Введение к работе
В последние годы возросли требования потребителей различных отраслей промышленности к качеству углеродистых и специальных сталей, на что оказывают влияние растворенные в них газы, и, в особенности, водород. В обычных условиях производства, когда в атмосфере сталеплавильных агрегатов имеются водяные пары, получить сталь, свободную от водорода, не представляется возможным. Поэтому работают над проблемой выплавки и обработки мета/ига с целью снижения в нем водорода. Выплавка стали в электрических вакуумных печах, хотя обеспечивает хорошую дегазацию металла, однако этими весьма дорогими способами получают в небольшом количестве лишь специальные стали и сплавы. Обработка стали аргоном, подаваемым в жидкий расплав через пористые огнеупорные вставки, находит некоторое применение в промышлегитости , но она требует значительных затрат и по удаления водорода из етапи не является эффективной. Поэтому продолжаются поиски новых, более совершенных, эффективных и недорогих способов дегазации железоуглеродистых расплавов.
Актуальность темы. Проблема повышения качества металлопродукции имеет один из основных и важных аспектов: задачу интенсификации процесса дегазации жидкой стали. Дня повышения ее эффективности с целью ресурсосбережения первостепенное значение приобретает моделирование. Разработка современной и более совершенной модели процесса удаления водорода из железоуглеродистых расплавов продувкой инертным газом представляет актуальную задачу, так как позволит внести существенный вклад в решение проблемы ресурсосбережения, что является одним из приоритетных направлений. Наибольшей эффективностью обладает продувка через пористые швы кладки днища сталеразливочного ковша: она базируется на большом количестве пор малого размера и обеспечивает высокую эффективность массопереноса удаляемого газа к межфазной поверхности металл-газ за счет большого числа встшывающих газовых пузырей небольшого размера.
Разработка всеобъемлющей гидро- и газодинамической, физико-химической и математической моделей процесса удаления водорода из железоуглеродистых расплавов , описание закономерностей отдельных его сторон во взаимосвязи и совокупности, является главной задачей на пути развития этого способа дегазации. Такой комплексный подход к решению этой проблемы позволит перейти к обоснованному выбору технологических решений тех практических задач, которые выдвигаются
промышленностью и решаются сейчас, в основном, эмпирическим путем, и осуществлять априорную оцеїпсу перспективности новых направлений со значиге;п>ной экономией средств и времени.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась в рамках научно-технической разработки: 04 "Экологически чистая и ресурсосберегающая технология", утвержденная в 1993 г. Минвузом Украины; 91-87 "Разработка технологии внепечной обработки стали с целью повышения механических свойств и улучшения ее служебных характеристик", утвержденная в 1992 г. генеральным директором МК "Азовсталь".
Цепь и задачи исследования: Целью работы является разработка рациональных режимов процесса удаления водорода из железоуглеродистых расплавов с целью ресурсосбережения на основе гидро- и газодинамического, физико-химического и математического моделирования массообменных процессов в двухфазных газожидкостных системах.
Для достижения поставленной цели, задачей исследования является: разработка условий приближенного моделирования гидродинамики двухфазных систем с применением критериальных уравнений; исследование динамики изменения относительного уровня ванны, скорости подъема газовых пузырей и времени пребывания их в жидкости при различных режимах продувки ванны неассимилируемым газом; разработка физико-химической модели массообменных процессов при дегазации железоуглеродистых расплавов; разработка современной математической модели процесса дегазации жидкой стали продувкой неассимилируемым газом через пористые швы днища сталеразливочногс ковша; практическое приложение разработанных моделей к производственному процессу дегазации жидкой стали.
Научная новизна полученных результатов. Разработаны
физическая, физико-химическая и математическая модели, позволившие
установить условия подобия гидродинамики ванны, процессов удаления
водорода из жидкой стали. Созданы модели массопереноса
растворенного газа в пузыри инертного и удаления его из растворов х
зависимости от интенсивности донной продувки неассимилируемым
газом, подаваемым через пористые швы днища модели и агрегата.
Комплекс выявленных кинетических закономерностей v
технологических особенностей дегазации растворов позволил
оптимизировать процесс, разработать рациональные режимы удаления водорода из железоуглеродистых расплавов с целью ресурсосбережения.
Практическое значение полученных результатов. На основе и с ^пользованием гидро- и газодинамической, физико-химической и іатематической моделей разработаны и предложены к внедрению >аиионалъные режимы продувки жидких железоуглеродистых расплавов, оставлен алгоритм, разработана и предложена предприятиям программа шя расчета на компьютере по интенсификации процесса дегазации стали. )жидаемый годовой экономический эффект от внедрения научных разработок составит 580 тысяч гривень, (доля автора 45 тысяч гривень).
Личный вклад соискателя. Автором выполнен анализ штематкческих моделей , механизма, лимитирующих стадий и кинетики гооцессов дегазации металлических расплавов всплывающими пузырями інертного газа; рассмотрены характерные гидродинамические акономерности вспльгвания пузырей в двухфазных газожидкостных истемах, условий подобия при моделировании гидродинамики ванны и іассообменньгх процессов; разработаны математическая модель для ^следования гидродинамики ванны, физико-химическая модель гассообменных процессов дегазации жидких расплавов, разработана и вготовлена лабораторная установка для проведения экспериментальных ^следований; составлена математическая модель процесса дегазации келезоуглеродистых расплавов продувкой неассимилируемым газом іерез пористые швы днища сталеразливочного ковша; методика кспериментального исследования в лабораторных и заводских условиях; «ставлены алгоритмы и компьютерные программы численного жсперимента по определению ресурсосберегающих режимов подачи іргона в железоуглеродистый расплав. Разработанные рациональные >ежимы подачи аргона опробованы в мартеновском цехе металлургического комбината "Азовсталь". Автором подтверждено 'лучшение качества рельсового металла при использовании >ациональных режимов продувки стали аргоном через пористые швы шадки днища сталеразливочного ковша.
Апробация результатов диссертации. Материалы работы юложены и обсуждены на региональных научно-технических конференциях, проводимых в Приазовском государственном -ехническом университете в 1993, 1995 и 1998 годах (г. Мариуполь)
Публикация. Основное содержание диссертации опубликовано в І0 научных работах и материалах конференций.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из шедения, четырех разделов, общих выводов, приложения, изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 11 таблиц. 3 списке использованных источников 155 наименований.