Внепечная обработка чугуна и стали
СОДЕРЖАНИЕ Доклад №29

Гидро-газодинамические аспекты интенсификации удаления неметаллических включений в инновационных технологиях внепечного рафинирования жидкой стали в промежуточном ковше МНЛЗ

Гончар Б.С., Ноговицын А.В., Диюк Е.Ф., ФТИМС, Кислица В.В., Исаев О.Б., Азовсталь, Белоусов В.В., Комаров В.Ф., ДонНУ

УДК 621.746.047

Проведены исследования, которые позволяют оценить влияние трансформации прямого и обратного течений жидкого металла при использовании различных конструктивных элементов (перегородки, пороги и т.д.) и донной продувки на эффективность удаления неметаллических включений в промежуточном ковше МНЛЗ.

Ключевые слова: Прямой (обратный) поток; неметаллические включения; "присоединенная масса; продувка; МНЛЗ; пузырек

В настоящее время наблюдается тенденция совершенствования методов и приемов внепечной обработки стали, в частности, в промежуточном ковше МНЛЗ с целью обеспечения строго заданного химического состава и снижения концентрации и размеров неметаллических включений [1]. Одним из компонентов этой технологии является наведение на поверхности жидкой стали в промежуточном ковше МНЛЗ активного рафинирующего шлака с увеличенной ассимилирующей способностью по содержанию Al2O3, MnO, SiO2 и др. в процессе разливки большими сериями.

При этом наиболее эффективно процесс непрерывного рафинирования будет протекать, если вследствие трансформации гидро-газодинамических течений (например, при установке перегородок, порогов, металлоприемников и при продувке инертным газом) будет обеспечено транспортирование жидкого металла, обогащенного неметаллическими включениями, в зону контакта "жидкий металл – рафинирующий шлак. Т.е. в этом случае можно предположить, что физико-химическое поглощение неметаллических включений будет происходить с максимальным концентрационным градиентом [2, 3].

Для изучения процессов трансформации гидро-газодинамических течений рассмотрим формирование струйных течений, развивающихся в ограниченном пространстве, например, промежуточного ковша МНЛЗ [4] и выделим следующие характерные зоны (рис. 1):

  1. зона прямого (транзитного) потока;
  2. зона обратного (циркуляционного) потока;
  3. участок, где зона 2 захватывает жидкий металл;
  4. участок, расположенный в верхней части обратного потока вблизи перегородки.

Характерные зоны струйных течений в ограниченном пространстве раздаточной секции промежуточного ковша МНЛЗ

Рис. 1 - Характерные зоны струйных течений в ограниченном пространстве раздаточной секции промежуточного ковша МНЛЗ: а – перегородка, б – донная фурма. 1 – зона прямого (транзитного) потока длиной L, м; 2 – зона обратного (циркуляционного) потока, м; 3 – участок, где зона 2 захватывает жидкий металл; 4 – участок, где происходит пополнение прямого течения за счет жидкого металла из зоны обратной циркуляции.

В пределах зоны обратного потока происходит всплытие неметаллических включений и их возможная коагуляция (укрупнение). В пределах участка 4 происходит пополнение прямого течения за счет жидкого металла из зоны обратной циркуляции, обогащенного укрупненными блоками неметаллических включений.

Учитывая технологическую значимость проводимых исследований полученные данные важно интерпретировать для решения основной задачи удаления неметаллических включений в промежуточном ковше МНЛЗ.

С этой целью выделим эпюру горизонтальной (продольной) скорости Vx по вертикальному сечению y, проходящему через центр зоны обратной цир- куляции (рис. 2) [5].

На рис. 2 показано распределение скорости Vx без продувки, на рис. 2 – с продувкой. Здесь следует отметить следующие характеристики: глубина зоны прямого потока h без продувки равна 0,25 м, с продувкой – только 0,05 м. При этом при средней скорости течения жидкого металла в указанных зонах соответственно 0,021 и 0,32 м/с время пребвания частицы, расположенной на нижнем горизонте, в зоне прямого течения составляет 60 с и 4 с, соответственно. Скорость преодоления указанного расстояния частицей с начального уровня до границы раздела "шлак-металл" будет равна 0,004 м/с и 0,0125 м/с.

Рис. 2 - Эпюры горизонтальной скорости Vx в вертикальном сечении у, проходящем через центр зоны обратной циркуляции. а – без продувки; б – с продувкой, hmp - глубина зоны прямого течения, м

То есть для таких гидродинамических характеристик, используя известные формулы для расчета скорости всплытия неметаллических включений, можно утверждать, что с высокой степенью вероятности частицы диаметром более (0,08 – 0,10) х 10-3 м для варианта без продувки и (0,10–0,12) х 10-3 м при продувке будут удаляться полностью.

