ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
МАРМУР ХАСАН
УДК 669.18.046.516.2
Розробка раціональних режимів виддалення
водню із залізовуглецевих розплавів з
метою ресурсозбереження
Спеціальність 05.16.02 – “Металургія чорних металів”
Автореферат дисертації на здобуття вченного ступеню
кандидата технічних наук
Маріуполь 1998
Дисертація є рукописом.
Робота виконана у Приазовському державному технічному університеті ( ПДТУ ) Міністерства освіти України м.Маріуполь.
Науковий керівник: доктор технічних наук,
професор
ХАРЛАШИН
Петро Степанович
зав. кафедрою металургії сталі, ПДТУ
Офіційні опоненти: доктор технічних наук,
професор
СКРЕБЦОВ
Олександр Михайлович
професор, ПДТУ
кандидат технічних наук
БУРОВ
Сергій Давидович
ВАТ “Азов”, м. Маріуполь,
начальник бюро виробництва сталі ТОМП
Провідне підприємство: Дніпродзержинський державний технічний університет
Міниістерства освіти України м. Дніпродзержинськ
Захист відбудеться: “30”грудня 1998 року на засіданні спеціалізованної вченої ради К 12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 341 000, м. Маріуполь, провулок Республіки, 7, корпус 5.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Приазовського державного технічного університету за адресою: 341 000, м. Маріуполь, вул. Апатова, 115.
Автореферат розісланий “27” листопада 1998 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
доктор техн. наук, професор Маслов В.О.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РOБОТИ
В останні роки зросли вимоги споживачів різноманітних галузей промисловості до якості вуглецевих та спеціальних сталей, на що виявляють вплив розчинені в них гази, і, в особливості, водень. В звичайних умовах виробництва, коли в атмосфері сталеплавильних агрегатів є водяні пари, одержати сталь вільну від водню, не є можливим. Тому працюють над проблемою витоплення та обробки металу з метою зниження в ньому водню. Витоплення металу в електричних вакуумних печах, або вакуумна внепічна обробка сталі забезпечує добру дегазацію рідкої сталі. Однак цими надто дорогими засобами одержують лише в невеликій кількості спеціальні сталі та сплави. Обробка сталі аргоном, що подається в рідкий розплав крізь пористі вогнетривкі вставлення, знаходить деяке застосування в промисловості, але вона вимогає значних витрат і видаленню водню із сталі не є достатньо ефективним. Тому тривають пошуки нових більш досконалих, ефективних та недорогих засобів дегазації залізовуглецевих розплавів.
Актуальність роботи. Проблема підвищення якості металопродукцiї є один з основних і важливих аспектів: задачу iнтенсифiкації процесу дегазації рідкої сталi. Для підвищення її ефективності з метою ресурсозбереження першорядне значення набуває розробка раціональних режимів із застосуванням моделювання. Розробка сучасної і більш досконалої моделі процесу видаленя водню з залізовуглецевих розплавів продуванням інертним газом подає актуальну задачу, бо дозволить внести істотний вклад в рішення проблеми ресурсозбереження, що є одним з пріоритетних напрямків. Найбільша ефективність досягається продуванням через пористi шви кладки днища сталерозливного ковша: вона базується на великій кількості отворів малого розміру і забезпечує високу ефективність масопереносу витисненного газу до міжфазної поверхні метал-газ за рахунок великої кількості утворенних газових бульбашок невеликого розміру.
Розробка всеосяжної гiдро-і газодинамiчноi, фізико-хімічної і математичної моделей процесу видаленя водню з залiзовуглецевих розплавiв, опис закономірностей окремих його сторін у взаємозв’язки і сукупності, є головною задачею на шляху розвитку цього засобу дегазації. Такий комплексний підхід до рішення цієї проблеми дозволить перейти до обгрунтованого вибору технологічних рішень тих практичних задач, що висуваються промисловістю і вирішуються зараз в основному емпіричним шляхом, і здійснювати апріорну оцінку перспективностi нових напрямків зі значною економією засобів і часу.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у рамках науково-технічної розробки: “04” “Екологічно чиста та ресурсозберігаюча технологія”, затверджена у 1993 р. Мінвузом України; 91-87 “Розробка технології внепічної обробки сталі з метою підвищення механічних властивостей та поліпшення її службових характеристик”, затверджена у 1992 р. генеральним директором МК “Азовсталь”.
