Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним иа распространенных элемен-ЕїЕііІїаі технологии получения многих металлов и сплавов является
взаимодействие жидкой ванны с твердыми телами при их нагреве и последующем переходе б жидкое состояние. Плавление стального лома в жидком чугуне, различных ферросплавов, лигатур и раскис-лителей в жидкой стали, руды и отходов ферросплавов в рудно-из-вестковом расплаве при его силикотермическом восстановлении -примеры технологических операций, связанных с нагревом и переходом в жидкое состояние твердых тел, погруженных в расплав. Скорость протекания этих процессов и их своевременное заверие-ние во многом обуславливает качество получаемого металла, производительность металлургических агрегатов и стойкость их футеровки. При этом изменение температуры жидкой ванны, определяемое, с одной стороны,"затратами тепла на нагрев и плавление твердых тел и другими видами потерь, а с другой - теплогенера-пией в яидкой ванне или подводом к ней тепла извне, оказывает существенное влияние на динамику нагрева и плавления.
Большие трудности непосредственных экспериментальных исследований этих процессов, а в ряде случаев невозможность осуществления прямых измерений при высоких температурах в агрессивных средах предопределяют широкое применение методов математического моделирования для их изучения. Сложность и многофакторность рассматриваемых задач требует создания громоздких моделей, реализация которых связана со значительными трудностями и чревата вычислительными ошибками. Поэтому вполне оправданно получили распрос-ранение попытки разработки и использования упрощенных математических моделей для описания процессов.нагрева и плавления твердых тел в расплавах и для прогнозирования температуры
жидкой ванны. Однако далеко не всегда уделяется достаточное внимание проверке достоверности предлагаемых схем, что приводит иногда к созданию неадекватных моделей, основанных на допущениях, справедливых лишь в узком диапазоне определяющих параметров, а иногда просто неверных. Необходимым условием, которому должна удовлетворять упрощенная модель, является.хорошее соответствие результатов приближенного расчета решению задачи в строгой постановке, а в случае возможности непосредственной проверки - соответствие опытным данным в достаточно широком диапазоне определяющих параметров. Создание упрощенных, но достаточно надеиных моделей процессов тепло- и массообмена при нагреве'и плавлении твердих тел в жидких металлургических ваннах позволяет определить рациональные тепловые режимы технологических процессов, составной частью которых служит ввод твердых добавок в расплавы. Осуществление этих режимов в промышленной практике обеспечивает экономию энергии, сырьевых материалов и огнеупоров при повышении производительности.
Целью работы является анализ и разработка рациональных тепловых режимов плавления твердых тел в жидких металлургических ваннах, что требует выполнения комплекса экспериментальных и теоретических исследований процессов внутреннего и внешнего тепло- и массообмена при осуществлении таких распространенных технологических операций как плавление стали в жидком чугуне, переход различных ферросплавов в жидкую сталь, плавление твердых добавок в рудноиэвестковоы расплаве наряду с оплавлением гарнисака,при снликогермическом производстве ферросплавов; разработка и проверка достоверности математических моделей этих процессов; разработка математических моделей, описывающих изменение во времени температуры расплава при осуществлении теуо-
логических операций, связанных с нагревом и плавлением твердне добавок; установление закономерностей тепло- и массоотдачи от расплавов к твердой поверхности; использование результатов проведенных исследований для совершенствования технологии производства стали и ферросплавов на нескольких предприятиях черной металлургии СССР.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем :
введена общая характеристика закономерностей перехода твердых тел в жидкое состояние при их погружении в расплавы,. исходя из соотношения температурных симплексов, определяющих в каждом случае физический механизм процесса;
разработана и обоснована математическая модель начального (теплового) периода взаимодействия твердого'тела с расплавом, позволяющая обелпечить удовлетворительную точность расчета в широком диапазоне определяющих параметров, отвечающем условиям различных технологических процессов;
путем проведения экспериментальных и. теоретических исследований выявлен действительный физический механизм перехода стали в железоуглеродистый расплав и подтверждена концепция диффузионного-плавления; на основе этих данных сформулирована обоснованная математическая модель;
установлены общие закономерности влияния движения межфазной границы (скорости плавления) на интенсивность конвективной тепло- и массоотдачи и произведен корректный учет этого явления при расчете скорости плавления;
введена количественная характеристика относительной роли тепло- и массоотдачи при диффузионном плавлении, а также показано, что модель, учитывающая образование двухфазной зоны при
- б -
интенсивном плавлении, обеспечивает более высокую точность расчета;
путем проведения экспериментальных исследований растворения феррохрома и молибдена в жидкой 'стали- получены качест-венные и количественные данные для математического моделирования этого процесса; сформулирована и обоснована математическая модель растворения тугоплавких ферросплавов в жидкой стали, а также построена статистическая модель растворения низкоуглеродистого . феррохрома;
путем проведения экспериментальных исследований перехода в жидкое состояние легкоплавких ферросплавов (на примере хромомарганцевьлс лигатур) уточнен механизм этого процесса; на основе полученных данных сфорнуяироаана математическая модель и показана её достоверность;
разработаны и обоснованы математические модели для прогнозирования изменения температуры:
в сталеразливочном ковше при вводе в него твердых добавок;
" - в ковше (высокотемпературном реакторе) для силикотерии-ческого восстановления ферросплавов из оксидных расплавов;
- разработан новый способ газокислородной продувки стале
плавильной ванны, позволяющей интенсифшироватыеплоотрачу от рас
плава к твердой поверхности и тем самым ускорить расплавление
скрапа наряду с подавлением образования бурого дыма.
Практическая значимость результатов работы заключается в том, что использование установленных закономерностей позволило провести анализ и совершенствование тепловых режимов нескольких-существенно различных технологических' процессов черной металлургии, в которых осуществляется нагрев и плавление твердыг-тел
в расплавах. Разработанные математические модели и алгоритмы расчета могут использоваться для установления рациональных тепловых режимов и других технологических процессов производства металлов и сплавов, обеспечивая снижение затрат сырьевых материалов и энергии, рост производительности и повышение качества продукции.
В работе показано, что:
разработанные математические модели и алгоритмы расчета использованы для установления режима стабилизации температуры начала разливки стали путем ввода охладителей в ковш в мартеновском цехе Уфалейского завода по ремонту металлургического оборудования; получен экономический эффект;
разработанные математические модели и алгоритмы расчета использованы для выбора рационального метода ввода хромомарган-цевых лигатур в жидкуй сталь в ЗСПЦ № I Челябинского металлургического завода; получен экономический эффект;
разработанные математические модели и алгоритмы расчета использованы для совершенствования технологии выплавки сварочных марок стали на Московском металлургическом заводе "Серп и Молот";
в итоге проведенных исследований с использованием разработанных математических моделей на Челябинском электрометаллургическом комбинате усовершенствован рчжим ввода в эксплуатацию ковшей (высокотемпературных реакторов) цеха № 8, что дало зна- чительный экономический эффект; .
результаты проведенных исследований по разработке нового способа газокислородной продувки сталеплавильной ванны опробованы на заводе "Озд" (Венгрия).
Апробация результатов работы. Материалы работы были пред-
ставлены в 12 докладах на Всесоюзных и республиканских конференциях, совещаниях и семинарах, а также на 2 конференциях за рубежом.
Публикации. По теме диссертации-опубликовано свыше 50 научных работ, в том числе 36 статей,
. Структура и обгем -работы. Работа состоит из введения, 7 тематических разделов, заключения, списка использованной литературы из 365 названий и приложения; содержит 308 страниц машинописного текста, III иллюстраций и 29 таблиц.