Эффективность технологии рафинирования стали в промежуточных ковшах МНЛЗ

В.Г. Ефимова

На основании проведенных исследований с использованием моделирования на прозрачной модели установлена эффективная конструкция промежуточного ковша, которая в значительной степени обеспечивает удаление неметаллических включений. Механизм удаления неметаллических включений основан на создании существенных по величине вихреобразных гидродинамических структур, которые увеличивают время пребывания имитаторов неметаллических включений в раздаточной камере промежуточного ковша, а также в контакте с покровным шлаком. Данные исследований подтверждены промышленными экспериментами. В результате проведенных исследований внедрена в производство новая технология рафинирования стали.

Введение

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

Возросшие требования к качеству металла вывели ПК в самостоятельный агрегат, способный существенно влиять на качество металла [1]. Главную роль в этом агрегате играет организация потоков металла, способствующая всплыванию неметаллических включений (НВ).

Активному удалению этих включений способствуют правильный выбор геометрии промежуточного ковша, продувка металла аргоном через многоканальные протяженные фурмы, способствующие эффективному перемешиванию расплава.

На скорость извлечения шлаковых и НВ из стали существенное влияние оказывает их предварительная агрегация. Выход продуктов раскисления стали на границу раздела фаз связывают с предварительным укрупнением частиц по механизму ортокинетической коагуляции, вследствие воздействия гравитационных сил и турбулентного перемешивания. Эффективность влияния турбулентного перемешивания определяется характеристическими размерами турбулентности [4].

Ассимилирующая способность защитного покровного шлака может быть существенно усилена за счет увеличения времени контакта металла со слоем шлака и улучшения условий массообмена на границе шлак-металл. Все эти условия реализуются за счет рациональной организации потоков ванне промежуточного ковша.

На основании выше приведенных принципах во ФТИМС НАНУ и НТУУ «КПИ» МОНУ разработаны и внедрены ряд технологий рафинирования металла в промежуточном ковше. Технологии разрабатывались на основании изучения гидродинамических процессов моделирования с выделением акцентов на задержке времени пребывания имитаторов НВ в модели ПК, процессов турбулизации системы, близости прохождения потоков у поверхности (в реальных условиях непосредственный контакт с технологической шлаковой фазой ШОС). Кроме того, исследования проводились с учетом технологии разливки металла.

Цель работы

В данной работе при помощи моделирования исследовали возможность создания условий, обеспечивающих как можно более длительное пребывание имитаторов НВ в модели промежуточного ковша.

Основная часть

При физическом моделировании в качестве имитаторов потоков использовали шарики полистирола плотностью 0,9-1,1 г/см³ и дисперсный порошок алюминия с размером частиц 5 мкм и менее. Суть эксперимента заключалась в подаче в модель промежуточного одинаковых порций имитаторов НВ (100 см³). Гидродинамические структуры, обозначаемые имитаторами, образованные потоками жидкости, зависящими от внутренней конструкции модели промежуточного ковша (перегородки; конфигурация переточных каналов; углы наклона каналов, места их расположения в перегородке; места расположения перегородок и фурм) фиксировались на фотокамеру. Время пребывания имитаторов НВ в модели промежуточного ковша определялось по времени до полного исчезновения их порций из модели ПК.

При отсутствии в модели ПК перегородок и фурм, как видно из рис.1, в модели устанавливается стационарный режим. В ванне отсутствует выраженная гидродинамическая структура, связанная с турбулизацией, а также не наблюдается выраженного движения имитаторов НВ к поверхности. При этом наблюдается течение у днища модели ПК в зоне затягивания выпускного стакана, куда и попадает общая масса имитаторов, равномерно распределенная по объему всей жидкости. Отсюда следует, что за короткое время (12 сек) пребывание порций жидкости в модели ПК не создают условия для возможности всплывания имитаторов НВ. В реальных условиях это исключает контакт большей части НВ со шлаковой фазой (см. табл. 1, схема 1).

Таблица 1 – Результаты моделирования зависимости времени пребывания имитаторов неметаллических включений от внутренней конструкции промежуточного ковша.

Установка перегородки с переточными каналами, рис.2, создает существенную направленную турбулизацию с образованием вихрей. Имитаторы НВ затягиваются в затопленные струи и при правильной направленности расположения переточных каналов подаются к шлаковой поверхности.

При этом, находясь в вихре имитаторы неметаллических включений, задерживаются в его структуре и вращаются по орбитам с неоднократным прохождением под шлаковой поверхностью. Такие условия являются эффективными с точки зрения задержки имитаторов НВ в емкости промежуточного ковша, таблица 1, схема 2.

