Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Литературный обзор 15
1.1 Современные методы рафинирования стали в промежуточных ковшах МНЛЗ 15
1.2 Физическое моделирование гидродинамических процессов в промежуточном ковше 17
1.3 Математическое моделирование гидродинамических процессов в промежуточном ковше 28
1.4. Удаление неметаллических включений в промежуточном ковше 33
1.4.1. Регулирование потоков жидкой стали в промежуточном ковше 35
1.4.2. Рафинирование металла в промежуточном ковше при продувке нейтральным газом 43
1.5. Задачи исследования диссертационной работы 48
Глава II. Материал и методики исследований 49
2.1 Физическое моделирование гидрогазодинамических потоков в различных секциях модели промежуточного ковша МНЛЗ 49
2.1.1 Обоснование и выбор основных критериев гидрогазодинамического подобия 49
2.1.2 Моделирование гидро-газодинамических процессов на экспериментальном стенде 52
2.1.3 Методика физического моделирования гидро газодинамических процессов 56
2.2 Методики проведения исследования загрязненности металла неметаллическими включениями 59
2.2.1 Исследуемые материалы 59
2.2.2 Методы лабораторных и промышленных исследований 60
Глава III. Гидродинамические аспекты рафинирования металла в промежуточных ковшах МНЛЗ 66
3.1 Выбор и обоснование технологических схем и параметров конструктивных элементов промежуточных ковшей МНЛЗ 66
3.2 Математическое моделирование процесса формирования циркуляционных потоков в различных секциях промежуточного ковша МНЛЗ 78
3.2.1 Математическая постановка задачи 78
3.3. Изучение структуры течений в ограниченном пространстве для различных технологических схем и конструктивных параметров промежуточного ковша МНЛЗ 84
Выводы по главе III 106
Глава IV. Исследование взаимодействия гидрогазодинамических потоков в раздаточной секции промежуточного ковша МНЛЗ и их возможного влияния на процесс удаления неметаллических включений в зоне раздела «металл-шлак» 108
4.1. Физическое моделирование распространения газовых струй в жидком металле в зависимости от конструктивных параметров фурм и динамических факторов истечения 108
4.2. Исследование взаимодействия системы газовых и жидкометаллических струй и их влияния на структуру циркуляционных течений 121
4.3. Изучение основных гидродинамических факторов, обеспечивающих эффективное удаление неметаллических включений при непрерывном рафинировании жидкой стали в промежуточном ковше МНЛЗ 137
Выводы по главе IV 137
Глава V. Разработка технологического процесса рафинирования низколегированных трубных сталей в промежуточных ковшах МНЛЗ . 139
5.1 Разработка технологии непрерывной разливки стали с использованием в промежуточных ковшах разделительных перегородок оптимизированной конструкции 139
5.1.1 Промышленные испытания опытных перегородок различной конструкции 139
5.1.2 Оценка влияния разделительных перегородок различной конструкции на загрязненность стали неметаллическими включениями 145
5.2 Разработка и промышленное опробование технологии непрерывной разливки стали с применением огнеупорных рассекателей в раздаточных камерах промежуточных ковшей 151
5.2.1 Испытания рассекателя в промышленных условиях 151
5.2.2. Исследования макроструктуры и загрязненности металла неметаллическими включениями 152
5.3 Разработка и промышленное опробование комплексной технологии рафинирования стали в промежуточном ковше при непрерывной разливке стали 157
5.3.1 Испытания технологии разливки стали через трехсекционные промежуточные ковши с продувкой стали аргоном через фурмы с пространственно ориентированными струями 157
5.3.2. Изучение влияния комплексной технологии рафинирования стали в промежуточном ковше на снижение загрязненности металла неметаллическими включениями 158
Выводы по главе V 171
Общие выводы 173
Список использованной литературы 175
Приложения 188
- Физическое моделирование гидродинамических процессов в промежуточном ковше
- Методики проведения исследования загрязненности металла неметаллическими включениями
- Математическое моделирование процесса формирования циркуляционных потоков в различных секциях промежуточного ковша МНЛЗ
- Исследование взаимодействия системы газовых и жидкометаллических струй и их влияния на структуру циркуляционных течений
Введение к работе
Основными задачами, стоящими перед современными металлургами, является получение высококачественной продукции с постоянно возрастающими требованиями к ней со стороны машиностроителей при одновременной минимизации затрат на ее производство. Одним из наиболее эффективных способов для решения данных задач является всестороннее развитие технологии непрерывной разливки стали. Современные достижения в этой области позволили освоить производство непрерывнолитых заготовок повышенного качества широкого марочного сортамента.
Однако, в связи с расширением газо- нефтедобывающей отрасли, в том числе широким освоением новых месторождений, возникла необходимость строительства трубопроводов, работающих в особо агрессивной к металлу среде (повышенные рабочие давления трубопроводов — более 100 МПа; пониженная температура окружающей среды — менее -40 С и др.). Для обеспечения стабильной и безаварийной эксплуатации такого оборудования необходим листовой прокат с повышенным комплексом механических свойств, а также с высоким качеством поверхности и внутреннего строения.
