Развитие теоретических основ, разработка и внедрение комплекса ресурсосберегающих технологий внепечной обработки стали


Исследование и совершенствование технологии корректировки химического состава стали в ковше при продувке металла газАМИ



страница3/6
Дата06.06.2016
Размер0.65 Mb.
ТипАвтореферат диссертации
1   2   3   4   5   6

3Исследование и совершенствование
технологии корректировки химического состава стали в ковше при продувке металла газАМИ


Одной из главных задач, решаемых при продувке металла инертным газом в ковше, является усреднение стали по химическому составу. В связи с этим выполнили экспериментальные исследования технологии корректировки состава металла по содержанию легирующих элементов с перемешиванием металла инертным газом. Исследования проводили на плавках стали, выплавляемой по действующей технологии. После окончания выпуска по результатам анализа ковшевой пробы присаживали требуемое по расчету количество соответствующего ферросплава, а затем проводили усреднительную продувку аргоном. Установлено, что степень усвоения элемента зависит от окисленности металла и шлака, которая в свою очередь зависит от концентрации элемента, имеющего наибольшую раскислительную способность (сродство к кислороду). В данном случае этим элементом является поступающий в расплав алюминий. При продувках аргоном происходит окисление алюминия, концентрация его в стали уменьшается в зависимости от продолжительности продувки () и содержания его в ковшевой пробе (Alк):

ΔAl = 0,2[Al]к + 0,0012 – 0,04; RMH = 0,6. (26)

Количество окисленного при продувке алюминия (Δ[Al]) можно оценить по изменению содержаний оксидов железа и марганца в шлаке (рисунок 12).

Результаты проведенных исследований показали, что при корректировке химического состава стали в ковше кремнием, марганцем и хромом при условии достаточно продолжительной продувки аргоном (не менее 6 мин) распределение введенных элементов достаточно равномерное – колебания в пределах допустимых ошибок анализа.

Разработана математическая модель, позволяющая оценить возможную степень восстановления оксидов из шлака при обработке металла в агрегате ковш-печь, оборудованном различными системами для перемешивания металла и шлака.

При диффузионном режиме протекания реакции восстановления металла из его оксида диффузионный поток определяется известным уравнением



, (27)

где  – коэффициент массопереноса, м/с; С и С* – концентрации вещества в объеме и на границе раздела фаз, моль/м3.



Количество шлака в ковше: 1 – 2 т; 2 – 3 т; 3 – 5 т

Рисунок 12 – «Угар» алюминия в зависимости от суммарной концентрации
оксидов железа и марганца в шлаке

Коэффициент массопереноса  в соответствии с теорией обновления поверхности определяли из уравнения



, (28)

где D – коэффициент диффузии, м2/c; U – скорость конвективного потока, м/с;


l – характерный размер конвективного потока, м.

Для моделирования процесса перемешивания применена модель последовательно расположенных ванн. Изменение во времени концентрации вещества С для последующих ванн выражается уравнением



, (29)

где i и i-1 – плотность металла в i-й и (i-1) последовательной ванне, кг/м3; Q – поток металла между ваннами, м3/с; Vm – объем одной ванны, м3; – коэффициент массопереноса вещества через пограничный слой металл–шлак, (где Р – величина, численно характеризующая мощность перемешивание расплава), м/с.

Для проверки адекватности модели провели опытные плавки в агрегате ковш-печь ОАО «НКМК». Исходные данные каждой плавки были введены для расчета в программу «Советчик мастера». Результаты изменения содержания марганца и кремния по ходу некоторых плавок в отобранных пробах металла и содержание марганца и кремния, полученные расчетным путем для тех же контрольных точек по времени, показали, что относительная ошибка составляет 2 – 4 % для марганца и 6 – 8 % для кремния, что находится в допустимых пределах (не более 10 %).

Таким образом, можно сказать, что разработанная модель адекватно отражает основные особенности рассматриваемого процесса и позволяет оценить возможную степень восстановления оксидов из шлака.

В рамках программы, моделирующей процесс восстановления оксидов из шлака, была произведена оценка коэффициента распределения серы и конечной концентрации серы в расплаве, находящемся в равновесии со шлаком.

Реакция десульфурации имеет вид



, (30)

. (31)

Очевидно, что для обеспечения более полной десульфурации необходима высокая активность CaO в шлаке, высокая активность серы в металле и низкая окисленность металла. Содержание кислорода в стали определяется содержанием в ней кремния, марганца и углерода, а также по равновесию со шлаком. Предположение о равновесии реакции распределения кислорода между металлом и шлаком также основано на высокой интенсивности перемешивания расплавов.

