Введение к работе
Актуальность работы. Современная технология производства стали шивается. в направлении использования основных металлургических >егатов только для расплавления твердой части составляющих шихты жисления углерода, кремния, марганца и фосфора. Все остальные 'аллургические операции проводятся вне их - в сталеразливочных шах, промежуточных ковшах, кристаллизаторах и изложницах. Этот галекс мероприятий получил у металлургов название вяелечяая обра-ка металла. Технология введения реагентов в ванну (количество, вредность и способы ввода), определяемая сортаментом выплавляемой ши и технической оснащенностью цеха, в большинстве случаев, но-.' частный характер для данного предприятия. Общим в разработке :имальной технологии внепечнои обработки является осуществление гоприятий, направленных на увеличение степени усвоения вводимых >авок и их равномерного распределения по объему обрабатываемого ?алла, что, в конечном итоге, определяется скоростью их растворе-[ и местом протекания этих процессов.
В последнее время в черной металлургии получили развитие новые хзобы внепечнои обработки металла. Если раньше для интенсификации шомассообменных процессов использовалась только кинетическая ?ргия падающей при'выпуске струн стали, то сейчас все шире применен способы обработки металла в наполненном ковше. , Это продувка ;алла порошками в струе инертного газа, ввод реагентов в упако-шом состоянии в виде порошковой проволоки, удержание легких до-юк в объеме металла с помощью специальных штанг, встреливание ігента, имеющего для этого специфическую форму и т.д. Находят шенение и такие способы, в которых механическая подача совмещена саким-либо методом перемешивания: продувка инертным газом, маг-гное перемешивание или вакуумирование. Эти способы отвечают тен-шиям развития мирового сообщества, направленным на снижение ме-їлопотребления, поскольку они отвечают ресурсосберегающей и эко-ически чистой направленности технологии внепечнои обработки мета.
Приоритетность повышения качества продукции черной металлургии одновременным снижением расхода реагентов позволяет сформулиро-гь основную концепцию работы, заключающуюся в разработке теорети-зкого описания кинетики процесса взаимодействия фаз при внепечнои эаботке металла и разработка на базе этого оптимальных технологи-;ких решений для минимизации ресурсозатрат с одновременным реше-ш проблем качества металлопродукции и экологии, что определяет суальность задач, решаемых в работе.
Задачи и цели работы. Несмотря на очевидный прогресс в области вн печкой обработки черных металлов, в настоящее время является насу ним решение следующих научно-производственных задач:
' - повышение степени усвоения добавок, особенно легких и вые коактивных, таких как алюминий, РЭМ, ЩЗМ и других;
увеличение скорости растворения добавок с целью повышения усвоения;
решение экологических проблем, поскольку взаимодействие мн ггос реагентов с металлом связано с токсическими выбросами;
снижение температурных потерь при обработке металла;
автоматизация процессов внепечной обработки;
компьютерное обеспечение ввода реагентов для улучшения вое роизводимости результатов и сужения диапазона колебания содержал примесей;
создание современной технологии внепечной обработки жидко металла, обеспечивающего решение вышеперечисленных проблем.
Исходя из этого в настоящей работе поставлены следующие цели
обобщение известных работ по исследованию кинетики, раствор ния кусковых реагентов в жидком металле;
изучение и уточнение существующих математических моделе описывающих процессы кинетики растворения кусковых добавок, а так разработка и систематизация новых моделей с учетом теплофизически физико-химических и гидродинамических особенностей процесса;
разработка концепции дальнейшего развития способов внепечк обработки черных металлов на базе анализа тенденций развития, также сравнение технологических, экономических и экологических а пектов для современных способов внепечной обработки черных мета лов;
разработка новых способов внепечной обработки; металла куск выми реагентами на базе разработанных моделей и их реализация промышленных условиях;
- изучение физико-химических и теплофизических свойств нов реагентов и разработка методик исследования кинетики их раствор ния;
- классификация и разработка новых математических моделей д
изучения кинетики растворения упакованных порошковых реагентов
металлический ванне и обоснование технологических рекомендаций
применению новых способов внепечной обработки 'черных металлов;
. - проверка предлагаемых технологий в промышленных условиях. Научная новизна работы заключена в следующих результатах:
- разработаны математические модели кинетики гетерогенно
ззаимодействия фаз при внепечной обработке металла о учетом гидродинамических, теплофизических к физико-химических аспектов, с использованием квазиравновесной теории, даны аналитические решения }ля определения параметров процесса. Разработанные модели адаптированы для процессов внепечкой обработки черкьс-: металлов кусковыми эеагентами и порошковой проволокой.