Ціль та задачі дослідження. Ціль роботи є розробка раціональних режимів видалення водню з залiзовуглецевих розплавiв з метою ресурсозбереження на основі гідро- і газодинамічного, фізико-хімічного та математичного моделювання масообмінних процесів у двофазних газорідинних системах. Для досягнення наданої цілі задачею дослідження є: розробка умов моделювання гідродинаміки двофазних систем із застосуванням критеріальних рівнянь; дослідження динаміки зміни відносного рівня ванни, швидкості зринання газових бульбашок та часу перебування їх в рідині при різноманітних режимах продування ванни неасимільованим газом, розробка фізико-хімічної моделі масообмінних процесів при дегазації залізовуглецевих розплавів; розробка сучасної математичної моделі процесу дегазації рідкої сталі продуванням неасимільованим газом крізь пористі шви днища сталерозливного ковша; практичний додаток розробленних моделей до виробничого процесу дегазації рідкої сталі.
Наукова новизна отриманних результатів. Розроблені фізична, фізико-хімічна та математична моделі, які дозволили втсановити умови подібності гідродинаміки ванни, масообмінних процесів видалення водню із рідкої сталі. Створені моделі масопереносу розчиненого газу у бульбашки інертного і видалення його із розчинів в залежності від інтенсивності донної продувки неасимільованим газом, який подається крізь пористі шви днища моделі та агрегата. Комплекс виявлених кінетичних закономірностей та та технологічних особливостей дегазації розчинів дозволив оптимізувати процес, розробити раціональні режими видалення водню із залізовуглецевих розплавів з метою ресурсозбереження.
Практичне значення отриманих результатів. На основі і з використанням гидро-і газодинамiчної, фізико-хімічної і математичної моделей розроблені та запропановані до упровадження раціональні режими продування рідких залiзовуглецевих розплавiв. Складений алгоритм, розроблена та запропанована підприємствам програма розрахунку на комп’ютері основних параметрів процесу дегазації рідкої сталi від водню. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження наукових розробок складє 580 тисяч гривень, (доля автора 45 тис. грив.).
Особистий вклад здобувача. Автором виконаний аналіз математичних моделей, механізмів, лімітуючих стадій і кинетики процесів дегазації металевих розплавiв спливаючими бульбашками інертного газу, розглянуті характерні гідродинамічні закономірності спливання бульбашок в двофазних газорідинних системах, умов подібності при моделюванні гідродинаміки ванни і масообмінних процесів; розроблені математична модель для дослідження гідродинаміки ванни, фізико-хімічна модель для дослідження масообмінних процесів дегазації рідких розплавів, розроблена і виготовлена лабораторна установка для проведення експериментальних досліджень; складена математична модель процесу дегазації залізовуглецевих розплавів продуванням його неасимільованим газом крізь пористі шви днища сталерозливного ковша; методика експериментального дослідження в лабораторних та заводських умовах; складені алгоритми і комп’ютерні програми чисельного експерименту по визначенню ресурсозберігаючих режимів подачі аргону в залізовуглецевий розплав. Розроблені раціональні режими подачі аргону опробовані в мартенівському цеху металургійного комбінату “Азовсталь”. Автором підтверджене поліпшення якості рейкового металу при використанні раціональних режимів продування сталі аргоном крізь пористі шви днища сталерозливного ковша.
Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи докладені i обговорені на 1 і 3 регіональних науково-технічних конференціях, проведених в Приазовському державному технічному університеті в 1993, 1995 і 1998 роках (м. Марiуполь).
Публікація. Основний зміст дисертації опублікований в 10 наукових роботах та матеріалах конференцій.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, заключення, додатків, викладена на 125 сторінках машиного тексту , містить в собі 44 малюнки і 11 таблиць. Перелік джерел, що використовувалися містить 155 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Розділ 1. Термодинамічні, гідродинамічні і технологічні аспекти дегазації залізовуглецевих розплавів спливаючими бульбашками неасимільованого газа
В огляді наводяться вибір і обгрунтування напрямка досліджень; термодинаміка, механізм, лімітуючий стадії і кінетика процесу дегазації; характерні закономірності спливання бульбашок в двофазних газорідинних системах; аналіз математичних моделей процесу видаленя водню з залiзовуглецевих розплавiв спливаючими бульбашками інертного газу. В останньому підрозділі сформульована мета роботи та поставлені задачі дослідження.
Розділ 2. Деякі закономірності гідро- і газодинамічного моделювання
процесів продування ванни неасимільованим газом
Розглянута взаємодіюча механічна система газ (1) – метал (2). Система знаходиться в полі дії гравітаційних сил. Через шар металу продувається інертний газ. Для розробки умови подібності при моделюванні гідродинаміки двофазних систем за основу прийняті рівняння руху для кожної з фаз, записані в прямокутній системі координат,
(1)
(2)
де - вектор-оператор “Набла”
; (3)
де – оператор Лапласа;
(4)
Подальший аналіз рівнянь (1) і (2) дозволили встановити межові умови моделювання гідродинаміки ванни. Характерними безрозмірними параметрами є критерії Архимеда (Аr), Эйлера (Еи), Рейнольдса (Rе), Фруда (Fr) і Вебера (Wе).