С применением математической модели были определены оптимальные условия проведения десульфурации стали при обработке ее в установке ковш-печь. В результате расчетов установлено, что наиболее оптимальным составом шлака для обеспечения десульфурации в ходе обработки является состав, обеспечивающий максимальное восстановление оксидов в металл. При увеличении содержания CaO в шлаке увеличивается коэффициент распределения серы между металлом и шлаком, но при этом увеличивается вязкость шлака и замедляются диффузионные процессы. Без использования дополнительных мероприятий возможно, согласно расчетам, удаление из стали не менее 10 % от имеющейся в ней серы.

Технология внепечной обработки с использованием математической модели позволяет гарантированно рассчитывать содержание марганца и кремния в готовом металле, а также оценивать возможную степень десульфурации при заданной концентрации серы в металле. Фактический экономический эффект от использования указанного мероприятия составил 1,5 млн. рублей в год.

Результаты оценки макроструктуры металла опытных плавок показали, что макроструктура всех темплетов удовлетворительная: по точечной неоднородности, центральной пористости и ликвационному квадрату не превышает балла 2 по шкале ГОСТ 10243.

Контроль загрязненности стали неметаллическими включениями проводили по максимальному баллу по шкале ГОСТ 1778. Анализ данных исследовательского контроля показал, что металл загрязнен в основном сульфидами и оксидами. Силикатными включениями опытный металл загрязнен в меньшей степени. Балл по хрупким силикатам и глобулярным включениям во всех плавках не превышал 4,5. Почти во всех плавках встречаются отдельные или небольшие строчки нитридов и карбонитридов титана до баллов 1,5 по шкале ГОСТ 1778. Все плавки по загрязненности неметаллическими включениями удовлетворяют требованиям ОСТ 1421.

При легировании металла газообразным азотом можно с более высокой точностью, чем при других способах, прогнозировать и получать заданное содержание азота в металле.

Изучение особенностей продувки проводили при обработке стали азотом при давлении 6 – 8 атм. и расходе газа 35 – 65 м3/ч при длине погружаемой части фурмы 2,1 м в 130-т ковшах. Как известно, решающим для динамики ванны при продувке нейтральными газами расплава являются скорость истечения газа из сопла фурмы и тесно связанный с ней расход газа. Скорость истечения газа можно определить из уравнения



(32)

где ω 0 – скорость истечения газа, м/с; К – показатель адиабаты (для азота К = 1,400); Р1 – давление газа перед соплом (определяется суммой давления в газопроводе, измеренного манометром, и атмосферного давления); Р2 – абсолютное давление газа на выходном срезе сопла (равно сумме металлостатического давления и атмосферного); V1 – удельный объем газа на входе в сопло, м3 /кг.

Из уравнения (26) видно, что скорость истечения зависит от отношения Р12 (перепада давления). При неизменной глубине погружения фурмы при продувке увеличение давления газа перед соплом приводит к возрастанию скорости истечения газового потока. Условия, при которых скорость потока становится равной скорости звука, являются критическими условиями истечения газа. Тогда критический перепад давлений, обеспечивающий критическую скорость истечения газа, равен

, (33)

а критическая скорость опишется уравнением



. (34)

Удельный объем газа на входе в сопло (м3/ч) при давлении Р1 изотермического сжатия определяется из формулы



, (35)

где V0 и ρ0 – соответственно удельный объем и плотность газа при нормальных условиях (Р0 = 1,01∙105 Па, Т = 293 К).

При внутреннем диаметре трубы 40 мм и расходе газа 35 – 65 м3/ч скорость ω2 истечения газа колеблется в пределах 7,8 – 14,4 м/с. В этом режиме при отрыве каждого, пузырька устье трубы на мгновение «захлопывается», металл на небольшое расстояние проникает в канал трубы, а затем вытесняется новым формирующимся пузырем. При каждом таком попадании расплава происходит намораживание последнего на внутреннюю поверхность канала. Это приводит к образованию своеобразной металлической диафрагмы с постепенно уменьшающимся отверстием. При достижении критического диаметра отверстия в диафрагме при подаче азота с расходом 60 м3 /ч такой диаметр должен быть около 7 мм. При работе с погружаемой фурмой было выявлено, что в первые 2 – 3 мин продувки канал фурмы заполняется шлакометаллической эмульсией, сечение резко сужается, и после 5 мин продувки образуется узкий канал диаметром 1 – 2 мм. Высота затекания шлакометаллической эмульсии достигает 300 мм. Результаты расчета для изучаемых условий продувки по уравнениям (33) – (35) приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Режим продувки, предотвращающий попадание расплава в сопло продувочной фурмы



Расход газа, м3

Давление газа, Па

6∙105

7∙105

8∙105

35







40







45







50







55







60







65







Примечание. В числителе – диаметр сечения круглого сопла (103), м, в знаменателе – общая площадь сечения сопла (105), м2.

