CC BY
14
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2001 р. Вип. №11
УДК 669.18
Чичкарев Е.А.1, Пославская Т.П.2
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АЛЮМИНИЯ В ОБЪЕМЕ СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОГО КОВША ПРИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКЕ
Разработана математическая модель распределения алюминия по объему стале-разливочного ковша при вводе его штангой, крупнъш слитком или чушками. Оценены параметры зависимостей, связывающие эффективные коэффициенты турбулентной диффузии в расплаве и объемный коэффициент массопередачи для системы металл-шлак и, с другой стороны, удельную мощность перемешивания ванны при продувке инертным газом применительно к условиям внепечной обработки на УДМ.
В крупных стальковшах неравномерность распределения алюминия по высоте ковша после его ввода чушками на УДМ достигает +0,01 % [1]. При вводе алюминия чушками, штангами или крупным слитком вполне обосновано предположение о его усвоении преимущественно из подповерхностных горизонтов металла.
Распределения алюминия по объему ковша в условиях продувки инертным газом можно описать, используя уравнение турбулентной диффузии [2-4]:
шл±{Вг.г.Щ+0г.?ж, (1)
дт г дг\ дг J ду
где Dr, Dy - эффективные коэффициенты турбулентной диффузии для радиального и вертикального переноса соответственно; 0 < г < R, 0 < у < Н; R - средний радиус; Н - глубина металла в ковше.
Зависимость эффективных коэффициентов турбулентной диффузии от параметров продувки учитывалась по результатам физического и математического моделирования гидродинамики ковшевых процессов [2-4]. В работе [2] для сосредоточенной продувки погружной фурмой предложены уравнения:
h_ Н
Dr = 0,093 • Ру^ ■ Н4^3, (2)
Бу= 0,092 -Р^-Н4/3, (3)
где И - средняя глубина всплывания пузырей, Н - длина пути смешения, равная глубине ванны,
Руд - удельная мощность перемешивания, рассчитываемая по формуле [2, 5]:
( = (4)
* С 273 Р0 где У0 - расход барботирующего газа, приведенный к н.у.; Р0 - давление над жидкостью, Па; Т - температура, К; р - плотность металла; С - масса металла в ковше. Концентрация алюминия на границе раздела металл/футеровка и металл/шлак рассчитывалась по термодинамическим данным [5,6] для реакций диссоциации БеО шлака и муллита футеровки.
Для границы раздела металл-шлак объемный коэффициент массопередачи к [с1] можно оценить по уравнению [7]:
к = А-Рьуд, (5)
где по результатам обработки приведенных там же экспериментальных данных при Руд < 0,06 Вт/кг А=0,0012, Ь=0,25; при Руд > 0,06 Вт/кг А=0,021, Ь=1,25. Для границы раздела металл-футеровка использовалось такое же уравнение, но без изменения режима при Руд > 0,06 Вт/кг.
1 ПГТУ, канд.техн.наук, ст.преп
2 ПГТУ, инженер
Основной особенностью предлагаемой модели является предположение, что весь алюминий вводится через границу раздела металл-шлак со средней скоростью:
JAl = GAl l{Zввода ~F) (6)
где GM ~ масса вводимого алюминия; тввода - время поступления алюминия в металл; F - поверхность раздела металл-шлак.
При вводе алюминия в металл скорость раскисления можно оценить, рассматривая упрощенно весь объем металла, кроме приповерхностной зоны, как идеально перемешанную область с концентрацией кислорода, равной средней по объему. Коэффициент массопередачи кислорода через границу раздела с раскисленной приповерхностной областью вычисляли по уравнению Хигби [7]
Ра =2Л/Д#/(;гг), (7)
где т - характерное время ; г = Н /м? : м? - средняя скорость циркуляционных потоков, пропорциональная произведению (Н ■ 1\.п )' [7]. Содержание алюминия в поверхностном слое оценивали по разности скоростей поступления и расходования на раскисление шлака и металла. По результатам расчетов скорость связывания растворенного в металле кислорода заметно выше по сравнению со скоростью распределения алюминия по объему ковша. Поэтому упрощенный анализ кинетики раскисления не вносит больших ошибок в результаты расчета распределения алюминия.
Результаты расчета кинетики распределения алюминия в объеме ковша сопоставлены с экспериментальными данными [8]. Расчет провели для ковша с нераскисленной сталью массой 330 т. В работе [8] ввод алюминия осуществлялся штангами диаметром 210...240 мм, удерживаемыми краном. Усреднение металла по состав}' и температуре достигали за счет продувки инертным газом через фурму, погружаемую на глубину 3,7-4,0 м (при общей глубине расплава 4,4 м ). Пробы отбирались с глубины 50-70 мм от границы металл-шлак стандартным пробоотборником, а с глубины 300 мм - стальным разъемным стаканчиком. В расчете учитывалось время оплавления намораживаемой на штанге стальной корки, поэтому время поступления алюминия в металл меньше времени ввода штанг.