Недостатком такой схемы является то, что вихреобразная структура образуется в верхней части объема раздаточной камеры, однако, при этом образуется существенный поток, направленный в зону затягивания погружного стакана.

Правильный вариант установки протяженной фурмы и оптимальный режим продувки [3, 4], рис. 3, позволяет создавать гидродинамику и характер перемещения имитаторов аналогично как и при установке перегородки. Однако в этом случае силовое воздействие на объемы жидкости более существенное и имитаторы НВ дольше задерживаются на орбитах вихреобразных структур, поэтому и время их пребывания в модели промежуточного ковша дольше, табл. 1, схема 3. Характерные недостатки перемещения имитаторов в модели ПК присущи, как и в предыдущей схеме.

Установка перегородки в сочетании с протяженной фурмой дает большой эффект задержки имитаторов НВ, табл.1, схема 4. Это обусловлено тем, что образующиеся дополнительные вихреобразные структуры, рис. 4, в этом случае активизируют большую часть объема раздаточной камеры. Недостатком этой схемы является образование потока имитаторов НВ направленного в зону воздействия погружного стакана.

Наиболее эффективные условия для задержки имитаторов НВ, рис.5, табл.1, схема 5 создаются посредством установки дополнительной перегородки и, таким образом, дополнительной камеры с продувкой внутри.

В этом случае имитаторы НВ втягиваются в гидродинамические вихреобразные структуры, раскручиваются сначала в дополнительной камере, а затем в раздаточной. Все это существенно увеличивает: путь прохождения индикаторов НВ; время перемешивания, количество и время вступления в контакт с поверхностью шлаковой фазы.

sПриведенные результаты моделирования, с учетом времени задержки имитаторов НВ в модели ПК и анализ образующихся гидродинамических структур, при различных вариантах сочетания фурм и перегородок, свидетельствуют о преимуществе схем, способствующих созданию многократного перемешивания (в том числе и под самой поверхностью) и увеличению пути прохождения имитаторов НВ с увеличением времени пребывания их в ПК.

На основании результатов моделирования была проведена статистическая оценка эффективности технологий рафинирования металла, основанных на приведенных схемах. На рис. 6 приведены данные на основе показателей содержания неметаллических включений в деформированном металле. Технологи рафинирования осуществлялись на слябовой МНЛЗ в конвертерном цехе МК «Азовсталь» в период с 1992 по 2007. Промышленные испытания технологий подтвердили достаточное согласование с результатами моделирования рис.6. Наиболее эффективные и приемлемые технологии внедрены на ОАО МК «Азовсталь» и ОАО МК «им. Ильича».

Рисунок 6 – Зависимость содержания неметаллических включений от типа применяемой технологии рафинирования (ОАО МК «Азовсталь»).

Выводы

1. В результате проведенных теоретических исследований, гидромоделирования и промышленных испытаний была усовершенствована конструкция промежуточного ковша на ОАО МК «Азовсталь» и ОАО МК «им. Ильича».
2. Проведенные промышленные испытания показали, что для создания гидродинамических условий, способствующих удалению неметаллических включений, необходимо устанавливать дополнительную перегородку, которая образует реакционную камеру в сочетании с продувкой инертным газом.
3. Усовершенствованная конструкция промежуточного ковша позволяет снизить отсортировку листового проката по дефектам, выявляемым УЗК, на 30-40%.

Список литературы

1. Процессы непрерывной разливки / Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., Минаев А.А., Момот С.В., Белобров С.В. – Д: ДонНТУ, 2002. – 536 с.
2. Ефимов Г.В., Ефимова В.Г., Диюк Е.Ф., Гончар Б.С., Якобше Р.Я., Ларионов А.А., Шебаниц Э.Н., Фетисов И.Н., Бочек А.П. Гидродинамические условия удаления неметаллических включений в промежуточном ковше // Металлургия и горнорудная промышленность. - №10. - 2002. С. 56-58.
3. Ефимова В.Г., Ефимов Г.В., Диюк Е.Ф. Продувка фурмами большой протяженности промежуточных разливочных устройств // Труды Международного научно-технического конгресса «Пути возрождения литейного производства в Украине в начале нового тысячелетия». – Киев: ФТИМС НАН Украины. – 2001. – С. – 23 -25.
4. Поволоцкий Д.Я., Рощин В. И., Дудоров В.И. Механизм влияния межфазного натяжения на скорость удалении неметаллических включений из стали: Сб. «Физическая химия поверхностных явлений в расплавах». – Киев: Изд-во «Наукова думка». 1971. С. 265 – 268.

Рецензент д.т.н., проф. А.Н. Смирнов

© В.Г. Ефимова