Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,969

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХИМИЧЕСКОГО ПОДОГРЕВА ЖИДКОЙ СТАЛИ В КОВШЕ

Кабаков З.К. Кабаков П.З. Пахолкова М.А. Сумин С.Н.
Изложены результаты исследований процесса химического подогрева стали и усреднения содержания алюминия в ковше емкостью 350 т. Исследовали влияние расхода алюминия, продолжительности продувки кислородом и параметров продувки аргоном на величину подогрева стали. Исследование выполнено с помощью ранее разработанной математической модели. Результаты исследований показали, что модель можно использовать для разработки и совершенствования технологии химического подогрева стали в ковш.
моделирование
ковш
химический подогрев
продувка кислородом
продувка аргоном.

Металл, разливаемый непрерывным способом и в изложницы, должен иметь температуру в заданном узком диапазоне. Чтобы попасть в этот диапазон, металл в ковше подогревают или охлаждают раз­личными способами. Наиболее экономич­ным способом подогрева является химический подогрев. Химический подогрев стали осуществляется теплом, выделяю­щимся при реакции окисления алюминия. Для этого сначала в ковш вводят алюми­ниевую проволоку с помощью трайбаппарата, а затем подают через погруж­ную фурму кислород. При этом для уско­рения процесса, усреднения химического состава и температуры стали проводится продувка аргоном. При совершенствова­нии технологии химического подогрева возникают вопросы, связанные с выбором расхода алюминия, параметров продувки (расхода и продолжительности, момента подачи) кислородом и аргоном.

Для ответа на эти вопросы была раз­работана математическая модель процес­са химического подогрева стали в ковше [1]. Модель включает описание четырех взаимосвязанных процессов, происходя­щих в объеме металла:

1.  Теплопередача в системе «металл футеровка  шлак  окружающая среда».

2.    Диффузия алюминия.

3.    Диффузия кислорода.

4.  Химическая реакция окисления алюминия.

При описании этих процессов предпо­лагалось, что ковш имеет цилиндриче­скую форму, а распределения температу­ры и концентраций симметричны относи­тельно оси ковша (рис. 1). Теплопередача в металле и шлаке осуществляется путем теплопроводности и механического пере­носа с потоками метала при свободной и вынужденной конвекции (продувка арго­ном и кислородом). Охлаждение металла происходит за счет теплопередачи от ме­талла через днище, стенку ковша и шлак к окружающей среде. Считаем, что в на­чальный момент времени вся масса вве­денного алюминия распределена в огра­ниченной области, центр которой распо­ложен на оси ковша. Кислород подается и распределяется в области, центр которой также расположен на оси ковша. Области расположения алюминия и подачи кисло­рода могут не совпадать по размерам и месту расположения максимумов величин. Перенос кислорода и алюминия в жидкой стали происходит путем диффузии и механического переноса при свободной и вынужденной конвекции металла в ковше. Химическая реакция окисления алюминия ограничена только доставкой кислорода к месту реакции.

Система уравнений, описывающих приведенные процессы с соответствую­щими начальными и граничными усло­виями решена численным методом конеч­ных разностей. Решение каждого диффе­ренциального уравнения протестировано. Связь между эффективными коэффициен­тами тепломассопереноса и энергией вду­ваемых газов адаптирована по экспери­ментальным данным [2], полученным по выравниванию химического состава стали в ковше при продувке аргоном.

Модель использована для имитации процесса подогрева стали 350 т в ковше на УДМ: исходные данные для моделиро­вания: G = 350000 кг, сталь 08Ю, Т0 = 1863 0К, начальное содержание алюминия [Al]=0,05 %, усвоение кислорода и алю­миния  50 %.

На рис. 2 приведены результаты моде­лирования по динамике подогрева метал­ла при химическом подогреве для двух вариантов: 1  при расходе алюминия AAl=142 кг и продувке кислородом с ин­тенсивностью I=0,5 м3/с в течение tO2 =180 с; 2  при расходе алюминия AAl = 250 кг и продувке кислородом с интенсивно­стью I=0,625 м3/с в течение tO2 =240 с. Продолжительность усреднительной про­дувки аргоном после продувки кислоро­дом составляла для обоих вариантов 180 с.

Как видно на рис. 2, подогрев стали или повышение средней по объему метал­ла температуры составило около 10 0С для первого варианта технологии и около 20 0С для второго. Полученные результа­ты хорошо согласуются с производствен­ными результатами.

В результате неравномерной по объе­му металла подачи алюминия и кислорода возникает неравномерность по температу­ре и химическому составу, которая умень­шается в процессе усреднительной про­дувки. На рис. 3 и 4 приведены результа­ты моделирования снижения химической неоднородности по алюминию и перепаду температуры в ковше при химическом подогреве.

