Перемешивание расплава и удаление водорода при продувке металла аргоном в сталеразливочном ковше

П.С. Харлашин, А.Н. Яценко, В.Я. Бакст

Введение

Современные конъюнктурные требования к рынку металлопродукции в Украине и мире требуют не только строго соответствия выплавляемых сталей химическому составу, но и безусловное обеспечение показателей качества, в числе которых особое место занимает газонасыщеность металла водородом и загрязнённость неметаллическими включениями.

Наряду с такими эффективными методами, какими являются различные виды вакуумирования, заслуживает внимания рассмотрение других, менее затратных технологических приёмов, к которым относится продувка ванны инертными газами.

Известные по данному вопросу источники [1-3] содержат недостаточно полную, иногда противоречивую информацию, поэтому дальнейшие исследования в указанном направлении представляются достаточно актуальными.

Цель работы

Целью данной работы явилась разработка методики расчёта основных гидро- и газодинамических параметров продувки металла аргоном в сталеразливочных ковшах, и промышленные испытания на 160-тонных ковшах ОАО «ММК им. Ильича».

Основная часть

Схема расчёта основных газо- и гидродинамических показателей продувки жидкого металлического расплава аргоном, подаваемым через донную часть сталеразливочного ковша, приведена на рис. 1.

Рисунок 1 – Схема для расчёта основных газо- и гидродинамических параметров продувки жидкого металлического расплава аргоном

Каждый i-ый уровень имеет свои собственные газо- и гидродинамические значения: H_i, S_i,V_i, p_i, P_i, T_i, I_i. Указанный ковш характеризуется следующими основными параметрами: нижний диаметр d₁ = 3372 мм, верхний d₅ = 3660 мм, высота рабочего пространства ковша H_к = 3430 мм, высота металла 3170 мм, высота шлака 130 – 230 мм.

При моделировании для соблюдения условия Re*Fr/(Eu*We) = idem необходим учёт следующих параметров: масса жидкого металла М_м, т; плотность металла и шлака p_м, p_ш, кг/м³; температура металла и окружающей среды Т_м, Т_о, ^oК; геометрические размеры ковша d₁, d₅, H_к, м; толщина слоя металла и шлака Н_м, Н_ш, м; молекулярная масса аргона М_Ar, г/моль; атмосферное давление P₀, кг/м²; продолжительность продувки стали аргоном , сек; доля газов в смеси газового пузырька g_CO и g_N2; свойства жидкого металлического расплава: кинематическая вязкость , м²/с и поверхностное натяжение металла , кг/с².

Геометрическое подобие в данном случае не выдерживается, однако универсальный параметр (удельный расход газа) позволяет исследовать гидродинамические параметры продуваемой ванны в широком диапазоне размеров.

Сталеразливочный ковш имеет форму усечённого конуса, его конусность равна:

Объём жидкого металла в сталеразливочном ковше:

Радиус зеркала на уровне 3:

Глубина металлической ванны при этом составит:

Плотность аргона (на уровне 1) при подаче его в металлический расплав:

Интенсивность подачи аргона на этом же уровне:

Интенсивность выделения водорода при нормальных условиях:

и на уровне 3:

аналогично для аргона:

Выделение водорода и прохождение аргона на уровне 3:

Всего с учётом наличия в пузырях аргона СО и N₂, обозначенных как другие газы:

считая долю газов в смеси газового пузырька g_CO=0,1 и g_N2= 0,1.

Суммарная интенсивность выделяемых газов на уровне 2 определяется как средняя величина

Удельная интенсивность прохождения газов на уровне 2:

Средняя плотность смеси газов в нормальных условиях (p_0см) может быть определена по правилу аддитивности.

Плотность смеси газов на уровне 2 с учётом гидростатического давления и температуры металла:

где

Значения скорости всплывания газовых пузырей в металлическом расплаве (u), относительный уровень его подъёма (/Н₀) при продувке аргоном от комплекса Re*Fr/(Eu*We) определяли с использованием ранее полученных результатов [4].

