Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ физико-химических основ вакуумной обработки жидких расплавов на основе железа и способов их промышленной реализации 9
1.1. Теоретические основы кинетики взаимодействия газов с расплавами на основе железа .9
1.2. Растворимость газов в расплавах на основе железа 13
1.3. Кинетика взаимодействия углерода и кислорода, растворенных в металлическом расплаве 16
1.4. Химическая кинетика реакций 18
1.5. Сравнение основных способов промышленной реализации вакуумной обработки стали 19
1.6. Основные конструктивные особенности оборудования циркуляционного вакууматора 27
1.7. Анализ существующей технологии обработки расплава с вакуумным обезуглероживанием на агрегате циркуляционного вакуумирования Конвертерного цеха№1 ОАО«НЛМК» 30
1.8. Краткие выводы и определение направлений дальнейшего исследования 32
2. Применение методов вероятностной кинетики для описания процессов дегазации жидких расплавов на основе железа 34
2.1. Основные положения вероятностной кинетики реакций 34
2.2. Описание условий проведения экспериментов исследования удаления азота из жидкого железа 35
2.3. Применение методов вероятностной кинетики для описания процессов удаления азота из жидкого железа 38
2.4. Краткие выводы по результатам исследования 49
3. Разработка системы контроля вакуумной обработки стали и мониторинга оборудования циркуляционного вакууматора 50
3.1. Условия промышленной реализации системы контроля вакуумной обработки и методика проведения экспериментов 50
3.1.1. Требования к построению и промышленной реализации алгоритмов системы контроля 50
3.1.2. Общая характеристика контрольно-измерительного оборудования АЦВ КЦ-1 ОАО«НЛМК» 52
3.1.3. Методика проведения опытно-промышленных экспериментов 56
3.2. Разработка математических моделей системы мониторинга оборудования АЦВ и контроля вакуумной обработки стали 59
3.2.1. Расчет величины подсосов воздуха в вакуум-камеру и систему газоотводящего тракта 59
3.2.2. Расчет изменения температуры расплава : 66
3.2.3. Расчет изменения концентрации углерода и кислорода с учетом данных газового анализа 73
3.5. Краткие выводы 81
4. Оценка параметров работы оборудования и исследование кинетики протекания реакций обезуглероживания расплава в процессе циркуляционного вакуумирования стали 82
4.1. Анализ работы пароэжекторного насоса 82
4.2. Методика теоретического расчета изменения концентрации углерода и кислорода 87
4.3. Исследование кинетических закономерностей обезуглероживания расплава на 160-тонном циркуляционном вакууматоре 92
4.4. Оптимизация технологии обезуглероживания расплава 98
4.5. Краткие выводы по результатам исследования 106
5. Оптимизация конструкции циркуляционного вакууматора 107
5.1. Исследование особенностей образования металлических настылей в вакуум-камере и газоходе 107
5.2. Изменение конструкции вакуум-камеры циркуляционного вакууматора для снижения интенсивности образования металлических настылей в газ о отводящем тракте... 115.
5.3. Повышение стойкости патрубков циркуляционного вакууматора Конвертерного цеха№1 ОАО«НЛМК» 117
5.4. Краткие выводы 124
Заключение 126
Библиографический список 128
Приложение 139
- Кинетика взаимодействия углерода и кислорода, растворенных в металлическом расплаве
- Описание условий проведения экспериментов исследования удаления азота из жидкого железа
- Разработка математических моделей системы мониторинга оборудования АЦВ и контроля вакуумной обработки стали
- Методика теоретического расчета изменения концентрации углерода и кислорода
Введение к работе
Актуальность. Для современного этапа развития сталеплавильного производства при постоянно повышающихся требованиях потребителей к качеству стали неотъемлемым условием является применение в технологической цепочке установок внепечной обработки стали. Из их многообразия в особую группу выделилась вакуумная обработка металла, ставшая обязательной частью современных сталеплавильных комплексов, производящих сталь с высоким уровнем потребительских свойств, нашедших своё применение в автомобилестроении, в магистральных нефте- и газопроводах, в несущих конструкциях зданий, а также в судостроении. Производство особонизкоуглеродистых марок стали типа IF и низколегированных сталей с регламентированным содержанием газов невозможно без обработки расплава вакуумом. Одним из перспективных направлений производства электротехнических изотропных марок стали с пониженными электромагнитными потерями является технология получения остаточной концентрации углерода менее 0,005% непосредственно в сталеплавильном производстве, что не требует проведения обезуглероживающего отжига проката. Благодаря своим преимуществам, реализуемым в процессе вакуумной обработки, наибольшее распространение получил циркуляционный способ.
