CC BY
94
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2000 г , Вып.№9
УДК 621.746.3:669.015.9
Казачков Е. А.1, Исайчикова С.Г.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ В 350 - Т СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОМ КОВШЕ
С помощью разработанной математической модели сделана попытка оценить тепловые потери в 350-тонном сталеразлиеочном ковше на пути от конвертера до разливки. Рассмотрены методы уменьшения потерь тепла через зеркало металла, покрытое шлаком.
Для получения высококачественной продукции при непрерывной разливке стали требуется тщательное соблюдение оптимальных значений температуры жидкой стали, поступающей в кристаллизатор. Вместе с тем, на пути от кислородного конвертера до разливки на MHJI3 отмечают значительное снижение температуры жидкой стали за счет потерь тепла через футеровку и через зеркало металла, покрытое шлаком. По данным полученным на МК «Азовсталь», это снижение температуры составляет в среднем 118 °С. Поэтому для получения оптимального значения на разливке, необходимо прогнозировать снижение температуры металла на каждом этапе перемещения ковша с металлом, от выпуска из конвертера до разливки [1];
На ряде предприятий, за счет использования тщательно разработанных математических моделей, удается прогнозировать необходимую температуру металла в конвертере с точностью до ±5 °С [2].
Не менее важной задачей является выявление и правильная оценка источников тепловых потерь и разработка мероприятий по их уменьшению, что позволяет снизить температуру металла на выпуске из конвертера и тем самым уменьшить угар металла и другие технологические расходы [3].
Для расчета процессов теплопередачи была разработана математическая модель, основанная на следующих положениях. В связи с довольно большой толщиной футеровки, тепло проникает на сравнительно небольшую глубину. Поэтому задача сведена к случаю прогрева полубесконечной стенки с постоянной температурой на поверхности. Кроме того, сталь в ковше достаточно хорошо перемешивается конвективными потоками, поэтому в любой точке объема температуру жидкой стали можно считать постоянной. Принято, что теплофизические свойства футеровки ковша не изменяются в процессе прогрева. Учитывая большой радиус ковша теплопередача через футеровку рассматривается как через плоскую стенку [4].
В основу разработанной модели прогрева футеровки положено уравнение теплопроводности
ст е2т m
дх дх2
где Т - температура, °С; х - время, мин;
а - коэффициент температуропроводности, м2/мин;
х - расстояние от поверхности контакта с жидкой сталью в сторону металлического кожуха ковша, м.
1 ПГТУ, д-р. техн. наук, проф.
2 ПГТУ, аспирант.
Из уравнения (1), температура футеровки на расстоянии х от поверхности [5] будет равна:
Tx=Ts-(Ts~T0)Erf(U), (2)
где Ts - температура футеровки на поверхности контакта с жидкой сталью, °С; Т0 - исходная температура футеровки, °С; Erf' (U) - функция ошибок.
Erf (U) = fe"TdT, (3)
л/я ь
где U - безразмерный коэффициент.
U = .....~ , (4)
2л/ат
где а - коэффициент температуропроводности, м2/мин; х - текущее время контакта стали с футеровкой, мин.
В разработанной математической модели всю толщину футеровки разбивали на п равных по толщине участков. Таким образом, ширина элементарного разбиения - Ах. Расстояние i - го разбиения от поверхности
х, =(i-l)-Ах + Дх/2 , м. (5)
Для каждого i - го участка разбиения футеровки задается своя начальная температура Т0 - которая определяется по ее заданному начальному распределению. Коэффициент теплоемкости Ср, и температуропроводности а,, при прогреве приняты постоянными.
По высоте ковш разделен на к зон и дно. В процессе расчета определяли общее время контакта поверхности каждой j-ой зоны с жидкой сталью с зачетом постепенного заполнения ковша металлом:
(К
k+r
/2, (6)
К
= —+
и
где Ьк - высота к-ой зоны ковша, мин;
и - скорость заполнения ковша, м/мин.
(7)
где Нк - высота ковша, м;
хъ - время заполнения ковша, мин.
Расчет аккумулированного тепла производили для каждого i - го участка разбиения по толщине и соответствующего времени х- контакта стали с футеровкой ковша.
Чт^х, =Лх-Рфуг :'сР,(фут)-(тхи-То,]» ккал/м2 (8)
Для определения общего удельного количества тепла, поглощенного футеровкой, полученные значения чт. х. суммировали. Применительно к каждой зоне, полученное значение С>х
умножалось на площадь контактной поверхности. Общий расход тепла на аккумуляцию футеровкой для различного времени т
о. Ер • (9)
где - тепло, поглощенное каждой .¡-ой зоной, ккал.
