Физическое моделирование параметров рафинирования стали в промежуточном ковше слябовой МНЛЗ при продувке аргоном
Смирнов А.Н., Кравченко А.В.ДонНТУКуберский С.В., Кузнецов Д.Ю.ДГТУУДК 621.74.047
Важными факторами, определяющими качество стали, является загрязненность неметаллическими включениями (НВ) и разливаемость на МНЛЗ. В условиях ПАО «АМК» при разливке стали на двухручьевой слябовой МНЛЗ часто возникает проблема неудовлетворительной разливаемости металла, вызывающая отклонения параметров литья от установленных действующими на предприятии технологическими инструкциями.
Данные марки стали характеризуются большим содержанием алюминатов, оседающих в канале стакана-дозатора промежуточного ковша и погружных стаканов (рисунок 1). Это происходит даже при наличии защиты аргоном соединений коллектор – защитная труба и стакан-дозатор – погружной стакан, а также применении специального стакана-дозатора с пористой вставкой, обеспечивающего во время разливки подачу аргона непосредственно в канал стакана-дозатора.
Важным технологическим узлом современной МНЛЗ является промежуточный ковш (ПК), его конструкция оказывает значительное влияние на качество продукции. В настоящее время использование ПК расширяется до функций универсального металлургического агрегата для дополнительного рафинирования стали [1]. В связи с этим развитие теоретических и практических аспектов разработки технологии рафинирования металла в ПК является актуальной задачей.
В настоящее время получила широкое распространение практика продувки стали инертным газом (аргоном) в ПК для усреднения металла и удаления НВ, а также наведение покровного шлака из ТШС для их ассимиляции, теплоизоляции поверхности металла и защиты ее от вторичного окисления [2,3].
Рис. 1 – Зарастание алюминатами погружных стаканов и стакана-дозатора
В раскисленных алюминием низкоуглеродистых сталях наблюдается определенное количество крупных НВ округлой формы, которые представляют собой преимущественно оксисульфидные конгломераты, формирующиеся в результате всплытия продуктов раскисления и вторичного окисления, а также захвата частичек шлака конвективными потоками с границы раздела «шлак-металл». Размеры НВ не превышают, как правило, 40-50 мкм [4]. Снижение количества шлаковых включений можно обеспечить путем организации рафинирующей продувки стали в ПК через специально установленные устройства.
Важным элементом исследований процессов непрерывной разливки стали является физическое моделирование гидрогазодинамических процессов, происходящих в ванне ПК, которое в настоящее время становится темой пристального внимания ученых-металлургов. Многие отечественные и зарубежные исследователи изучают поведение металла и шлака в ванне ПК и гидродинамические особенности процесса разливки с использованием современных физических моделей [5].
Цель данной работы заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании процессов протекающих при аргонном рафинировании стали в ПК МНЛЗ с использованием физического моделирования, разработке и совершенствовании технологических параметров обработки способствующих повышению качества слябовой заготовки.
Для исследования процессов, происходящих в ПК, на кафедре металлургии черных металлов ДонГТУ была создана оригинальная физическая модель, имитирующая промежуточный ковш двухручьевой слябовой МНЛЗ ПАО «АМК» вместимостью 60 т. Геометрический масштаб модели составляет 1:5. Модель изготовлена из прозрачного материала (оргстекла), что позволяет наблюдать за процессами, происходящими в ванне ПК, и включает в себя основные функциональные узлы (рисунок 2), которые имеются в промышленном объекте.
Рис. 2 – Экспериментальная установка для исследований гидрогазодинамических процессов в ПК: 1 – емкость, моделирующая сталеразливочный ковш; 2 – регулятор расхода жидкости из сталеразливочного ковша; 3 – узел для ввода имитирующих веществ; 4 – модель защитной трубы; 5 – модель ПК; 6 – выпускное отверстие
При создании модели для обеспечения подобия потоков с учетом сил поверхностного натяжения учитывалось соблюдение равенства чисел Вебера. Расчет скорости разливки на модели проводился с учетом действия сил тяжести (критерий Фруда). После расчета масштаба скорости был определен масштаб времени с учетом критерия гомохронности, характеризующего время протекания нестационарных процессов. Исходя из условия неразрывности потока, определяли масштаб расхода жидкости.
Для моделирования поведения НВ в стали использовали число Архимеда, так как в нем учитывается разность плотностей среды и погружаемых в нее частиц, а также их геометрические параметры. За основу приняли алюминатные НВ крупностью от 10 до 100 мкм. Для имитации НВ использовали частички пластика, подобранного по рассчитанным модельным параметрам.
Согласно условиям АМК, для моделирования процесса разливки были использованы следующие дополнительные устройства ПК: металлоприемник типа «турбостоп», фильтрационные перегородки (рисунок 3), продувочные узлы типа «балка».
Рис. 3 – Модель металлоприемника и фильтрационных перегородок
Также была разработана и использована принципиально новая конструкция продувочного устройства, которое представляет собой кольцевую фурму, устанавливаемую в днище ковша непосредственно вокруг металлоприемника (рисунок 4).