Все сказанное выше предопределяет актуальность работы, которая выполнена в рамках разрабатываемого в ЛРТУ научного направления «Феноменологические модели и нелинейная динамика высокотемпературных процессов и технологий» при частичной поддержке грантом РФФИ 07-08-9643 8Р_центр_а.
Целью настоящей работы является определение возможности исследования высокотемпературных металлургических реакций с применением методов вероятностной кинетики; разработка научно обоснованных технологических решений производства особонизкоуглеродистых марок стали с применением циркуляционного вакуумирования, а также методов контроля, технологического процесса внепечной обработки и состояния оборудования вакууматора.
Научная новизна:
1. Впервые в металлургии на основе анализа данных дегазации жидкого
железа проведено исследование взаимодействия разреженных газов с высокотемпературными расплавами в условиях резко меняющихся внешних давлений с применением вероятностных методов химической кинетики.
Установлена логарифмическая зависимость изменения температуры расплава от времени циркуляции в процессе обработки на RH-вакууматоре.
Получено соотношение доли реакций обезуглероживания, протекающих в объеме расплава на поверхности всплывающих пузырьков и межфазной поверхности «расплав - газовая фаза вакуум-камеры».
Предложен критерий обнаружения прогаров вакуум-камеры.
Установлены кинетические особенности протекания1 реакций обезуглероживания в процессе RH-обработки на 160-тонном вакууматоре.
Практическая ценность и реализация работы:
Предложены методика и технологические алгоритмы контроля процесса вакуумной обработки стали и состояния оборудования агрегата, которые реализованы в системе верхнего уровня АСУ ТП RH-вакууматора КЦ-1 ОАО «НЛМК».
Разработана технология* интенсификации процесса обезуглероживания расплава и стабилизации условий» внепечной обработки с применением твердого окислителя. Она успешно опробована при производстве особонизкоуглеро-дистых марок сталей в Конвертерном цехе №1 ОАО «НЛМК».
Предложен способ снижения интенсивности образования металлических настылей в газоходе RH-вакууматора, позволяющий уменьшить его габаритные размеры по высоте. На это решение получен патент.
4. Разработаны технические решения повышения стойкости погружных
патрубков циркуляционного вакууматора.
Достоверность полученных в работе результатов^подтверждается опытно-промышленными плавками и теоретическим анализом основных параметров исследуемого процесса с последующей технологической интерпретацией на основе современной теории металлургических процессов.
Апробация результатов исследования. Основные теоретические и прак-
тические результаты исследований были представлены на международных и региональных конференциях: второй (г. Липецк, 2005), третьей (г. Липецк, 2006), четвертой (г. Липецк, 2007) и пятой (г. Липецк, 2008) международных научно-технических конференциях «Современная металлургия начала нового тысячелетия»; международной научно-технической конференции молодых специалистов в преддверии 110-летия ОАО"Ашинский металлургический завод" (г. Аша, 2007); девятом (г. Старый Оскол, 2006) и десятом (г. Магнитогорск, 2008) конгрессе сталеплавильщиков.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 9 работ в отечественных изданиях, в том числе 3^ статьи в периодических журналах, входящих в список ВАК. Получен один патент на изобретение.
Структура И'объем диссертации; Диссертационная1 работа состоит из-введения, пяти глав, библиографического списка из 126 наименований, заключения, 3 приложений: Включает 79 страниц текста, содержит 60 рисунков и 19 таблиц.