Для визначення відносного рівня барботованої газорідинної системи складена сукупність безрозмірних фізичних параметрів:
(5)
де i – питома інтенсивність продування нм3/(м2 с);
u – середня швидкість спливання бульбашок; м/c;
(dк), (dкo) і (dс)- діаметри продуваємої ванни, каліброваного отвору і сопел.
Моделювання гідродинаміки ванни виконувалося на спеціально виготовленій лабораторній установці. В результаті проведених досліджень отримані залежності зміни відносного рівня рідини (Н/Но) від питомого видатку неасимільованого газу (i), значень комплексного критерію Аr/We і Re(Fr/(Eu(We) при різноманітному рівні спокійної рідини і діаметрі каліброваного dко= 9.6; 12.0 мм при продуванні в режимі прямо – і протитечії. Отримані залежності Н/Но=f (i), Аr/We, Re Fr/(Eu We); u = f (i), пр=f (i), показують складний їхній характер, що зумовлено зміною режиму руху і формою бульбашок в газорідинній системі. Продування в протитечійному режимі характеризується більшим збільшенням відносного рівня барботованої рідини. Використання в якості моделюючої рідини 26% розчину NaCl в воді (=1,197 кг/м3 та i=0,083 кгс/м) не дозволило встановити вплив щільності рідини на зміну Н/Но. Година перебування і швидкість спливання газових бульбашок в рідині – два взаємозв’язаних параметра гідродинаміки барботованої ванни. Характерні залежності u=f(i) показують, що середня швидкість спливання бульбашок тим вище, чим більше рівень продувній ванни. При малих видатках газу бульбашки рухаються лінійним ланцюжком (бульбашковий режим). Однак, із зростанням i від 0,01 до 0,04 нм3/(м2. с) швидкість спливання бульбашок зменшується до рівня стаціонарного і в подальшому практично не залежить від питомої інтенсивності продування. Різноманітна щільність рідини (в=1000 кг/м3, р=1197 кг/м3) впливає на швидкість спливання газових бульбашок лише при малих видатках газу ( i=0,01 0,05 нм3/(м2.с)). При i > 0,05 нм3/(м2.с) вплив щільності рідини на швидкість спливання невеликий, а при i=0,080,11 нм3/(м2.с) практично не відрізняються. Теоретичний аналіз динаміки руху газової бульбашки в мить відриву її від сопла показали, що вона зазнає як прискорення, так і гальмування. Якщо швидкість підйому купола бульбашки (vкуп) вище швидкості спливання бульбашки (uб.), то газова бульбашка, що відривається зазнає гальмування і швидкість vкуп > uб, при uб > vкуп. Газова бульбашка зазнає прискорення. Ці параметри залежать від i та стаціонарної швидкості спливання газової бульбашки. Як прискорення, так і гальмування бульбашки протікає практично миттєво, пульсаціно.
Результати холодного моделювання гідродинаміки ванни були використані при визначенні раціонального режиму продування сталі в ковші аргоном. Для цього була розроблена схема, складений алгоритм для розрахунку основних газо-гідродинамічних параметрів продування металевого розплаву аргоном крізь пористі шви днища сталерозливного ковша.Дослідження гідродинаміки металевого розплаву в ковші з урахуванням умови Re Fr/(Eu We) = i dem, i/(u – i) = i dem та Н/Но= f (Re Fr/(Eu We)), i/(u – i) дозволили визначити Н, Н, Н/Но і встановити раціональні режими продування. Починати продування металу аргоном необхідно при наповнені ковша на 0,2 його висоти при підвищених видатках аргону ( iаr = 0,020,03 нм3/с), але, при наближенні шлакометалевого розплаву до верхнього рівня (Нм= 0,8Нк) інтенсивність подачі Аr необхідно зменьшити до 0,01 нм3/с, і продування після злива металу з печі продовжити на 23 хв з цією ж інтенсивністю, що дозволить виключити переповнения сталерозливного ковша шлакометалевим розплавом і призведе до підвищення ефективності обробки сталі аргоном.