Приведенные рассуждения и оценки отвечают модели «идеального» удаления. Но в действительности следует учитывать существование зоны обратной циркуляции. В частности, коэффициент обмена Коб можно вычислить по приведенным эпюрам скорости по формуле:

где Qтр – расход прямого потока, м3/с; q – расход, который поступает в промежуточный ковш и уходит в кристаллизатор, м3/с.

Для обоих вариантов, значение Коб составляет 0,68 (без продувки) и с продувкой – около 15. Приведенные значения Коб означают, что для варианта без продувки 32 % расхода металла может проходить в кристаллизатор напрямую, т.е. не попадая в зону обратной циркуляции. Для варианта с продувкой следует отметить, что весь расход жидкого металла многократно (примерно 15 раз) перемещается в зоне обратной циркуляции, прежде чем попасть в кристалиизатор, что создает благоприятные условия для коагуляции неметаллических включений в более крупные частицы.

На рис. 3 показана зависимость степени удаления неметаллических включений различного диаметра и кратности циркуляции зоны обратного потока, рассчитанная по методике, изложенной в работе [6]. Полученные данные показывают, что величина диаметра полностью удаляемых включений выше, чем для случая без учета циркуляции и составляет (0,13 – 0,15) х 10-3 м.

Расчетная зависимость степени удаления неметаллических включений от их диаметра и кратности циркуляции

Рис. 3 - Расчетная зависимость степени удаления неметаллических включений от их диаметра и кратности циркуляции: 1 – кратность циркуляции Кс = 1; 2 – кратность циркуляции Кс = 2; 3 – кратность циркуляции Кс = 100.

Для объяснения механизма удаления неметаллических включений сравнительно небольших размеров предложено рассмотреть закономерности образования и движения газообразных сферических тел (газовых пузырей) в высокотемпературной многофазной жидкости. Сущность такого подхода заключается в том, что в момент образования газовых пузырей в донной части промковша, химически нейтральных по отношению к жидкому металлу, жидкая фаза, содержащая включения, вытесняется в приграничную зону сферического тела. При всплывании образовавшихся пузырьков диаметром d, и со скоростью Vy, соответствующим турбулентному режиму течения, за газовым пузырьком движется объем жидкости (присоединенная масса), равный 0,5 объема газового пузырька и обогащенный неметаллическими включениями, которые "стекают" со сферической поверхности в зоне отрыва пограничного слоя (рис. 4) [7].

Движение сферического тела в жидкости при турбулентном течении

Рис. 4 - Движение сферического тела в жидкости при турбулентном течении [7]: 1 – "присоединенная" масса жидкости, движущейся за сферическим телом, 2 – точка отрыва пограничного слоя от сферической поверхности.

При достижении зоны раздела "шлак – металл газовый пузырек (его диаметр должен быть не менее 1*10-2 м) разрывается, вследствие чего происходит дробление металла "присоединенной массы на более мелкие объемы, что способствует интенсификации физико-химических процессов в рафинирующем шлаке и удалению неметаллических включений из жидкой стали.

Если выполнить условие, чтобы весь объем металла, поступающий в промежуточный ковш, транспортировался в зону раздела "шлак–металл", как присоединенная масса, то для этого необходимо подать расход газа в виде совокупности отдельных пузырьков в 2 раза больший, чем расход металла. Притом, этот расход газа отвечает температуре среды, т.е. температуре жидкого металла.

Рассмотренные механизмы удаления неметаллических включений проверены в условиях ОАО МК "Азовсталь" (г. Мариуполь) при непрерывном литье слябов из стали категорий прочности Х60 и Х70. Промежуточный ковш в опытном варианте оборудовался опытной перегородкой с каналами различной направленности [8] и донной фурмой с пространственно ориентированными каналами [9], обеспечивающей пузырьковый режим продувки [10].

Исследование проб шлака, отобранных из раздаточной камеры промежуточного ковша опытного ручья в течение разливки серии плавок, показало практически полное отсутствие изменения содержания окислов FeO и MnO при увеличении содержания Al2O3 в шлаке. Данные факты свидетельствуют об отсутствии влияния предложенной технологии на процессы окисления металла в ковше, подтверждают оптимальность выбранных параметров, обеспечивающих эффективную гидродинамическую ситуацию в ковше и, в результате, эффективность технологии рафинирования металла от неметаллических включений.

Исследование характерных неметаллических включений в исследуемом металле на автоэмиссионном сканирующем электронном микроскопе ULTRA 55 с количественной оценкой их химического состава на спектрометре энергетической дисперсии INKAPentaFETх3 показало, что основной составляющей включений являются сложные окислы на основе Al2O3. Состав включений представлен в табл. 1.