Указанное количество тепла СК передавалось футеровке за счет снижения температуры жидкой стали на АТт, которую определили из выражения для теплового баланса
Рт = Сстали • Ср(стали:) • АТг, (10)
ЛТТ
р Г4
Стали р(стали)
(П)
Общие потери тепла оценивали по статистическим данным об изменении температуры металла от выпуска из конвертера до разливки для 350 - т сталеразливочного ковша в условиях МК «Азовсталь». Размеры 350 - т ковша с новой футеровкой и после разливки 20 плавок приведены на рис. fJfllÛ
Для упрощения расчетов ковш представлен в виде цилиндрического тела, внутренний диаметр которого D=3.9 м. Высота тела равна высоте налива стали в ковш Н]<=4.26 м. Расчет выполнен для футеровки толщиной 0.3 м. При этом дно выполнено из периклазохромитовых огнеупоров марки LUI ХВ. Для данного огнеупо-ра плотность р=2800 кг/м3, теплоемкость Ср=0.2283 ккал/кг°С, теплопроводность А,=0.0522 ккал/минм°С, температуропроводность а=8.0258 10" 5м2/мин. Боковые стенки ковша выполнены из набивной высокоглиноземистой массой марки ММК-65 (на основе бокситов). Плотность р=2600 кг/м3, теплоемкость Ср=0.2496 ккал/кг°С, теплопроводность А,=0.0236 ккал/минм°С, температуропроводность а=3.621710"5 м2/мин. Для жцдкой стали марки 09Г2С плотность р=7200 кг/м3, теплоемкость Ср=0.18 ккал/кг°С, средняя на выпуске температура ТстаШ1=1640 "С. Рассмотрены потери тепла на трех участках, транспортировки до У ДМ, обработки на У ДМ, разливки. Время выпуски плавки - Тмт ~ 7 мин, время транспортировки конвертер - У ДМ и У ДМ - МНЛЗ соответственно равны 1^1=13 мин и Ттр2=16 мин, время обработки металла на УДМ т!Йр= 13 мин. Среднее значение температуры на участке транспортировки принято равным 1640 °С, на участке обработки на УДМ - 1613 "С, на разливке-1570°С.
Ковш разбивали на три равных ро высоте зоны Ah j = 1.42 м. По толщине футеровку делили на 10 участков. При этом принято, что ее исходная температура по толщине изменяется по линейному закону. Рассмотрены варианты, когда внутренняя температура ковша равна 600 °С, 700 °С, 800 °С, а наружная - 150 °С. Результаты расчета приведены в таблице.
Зная потери тепла приходящиеся на прогрев футеровки, определяем количество тепла теряющееся через зеркало металла.
QnAQoeA-Qx, 02)
где Qo6ffl - общие потери тепла;
Qx - потери тепла через футеровку ковша.
Рис. - Схема сталеразливочного ковша. 1 - периклазохро-
митовые марки ПХЦ; 2 - масса муллиговая марки ММК-65; 3 - периклазохромитовые марки ПХЦ; 4 - новая футеровка; 5 - футеровка после износа.
AT,
где
AT.
снижение температуры жидкои стали.
Qo6i4 — ©стали ,л-'р(стали) "
(12)
В результате обработки экспериментальных данных получены (формулы для расчета снижения температуры жидкой стали на отдельных участках . Значения эна участках транспортировки, обработки на У ДМ и разливки соответственно равны:
ЛТ,=-(0.082-Т№-131.5)-^, (14)
АТЭ =(0.065-Тудм1-101.5)-тобр, (15)
ДТЭ = (0.045-69.3).!^ . (16)
Таблица - Тепловые потери (ккал • 10б) в сталеразливочном ковше на различных этапах транспортировки__^___
Статья потерь конвертер - УДМ обработка на УДМ Разливка
грО о/-* вн' грО 0/-Ч вн'
600 700 800 600 700 800 600 700 800
Qoбщ 2.44 2.44 2.44 2.74 2.74 2.74 1.36 1.36 1.36
0.55 0.50 0.46 0.46 0.42 0.39 0.40 0.38 0.35
Ошл 1.90 1.94 1.98 2.28 2.32 2.35 0.96 0.99 1 01
Аналогичный расчет был выполнен для случая, когда толщина футеровки равна 0.2 м.
