о о
СЧЗ N
СПОСОБЫ APS И DPS ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОДУВКИ ЖИДКОЙ СТАЛИ ГАЗАМИ ВО ВНЕПЕЧНЫХ АГРЕГАТАХ 3
©В.Н.Хлопонин, Э.А.Шумахер, И.В.Зинковский, Э.Э.Шумахер, А.К.Белитченко, Р.Францки, А.Э.Гешеле, И.В.Деревянченко
МИСиС, ООО "Техком" (Германия), СЗАО "Молдавский металлургический завод"
В последние годы обработка металла во вне-печных агрегатах стала составной частью металлургического производства. Обычно ее проводят в сталеразливочных ковшах, ковше-печи, агрегатах вакуумирования. Одна из важных операций, выполняемых в большинстве агрегатов внепечной обработки - перемешивание стали, которое чаще реализуют путем продувки ее газами (аргоном, азотом).
Для решения задач качественного и быстрого рафинирования стали во внепечных агрегатах фирма "Техком" разработала способы APS (Alternierendes Pfannen Spulen) и DPS (Dreh Pfannen Spulen). В основе способа APS -продувка стали газом (газопорошковой смесью) поочередно через два устройства, расположенные на некотором расстоянии одно от другого в донной части ковша [1].
В основе способа DPS - периодический поворот стальковша (ковша-печи) с жидким металлом относительно вертикальной оси при одновременной продувке металла газом [2]. В этом случае благодаря инерционному отрыву стали от внутренней стенки ковша газ воздействует на весь ее объем, в том числе на придонные слои.
Выполнен комплекс исследований с целью изучения особенностей процесса перемешивания (гомогенизации) металла (продолжительность процесса, характер перемещения объемов металла) во внепечных агрегатах при применении способов APS и DPS в сравнении с общепринятым (классическим) способом продувки газом через донные устройства. Исследования проводили на холодной модели, представляющей собой сталь-ковш диам. 560 мм и высотой 530 мм, изготовленный из прозрачного материала, с водным раствором KCl. Результаты этих исследований [3] показали, что при реализации способа DPS инерционный отрыв жидкости от внутренних стенок модели ковша хорошо выражен, а продолжительность гомогенизации раствора KCl сокращается в несколько раз по сравнению с классическим способом продувки в неподвижной модели ковша (рис. 1). При использовании способа APS продолжительность гомогенизации раствора может быть также сокращена (почти в 2 раза), особенно при определенной частоте смены подачи газа (рис. 2).
Динамику процесса гомогенизации химического состава стали в ковше при реализации способов APS и DPS и сравнение полученных параметров с общепринятым (классическим) способом продувки исследовали также с помощью методов математического моделирования. При этом использовали программные пакеты CFD (Computational Fluid Dynamics), широко применяемые для расчета потоков [4], при этом учитывали опыт проведения подобных работ [5, 6].
Математическое моделирование выполнили (модель представили также в дискретном виде) для следу-
0,1 , 0,9 0,8 0,7
о °'6
н р
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
О
0,05 0,1 v„p, с '
Рис. 1. Зависимость формирования гомогенного раствора KCl от частоты колебательного вращения (\вр) модели ковша: т0 их- продолжительность формирования гомогенного 0,1%-ного раствора KCl при его продувке воздухом по способу классическому и DPS соответственно: 1 - ковш; 2 - раствор в воде; 3-5 - электродатчики; 6 - место подачи воздуха; 7 - место введения 20%-ного (массовая доля) раствора KCl на дно ковша
VB03! с-1
Рис. 2. Зависимость продолжительности гомогенизации раствора KCI от частоты изменения условий подачи воздуха (ув03) в модели ковша; т0 и т - продолжительность гомогенизации раствора при общепринятых условиях подачи газа и соответствующей частоте изменения условий подачи воздуха (способ APS) соответственно
ющих условий: емкость ковша 100 т, температура стали равномерная по объему ковша и составляет 1600°С, вязкость ее 1,288-10"6м2/с, продувочный газ-азот, продолжительность продувки 15 мин, расход га-
Рис. 3. Потоки стали в поперечном сечении ковша при Рис. 4. Потоки стали в поперечном сечение ковша при
классическом способе подачи газа через одно продувочное способе APS
устройство
за постоянный и составляет 150 л/мин, число продувочных устройств зависит от способа продувки (одно-два в днище ковша для классического способа, одно для DPS и два для APS). Количество подаваемого газа и, следовательно, количество вносимой им в жидкую сталь энергии, было принято одинаковым для всех способов продувки. Для классического способа рассмотрели также одновременную продувку стали через два продувочных устройства с подачей через каждое из них 150 л/мин газа.
Исследования показали, что при классическом способе продувки через одно продувочное устройство, расположенное в днище ковша, через 2 мин после ее начала в объеме ковша устанавливается квазистационарное движение стали. Образуется вертикальный вихревой поток, вращение которого поддерживается подаваемым газом. В поперечном сечении ковша наблюдаются два примерно симметричных потока, между которыми практически отсутствуют поперечные перемещения и соответствующее им перемешивание стали (рис. 3) . При подаче по 150 л/мин газа одновременно через два продувочных устройства в поперечном сечении ковша наблюдаются два вихревых потока, условно разделенных также вертикально примерно по оси симметрии при практическом отсутствии поперечного перемещения слоев жидкости.