Розділ 3. Фізико-хімічне моделювання масообмінних процесів
видалення водню з металевого розплава
Термодинамічний аналіз рівноваги хлору в системі рідина-газ дозволили, отримати рівняння:
(6)
Для теоретичного визначення питомого видатку неасимільованого газу в залежності від початкової і кінцевої концентрації хлору в водному розчині.
Фізико-хімічне моделювання масообмінних процесів видалення водню з металевих розплавів питання достатньо складне. Тому публікації по ньому будуть відсутні. В даній роботі вперше зроблена спроба розглянути це питання. Оцінюючим параметром процесу прийнята глибина видаленя хлору з водного розчину. З урахуванням впливу технологічних факторів на глибину дегазації складена сукупність фізичних параметрів:
Е = [Cl]H-[Cl]k/[Cl]H = Ф(В, Но /dк , dко / dc ). (7)
де В – комплексний крітерій масопереносу.
(8)
Масоперенос хлору з обсягу рідини до бульбашки газу при прямотічному режимі вивчали на моделі з інтенсивністю продування, що застосовується на практиці і що забезпечує максимальний час перебування газу в рідині. Відривний діаметр бульбашки від сопла визначали по засобу В. М. Шевелева і Л. М. Кислициної.
Криві зміни концентрації хлору в водному розчині при різноманітній питомій інтенсивності продування (i=0,025; 0,033; 0,044; 0,078; 0,086 м3/(м2 с)) і різноманітному рівні спокійної ванни (Но=0,2; 0,4 та 0,6 м) в залежності від часу (Cl), а також побудовані залежності в координатах 1/[Cl] -; ln ([Cl]о/ [Cl])- (мал.1) показують складний характер залежності і процес дегазації описується кінетичними рівняннями іншого порядку. Аналіз кінетики дегазації водного розчину при продуванні його повітрям в режимі стаціонарного процесу дифузії хлору в розчині і газі бульбашки із застосуванням диференційного рівняння:
(9)
показав ( по фактичній величині усуненого з розчину хлору ) зниження швидкості дегазації по ходу продування, що зумовлене зменшенням перепаду концентрації [Cl]-[Cl]ж-г. Процес дегазації розчину лімітується масопереносом хлору в розчині. Встановлений зв’язок E=f(B) при різноманітному відносному рівні спокійної ванни (Но/dк=0,87; 1,74; 2,61) показує, що глибина дегазації розчину зростає більш інтенсивно при малих значеннях B (отже, і малих значеннях питомої інтенсивності продування), при B> 5 зростання E знижується. Вплив Но/dк на Е виявляється слабко. Однак, помітно виявляється режим продування. При протитечійному режимі глибина дегазації вище, що зв’язане зі швидкістю спливання і часу перебування бульбашок в рідині.
Для встановлення ефективності дегазації проанализовали по експериментальним даним залежності співвідношення усуненого хлору і видатку повітря VCl/Vв в залежності від початкової концентрації його в розчині ([Cl]н ), рівня спокійної рідини (Но), інтенсивності продування (i), комплексного критерію масопереносу (B); кількості усуненого хлору, швидкості дегазації розчину в залежності від [Cl]н, i, Но, видатку повітря. Виявлені закономірності дозволяють встановлювати оптимальні режими продування на моделі і натурі.При моделюванні масообмінних процесів дегазації рідких розчинів необхідно додержання умов Е=idem, B=idem. Для виробничих умов складений алгоритм розрахунку значення комплексного критерію B з урахуванням поверхньо-активних елементів.
Малюнок 1. Кінетичні криві видалення хлору з водного розчину у координатах 1/[Cl]- t (г), ln [Cl]o/ [Cl] – t (д):
Нo= 0,2 (а); 0,4 (б); 0,6 (в); і=0,0248 (1); 0,0327 (2); 0,0441 (3); 0,0778 (4); 0,0857 (5) нм3/(м2с ).
Оброблені фізичні параметри для розрахунку відповідності моделі фактичному процесу. Розрахунки виконані на комп’ютері показали, що глибина дегазації залізовуглецевого розплаву (рейкова сталь) з збільшенням видатку аргону (g) зростає непропорційно. Так, при збільшенні g з 0,01 до 0,05 нм3/т глибина дегазації збільшується з 0,1 до 0,25, в той час, як при подальшому збільшенні g, з 0,05 до 0,185 нм3/т Е зростає лише з 0,25 до 0,35. Цей характерний зв’язок підтверджується закономірністю зміни співвідношення VH2/VAr від критерію B. Характер залежності, встановлений на об’єкті, аналогічний залежності, встановленої на моделі. Співставивши Е від В по даним холодного моделювання і на об’єкті, слід відзначити добрий їх збіг при В
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