разработан метод расчета фазового взаимодействия с учетом кинетики протекания гетерогенных реакций на границах раздела фаз;
определен новый подход к решению проблемы повышения усвоения зеагентов при внепечной обработке черных металлов и дано аналичес-сое решение задачи определения оптимальных параметров добавки;
методом физического моделирования гидродинамики процесса ззаимодействия реагента и жидкой ванны определены оптимальные значения плотностей реагентов для решения проблемы их максимального освоения металлом;
изучены механизм и кинетика взаимодействия порошковых іроволок с различными наполнителями и расплава. Выявлены закономер-їости взаимодействий в многокомпонентных квазисплавах - наполните-іях проволоки;
как альтернативная схема внепечной обработке металла путем >го продувки порошками, развита концепция применения порошковой іроволоки и определены пути ее оптимального использования, показаны іриоритетнне способы введения проволоки е металл и влияние их на іроцессьі растворения реагента и его усвоения.
Теоретическая значимость работы определяется совокупностью порученных результатов, представляющих собой дальнейшее развитие тео->ии внепечной обработки черных металлов с учетом кинетики и термо-(инамики процессов взаимодействия фаз в металлической ванне.
Практическая ценность представлена в следующих результатах:
возможность прогнозирования результатов применения различных 'єхнологических решений внепечной обработки металла;
разработаные математические модели могут быть использованы в іачестве управляющего комплекса при компьютерном оформлении іроцесса для задания параметров ввода;
использование программного продукта для тренажеров;
предложены и опробованы оригинальные технические решения по іводу порошковой проволоки;
разработан и внедрен способ внепечной обработки металла ногифазными реагентами со значительным экономическим эффектом;
разработаны составы смесей, применяемых в качестве :аполнителей порошковой проволоки, используемых для внепечной
обработки чугуна и стали.
Реализация результатов в промышленности осуществлена наследующих предприятиях:
в мартеновском цехе 1 Акционерного Общества. Магнитогорской металлургического комбината (АО ММК) был внедрен способ раокисленш и легирования стали в ковше утяжеленным алюминием;
в конвертерном цехе АО ММК проведены обширные испытания технологии внепечнои обработки передельного чугуна магнийсодержащеі порошковой проволокой с целью деоульфурации и технологии обработкі стали кальцийсодержащей порошковой проволокой с целью модификации;
совместно с германской фирмой "Odermatb Stahlwerkstechni.i GrfiuH" на нескольких металлургических завода;"'. Германии были проведены испытания порошковых проволок с различными наполнителями, содержащими кальций, и разработанная технология была внедрена на металлургическом заводе "Sollac" Франция;
совместно с германской фирмой "Oderrnath Stahlwerkstechnil GmbH" на металлургическом заводе фирмы "Schubert Sr Salzer AG' (г.Лейпциг, Германия) была опробована и внедрена технология внепечнои обработки литейного чугуна магнийсодержащей порошковой проволокой;
разработанные в рамках настоящей работы станы по производс-тыу порошковой проволоки поставлены трем заводам и в настоящее время на Чепецком механическом заводе (г.Глазов. Удмуртия) налаженс производство порошковой проволоки.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались более, чем на 30 конференциях и симпозиумах, из которых шесть' международные:
5-th International Conference "Secondary Metallurgy". Vsetin. CSSR. November 7'- 9, 1989;
международная конференция "Новые и усовершенствованные технологии для окускования сырья и производства чугуна к ферросплавов". Варна. Болгария. 12-14 июня 1990;
международная конференция "Черная металлургия России и страї СНГ в XXI веке". Москва. Россия. 1994;
1Х-я международная конференция "Современные проблемы электрометаллургии стали". Челябинск. 1995;
3-й международный симпозиум по улучшению качества жидкогс чугуна и стали. Магнитогорск. Россия. 1996;
- международная конференция "Экологические проблемы промышленных зон Урала". Магнитогорск. Россия. 1997.
Материалы второй главы по утяжеленному алюминию обсуждались нг
;минарах металлургического факультета Кентуккского университета Ж). Материалы по производству и применению порошковой проволоки юднигфзтно обсуждались на совместных росоииско-германских, семина-
IX.
В рамках диссертационной работы выполнено около 20 хоздоговорах работ, получено три гранта.