CC BY
26
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
1999г Вып. №8
УДК 669. 18: 621. 746. 5: 532. 5
Лникаева А.А.1, Казачков Е.А/
РАФИНИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ОТ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ПРОМКОВШЕ СЛЯБОВОЙ МНЛЗ
На гидравлической модели промковша с разделительными перегородками, в которых выполнены направляющие каналы, исследованы характеристики потоков в разливочной части промковша. Произведена оценка скоростей потоков и время их перемещения от разделительной стенки до разливочного стакана. Выполнен расчет удаления неметаллических включений в промковгие.
Важной проблемой повышения качества непрерывнолитых слябов и полученных из них листов является снижение содержания неметаллических включений (НВ) в разливаемом металле.
Рафинирование жидкого металла от НВ в процессе непрерывной разливки обеспечивается за счет рационального устройства промковша (ПК) МНЛЗ. Эффективным приемом является установка в ПК разделительных перегородок с отверстиями (каналами), расположенными в несколько рядов горизонтально или под наклоном)!-4]. Перегородки делят объем ПК на приемную камеру, куда поступает струя металла из сталеразливочного ковша, и разливочную часть, в которую металл попадает из приемной камеры через каналы в перегородках. Рациональное размещение каналов позволяет направить затопленные струи металла в разливочной части ПК так, чтобы обеспечить эффективное всплывание НВ и присоединение их к покровному шлаку в ПК.
Для исследования гидродинамики металла в ПК крупной слябовой МНЛЗ емкостью 40 т использовано гидравлическое моделирование с использованием прозрачной модели (моделирующая жидкость - вода комнатной температуры).
В разливочной части ПК истечение жидкости из направляющих каналов разделительной перегородки происходит в режиме затопленных струй, которые характеризуются значениями чисел Рейнольдса Re, соответствующих области автомодельности. Поэтому для соблюдения подобия, кроме геометрического подобия, достаточно обеспечить требование Fr = idem [5-8]. В работах [7,8] показано, что равенство критериев Фруда для модели и оригинала обеспечивают хорошее подобие гидравлических процессов в ПК и водяной модели при линейном масштабе М£ = 1/6, который и был принят при изготовлении гидравлической модели.
Для оценки скоростей потоков в разливочной камере ПК использовали метод [9] визуализации течения путем фиксирования на фотопленке при съемке специальной камерой с экспозицией 1/30 с и частотой 3-4 кадра в сек. границ продвижения подкрашенных контрастным веществом потоков с одновременной фотографией показания электросекундомера. Краску вво-
1 ПГТУ, аспирант ' ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
Рис. I - Фотограммы потоков жидкости в ПК. Время от начала ввода краски: а) 4,1 е.; б) 7,2.; в) 9.6 е.; г) 13,7 с.
дили в канал разделительной перегородки или в локальные участки разливочнои секции ПК. По полученным фотограммам строили контурные карты распространения потоков и схемы циркуляции, проводили расчеты скоростей и времени перемещения локальных объемов жидкости с момента их поступления в разливочную секцию ПК до момента, когда поток попадал в разливочный стакан.
Значения скоростей потоков, расходов жидкости и времени перемещения потоков, полученных в опытах на модели, пересчитывали на натурные характеристики потоков в ПК с учетом масштаба моделирования.
На рис.1 приведен образец фотограммы, полученной: яри вводе контрастного красящего вещества в три ряда каналов, расположенных л разделительной перегородке. Верхний ряд каналов горизонтален и имеет круглое сечение. Пиление ряды каналов имеют прямоугольное сечение и расположены под утлом к вертикальной оси таким образом, чтобы струи, выходящие из каналов верхнего ряда, пересекались струями, идущими от нижних рядов каналов.
Как видно из фотограммы, струи, выходящие из трех рядов каналов в разделительной перегородке, сливаются в общий поток. Далее общий поток проходит под поверхно-
V/
Рис.2 - Контурная карта фронтов распространения индикатора.
Рие.З - Схема циркуляции потоков в разливочной ча! ти П К
стью шлака, поворачивается у торцевой стенки и часть его направляется в разливочныи стакан кристаллизатора, а другая часть образует контур рециркуляции, обеспечивая повторное прохождение металла под шлаковым покровом;. На рис. 2 приведена контурная карта фронтов распространения окрашенного индикатора в зависимости от времени, а на. рис. 3 -схема циркуляции жидкости в разливочной камере (заштрихована зона слабой циркуляции). Применение метода гидравлического моделирования позволяет оценить характер потоков металла в ПК при различном расположении направляющих каналов в разделительных перегородках и выбратьнаиболее благоприятные условия для удаленияНВ.