В первой» главе выполнен'анализ современных физико-химических основ взаимодействия газов (Н2, Nz) с металлическими расплавами на основе железа. Рассмотрены- основные способы промышленной реализации- вакуумной обработки расплава и особенности существующей технологии внепечной обработки на агрегате циркуляционного вакуумирования стали Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК». Определены направления дальнейшего исследования.
Во второй главе предложена методика исследования высокотемпературных реакций взаимодействия газов с металлическими расплавами в условиях резко меняющихся давлений с позиций вероятностной кинетики. На основании данной методики проведено исследование дегазации жидкого железа (удаление азота) с учетом данных лабораторных исследований с интерпретацией полученных результатов.
В третьей главе представлены результаты изучения- качественных и количественных характеристик процесса внепечной обработки стали на агрегате циркуляционного вакуумирования Конвертерного цеха №1 ОАО««НЛМК». По данным проведенного исследования представлено описание предложенных ал-
горитмов расчета величины подсосов воздуха в систему газоотводящего тракта, изменения температуры расплава, концентрации растворенного углерода и кислорода в процессе внепечной обработки.
В четвертой главе представлены результаты исследования параметров работы пароэжекторного насоса и кинетики протекания реакций обезуглероживания в процессе внепечной обработки, полученные с использованием предложенных алгоритмов и теоретического математического моделирования.
В пятой главе на основе анализа работы промышленного оборудования циркуляционного вакууматора Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК» разработаны технические решения эффективного снижения скорости образования металлических настылей в газоотводящем тракте при одновременном снижении высоты металлургического агрегата. Предложены технические решения повышения стойкости погружных патрубков, обеспечивающие снижение затрат на производство стали и увеличивающие пропускную способность агрегата в результате снижения технологических простоев, связанных с заменой и подготовкой вакуум-камеры к работе.
В заключении приведены основные результаты работы.
За оказанную помощь в подготовке материалов диссертации выражаю искреннюю благодарность не дожившему до сегодняшнего дня к.т.н., доценту кафедры металлургии Липецкого государственного технического университета Ю.Н. Петрикину, внесшему огромный вклад в теоретическое описание исследуемых процессов; специалистам Инженерного центра ОАО «НЛМК» Е.Н. Тюленеву и И.А. Некрасову, оказавшим помощь при проведении опытно-промышленных плавок; ведущему инженеру-программисту Дирекции по информационным технологиям ОАО «НЛМК» И.А. Гельд, реализовавшей разработанные алгоритмы математических программ в Системе управления вакууматора Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК»; специалистам лаборатории ана-
литического контроля и лаборатории металловедения и металлофизики ОАО «НЛМК» за проведение исследований образцов стали с опытно-промышленных плавок; технологическому персоналу агрегата циркуляционного вакуумирования стали Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК», оказавшему помощь при проведении опытно-промышленных плавок.
Кинетика взаимодействия углерода и кислорода, растворенных в металлическом расплаве
Согласно [41] взаимодействие растворенных в металле углерода и кислорода описывается равновесием [С]-[0]-{СО}-{С02}, при этом в соответствии с правилом фаз предложено использовать следующие реакции:
При выборе любой пары независимых реакций, например, (5) и (6), взаимодействие углерода с кислородом предлагается записывать в виде суммарной реакции [42]: где величинах связана с изменением состава расплава: где —— - отношение дифференциалов мольных долей х0 и хс кислорода и уг-dnc лерода в расплаве [42-43] .