Рис. 4 – Модель кольцевой фурмы для вдувания аргона, устанавливаемой вокруг металлоприемника
В качестве рабочей жидкости, моделирующей жидкую сталь, использовали воду при температуре 18-25 oС, а в качестве жидкого шлака – моторное масло. Выбор воды в качестве моделирующей жидкости объясняется тем фактом, что значения вязкости воды и стали в области температур внепечной обработки достаточно близки друг к другу. Выбор в качестве шлака моторного масла объясняется его свойствами, которые заключаются в высоком поверхностном натяжении и изменении вязкости в зависимости от температуры в широком диапазоне значений, что позволяет изучать процесс выхода пузырьков вдуваемого газа на поверхность жидкой ванны и оценить возможность вовлечения покровного шлака в перемешивание. Известно, что система «вода - моторное масло» широко используется многими исследователями для моделирования поведения шлака [5]. Для визуализации потоков и наблюдения за ними невооруженным глазом применяли метод цветных индикаторов (подкрашивание определенной порции жидкости цветными чернилами). Движение конвективных потоков жидкости, вызванных ее перемещением от места падающей из сталеразливочного ковша струи до попадания в стаканы-дозаторы, фиксировалось с помощью цифровой видеокамеры, этот метод также позволяет определить матрицы скоростей.
Согласно проведенным расчетам, для диаметра пузырька в момент прохождения через слой шлака равного 10-11 мм (оптимальная величина пузыря аргона), диаметр пузырька в момент отрыва составляет 4,7-5,2 мм [6]; диаметр отверстия d0=1,7 мм; расстояние между отверстиями L=10d0 [7]. Подача воздуха осуществлялась через лабораторный компрессор при трех величинах расхода – 10, 12 и 15 л/мин.
В ходе экспериментов выполнялась оценка траектории движения частиц в жидкой ванне ПК, а также оценивалась доля ассимилированных шлаком частиц. Для этого вытекающую из ПК жидкость подвергали фильтрации для улавливания имитаторов НВ. После этого имитатор собирали и взвешивали. Эффективность удаления (%) НВ определяли по формуле
где m1 – масса вводимого в промковш имитатора НВ; m2 – масса имитатора, отобранного на выходе из промковша.
На рисунке 5 представлена динамика распространения потоков жидкости с применением турбостопа и перегородки (а), а также с применением турбостопа, перегородки и продувочной балки (б).
На рисунке 6 показана динамика распространения потоков жидкости с применением турбостопа и перегородки (а), а также с применением турбостопа, перегородки и кольцевой фурмы (б).
Рис. 5 – Динамика распространения потоков жидкости с применением турбостопа и перегородки (а), а также с применением турбостопа, перегородки и продувочной балки (б)
Рис. 6 – Динамика распространения потоков жидкости с применением турбостопа и перегородки (а), а также с применением турбостопа, перегородки и кольцевой фурмы (б)
Как видно из рисунков, наличие продувочного устройства заметно влияет на гидродинамику и уже через 90 сек. после начала моделирования достигается полное усреднение жидкости в объеме ПК как при использовании продувочных балок, так и при использовании кольцевой фурмы.При отсутствии продувки полное усреднение жидкости достигается в среднем за 300 сек., причем образуются характерные застойные («мертвые») зоны в верхней части боковых стенок ПК.
Результаты исследований эффективности удаления НВ при различных вариантах разливки представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты исследований эффективности удаления НВ при различных вариантах разливки
Таким образом, наиболее эффективным методом для обеспечения флотации включений является, на наш взгляд, применение комбинации металлоприемника типа «турбостоп», кольцевой фурмы для вдувания аргона, устанавливаемой непосредственно вокруг металлоприемника, и фильтрационных перегородок.
Недостатком продувочных балок является то, что между аргоновой завесой и стенками ПК, выполненными под тупым углом к днищу, создаются потоки металла, которые не подвергаются продувке аргоном и могут переносить НВ в выпускное отверстие ковша. В случае применения предложенной конструкции продувочного устройства, газом продувается весь объем металла, вытекающий из металлоприемника, что увеличивает эффективность удаления включений.
Библиографический список:
- Смирнов А.Н. Процессы непрерывной разливки стали / Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., Минаев А.А. и др. - Донецк: ДонНТУ, 2002. – 536 с.
- Кудрин В.А. Внепечная обработка чугуна и стали / Кудрин В.А. – М.: Металлургия, 1992. – 336 с.
- Н.А. Босякова. Опыт изготовления продувочных устройств для промежуточных ковшей в ОАО ММК / Н.А. Босякова, Э.В. Степанова, А.Г. Валуев и др. // Сталь. - 2008. - №7. – С. 33-34.
- Zhang L., Thomas B. Inclusions in Continuous Casting of Steel // XXIV National Steelmaking Symposium. 26-28 November, 2003. Morelia, Mich, Mexico. – Morelia: 2003. – P.138-183.
- Филатова О.А. Совершенствование методики проектирования и модернизации оборудования промежуточных ковшей МНЛЗ на основе моделирования потоков металла: автореф. дис. на соискание науч. степени канд. техн. наук: спец. 05.02.13 "Машины, агрегаты и процессы" / О.А. Филатова; Магнитогорский гос. техн. ун-тет им. Носова. – Магнитогорск, 2010. – 20 с.
- Дейч М.Е. Техническая газодинамика / М.Е. Дейч. – М.: Госэнергоиздат, 1974. – 671 с.
- Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем / С.С. Кутателадзе, М.А. Стырикович. – М.: Энергия, 1976. – 296 с.
© Смирнов А.Н., Кравченко А.В., Куберский С.В., Кузнецов Д.Ю., 2011