Оценка скорости движения потока по его главной траектории показала, что на участке потока под шлаком скорость близка к постоянной, исключая начальную область смешения струй вблизи перегородки и участок разворота потока у задней стенки ПК.
Обработка результатов определения скоростей проводилась на основе расчетной моделиГЮ!, основанной на упрощенном анализе решения сравнения Навье-Стокса:
где е- удельная мощность перемешивания [Вт/ кг];
(1)
и - средняя, скорость циркуляционных потоков.
Для разливочной секции промежуточного ковша перемешивание осуществляется струями жидкости, поэтому удельная мощность перемешивания:
и
ИСТ
11
о
и
ИСТ
8
ОТВ
(2)
2 О 2 Ь /) 1ПК
где Я - массовая скорость разливки (через одну секцию): О - масса металла в секции (для стационарных условий); вотв - суммарная площадь отверстий I! перегородке; Ь, Ь, Ьпк - ширина.
средняя высота и длина разливочной секции; иист - скорость истечения струй из отверстии в перегородке.
Используя в качестве определяющего размера ПК среднюю глубину слоя металла (в (1) Ь=Ь), из (1) и (2) получаем итоговое уравнение, связывающее среднюю скорость циркуляционных потоков с расходом жидкости через разливочную секцию:
и - к
2
отв
ЬИ-1
к-
е
ПК ;
отв
Б.
отв
V*
\2-b-L.
(3)
К
где () - расход жидкости через отверстия в перегородке [м7 с'|. = —; к - коэффициент про-
Р
порциональности, который определяется по экспериментальным данным.
Зависимость и = ./(б), построенная по результатам обработки фотограмм, аппроксимируется прямой и = 99,75 ■ ( см. рис. 4). Для модели ПК, на которой проводились эксперименты, Ботв = 0,0010 м2, Ьпк = 0,33 м и Ь=0,135 м., поэтому
и --к
е Г *
\Уг
отв
2 ЬЬ
к-
0,001
0,001
224 к•О
(4)
отв „ ^ у2 ■ 0,135 ■ 0,33у
Сопоставление полученного уравнения линейной аппроксимации и уравнения (7) позволяет установить значение коэффициента пропорциональности, равное к = 99,75/224—0,45.
При внимательном анализе результатов гидравлического моделирования можно заметить, что расход жидкого металла через область прямого течения больше массовой скорости разливки, т.е. кратность циркуляции может быть довольно велика. Она рассчитывается по формулам:
С + Я = р-и -Ь-у, (6)
С = риЬ-{И-у), (7)
где (С+И.) - расход жидкости через область прямого потока ( от входа к выходу); С - расход через область обратного потока, К - массовая скорость разливки в расчете на один ручей. При сложении (6) и (7) получаем 2 ■ С +К -- р - и Ъ- И . Для использованной в экспериментах модели ПК и =99,75-0 = 99,75 • К/р , поэтому 2 • С + К = 99,75= 1,82 ■ /?, и кратность циркуляции равна 1,41.
0,014 -г
0,012 ■
►ч н 0,01 -
о' 0,008 -
о 0,006 -
1 0,004 -
о. и 0,002 -
0
----------------- ♦
«я«»" А
* ♦
0,00004 0,00006 0,00008 0,0001 Расход жидкости, мл3/с
0,00012
Рис. 4 - Зависимость средней скорости циркуляционные потоков от расхода жидкости через ра:-. лив очную секцию промковша ♦ - эксперимент
Результаты гидравлического моделирования позволяют проанализировать влияние ряда конструктивных и технологических факторов на процессы рафинирования металла в ПК. Структуру потоков в разливочной секции часто представляю! в виде простейшей модели -ячейки идеального вытеснения [11], однако полученные выше результаты позволяют уточнить модель применительно к процессам рафинирования от неметаллических включений в ПК.
При наличии контура рециркуляции как аппарат идеального вытеснения, пренебрегая обратным перемешиванием, можно приближенно рассматривать лишь область прямого потока вдоль его траектории. В этом случае изменение содержания НВ в металле по длине секции можно вычислить по уравнению (полученному для стационарных условий):
<Реь
<Р*
ехр
У
(8)
где <рвых - объемная доля НВ на выходе; (рвх - объемная доля НВ на входе; \у - скорость всплывания НВ, м/с; имет - скорость потока металла, м/с; х - длина зоны идеального вытеснения, м; у - высота поперечного сечения прямого потока, м..