Как следует из таблицы 2, требуемые показатели, препятствующие затеканию металла в канал фурмы, достигаются при диаметре сечения менее 5 мм.

Оценили возможность использования азота при длительной обработке стали через погружаемые и донные фурмы в 130-т сталеразливочных ковшах. Длительность продувки через фурмы изменялась от 5 до 72 мин при давлении в магистрали 6 – 8 атм. и расходе азота 40 – 70 м3 /ч. Обработку расплава азотом проводили на сталях марок СтЗсп, СтЗпс, Ст5сп, Ст5пс, Ст20–50.

Определено, что в ходе продувки происходит насыщение стали азотом. Прирост азота в стали связан с общим количеством введенного в ковш газообразного азота. Установлено, что при продувке через верхнюю погружаемую фурму прирост содержания азота за 5 – 15 мин продувки незначителен. При среднем приросте 0,003 % содержание азота после продувки не превышало 0,012 %.

При продувке через донные огнеупорные фурмы происходит значительное насыщение стали азотом (рисунок 13). Концентрация азота в стали значительно возрастает при введении более 20 м3 азота, что при расходе от 45 до 60 нм3/ч соответствует 20 мин продувки через донную фурму. При продувке менее 20 мин содержание азота прирастает в среднем на 0,005 % и не превышает 0,015 %. В ходе исследования было определено, что при введении в сталь в течение 25 – 72 мин более 0,025 % азота наблюдается «рост» слитков.

Расчеты показали, что затраты на легирование стали газообразным азотом на 14,4 % меньше, чем на легирование азотированными ферросплавами. Использование технологии легирования стали азотом при продувке металлических расплавов газами позволило получить фактический экономический эффект в сумме 4,8 млн. рублей.

На основе результатов, полученных при проведении теоретических и экспериментальных исследований, были определены технологические параметры продувки стали, которые легли в основу разработанной технологии внепечной обработки стали, в частности, рельсовой.

Контроль качества рельсовой стали показал снижение уровня ее загрязненности по неметаллическим включениям – средняя длина строчки хрупкоразрушенных оксидов составила 0,19 мм (по существующей технологии 0,29 мм). Снижение уровня загрязненности стали неметаллическими включениями повысило общий уровень ее механических свойств, особенно по уровню ударной вязкости при положительных и отрицательных температурах.

Рисунок 13 – Зависимость между приростом содержания азота в сталь и общим


количеством введенного газообразного азота (донная продувка)

Обработка стали в агрегате ковш-печь (АКП) позволила также значительно снизить содержание кислорода. Распределение содержания кислорода в рельсовой стали с обработкой и без обработки в АКП приведено на рисунке 14.



Рисунок 14 – Распределение содержания кислорода в рельсовой стали


с обработкой и без обработки в АКП

Обработка в АКП существенно повысила технико-экономические показатели производства рельсовой стали. Снижен расход силикомарганца на 7,53 %, ферросилиция на 8,21 %, алюминия на 44,87%, силикокальция на 1,99 %. Общий расход электроэнергии сокращен на 15 – 13 кВт ч/т, расход электродов – на 0,1 кг/т. Фактический экономический эффект от использования указанной разработки составил 18,3 млн. рублей.



Каталог: common -> img -> uploaded -> files -> vak -> announcements -> techn -> 2009 -> 05-10
2009 -> Геотехнологические основы регулирования разработки нефтяных месторождений с трудноизвлекаемыми запасами
2009 -> Материаловедческие основы прогнозирования структурной эволюции стали при импульсном термосиловом воздействии
2009 -> Повышение эффективности использования низкосортного сырья в кожевенно-меховом производстве с применением высокочастотной плазмы
2009 -> Принципы построения и методы оценки эффективности и погрешностей измерений характеристик нелинейных информационно-измерительных радиосистем ближнего действия
2009 -> Формирование автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на основе возобновляемых источников энергии 05. 20. 02 электротехнологии и электрооборудование для сельского хозяйства


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница