Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Моделирование процессов рафинирования стали от неметаллических включений за счет установки дополнительной реакционной камеры в промежуточном ковше МНЛЗ

Ефимова В.Г.
НТУУ «КПИ» МОНМСУ
Ефимов Г.В.
ФТИМС НАНУ
УДК 669.18:519.876.3:621.43

В настоящее время основными тенденциями развития металлургического производства в нашей стране является, с одной стороны, все возрастающая доля производства стали непрерывно-литым способом, и, с другой стороны, борьба за повышение качества металла в обострившейся конкуренции как на внутреннем, так и на мировом рынке [1].

Роль промежуточного ковша в процессах непрерывной разливки эволюционировала от переточной емкости между стальковшом и кристаллизатором, в металлургический реактор, где потоки расплавленного металла играют важную роль в процессе удаления перемещающихся неметаллических включений. Переход неметаллических включений на границу раздела фаз металл-шлак в промежуточном ковше в значительной степени управляется межфазными явлениями в системе сталь - шлак - включения. Одним из главных требований предъявляемых к «чистым сталям» является низкое содержание неметаллических включений в готовом продукте, а также равномерное их распределение по сечению заготовки. Возросшие требования к качеству металла вывели промежуточный ковш в самостоятельный агрегат, способный существенно влиять на качество металла[1-3].

Ковшевые процессы неизбежно связаны с образованием и взаимодействием дисперсных систем. Сталь представляет собой гетерогенную систему, состоящую из металлической матрицы (жидкий или твердый раствор) и неметаллических дисперсных частиц. Процесс движения стали от сталеразливочного ковша до кристаллизатора приводит к образованию дисперсной системы: взвеси твердых продуктов раскисления и эмульсии силикатов в жидком металле. Поэтому определение важнейших термодинамических характеристик ковшевых процессов таких как: возможность осуществления химического взаимодействия, термодинамическая устойчивость образующихся систем, возможность удаления неметаллических включений, необходимо проводить с учетом поверхностных свойств [4].

Термодинамическая возможность процесса перехода неметаллических включений из объема стали на поверхность расплава может быть оценена с использованием общих условий направления процессов, полученных на основе второго закона термодинамики и общего критерия равновесия Гиббса [5].

В условиях равновесия изменение свободной энергии имеет наименьшее значение, поэтому самопроизвольный изотермический переход из смежного неравновесного состояния в равновесное может осуществляться только с ее уменьшением.

Удаление однородной и несжимаемой неметаллической частицы на поверхность стали в отсутствии химических процессов, растворения и без учета влияния стенок агрегата может быть представлена следующим образом [4]:

Как показал С.И. Сапиро [6], уменьшение свободной энергии осуществляется за счет коагуляции неметаллических включений, при которой уменьшается поверхность раздела фаз:

Исходя из вышеизложенного, скорость всплытия включений в стали превышает рассчитанную по уравнению Стокса.

При использовании уравнения Стокса для характеристики скорости отделения взаимно смачиваемых фаз необходимо учитывать также наличие пленки среды на поверхности всплывающих частиц. Факт наличия такой пленки вытекает из основного условия решения задач, связанных с учетом внутреннего трения в вязких жидкостях: совпадение скоростей перемещения частиц среды и движущегося тела, с которым частицы среды соприкасаются.

Следовательно, в стали всплывает не включение само по себе, а включение в оболочке металла. Последняя увеличивает эффективный вес включения. В результате этого величина м в p - p в уравнении (уточненный Стокс) уменьшается, соответственно уменьшается скорость всплытия включения.

Изменение межфазного натяжения сказывается на очищении стали от включений главным образом в той мере, в которой оно благоприятствует их укрупнению.

Преодоление барьерного действия смачивающих пленок требует интенсивного перемешивания, при котором увеличение скорости конвективных потоков приводит к разрыву пленок, последующей коагуляции и удалению неметаллической фазы.

Основываясь на данных теоретических принципах, нами было проведено физическое моделирование, с целью создание наиболее благоприятных гидродинамических условий для выноса неметаллических включений в шлаковую зону и их ассимиляции шлаковым покровом.

Для физического моделирования гидродинамических процессов в модели промежуточного устройства МНЛЗ использовали гидродинамический стенд, работающий по схеме замкнутой циркуляции [8].

Моделированием установлено, что наиболее эффективной гидродинамической структурой потоков, с точки зрения удаления из жидкой стали неметаллических включений в промежуточных ковшах при ее непрерывной разливке, является вихреобразная структура, которая обеспечивает создание наиболее оптимальных условий для коагуляции и удаления неметаллической фазы.

Модельные эксперименты показали, что наилучшие результаты могут быть достигнуты, в случае если промежуточный ковш будет оборудован дополнительной реакционной камерой. Причем, гидродинамика промежуточной емкости должна обеспечивать наличие эффективных вихреобразных структур, как в реакционной камере, так и раздаточной. В этом случае существенно улучшаются условия коагуляции, с точки зрения перемешивания, а также увеличивается время пребывания неметаллических включений в реакционной области, за счет задержки их в дополнительной реакционной камере.

Реакционная камера была получена за счет установки дополнительной перегородки. При этом учитывалось, что каждая перегородка является холодильником, снижающим температуру металла, за счет аккумуляции тепла металла огнеупорами перегородки. Поэтому конструкция перегородок предусматривает большую пропускную способность металла в первые моменты разливки. В этом случае большие объемы металла снижают удельные тепловые потери.

В процессе моделирования наилучшие результаты показали конструкции реакционных камер, состоящие из двух сплошных перегородок со щелевыми каналами у днища ковша. Перегородка со стороны приемной камеры имеет щель под наклоном 20-250 в сторону торцевой стенки ПК.

Ширина щели должна составлять 15-20 мм (в натуре 45-60 мм). Продувочная фурма располагается внутри камеры у перегородки со стороны раздаточной камеры (рис.1). Такая конструкция обеспечивает создание направленного потока жидкости, образующего две вихревые циркуляционные гидродинамические структуры. Одна из них существует в реакционной камере, а другая в раздаточной камере, рис.1. Исследования на гидромодели показали, что такая конструкция промежуточного ковша обеспечивает увеличение времени пребывания имитаторов неметаллических включений в 4-6 раз больше, чем это имеет место при существующей конструкции промежуточного ковша.

С использованием моделирования установлено, что гидродинамические процессы, протекающие в промежуточном ковше с исследуемым вариантом конструкции, в значительной степени зависит от гидродинамического воздействия газового потока, создаваемого при продувке.

Схема распространения потоков при установке дополнительной перегородки в сочетании с продувкой через многоканальную протяженную фурму

Рис. 1 - Схема распространения потоков при установке дополнительной перегородки в сочетании с продувкой через многоканальную протяженную фурму.

Эффективность воздействия продувки на создание требуемых гидродинамических структур обратно пропорциональна объему металла, подвергнутому обработке газом. Поэтому создание больших по объему реакционных камер нецелесообразно. Наши исследования показали, что оптимальной следует считать камеру длиной 200-250 мм (в натуре 600-750 мм). При этом давление аргона в газоподводящей системе должно обеспечивать пузырьковый режим.

Базируясь на теоретических принципах и модельных экспериментах, нами были проведены промышленные испытания на ОАО МК «Азовсталь» с целью повышения качества разливаемого металла за счет снижения содержания неметаллических включений.

Для этих целей была изготовлена партия перегородок специальной конструкции. Перегородки имели щелевые каналы сечением 50*700 мм, с углами наклона 200 и 350 рис. 2. Такая конструкция перегородок предопределяла малые тепловые потери в первоначальный период разливки и создавала эффективные условия для рафинирования металла в реакционной камере.

Перегородка, со стороны приемной камеры имела угол наклона 200, подъем канала в сторону реакционной камеры. Перегородка, со стороны раздаточной камеры - 350, подъем металла в сторону раздаточной камеры.

Зависимость содержания неметаллических включений от типа применяемой технологии рафинирования

Рис. 3 - Зависимость содержания неметаллических включений от типа применяемой технологии рафинирования (ОАО МК «Азовсталь»)

Основываясь на результатах моделирования, и, с учетом приведенных выше практических возможностей, габариты камеры составляли 500 (575)*1000 мм. Раздаточная камера имела длину около 1000 мм. Фурма устанавливалась в днище реакционной камеры, в непосредственной близости от перегородки со стороны раздаточной камеры.

Нами была осуществлена разливка 206 серии опытнопромышленных плавок стали марки К – 60 через промежуточные ковши, оборудованные реакционными камерами. При проведении промышленных испытаний одна из перегородок была опытной, т.е. нашей конструкции, другая – используемой на ОАО МК «Азовсталь». Это позволило получить достоверные сравнительные результаты исследований одного и того же металла, выпущенного из одного и того же конвертера. Пробы отбирали из кристаллизаторов опытного и сравнительного ручьев.

В результате проведенных экспериментов установлено, что использование реакционных камер способствует значительному повышению чистоты металла рис.3. В результате проведенных исследований и промышленных испытаний на ОАО МК «Азовсталь» внедрена технология рафинирования стали от неметаллических включений с использованием реакционных камер.

Применение данной технологии позволяет снизить отсортировку листового проката по дефектам, выявляемым УЗК, на 30-40%.

Библиографический список:

  1. L. Zhang, Brian G. Thomas Evalution and control of steel cleanliness – review// 85th Steelmaking Conference Proceedings. - ISS-AIME. – Warrendale. - PA. - 2002. - pp. 431-452.
  2. Tassot P., Reichert N. Ways of Improving Steel Quality in the Tundish // Revure de Metallurgie. – 107. – 2010. - pp.175-185.
  3. Процессы непрерывной разливки / Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., Минаев А.А., Момот С.В., Белобров С.В. – Д: ДонНТУ, 2002. – 536 с. 4. Минаев Ю.А., Яковлев В.В. Физико–химия в металлургии. – М.: МИСИС, 2001. – 320 с.
  4. Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. – Л. – Химия. – 1967. – 388с.
  5. Дерягин Б.В., Н.В. Чураев, Муляр В.М. Поверхностные силы. – М.: Наука, 1986. – 398 с.
  6. Костюченко Е.Б. Кинетика самопроизвольной и принудительной коагуляции шлаковых включений при правке металла. 1957. – вып. 1. – Изд. Харьковского университета.
  7. Ефимова В.Г. Разработка эффективных методов рафинирования стали в промежуточных ковшах МНЛЗ путем формирования гидродинамических потоков расплава: Дис…канд. Техн. наук: 05.16.02. К., 2004. – 196 с.

© Ефимова В.Г., Ефимов Г.В., 2011