Введение к работе
Актуальность работы. Изыскание факторов, позволяющих управлять процессами, происходящими при рафинировании железоуглеродистого расплава газообразным кислородом, тесно связано с изучением особенностей механизма взаимодействия дутья с ванной, оказывающих заметное влияние на ее гидродинамику и кинетику окисления примесей. Несмотря на большое количество работ, посвященных данной тематике, существует различие взглядов на отдельные стороны такого взаимодействия, а природа некоторых особенностей (таких как, перемещение инородных фаз в расплаве с неоднородным поверхностным натянением и нестационарный характер процесса, определяющим образом влияющих на характер рафинирования ванны) недостаточно изучена и требует проведения дополнительных исследований.
Цель работы. Разработка эффективного способа управления ходом конвертерной плавки на основании изучения влияния на характер рафинирования расплава таких факторов, как нестационарность процесса и неоднородность поверхностного натяжения расплава.
Научная новизна. Получены новые сведения о нестационарности" процесса и неоднородности поверхностного натяжения расплава в конвертерной ванне. Определен характер влияния этих факторов на процессы, происходящие в конвертерной ванне (особенно, в. первичной и вторичной части реакционной зоны), в частности, на каплеобразова-ние и брызгоунос из реакционной зоны, на формирование потоков металла и перемешивание ванны, на перемещение инородных фаз в расплаве и на кинетику окисления примесей на различных участках конвертерной ванны. Определено распределение температуры в подфурмен-ной зоне конвертерной ванны, уточнены закономерности изменения диаметра, глубины, температуры, амплитуды и частоты колебаний размеров кратера реакционной зоны в зависимости от давления кислорода перед соплом для дозвуковой и сверхзвуковой струи кислорода.
Установлено, что неоднородность поверхностного натяжения расплава во вторичной реакционной зоне, обусловленная градиентом температуры и неравномерной концентрацией кислорода, вызывает перемещение пузырей и шлаковых включений по направлению к поверхности кратера. Это происходит в результате вытеснения.их пограничным слоем расплава за счет капилярных сил в сторону более высокой температуры. Такой пограничный слой оказывает слабое сопротивление потоку примесей расплава к поверхности раздела фаз, так как постоянно обтекает инородную фазу и, едва успев сформироваться, смыкается позади нее, благодаря чему обеспечивается высокая скорость окисления примесей во вторичной реакционной зоне. Этому же способствует и интенсивное акустическое воздействие со стороны первичной реакционной зоны.
Выделены две инфразвуковые составляющие шума процесса, которые отсутствуют-' в спектре шума свободноистекающей сверхзвуковой газовой струи и возникают только при натекании ее на жидкую ванну в результате взаимодействия с поверхностью образовавшегося в расплаве кратера и с отходящим из него встречным газовым потоком. С частотой 5 * 7 Гц изменяется глубина внедрения дутья в ванну, а -неустойчивость его по направлению истечения с частотой 0,7-1 Гц заставляют реакционною зону перемещаться' в подфурменном пространстве. Благодаря такому~взаимодействию дутья с расплавом происходит вынос большого количества капель- из реакционной зоны и поступление в нее металла из объема ванны, что вызывает формирование циркуляционных потоков, способствующих перемешиванию расплава.
Предложено дестабилизировать дутье по направлению истечения с частотой 15 + 50 Гц для улучшения перемешивания ванны. Установлено, что целенаправленное изменение амплитудно-частотных характеристик такого дутья позволяет управлять процессами шлакообразо-
вания. дожигания конвертерных газов, окисления примесей металла и влиять на избирательность их окисления.
Получены математические зависимости, устанавливающие связь между содержанием примесей в расплаве и длительностью продувки, рассчитаны скорости окисления примесей в целом по конвертерной ванне, в реакционной зоне, на границе раздела шлак-металлическая ванна и шлак-королек металла, а для углерода - в объеме металлической ванны и определены интенсивность и скорость подвода металла к реакционной зоне как для обычного, так и для дестабилизированного по направлению истечения дутья.
Практическая ценность. Полученные результаты являются основой для поиска и разработки новых способов управления ходом конвертерной плавки. Они полезны для развития основ теории взаимодействия окислительного дутья с расплавом и могут использоваться для совершенствования технологии выплавки стали в конвертерах, особенно при переработке природнолегированных и низкомарганцовистых чугунов. Полученные в работе математические зависимости пригодны для расчета размеров реакционных зон промышленных агрегатов, для определения содержания примесей в металле в любой момент продувки и по ее окончании.
Реализация работы в промышленности. Разработаны дутьевые устройства, позволяющие получать дестабилизированное по направлению истечения дутье с возможностью управления ходом продувки за счет низкочастотного воздействия на ванну. Они обладают высокой работоспособностью и низкой материалоемкостью. Такое дутье позволило повысить степень извлечения ванадия из природнолегированиого чугуна.
Более быстрое шлакообразование при таком дутье способствовало лучшему удалению серы и фосфора при переработке фосфористых и низкомарганцовистых чугунов, снижению расхода извести и плавико-
вого шпата, уменьшению содеркания окислов железа в юлаке и повышению выхода годного. Возросшее содержание марганца в металле по окончании продувки вызвало снижение расхода ферромарганца, а более качественный обжиг футеровки - снижение расхода торкретмассы.
Лучшее дожигание окиси углерода до двуокиси на границе раздела дутьє-отходящий газовый поток позволило снизить расход чугуна и увеличить расход металлолома в завалку. Использование дестабилизированного дутья наряду с технологией присадки шлакообразующих, защищенной авторским свидетельством, повысило эффективность применения кусковых углеродсодержащих материалов.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждены на III и IV Всесоюзной научно-технической конференции по переделу природ-нолегированных и фосфористых чугунов (Свердловск, 1976, 1980); V, VI и VII Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика кислородно-тонвертерных процессов" (Днепропетровск, 1977,1981, 1S87); научно-технической конференции "Интенсификация металлургических процессов и повышение качества металла" (Новокузнецк,1986); I, II Международном конгрессе сталеплавильщиков (Москва,1993,1994).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 30 научных работах, в том числе защищены 5 авторскими свидетельствами. . Структура и'объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения. Содержание работы изложено на 395 страницах машинописного текста, включающего 104 рисунка, 14 таблиц, библиографический список из 237 наименований и 10 приложений.