Как видно на рис. 3, неоднородность содержания [Al] снижается ассимтотически и составляет к 420 сек процесса Al 0,03 % в первом варианте и 0,06 % во вто­ром варианте.

Из рис 4 следует, что перепад темпе­ратуры стабилизируется уже к 360 сек по­сле ввода алюминия и усреднительной продувки и достигает остаточного значе­ния 3035 0С для обоих вариантов. По­следнее значение перепада связано с ох­лаждением металла через шлак и футе­ровку ковша.

С целью совершенствования техноло­гии изучили влияние продолжительности продувки кислородом, интенсивности и момента начала подачи аргона на про­цесс подогрева при подаче алюминия AAl=142 кг.

Результаты исследования влияния продолжительности подачи кислорода в количестве 1,5 м3 на динамику подогрева металла приведены на рис. 5. Продолжи­тельность подачи кислорода приняли fo2=2 мин. (1 вариант), приняли tO2=3 мин. (2 вариант) и приняли tO2=4 мин. (3 вари­ант). Аргон подавали сразу после продув­ки кислородом с расходом 45 м3/час во всех вариантах. Как следует из рис. 5, продолжительность продувки кислородом целесообразно уменьшать.

На рис. 6 приведены результаты ис­следования момента подачи аргона на усреднительную продувку с расходом IAr=45 м3/час. Подача кислорода заканчи­валась в момент времени tO2 = 180 сек. Продувку аргоном начинали в момент времени t=0 мин. т. е. с момента ввода алюминия и начала продувки кислородом (вар. 1), t=1,5 мин (вар. 2) и t=3 мин (вар. 3). На рис. 6 видно, что чем раньше начинается продувка аргоном, тем выше подогревается металл. Однако, при этом может уменьшиться усвоение кислорода и эффект подогрева может снизиться. Чтобы этого не произошло, необходимо организовать рациональную гидродина­мику жидкой стали в ковше при одновре­менной подаче аргона и кислорода, как это сделано в работе [3].

На рис. 7 приведены результаты ис­следования влияния интенсивности про­дувки аргоном после подачи кислорода в течении 180 сек с интенсивностью IO2 = 0,5 м3/час. Интенсивность продувки аргоном принята IAr=30 м3/час (вар. 1), 45 м3/час (вар. 2) и 60 м3/час (3 вар.). На рис. 7 видно, что при меньшей интенсив­ности продувки аргоном величина подог­рева достигает большего значения и уменьшается со временем с меньшей ско­ростью. В свою очередь, анализ динамики снижения химической неоднородности по алюминию показал, что одинаковое зна­чение неоднородности 0,46 % достигается к моменту времени 390 с в первом вари­анте, 360 с  во втором и 330 с в третьем. При этом величина подогрева указанных моментов времени составляет 10,5­11,5 0С. Большее значение подогрева со­ответствует меньшей интенсивности про­дувки аргоном. Таким образом, несмотря на увеличение времени усреднительной продувки при меньшем расходе аргона подогрев достигается больше. Однако, учитывая небольшую разницу в значени­ях подогрева для указанных условий, для сокращения времени усреднительной про­дувки можно расход аргона увеличивать. Но при этом необходимо принимать во внимание, что увеличение интенсивности продувки аргоном может привести к ого­лению зеркала металла в ковше.

 

Таким образом, разработанная мате­матическая модель позволяет разрабаты­вать и совершенствовать режимы химиче­ского подогрева жидкой стали в ковше.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Кабаков, З.К. Математическая модель химического подогрева жидкой стали в ков­ше / З.К. Кабаков, П.З. Кабаков // Энергосбе­режение в теплоэнергетических системах: материалы международной научнотехни­ческой конференции.  Вологда: ВОГТУ, 2001, с. 99  102.

2.     Святин, А. Г. Определение времени выравнивания состава и температуры жидкой стали в ковше при продувке нейтральным газом / А.Г. Святин, А.Д. Шевченко // Извес­тия АН СССР: Металлы.  1986.  № 1.

3.     Лившиц, Л.М. Исследование переме­шивания металла в ковше в процессе вакуумкислородного обезуглероживания / Л.М. Лив­шиц, Е. И. Кадинов, В.М. Шифрин, В.Н. Ту­ровский // Известия ВУЗов. Черная металлур­гия.  1986.  № 4.


Библиографическая ссылка

Кабаков З.К., Кабаков П.З., Пахолкова М.А., Сумин С.Н. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХИМИЧЕСКОГО ПОДОГРЕВА ЖИДКОЙ СТАЛИ В КОВШЕ // Современные наукоемкие технологии. – 2009. – № 7. – С. 64-69;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=26496 (дата обращения: 21.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252