С учетом рециркуляции потока относительное остаточное: содержание НВ для разливочной секции ПК рассчитывается по уравнению:
<Ре,
1
<Р»
Е
Кц+1
где Кц - кратность циркуляции, Е - ехр
м/ ■ р ■ Ь
~КЦ -К
(9)
8 - площадь поперечного сечения
вблизи раздела металл - шлак, м"; р - плотность стали, кг/м , Я - массовая скорость разливки, кг/с. Применение уравнения (9) можно проиллюстрировать расчетом. Например, при пересчете одного из экспериментов в модели ПК на натуру кратность циркуляции Кц=2,95, 8=1.8 м2, и для 11=50 кг/с, \\-0.001 м /с остаточное содержание НВ при расчете по уравнению (9) -78.7 % от их содержания на входе. При значительном развитии рециркуляции (поперечным массообменом через зону слабой циркуляции можно пренебречь) степень рафинирования стремится к постоянному значению, характерном;/ для ячейки идеального смешения.
По результатам анализа проб, отобранных в ходе внепечной обработки и непрерывной разливки низколегированных сталей, выплавленных в 350 - т кислородном конвертере и обработанных в стальковше силикокальцием, общее содержание кислорода обычно лежит в пределах 0,0042- 0,0053 % в стальковше и 0.0030-0,0036 % в ПК.
Снижение загрязненности металла оксидными НВ, оцениваемое по снижению общего содержания кислорода, лежит в пределах 0,003/ 0,0053 ... 0,036/ 0,0042 = 0,57 ... 0,86 от исходного (в стальковше), что вполне согласуется с; расчетом остаточного содержания НВ
(с учетом рафинирования в приемной секции, для которой
<Р«
= 0.88).
Выводы
Несмотря на упрощенный характер описания структуры потоков, модель ПК, основанная на комбинации идеализированных ячеек с учетом рециркуляции в разливочной секции, согласуется с результатами эксперимента и позволяет' приближенно оценивать влияние режима разливки и основных конструктивных параметров ПК на снижение загрязненности металла НВ в ходе разливки.
Перечень ссылок
1. Ефимов В.А., Эльдарханов А С. Современнее технологии разливки и кристаллизации сплавов. -М.. Машиностроение. -1998-360 с.
2. Кудрин В.А. Обработка стали на установках непрерывной разливки.// Итоги науки и техни-
ки. Серия «Производство чугуна и стали». -Т.20. -М.: ВИНИТИ. -1990 -С.61-116.
3. Пелуха Б., Зсталъка Д. Рафинирование стали в промежуточной ковше У НРС. // Обзор. -М.:
Черметинформация, 1990 -Вып.З (360). -41с.
4. Tsubokura J., Sommerville ID., Melean A. Factors influencing the effectiveness of Tundish Metallurgy // Ironmaking and Steelmaking,- 1985,-№5,-P. 58-62; №6,- P. 43-45.
5. Гречко А.В., Нестеренко P.Д., Кудинов ЮА. Практика физического моделирования на металлургическом заводе. М. Металлургия. - 1976. - 224 с.
6. Яковлев Ю Н. Теоретические основы гидравлического моделирования процессов наполнения изложниц и кристаллизаторов // Сб. Физические методы моделирования разливки металла. Киев. ИГ01, 1975 - С. 17-20.
7. Heashp L.J., McLean A.. Sommerville ID. Chemical mid Physical Interaction During Transfer Operations // Cont. Casting. 1983, v. 1. ISS - AIME.- P. 67-112
8. Barreto J de J, Barron Meza M. A., Morales R. D. Physical and Mathematical Modeliny of Steel
Flow and Heat Transfer in Tundishes under Non-isothernial and N on-adiabatic Co nditions /7 I S 1.1 International.- 1996,-v.36.-№5,-P. 543-552/
9. Казачков E.A.. Мосюра ЛИ. Некоторые особенности методики измерения скоростей потоков жидкости при гидравлическом моделировании процессов разливки на У НРС Я Сб. Физические методы моделирования разливки металла - Киев ИТ1Л, 1975,- С. 115-120.
10. Асан Ш., Кавачи М., Мучи И. Скорость массопереноса в процессах ковшевого рафинирования. // Инжекцтонная металлургия"83: Труды конференции Scanmject. - М.: Металлургия, 1983.-С. 106-124.
11. Yogeshwar Sahai, Toshihiko Emi. Melt Flow Characterisation in Continuous Casting Tundishes// ISIJ International. - 1996. - V.36 - № 6. - P.667-672
Аникаева Алла Анатольевна Аспирант кафедры теории металлургических процессов, окончила Донецкий государственный университет в 1990 году. Основные направления наушных исследований - физическое и математическое моделирование тепловых и гидродинамических процессов при непрерывной разливке стали
Казачков Евгений Александрович. Д-р техн. наук, профессии, заслуженный деятель науки 'Украины, заведующий кафедрой теории металлургических процессов. Закончил Московский институт стали и сплавов в 1952 г. Основные направления научных исследований - совершенствование процессов выплавки и разливки стали; изучение закономерностей формирования слитков и непрерывнолитых заготовок