Предложенный количественный анализ равновесия с использованием константы равновесия реакции (9) затруднен,.поскольку зависимость.величиныХотхо и- Хс заранее не известна [42], поэтому в большинстве металлургических исследований, как. лабораторных, так и промышленных экспериментов; обезуглероживания , расплавов на основе железа [44-52]-пользуются упрощающим допущением; рассматривая-процесс взаимодействия растворенного углерода и кислорода-в соответствии с уравнением. (5). Очевидно; что кинетические кривые изменения,концентрации растворенного углерода по уравнениям (5)-(8) и только-уравнению (5) совпадают. Также очевидно, что совпадение кинетических кривых изменения растворенного кислорода при различном описании процессов не имеет места. Согласно данным [53], при составлении баланса расхода растворенного кислорода при. обезуглероживании на долю реакций окисления углерода доСОг приходится около 6%. Кроме того, отмечается [3]; что учет кинетических закономерностей изменения концентрации растворенного кислорода затруднен такими- факторами, как: взаимодействием углерода со связанным кислородом огнеупоров, наличием кислорода в газовой фазе; поступление кислорода в расплав из оксидов шлака и других источников.
На-основании вышесказанного, при описании динамики изменения углерода (кислорода), в процессе промышленной вакуумной обработки нераскис-ленной стали будем использовать уравнение (5).
Я. Вант-Гофф и С. Аррениус сформулировали основные законы, управ- „ ляющие протеканием простых химических реакций, и дали трактовку этих законов, исходя из молекулярно-кинетической теории. Начало систематических исследований скоростей химических превращений связано с работами Н.А. Меншуткина, выполненными в конце 70-х годов девятнадцатого века.
Согласно основному положению химической кинетики, для протекания реакции кинетическая энергия относительного движения молекул при столкновении должна превышать некоторое критическое значение Екр (пороговая энергия): где k - константа скорости реакции; р - стерический фактор (вероятность того, что при столкновении частицы реагирующих веществ будут обладать необходимой для протекания реакции пространственной ориентацией); Z — фактор соударения (для условий теории столкновений соответствует вероятности соударений друг с другом в течение секунды двух данных частиц, находящихся в объеме 1 см ); R — газовая постоянная; Т— абсолютная температура.
В 20-х годах двадцатого века У. Мак-Льюисом, М. Поляни и К. Герц-фельдом была предложена теория столкновений [54-68], рассматривающая скорость реакции как функцию частоты столкновений молекул, их концентраций, некоторой пороговой энергии и температуры. При этом столкновения рассмат-ривались как столкновения бесструктурных частиц, имеющих точно установленную скорость, а часто и находящихся в строго определенных квантовых состояниях, при этом внешние силы, за исключением сил межмолекулярного взаимодействия, .не учитывались. Столкновения делили на упругие и неупругие. Предполагалось, что при упругом столкновении направления движения сталкивающихся частиц изменяются, а их суммарная- кинетическая энергия сохраняется, перераспределяясь между частицами. В результате неупругого столкновения претерпевает изменение внутренняя энергия сталкивающихся частиц и, следовательно, их полная кинетическая энергия. При этом изменяется квантовое состояние одной из сталкивающихся частиц либо обеих. Согласно данной теории, не все столкновения приводят к химической реакции. Энергией, вызывающей реакцию, является та часть полной кинетической энергии двух сталкивающихся молекул, которая соответствует компоненте относительной скорости двух молекул, направленной вдоль линии, соединяющей» их центры в v момент столкновения.
На основании теории столкновений в. 30-х годах двадцатого века Г. Эй-рингом и М. Поляни была разработана теория активированного комплекса. Теория» основана на том, что бимолекулярная или мономолекулярная реакция идет через промежуточное состояние, которое называется активированным комплексом. Она позволяет приближенно рассчитывать скорость элементарных химических реакций исходя из электронного строения и свойств молекул реагентов с использованием; многомерной поверхности потенциальной энергии -функция потенциальной энергии атомных ядер в изолированной молекуле или их системе от их внутренних координат или степеней свободы. Недостатком теория активированного комплекса является трудность нахождение абсолютных значений скорости химической реакции при большом числе участвующих в реакции частиц [53, 64-65]. Также следует отметить тот факт, что исследования по химической кинетики и, соответственно, предложенные теории описания механизма протекающих реакций относятся к низкотемпературным реакциям, протекающим либо в газообразной, либо жидкой фазе [51-56],
На основе представленных подходов были разработаны многочисленные теории жидкофазных реакций, результаты которых представлены в [53-55], однако их применимость для высокотемпературных расплавов требует проведения многочисленных лабораторных исследований.