Таблица 1 - Результаты химического анализа характерных зон (спектры) неметаллических включений

Результаты химического анализа характерных зон (спектры) неметаллических включений

Сравнительный анализ эффективности комплексной технологии проводили по следующим параметрам:

  • изменение состава покровного шлака в промежуточном ковше в течение кампании ковша;
  • изменение загрязненности жидкого металла в течение кампании промежуточного ковша по типам включений (по пробам из кристаллизатора);
  • изменение степени рафинирования металла в течение кампании промежуточного ковша по типам включений;
  • загрязненность литого металла неметаллическими включениями по толщине заготовки по типам включений и размерным группам (пробы от литого сляба).

Сравнение загрязненности опытного и сравнительного металла включениями различного типа проводили путем оценки образцов методом индексов (метод "Л" по ГОСТ 1778) при четырехкратном увеличении на микроскопе "Неофот-2" по пробам жидкого металла из приемной секции промежуточного ковша и обоих кристаллизаторов.

Проведен сравнительный анализ рафинирования металла от различных включений путем сопоставления индексов рафинирования:

Таблица 2 - Диапазоны индексов загрязненности опытного и сравнительного металла по типам включений

Диапазоны индексов загрязненности опытного и сравнительного металла по типам включений

По результатам проведенных исследований загрязненности непрерывнолитых слябов следует отметить высокую степень эффективности разработанной технологии, что подтверждается следующим:

  • общий индекс загрязненности на опытном металле на 52 % ниже, чем на сравнительном;
  • количество включений размером менее 10 мкм в общей массе включений составляет:
    • на сравнительном металле – 43,9 %;
    • на опытном металле – 68,9 %;
  • количество включений размером более 30 мкм в общей массе включений составляет:
    • на сравнительном металле – 29,0 %;
    • на опытном металле – отсутствуют.

Исходя из полученных результатов исследования металла опытнопромышленных плавок можно утверждать, что разработанная комплексная технология рафинирования металла в промежуточном ковше, обеспечивающая удаление неметаллических включений с использованием донной продувки в пузырьковом режиме через фурму с пространственно ориентированными каналами, является высокоэффективной и позволяет получать сталь с пониженным содержанием неметаллических включений.

Библиографический список:

  1. Шахпазов Е.Х., Зайцев А.И., Немтинов А.А. и др. Современные направления развития ковшевой металлургии и проблема неметаллических включений в стали // Металлы. – 2007. – № 1. – С. 3 – 13.
  2. Гущин В.Н., Ульянов В.А., Васильев В.А. Технические решения по управлению потоками расплава в промежуточных ковшах МНЛЗ. // Металлург. – 2010. – № 9. – С. 45 – 47.
  3. Меджибожский М.Я. Основы термодинамики и кинетики сталеплавильных процессов. – Киев-Донецк: Высшая школа, 1986. – 280 с.
  4. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. – М.: Ф-М, 1990. – 646 с.
  5. Найдек В.Л., Тарасевич Н.И., Гончар Б.С., и др. Моделирование гидрогазодинамических процессов в полости промежуточного ковша МНЛЗ // Доповіді НАН України. – 2009. – 2009. – № 5. – С. 73 – 77.
  6. Исаев О.Б., Чичкарев Е.А., Кислица В.В. и др. Моделирование современных процессов внепечной обработки и непрерывной разливки стали. – М.: Металлургиздат, 2008. – 373 с.
  7. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Теплообмен и волны в газожидкостных системах. – Новосибирск: Наука (СО), 1984. – 301 с.
  8. Патент України 43121 МПК (2009) В 22 Д 11/10 и С21В3/04. Сменная огнеупорная перегородка для рафинирования стали в промежуточном ковше / Кислица В.В., Диюк Е.Ф., Гончар Б.С. и др. – Опубл. 10.08.2009. – Бюл. №15.
  9. Патент України 43122 МПК (2009) В 22 Д 11/10. Огнеупорный блок для ввода газов в расплавленный металл / Кислица В.В., Диюк Е.Ф., Гончар Б.С. и др.. – Опубл. 10.08.2009. – Бюл. №15.
  10. Гончар Б.С., Диюк Е.Ф., Кислица В.В. Исследование гидродинамики и оптимизация параметров донных фурм для продувки стали в промежуточном ковше // Сталь. – 2010. – № 8. – С. 38 – 41.

© Гончар Б.С., Ноговицын А.В., Диюк Е.Ф., Кислица В.В., Исаев О.Б., Белоусов В.В., Комаров В.Ф., 2011

СОДЕРЖАНИЕ Доклад №29

СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