремальные значения скорости потоков в нестационарных условиях перемешивания ванны изменяются с повышением интенсивности продувки, а ее величина от начала обработки аргоном до сформированного квазистационарного состояния массопереноса постоянно убывает (восходящие потоки) или возрастает (нисходящие потоки).

Показано, что в нестационарный период перемешивания расплава конусность ванны практически не оказывает влияния на площадь зоны восходящих потоков, но способствует увеличению объема расплава формирующего нисходящие потоки, причем с большими значениями вертикальной составляющей скорости по сравнению с аналогичным параметром в ванне цилиндрической формы.

Распределение усредненных по высоте ванны значений вертикальной составляющей скорости потоков расплава

Рис. 4 – Распределение усредненных по высоте ванны значений вертикальной составляющей скорости потоков расплава в ванне цилиндрической (а) и конической (б) формы при продувке аргоном с интенсивностью 0,16М к 5-ой секунде (1) и 20-ой секунде (2) от начала обработки. Обозначения: Ф – продувочная фурма; К и П – зоны ввода кусковых и проволочных добавок в практических условиях соответственно; числа у изолиний со знаками “+” и “-” – предельные усредненные по высоте значения вертикальной составляющей скорости восходящих и нисходящих потоков расплава (м/с) соответственно; min и max – место с минимальным и максимальным значением усредненной по высоте вертикальной составляющей скорости потоков расплава.

Адекватность методики расчета и используемого программного продукта экспериментально проверена на действующей УКП с трансформатором мощностью 35 МВ·А и определена сходимость результатов.

Результаты моделирования гидродинамики использованы в исследовании теплового состояния металлического расплава при обработке на УКП переменного тока с мощностью трансформатора 20 МВ·А, в оценке эффективности применяемых добавок и будут подтверждены опытно-экспериментальными данными.

Выводы

  1. Численно исследована гидродинамика ковшовой ванны УКП-60 переменного тока в начальный период продувки при формировании квазистационарного состояния перемешивания расплава.
  2. Определено влияние конусности ковшовой ванны, расположения продувочной фурмы в днище ковша и интенсивности продувки на параметры перемешивания расплава.
  3. Подтверждено превалирующее значение расхода аргона на перемешивание расплава и определены пределы рациональной интенсивности продувки при обработке на УКП переменного тока с емкостью ковша 60 т.

Библиографический список:

  1. Гидродинамика металлической ванны на установках ковш-печь переменного и постоянного тока / В.П. Пиптюк, С.Е. Самохвалов, И.А. Павлюченков и др. // Металл и литье Украины. - 2008. - №7-8. - С.32-37.
  2. Исследование тепло- и массообмена в ваннах установок ковш-печь с целью повышения эффективности их использования / В.П. Пиптюк, В.Ф. Поляков, С.Е. Самохвалов и др. // Электрометаллургия. – 2008. – №10. – С. 10 – 17.
  3. Влияние постоянного тока на характер массопереноса в металлическом расплаве установки ковш-печь. Часть 2. Модель массопереноса / В.П. Пиптюк, С.Е. Самохвалов, И.А. Павлюченков и др. // Теория и практика металлургии. – 2007. – №4-5. – С. 14 – 17.
  4. Исследование гидродинамики 350-тонной ковшовой ванны при обработке стали на установке ковш-печь / В.П. Пиптюк, В.Ф. Поляков, С.Е. Самохвалов и др. // Металлург. – 2009. – №11. – С. 47 – 50.
  5. Основные данные для численных исследований гидродинамики ванны на установках ковш-печь переменного тока разной мощности / В.П. Пиптюк, В.Ф. Поляков, И.Н. Логозинский и др. // Сб. научн. тр. "Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии", 2007. – Вып. 14.–С. 145–153.

© Пиптюк В.П., Поляков В.Ф., Чичерин А.Г., Самохвалов С.Е., Логозинский И.Н., 2011

СОДЕРЖАНИЕ Доклад №13

СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