Увеличение объёма металла при продувке аргоном при условии, что сталеразливочный ковш имеем форму усечённого конуса:

Определяем радиус верхнего уровня 4 металлического расплава при продувке его аргоном в ковше:

и увеличение уровня расплава в ковше:

Промышленное опробование продувки расплава аргоном выполняли на 160-тонных ковшах ОАО «ММК им. Ильича». Подача аргона в ковш осуществлялась через аргонопровод резиновым напорным рукавом. Регулировку подачи аргона контролировали счётчиком и производили вручную с использованием существующих на установке запорных вентилей и манометров. Продувка продолжительностью 240 – 480 с и не превышала длительности слива стали, интенсивность продувки в момент завершения выпуска изменяли в пределах (0,07 – 0,51)•105 см3/с, что обусловлено необходимостью определения оптимальных значений.

Изменение технологических факторов и расчетных газо-гидродинамических параметров продувки жидкого металла аргоном, подаваемого через пористые пробки сталеразливочного ковша приведены в таблице.

Таблица – Изменение технологических факторов и расчётных газо- и гидродинамических параметров продувки

Зависимость относительного увеличения уровня металлического расплава от значения комплекса Re*Fr/(Eu*We) представлена на рис. 2.

Рисунок 2 – Зависимость относительного увеличения уровня расплава от значения комплекса Re*Fr/(Eu*We) при продувке аргоном

Приведенные данные показывают, что при низких значениях Re*Fr/(Eu*We) (менее 0,1) характер зависимости /Н₀ сложный и практически совпадает с таковым, полученными в условиях холодного моделирования. Рост /Н₀ с увеличением Re*Fr/(Eu*We) немонотонный; так при увеличении Re*Fr/(Eu*We) от 0,6•10-6 до 0,2•10^-4 рост _k/Н₀ слабый, а затем, при Re*Fr/(Eu*We) > 0,3•10-4 - более интенсивный.

Выводы

Таким образом, в результате выполненных исследований установлено, что при высоте рабочего пространства ковша Н_к = 3430 мм, наполнении его металлическим расплавом массой 160 т на высоту 3150-3200 мм и слое шлака Н_ш = 130-230 мм для недопущения переполнения ковша необходимо снижать интенсивность подачи аргона и несколько увеличивать при этом (на 2-3 минуты) продолжительность продувки, что приведёт к улучшению технико-экономических показателей обработки стали аргоном.

С использованием разработанной математической модели предложена и опробована в промышленных условиях технология аргонной продувки металла в сталеразливочном ковше по ходу выпуска и после его завершения. В исследованном интервале интенсивности подачи инертного газа возможно эффективное удаление водорода при увеличении уровня металла и шлака, обеспечивающих безопасное выполнение операции.

Список литературы:

1. Немченко В.П., Козьмин В.А., Попель С.И. К гидродинамике продувки стали газами в ковше. //Известия вузов. Чёрная металлургия. – 1971. - № 10. – С. 41 – 44.
2. Шифрин В.М., Кадинов В.И. Исследование эффективности дегазации металла при продувке его аргонов в ковше. // Известия вузов. Чёрная металлургия. – 1975. – №12. – С. 59 – 64.
3. Yoshida T., Osada Sh., Arima K. A new method of removing inclusions in molten steel by injecting gas from the shroud. // Transactions of the ISIJ. – 2006. – p. 472-478.v
4. Харлашин П.С., Яценко А.Н., Бакст В.Я., Бакланский В.М. Изменение уровня жидкости при донной продувке неассимилируемым газом. // Металлургическая и гор-норудная промышленность. – 2010. – №2. – С. 75 – 77.

Рецензент д.т.н., проф. А.Н. Смирнов

© П.С. Харлашин, А.Н. Яценко, В.Я. Бакст