Описание условий проведения экспериментов исследования удаления азота из жидкого железа
В работах [19; 98] по нашему мнению проведен прекрасный эксперимент по исследованию кинетических особенностей дегазации жидкого железа (удаление азота). Для получения дополнительных сведений о процессе дегазации воспользуемся его результатами, дополнив их исследованием с применением вероятностных методов химической кинетики. Ниже представлено краткое описание оборудования и условия проведения лабораторных опытов.
Электролитическое железо весом 400 г расплавлялось в высокочастотной индукционной электропечи в тигле из магнезиальных огнеупоров с внутренним диаметром 38 мм и высотой 100 мм. В процессе расплавления в печи поддерживалась инертная атмосфера за счет вдувания на поверхность расплава аргона через алюминиевую фурму с внутренним диаметром 4,2 мм, расположенную на расстоянии 10 мм от зеркала металла. Схематичное изображение лабораторной установки представлено на рис. 7.
Материал пористой трубки (наружный диаметр 14 мм, внутренний -6 мм), погруженной в расплав, состоял из А1203 и SiC 2. Внутри трубки создавалось разряжениеза счет механического вакуумного насоса (скорость откачки 60 л/мин, предельное разряжение 6,7-10"2 Па). Давление внутри трубки в установившемся режиме - Ртіп для условия разряжения на воздухе. Ртт на воздухе принято в качестве показателя для оценки проницаемости газа в пористую трубку. Зависимость Ртт на воздухе от материала пористой трубки представлена в таблице 6, при этом величина Pllhav соответствует среднему давлению в трубке в процессе эксперимента.
После расплавления железа, смесь аргона и водорода вдувалась на поверхность расплава с целью его раскисления. Затем пористая трубка погружалась в расплав. Глубина погружения находилась в пределах 35-50 мм. Азотирование расплава выполнялось за счет вдувания смеси аргона и азота. Изменение концентрации растворенного газа оценивали за счет отбора проб расплава через определенные интервалы времени. Для определения температуры расплава применялся оптический пирометр. Пирометр был калиброван с помощью платино-платинородиевой термопары. Температура расплава поддерживалась на уровне 1580±5 С за счет изменениянапряжения на обмотке индуктора.
Выделение (десорбция) газа из расплава и его поглощение (адсорбция) являются обратимыми процессами и в общем виде могут быть представлены в следующем виде: ее где а и 0 - вероятности прямой и обратной реакции, соответственно.
В рассматриваемом случае а отражает вероятность химической трансформации атомов газа в молекулы (молизацию), а /Ї - вероятность химической трансформации молекул газа в атомы (диссоциацию). Приближенная схема процессов массообмена между расплавом и газовой фазой для условий проведения лабораторных исследований, представлена на рис. 9.
В данном случае, основной объем реакций удаления растворенного азота протекает в местах контакта жидкого железа с порами огнеупорной трубки, при этом выделяющийся газ в результате разрежения в полости трубки, постоянно поддерживаемого в течение проведения экспериментов, немедленно удаляется из зоны реакции. Таким образом, создаются стабильные условия проведения опыта: парциальное давление газа над поверхностью расплава и давление газа в поре поддерживаются на постоянном уровне.
Для упрощения рассматриваемой системы (рис. 9) и разработки универсальной методики исследований были приняты следующие допущения:
Допущение I. Для упрощения расчетов предположим, что все массооб-мснные процессы в системе «жидкий металл — газ» идут через газовую фазу, а изменение концентрации, растворенного газа в поверхностном слое соответствует изменению его концентрации по всему объему [3]. Для определения режима взаимодействия на первом этапе высоту данного слоя примем равной толщине диффузионного слоя, величина которой согласно данным [11] составляет 2,5-10"5 м.