При моделировании способа APS установлено, что поочередная подача газа через отверстия, расположенные в донной части ковша на некотором расстоянии одно от другого, исключает формирование квазистационарных потоков жидкой стали в объеме ковша. При этом расположение продувочных устройств по разные стороны ковша усиливает хаотическое перемещение жидкостных потоков (рис. 4).
Установлено, что при классическом способе продувки стали в ковше и способе APS в объеме ковша создаются области с наименьшими скоростями движения жидкости. Однако при классическом способе объем этих областей намного больше, как и время их существования. При способах продувки классическом и APS средние скорости жидкостных потоков при-
мерно одинаковы. Для способа DPS эти скорости существенно ниже, что позволяет предположить более "мягкую" обработку стали в ковше.
Для изучения характера перемешивания подаваемых в расплав материалов (легирующих) имитировали их присадку сверху в ковш. Принимали, что через 2 мин после начала продувки в сталь сверху в течение 10 с подают 100 кг индикаторного материала, т.е. конечная гомогенная концентрация этого материала в объеме ковша составляет 0,1%. Анализировали процесс распределения (только за счет транспортного перемещения без учета химических реакций и диффузионных явлений) поданного материала в объеме ковша. Способ DPS анализировали при частоте колебательного вращения vBp = 0,0833 с-1.
Установлено, что для всех рассматриваемых способов продувки концентрация индикаторного материала приближается к номинальной (0,1 %) по логарифмической зависимости (рис. 5), причем при применении способов классического, APS и DPS - через 580 с, 270 си 150 с соответственно. В придонных слоях при классическом способе эта задача не решается и через
_ 1,4
Время с момента подачи индикатора, с
Рис. 5. Зависимость продолжительности периода гомогенизации раствора при различных способах продувки: 1 - DPS; 2 - APS; 3 - общепринятый (на оси ординат значение 1,0 соответствует гомогенной концентрации индикаторнрго материала, равной 0,1%)
а
5
s а о н я S к с о Ч
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
п п П n -В
JJ
< я ^ п п п П
,o«>o««<oeo.S-e-ï§ о" 6 6 5 g § § § ° Ï
oSSSSSSS^mh®'''"- и 4 <о ю о N » ш в a о œoi œ V'V^orffl о л К Д n п .
О ° m (VI « g
w
О О О О О
Концентрация индикаторного материала, % номинальной
и с; п s а ф н а S
в Ç
о Ч
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
6
„ 1
r *
3
—i—r-q— , П, p ,„ , , _E i"I "i pp Л -Т^Ч-1-г—
^ П й Ю 1- N
5 » ® s S §ä 5S :5 s S 5
h0>0)00o00
О г- О
V О О) О)
1Л N ®
о) оГ о> О) о» О) 2 - - о> О) 0>
1- Т- у- Ю
if о г ri п о
о g 2
N
Й ° О 1-
Концентрация индикаторного материала, % номинальной
Рис. 6 . Зависимость равномерности распределения концентрации индикаторного материала в объеме ковша через 170 с (а) и 270 с (б) после подачи материала сверху в сталь от способа продувки: 1 - DPS; 2 - APS; 3 - общепринятый (на шкалах 100% и 1,0 соответствуют гомогенному распределению индикаторного материала по всему объему ковша)
25
® 20
d
о
о * 15
a
n n 10
a
2 ф 5
A
ю О 0
Li Ллл ддА A/Ia
I 3 J] m /Vv / V V ' I Wl UVV J\j l
AW ^CAXXV* v-y-.;'-/,. r^O'Ci*
0 60 120 180 240 300 360 420 480 Время с момента начала продувки, с
Рис. 7. Зависимость изменения содержания газа в объеме стали в зависимости от способа продувки: 1 - DPS; 2 - APS; 3 - общепринятый
10 мин. Таким образом, реализация способа DPS обеспечивает более быстрое по сравнению с классическим способом достижение гомогенной концентрации материала в объеме ковша. Это же подтвердили исследования зависимости степени гомогенизации раствора от времени продувки (рис. 6).
Известно, что количество находящегося в объеме стали поданного в нее газа является косвенным показателем степени рафинирования стали. В соответствии с ним способ DPS примерно вдвое эффективней в сравнении с общепринятым способом подачи газа
(рис. 7). К тому же, согласно результатам исследований на холодной модели, при реализации способа DPS в жидкости формируются более мелкие пузыри газа, так как происходит их "срез" в момент поступления газа в жидкость из-за движения дна ковша относительно жидкости.
Результаты выполненных исследований позволили предложить Молдавскому металлургическому заводу применить способ APS для продувки стали в ковше-печи. Способ успешно применяется на заводе, при этом снизился расход энергоресурсов и на 30 % и более (в зависимости от марки стали и требований, предъявляемых к ее качеству) сократилась длительность обработки плавки.
Система APS прошла опытно-промышленную проверку на фирме "Истил" (Украина) и LSW (Германия); Белорусский металлургический завод закупил о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.