ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУВКИ ЖИДКОЙ СТАЛИ ИНЕРТНЫМ ГАЗОМ

В статье приведены расчеты по физическому моделированию в ковше донной и верхней (погружной фурмой) продувкой. Проведена подборка материала, имитирующего присаживаемый материал в ванну. Представлены результаты исследования различных фракций и выявлено материал каких фракции более эффективно использовать для усвоения расплавом. Ключевые слова: ковш, жидкий металл, фурма, пористая пробка, критерии подобия, продувка.

Разработка прогрессивных технологий и нового оборудования, обеспечивающих повышение качества выпускаемой металлопродукции является одним из основных направлений развития сталеплавильного производства. Показатели служебных свойств стали зависят как от технологических приемов на начальном этапе выплавки, так и на конечном, которым и является внепечная обработка металла [1, с. 4-6].

Одним из видов внепечной обработки жидкой стали в ковшах различной емкос­ти является продувка жидкого металла инертным газом через пористые пробки или погружаемые фурмы. Для интенсификации процесса дегазации во время вакуумирования продувают металл аргоном через пористые пробки, установленные в днище ковша [3, c. 5]. Продувка металла может быть и через погружные фурмы. Метод пульсационного перемешивания предполагает тоже пульсационную подачу аргона в жидкую сталь для повышения степени рафинирования. Кроме того, при обработке газопорошковыми смесями необходимо учитывать какова гидродинамика ванны и как порошки циркулируют по ванне. В каком случае может быть максимальное усвоение порошка.

Для решения вопроса о повышении эффективности продувки жидкого металла, нами проведен расчет параметров холодной модели продувки жидкого металла через погружную фурму и пористую пробку. При этом основными критериями подобия являлись: критерий Архимеда, критерий Фруда и симплексы

ρ/ρ_{ш ,}Ϭ/Ϭ_ш,h/h_ш. (1)

ρ,Ϭ,h - плотность ,поверхностное натяжение, высота металла

ρ_ш,Ϭ_ш,h_ш - плотность, поверхностное натяжение, высота шлака в ковше

Образцом является сталеразливочный ковш ЭСПЦ ОАО «ОЭМК». Для определения жидкостей на модели использовалась идентичность симплексов ρ/ρ_ш и Ϭ/Ϭ_ш

Для моделирования жидкой стали выбрали воду с плотностью 1000 кг/м³ и поверхностным натяжением (Ϭ = 73,26*10^-3 Н/м, а для моделирования шлака - вакуумное масло с плот­ностью 912 кг/м³ и Ϭ = 34 I0^-3 н/м.

Масштаб моделирования определяется из условий равенства критериев Архимеда [2,с.19] по следующему выражению

М_L=L_o/L_м=[ (ν_o/ν_м)²*((ρ_н-ρ_в)/ρ_н)_м/((ρ_н-ρ_в)/ρ_н)_o]^0,5 (2)

L₀-линейный размер образца;

L - линейный размер модели соответственно;

ν _об и ν_м- кинематическая вязкость образца и модели;

ρ_в и ρ_н- плотность газа на верхнем и нижнем уровнях расплава.

При высоте шлака в ковше 0,25м и металла 2,5м, на модели расчет высоты воды и масла производится из равенства симплексов:

(h/h_ш)_о=( h/h_ш)_м (3)

При линейном масштабе равном 9, высота жидкости в модели должна быть равна 0,31м

(2,5/0,25)_о= [(0,31-h_ш)/h_ш]_м;   h_ш≈0,03м

В соответствии с масштабом моделирования эксперименты можно проводить на модели сталеразливочного ковша ЭСПЦ ОАО» ОЭМК», имеющей следующие параметры (табл. 1).

Таблица 1.

Результаты моделирования продувочного устройства (с фурмой)

Рассматривая продувку через донный блок, учтем, что образец продувочного блока состоит из двух рядов щелей: внешний ряд 20х0,19х16мм, внутренний -20х0,19х12мм, определим эквивалентный диаметр. Общее сечение всех сопел на образце 20*(3,04+2,28)=106,4мм². Эквивалентный диаметр равен 2,7мм. Если на модели будет 5 сопел, то общая площадь 40 сопел на образце будет соответствовать 5 соплам на модели, тогда общая площадь на модели определиться из масштаба моделирования. S_об.=106,4/81=1,31м². При этом диаметр сопла на модели должен быть равен (4*1,31/3,14/5 )^0,5=0,58мм.

Параметры истечения на образце и модели рассчитаем, используя критерий Фруда. Результаты моделирования продувки жидкого металла в ковше через донный блок представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты расчета холодной модели продувки жидкого металла газом через донный блок

Схема модели ковша представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема установки холодной модели продувки жидкой стали в ковше.

1-стеклянный сосуд (ковш), 2-вода (жидкий металл), 3-масло (шлак), 4-диск, плотно прилегающий к стенкам ковша, 5-продувочный блок, 6-шланг, по которому подается воздух на продувку, 7-шланг к компрессору, 8-погружная фурма

Для исследования процессов гидродинамики жидкой ванны при верхней и донной продувке был подобран дисперсный материал – керамзит, который предварительно дробился, затем рассеивался по фракциям: + 4мм; +1,1 -1,5мм; 1мм

Для определения необходимой фракции при рассмотрении процессов гидродинамики жидкой ванны были проведены эксперименты при продувке жидкости как через фурму, так и через донный блок на одной и той же установке, воздухом с различными расходами, соответствующими образцу.

Выяснено, что керамзит фракцией более 4мм практически не достигает поверхности шлака, фракцией менее 1мм очень быстро движется вместе с жидкостью, не успевая взаимодействовать со шлаком. Керамзит фракции +1,1-1,5 движется в жидкости под действием барботирующих жидкость пузырьков воздуха и вступает во взаимодействие со шлаком. Такие частицы способны задерживаться шлаком, аналогично неметаллическим включениям. А для порошков, необходимо, чтобы частицы распределялись по жидкому металлу для лучшего усвоения - это частицы менее 1мм.

Для повышения эффективности продувки необходимо провести еще ряд экспериментов как через донную фурму, так и через пробку с различными расходами и различными фракциями.

Список литературы:

1. Еронько С.П., Быковских С.В. Физическое моделирование процессов внепечной обработки и разливки стали. -К.: Техніка, 1998.- 136 с.
2. Марков Б.Л., Кирсанов А.А. Физическое моделирование в металлургии. – М.: Металлургия, 1984. – 119 с.
3. Обработка металла аргоном в сталеразливочном ковше на участке внепечной обработки стали. Технологическая инструкция. ТИ ЭС-120-21014: АО «ОЭМК» ,1914.-с.14
4. Харлашин П.С., Яценко А.Н., Перемешивание расплава и удаление водорода при продувке металла аргоном в сталеразливочном ковше. – [Электронный ресурс] – Режим доступа. –URL: http://uas.su/conferences/donntu2011/014/014.php/ (Дата обращения 01.09.2016г.)