Разработка математических моделей системы мониторинга оборудования АЦВ и контроля вакуумной обработки стали
После погружения патрубков в расплав система «вакуум-камера - вакуумный насос» становится герметичной, что позволяет выполнять обработку порций жидкого металла при непрерывном поступлении стали в камеру в результате разницы давления в камере и внешнего атмосферного давления и подачи в один из патрубков так называемого транспортирующего газа. Поступление атмосферного воздуха в данную систему из разных источников является нежелательным, т.к. приводит: 1. К повышению остаточного давления в вакуум-камере, что в свою очередь может привести к увеличению остаточной концентрации углерода в расплаве при отсутствии дополнительных корректирующих действий; 2. Увеличивает время выхода на рабочее остаточное давление, в результате чего возрастает длительность всего цикла обработки плавки; 3. К дополнительному снижению температуры стали, повышению общего расхода инертного газа (аргон), пара и огнеупорных материалов; 4. Снижению производительности агрегат в целом. давление и объемы, отходящих газов, присутствие газообразного кислорода в отходящих газах. Основными источниками таких неконтролируемых подсосов воздуха во время вакуумной- обработки для условий оборудования АЦВ Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК» являются уплотнительные соединения фурмы Т-СОВ и шарниров поворотного газохода (рис: 19-а); система: вакуумных шлюзов подачи легирующих материалов (рис: 19-6); неплотности металлоконструкций газоотводящего тракта или вакуум-камеры,, возникающие при их повреждении(рис: 19-в):
Однако, такой способ определения подсосов не позволяет количественно оценить величину поступления атмосферного воздуха и имеет ряд недостатков; к числу которых можно отнести следующие: 1. На достигаемое4 разрежение5 в; вакуум-камере существенное влияние; оказывают параметры работы.вакуумного насоса;.определение условий работы-которого? требует проведения дополнительного тестирования; С; применением специализированного оборудования; 2".. Количество отходящих; газов также определяется»интенсивностью протекания» процессов обезуглероживания ; расплава, расходомг транспорти-рующеготаза,параметрами работы конденсаторов: Таким; образом, дополнительная информация о величине подсосов;воздуха позволит не только оперативно выполнять, их качественную оценку, но и-определять . параметры работы вакуумного насоса, что в свою очередь позволит выполнять необходимые корректирующие действияшо устранению причин недостижения требуемого остаточного давления в вакуум-камере.
Предложенный расчет величины; подсосов воздуха в систему «вакуум-камера — вакуумный насос» основан на следующих допущениях: S атмосферный воздух имеет двухкомпонентный\ состав и представляет собой смесь из 21% 02H79%N2; S единственным источником газообразного кислорода в; отходящих, газах является воздух, поступающий В вакуум-камеру и газоход в результате подсосов. При вдувании газообразного кислорода через фурму Т-СОВ данное допущение не выполняется и соответственно расчет подсосов не выполняется.
Тогда, с учетом указанных допущений величину подсосов воздуха можно определить из доли кислорода в отходящих газах: где Qeo3d — расчетная величина подсосов воздуха, м /ч; {У0О2} — объемная доля кислорода в отходящих газах, %; Qomx al — «интегрированный» расход отходящих газов по «большой» и «малой» линии, м /ч; 21 — массовая доля кислорода в атмосферном воздухе, %. концентрации азота в отходящих газах. Необходимость ввода дополнительного параметра - «интегрированный» расход отходящих газов - была вызвана тем, что в зависимости от объема газов (см. Раздел 3.1.2) их расход определяется либо по так называемой «большой линии» (более 1000 м3/ч), либо по «малой линии» (менее 1000 м /ч), при этом отсутствует единый непрерывный сигнал, необходимый для расчетов (рис. 20-6).
