CC BY
12
УДК 669.189:621.746
Чичкарев Е.А., Казачков Е.А., Троцан АЛ., Полозюк О.Е.
усвоение компонентов порошковой проволоки при
обработке стали в промежуточном ковше мнлз
Промежуточный ковш МНЛЗ (ПК) может эффективно использоваться для окончательного раскисления стали, удаления и модифицирования неметаллических включений, точного регулирования состава стали [1]. Для обработки стали в ПК широко используется порошковая проволока (1И1) с различными наполнителями: силикокальцием, алюминием, шлаковыми смесями и т.п.
Несмотря на сложность структуры потоков в ПК при непрерывной разливке [2,3], для оптимизации процесса обработки стали 1И1 применимы упрощенные модельные представления, позволяющие сосредоточить внимание на исследовании влияния режима ввода 1111 и состава наполнителя на его усвоение.
В ходе обработки образуется дисперсная система "капли наполнителя-жидкая сталь" или "пузырьки паров наполнителя-жидкая сталь". Эта модель поведения наполнителя 1111 в жидкой стали вполне обоснована для кальция и сдлавов на его основе, не смешивающихся с железом в широкой области составов, но применима и для таких добавок, как алюминий, вследствие наличия даже в турбулентном потоке областей, внутри которых массообмен осуществляется путем молекулярной диффузии [4].
При обработке металла в секционированном ПК порошковую проволок обычно вводят в приемную секцию. Вследствие наличия развитого рециркуляционного течения ее можно приближенно рассматривать как аппарат идеального смешения.
Объемную долю дисперсной фазы в приемной секции ПК можно найти, используя уравнение материального баланса:
* (D
ат v v
_ . , dcp
В стационарном состоянии ( — = и) - dx
Ф = (2)
sw
где V - объем приемной секции, м3; Q - расход наполнителя ПП, м3/с; S - поверхность раздела металл-покровный шлак, через которую удаляется неусвоенный наполнитель ПП, м2; w - средняя скорость всплывания капель или пузырьков наполнителя, м/с.
Межфазная поверхность F определяется объемной долей дисперсной фазы и ее удельной поверхностью f:
F = = (3)
Sw d<*
где d^ - средний диаметр капель (пузырьков ) дисперсной фазы, м.
Используя (3), можно найти поток целевого компонента q от поверхности дисперсной фазы в объем сплошной фазы (с учетом того, что в стационарных условиях движущая сила массопередачй Дс и коэффициент массоотдачи 0 ростоянны) :
Я = р-Дс-Р = р-Дс--^- = к-<3, (4)
где к - коэффициент пропорциональности, зависящий преимущественно от структуры потоков в ПК.
Уравнение материального баланса целевого компонента (например, кальция) для сплошной фазы имеет вид :
РвУ^ = ч + С-(с1-с) (5)
ох
Для стационарного состояния:
с = (6)
где О - скорость разливки, кг/с, рс- ллотность жидкой стали, кг/м3, с1?с - массовая доля целевого компонента на входе в ПК и на выходе из него соответственно. С учетом
рО
удельного расхода дисперсной фазы (т.е. наполнителя ПП) % = - - конечная концентрация
О
целевого компонента равна:
с = с,+— ё (7)
Рп
и степень его усвоения составит :
(8)
C-Cj k 1
gP Рп Р
Здесь р - массовая доля целевого компонента в наполнителе ПГГ, рп- плотность расплава наполнителя, кг/м3.
Согласно уравнению (8) степень усвоения компонентов наполнителя не зависит от его расхода (т.е. скорости ввода 1111), а определяется преимущественно средним диаметром капель дисперсной фазы и начальным содержанием целевого компонента в ПП.
Этот вывод подтверждается экспериментальными данными. Например, при исследовании усвоения алюминия в ходе обработки трубных марок стали ПП с алюминием (диаметр ПП 8 мм, линейная плотность наполнения 40 г А1/м 1111, серийная разливка конвертерных плавок массой 350 т) не обнаружено статистически значимой связи степени усвоения алюминия со скоростью ввода 1111 (скорость варьировалась в пределах 0.2 - 1.0 м/с) . Степень усвоения составила 80 ±10%. Аналогичный результат получен и при исследовании усвоения кальция в ходе обработки стали порошковой проволокой с силикокалыдаем (диаметр ПП 10 мм, линейная плотность наполнения 100 г СКЗО/м ПП): степень усвоения кальция оказалась равной 20 ± 5% вне зависимости от скорости ввода ПП (0.2- 0.8 м/с).
Полученные результаты по степени усвоения химически активных элементов согласуются и с оценкой достигаемой в процессе обработки стали ПП межфазной поверхности.
В случае ввода ПП с алюминием средний диаметр капель можно считать равным размеру области с массообменом за счет молекулярной диффузии <!0, который определяется числом Рейнольдса: >
где Яе = и • 1 / V, и - скорость жидкости, 1 - определяющий размер системы, V-кинематическая вязкость.
В случае ввода ПП с силикокалыдаем или шлаковой смесью средний диаметр капли можно оценить, используя теорию локальной изотропной турбулентности [4,5]:
/• \0.б '
где ст - межфазное натяжение, s - удельная мощность перемешивания.
Таким образом, при обработке стали в ПК МНЛЗ порошковой проволокой степень усвоения компонентов наполнителя слабо зависит от скорости ввода 1111, которая ограничивается лишь условиями полного расплавления оболочки в нижних слоях металла. Однако, вследствие низкой температуры металла в ПК, это ограничение, является достаточно жестким, и предельная скорость ввода для проволоки диаметром до 10 мм не превышает 1,0 м/с.
1. Irsid and Hoogovens. Tundish metallurgy: a combined Irsid and Hoogovens research/ Manchini J., van der Steel ¿//Rev. met.( Fr.) - 1992,-v. 89, № 3 - P. 269-277.
2. Fluid dynamics of continuous casting tandishes- physical modeling/ Sahai Y, Ahuja R //5th Int. Iron and Steel Conf.: Proc 69th Steelmak. Conf. Vol.69: Washington Meet., Apr.6-9,1986 -Warrendale, 1986,-P. 677-687.
3. Joo S. Guthrie R I. L. Heat flow and inclusion behaviour in a tundish for slab casting // Can. Met. Quart.- 1991 - v.30, № 4 - P. 261-269.
4. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика.- М.:Физматгиз, 1959 - 669 с.
5. Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред. - Л.: Машиностроение, 1979 - 272 с.
d„ «d0 «I/Re*
(6)
(7)
Перечень ссылок