Анализ результатов расчета (табл.) показывает, что доля тепловых потерь на разогрев футеровки составляет от 21.5 % (предварительный подогрев до 600 °С) до 18.4 % (предварительный подогрев до 800 °С). Таким образом, основную часть тепловых потерь составляют потери через шлак. Причем, наибольшие потери тепла через шлак приходятся на этап обработки стали на'УДМ. В этом случае, при продувке металла аргоном происходит частичное оголение поверхности шлака, что приводит к росту потерь тепла излучением и конвекцией. Для снижения потерь тепла через шлак и, соответственно, общих потерь тепла широко используют теплоизоляцию зеркала металла легковесными утепляющими смесями [3, 6-8]. В качестве таких утепляющих смесей используют вспученный вермикулит, керамзит, шунгизитовый гравий, легон, рисовую лузгу и золу рисовой лузги. Освоение технологии утепления поверхности металла в стальковше позволяет стабилизировать температуру металла в промежуточном ковше и снизить температуру металла на выпуске из конвертера на 10-15 °С.
Как следует из таблицы, повышение температуры предварительного подогрева ковша заметно снижает потери тепла на разогрев футеровки в процессе транспортировки ковша. В то же время расчеты показали, что степень износа футеровки значительно меньше влияет на потери тепла через футеровку по сравнению с температурой предварительного подогрева ковша.
Выводы
1. Установлена структура тепловых потерь в 350-тонном сталеразливочном ковше на пути от конвертера до разливки.
2. Относительная доля тепловых потерь через слой шлака на поверхности металла в 3 раза превышает потери тепла через футеровку. В процессе продувки металла аргоном доля тепловых потерь возрастает за счет оголения части поверхности.
3. Для снижения общих тепловых потерь нужно основное внимание уделить теплоизоляции зеркала металла за счет применения легковесных утепляющих смесей. Подбором эффективного состава смеси можно уменьшить тепловые потери и снизить температуру металла на выпуске из конвертера на 10-15 °С, что позволяет сократить время плавки, уменьшить угар раскислителей и легирующих элементов.
Перечень ссылок
1. Математическая модель тепломассообменных процессов в ковше при обработке металла инертым газом. / Бакакин А.В., Хорошилое В.О., Гальперин Г.С., Кельманое В.Е. II Изв. вуз. Чер. металлургия. - 1985. - № 9. - С. 51 - 54.
2. Une amelioration importante dans la production de fils et barres de qualité en cailee continue de
billettes. / Watanabe S., Kawasaki S., Aoki M. pt al // Revue de Metallurgie. - 1991. - № 2. - P. 156 - 158,
3. Эффективность теплоизоляции поверхности металла в сталеразливочном ковше. /Климов Ю.В., Ларионов A.A., Побегайло A.B. и др. // Металл и литье Украины. - 1997. - № 2-4. - С.
13-14.
4. Perkins A., Robertson Т., Smith D. Improvements to liquid steel temperature control in the ladle
and tundish. // Fachberichte Huttenpraxis Metallweiterverarbeitung. - 1986. - V. 24 - № 8. - P. 649 - 654.
5. Прогнозирование температуры металла на пути конвертор - УНРС. / Папандопуло И.К, Евтеев Д.П., Носоченко О.В., Шемякин A.B. II Изв. вуз. Чер. металлургия. - 1984. - № 9. -С. 32- 37.
6. Снижение потерь тепла металлом в сталеразливочном ковше. / Цыпин С.Я, Гаоду А.Н., КлимашинП.С. Афонин С.З. //Металлург. - 1977. - № 5. - С. 22 - 23.
7. Уменьшение теплопотерь стали при непрерывной разливке на сортовой MHJI3. / Несвет В В., Учитель Л.М., Ивко В.В. и др. // Сталь. - 1999. - № 7. - С. 26 - 27.
8. Получение золы рисовой лузги и ее применение в сталеразливочном и промежуточном ковше MHJI3. / Винниченко И.И., Грибков A.B., Учитель Л.М. и др. // Металл и литье Украины. - 1999.-№ 11-12.-С. 20-21.
Казачков Евгений Александрович. Д-р техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки Украины, заведующий кафедрой теории металлургических процессов ПГТУ. Окончил Московский институт стали и сплавов в 1949 г. Основные направления научных исследований - совершенствование процессов выплавки и разливки стали, изучение закономерностей формирования слитков и непрерывнолитых заготовок.
Исайчикова Светлана Григорьевна. Аспирант кафедры теории металлургических процессов. Окончила Приазовский государственный технический университет в 1998 году. Основные направления научных исследований - процессы тепло и массообмена в жидкой стали при выдержке и внепечной обработке в сталеразливочном ковше.