Методика теоретического расчета изменения концентрации углерода и кислорода
При построении теоретической модели (рис. 36) исходили из следующих основных допущений [114]: столб металл-газовой» смеси во всасывающем патрубке и в вакуум-камере для упрощения расчетов был разбит на слои; количество пузырьков транспортирующего газа в слое принимали постоянным, при этом их количество определи исходя из расхода газа и длительности нахождения расплава в первом слое с учетом фактического расхода газа; изменение химического состава расплава определяли пошаговым последовательным расчетом от нижнего слоя к верхнему по мере теоретического продвижения смеси от нижнего уровня подвода транспортирующего газа до поверхностного слоя смеси в вакуум-камере; условия протекания-реакций на каждом последующем шаге определялись с учетом изменений на предыдущем шаге (изменение химического состава стали, площади межфазной поверхности пузырьков с учетом объемов выделившихся газов и изменения давления в полости! пузырьков); время пребывания смеси в первом (нижнем) слое определяли из условия равенства скорости истечения расплава из сливного патрубка и скорости поступления расплава в подъемный патрубок; изменение времени пребывания металл-газовой смеси в последующих слоях определяли с учетом увеличения объемов газа в полости пузырьков на предыдущих шагах цикла расчетов; последовательность пошаговых расчетов изменения химического состава стали при ее прохождении от нижнего уровня подвода транспортирующего газа до момента поступления в сливной патрубок на уровне днища вакуум-камеры составляют один цикл расчетов; начало расчетов определяется условием поступления расплава в вакуум-камеру при остаточном давлении, соответствующем барометрической высоте подъема расплава до днища вакуум-камеры (г/, рис. 26); изменение расчетного времени обработки соответствует длительности одного цикла расчетов; для упрощения расчетов приняли мгновенное усреднение химического состава расплава в сталеразливочном ковше с учетом объемов обезугле-роженного расплава, прошедшего через вакуум-камеру за время одного цикла расчетов и объема расплава в стальковше без учета стали, находящейся в погружных патрубках и вакуум-камере; при выполнении расчетов с учетом обработки промышленных плавок на АЦВ КЦ-1 ОАО «НЛМК» учитывали изменение фактического давления в вакуум-камере и расхода транспортирующего газа по разным линиям; увеличение внутреннего диаметра патрубков принимали с учетом их фактической стойкости и средней скорости износа огнеупоров.
При выполнении теоретического моделирования реакций обезуглероживания расплава в процессе вакуумной обработки использовали общепринятые уравнения и зависимости, при этом для описания изменения концентрации растворенного углерода и кислорода использовали дифференциальное уравнение первой степени (6), при этом равновесные концентрации определяли по уравнениям, предложенным в работе [44]: рода; т-10Кст J\ [С] и [О] - текущие концентрации угле рода и кислорода в расплаве; Рсо — парциальное давление монооксида углерода газовой фазе.
Коэффициент (т) получили из равенства уравнений (50) и (51) при парциальном давлении (СО) равном 1 атм с учетом уравнения (52) [11]:
Парциальное давление монооксида углерода в полости всплывающих пузырьках газа определяли с учетом общего давления в полости пузырьков (Рпуз), которое расчитывали по следующей зависимости [44]: где Рост - фактическое текущее остаточное давление в вакуум-камере; рсл, - текущая плотность металл-газовой смеси; g — ускорение свободного падения; h — расстояние от поверхности расплава (металл-газовой смеси) до слоя; а - по верхностное натяжение; гпуз - текущий средний радиус всплывающих пузырьков.
Плотность металл-газовой смеси рсм определяли с учетом объемов газов, выделившихся в полость всплывающих пузырьков на предыдущем цикле расчетов.
Величину поверхностного натяжения а рассчитывали с учетом текущего химического состава расплава по следующей зависимости [8]: где к - количество химических элементов в расплаве; F{ — параметр, характеризующий капиллярную активность компонентов в железе; Х{ — мольная доля компонента в расплаве.
Изменение размера всплывающих пузырьков газа рассчитывали с учет снижения внешнего давления металл-газовой смеси в процессе их подъема для условий изотермического расширения (55), а также объемов газов, выделяющихся в их полость в результате реакций обезуглероживания и дегазации на предыдущем шаге расчетов.