Сопоставление результатов эксперимента и расчета после идентификации параметров модели приведено на рис. 1,2. Даже без использования математической модели, по экспериментальным данным [8] об изменении во времени концентрации алюминия на глубине 50...70 и 300 мм легко установить, что уравнения (2),(3) для процесса продувки инертным газом в ковше дают завышенные результаты. Удовлетворительное согласование результатов экспериментов
0,16
0,14
« \0 S Ïn
M а Он ^ч « s 0,12
К W s
ш я к s 2 0,1
« ч я
0,08
0,06
5 10 15 20
Время от начала ввода, мин
Рис. 1 - Концентрация алюминия в поверхностном слое при вводе штангой
25
—♦—Расчет, под шлаком Д Эксперимент, глубина 50 мм
- Расчет, на глубине 230 мм Эксперимент, глубина 300 мм
о
20
5 10 15
Ерещмин
Рж.2- (ЪдершнжРЮвпшвЕгожд/раскижнш
25
- (FeQpaOTT
(FeO)3i<cn
[8] и расчета кинетики распределения алюминия достигается при следующих условиях : в уравнениях (2),(3) коэффициент пропорциональности должен быть не 0,092...0,093, а лишь
0.018. в уравнении (7) коэффициенты пропорциональности А =0,00036 (Ъ=0,25; Руд < 0,06 Вт/кг) и А =0,0063 (Ъ =1,25;Руд > 0,06 Вт/кг).
Аналогичный расчет проведен для условий ввода алюминия чушками на УДМ в 350-т ковш. Результаты расчета степени усвоения алюминия (55... 62 % в зависимости от интенсивности продувки) и скорости раскисления шлака вполне соответствуют экспериментальным данным, полученным при вводе алюминия чушками на УДМ с расходом 0,3...0,5 кг/т (среднее значение степени усвоения, которая определялась по разности концентраций алюминия в пробах из ковша до и по окончании внепечной обработки, - 57 %; размах варьирования - 33... 78 %).
Выводы
1. Установлено, что процесс выравнивания концентрации алюминия в объеме ковша для условий раскисления и легирования стали при его вводе в поверхностный слой металла описывается уравнениями турбулентной диффузии и массопереноса с коэффициентами, зависящими от удельной мощности перемешивания. Результаты расчета сопоставлены с экспериментальными данными для условий ввода алюминия ковш штангой или чушками, показана их удовлетворительная сходимость.
2. Установлены наиболее вероятные значения коэффициентов зависимостей для расчета эффективного коэффициента турбулентной диффузии, а также объемного коэффициента мас-соотдачи растворенного алюминия к границе металл-шлак в условиях продувки инертным газом при внепечной обработки стали.
Перечень ссылок
1. Носоченко О.В. Рафинирование и непрерывная разливка высококачественных сталей на комбинате «Азовсталь». - Киев: «Иван Федоров», 1991. - 67 с.
2. Иванов A.B., Яковлев Ю.Н. Моделирование процессов перемешивания в ваннах металлургических агрегатов при барботаже//Теория и практика металлургии,- 1998. - №2. - С. 12-15.
3. Яковлев Ю.Н., Опришко Н.В. Моделирование перемешивания металла в сталеплавильной ванне в период кипения. // Изв. вузов. Черн. металлургия. - 1990. - №1. - С.22-24.
4. Капустин Е.А. Роль переноса вещества и энергии в ваннах сталеплавильных агрегатов. // Вопросы теории и практики сталеплавильного производства : Сб. науч. тр. - М.: Металлургия, 1991.-С. 14-24.
5. Образование фаз при раскислении стали кремнием и алюминием / Михайлов Г.Г., Вильгельм Е.М., Чернова Л.А. и др.//Изв. АН СССР. Металлы.-1988. -№4. - С. 10-16.
6. Физико-химические расчеты электросталеплавильных процессов. / Григорян В.А., Стома-хин А.Я., Пономаренко А.Г. и др. - М.: Металлургия, 1989. - 288 с.
7. Асаи Ш., Кавачи М., Мучи И. Скорость массопереноса в процессах ковшевого рафинирования. // Инжекцтонная металлургия'83: Труды конференции Scaninject. - M.: Металлургия, - 1983. - С. 106-124.
8. Казаков C.B., Свяжин А.Г., Поживанов A.M. Время усреднения по составу и температуре при продувке жидкой стали в ковше // Изв. АН СССР. Металлы. - 1988. -№ 2.-С.5-12.
Чичкарев Евгений Анатольевич. Канд. техн. наук, окончил Московский химико-технологический институт им. Д.И.Менделеева в 1987 г. Основные направления научных исследований - совершенствование технологии внепечной обработки и разливки стали, термодинамика и кинетика сталеплавильных процессов.
Пославская Таисия Петровна. Аспирант кафедры теории металлургических процессов, окончила Мариупольский металлургический институт в 1992 г. Основные направления научных исследований - совершенствование технологии внепечной обработки стали, изучение закономерностей процессов раскисления стали и ее рафинирования шлаковыми смесями.
Статья поступила 05.04.2001.