Ключевым агрегатом установок непрерывной разливки стали, в котором возможно проведение комплекса операций по снижению загрязненности металла неметаллическими включениями, является промежуточный ковш. Одним из способов рафинирования стали от неметаллических включений является использование секционированных промежуточных ковшей с переточными каналами в разделительных перегородках в сочетании с продувкой металла инертным газом через канальные фурмы.
Несмотря на многочисленные исследования, посвященные анализу процессов удаления неметаллических включений при внепечной обработке и непрерывной разливке стали, не достаточно аргументировано установлены и реализованы оптимальные условия рафинирования и обработки жид-
кой стали от неметаллических включений. Следствием этого является преимущественно эмпирический характер выбора конструктивных параметров промежуточных ковшей. Кроме того, количественные оценки изменения распределения неметаллических включений в ходе рафинирования весьма немногочисленны.
Использование существующей технологии продувки металла инертными газами, с целью модифицирования и рафинирования металла от неметаллических включений при помощи фурм также мало эффективно ввиду их неоптимальной конструкции. Обычно воздействие газа, подаваемого через такие фурмы, оказывает локальное воздействие на расплав.
Поэтому исследование гидродинамики течений расплава в различных секциях промежуточного ковша, выбор рациональных конструктивных параметров перегородок и канальных протяженных фурм, отработки режимов продувки и количественная оценка влияния этих процессов на результаты рафинирования стали от неметаллических включений при ее непрерывной разливке является актуальной научной и инженерной задачей .
Целью данной диссертационной работы является разработка на основе установленных гидрогазодинамических закономерностей и сформулированного механизма удаления неметаллических включений технологии рафинирования жидкого металла в промежуточном ковше МНЛЗ для получения листового проката из низколегированных сталей ответственного назначения, в том числе предназначенного для изготовления магистральных газонефтепроводных труб большого диаметра.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
— разработать параметры промежуточных ковшей слябовых МНЛЗ, обеспечивающие эффективное удаление неметаллических включений к границе раздела «шлак - металл» за счет создания направленных гидродинамических потоков жидкого металла;
определить методами физического и математического моделирования качественные и количественные характеристики структуры течений в промежуточном ковше МНЛЗ при различных режимах разливки;
исследовать особенности формирования газожидкостных течений при донной продувке одиночной струей или системой струй инертного газа с целью установления оптимальных технологических параметров продувки;
изучить особенности взаимодействия газовых и циркуляционных течений, определить влияние основных гидрогазодинамических факторов на эффективность удаления неметаллических включений при рафинировании жидкой стали в промежуточном ковше МНЛЗ;
разработать комплексную технологию рафинирования металла от неметаллических включений в промежуточном ковше слябовой МНЛЗ с применением разработанных разделительных перегородок с переточными каналами оптимизированной конструкции, донными канальными фурмами для продувки металла аргоном, устройством для снижения циркуляции вблизи выпускного стакана промежуточного ковша;
определить влияние разработанной новой технологии непрерывного рафинирования трубных сталей в промежуточном ковше МНЛЗ на загрязненность жидкого, литого и катаного металла неметаллическими включениями различного вида и размера.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. В результате определения гидродинамических полей вектора скорости, образованных системой жидкометаллических струй в пространстве приемной и раздаточной секций промежуточного ковша МНЛЗ с разделительными перегородками с переточными каналами, установлены зависимость толщины перегородки от величины приведенного диаметра щелевого канала, максимальное значение угла наклона канала, суммарная площадь сечения переточных каналов, расположение осей каналов по высоте
перегородки.
Установлены закономерности формирования газожидкостных течений в жидком металле при донной продувке в промежуточном ковше МНЛЗ, конструктивные и газодинамические характеристики продувочных устройств, обеспечивающие течение инертного газа в жидкости в пузырьковом режиме, в том числе диаметр одиночного канала d0 продувочного устройства, зависимость от d0 расстояния между двумя рядом расположенными каналами и угол наклона к вертикали подаваемой газовой струи, при которых обеспечивается пузырьковое течение практически по всей глубине жидкого металла в промежуточном ковше.
Показано, что размещение продувочной фурмы вблизи разделительной перегородки приводит к улучшению условий рафинирования жидкого металла и снижению количества неметаллических включений в готовой стали за счет организации течения металла с одной зоной обратной циркуляции.
Разработана технология рафинирования стали ответственного назначения в промежуточном ковше МНЛЗ, направленная на снижение загрязненности жидкого, литого и катаного металла неметаллическими включениями, предусматривающая разделение объема ковша перегородками с трехрядными переточными каналами разработанной конструкции и в обработке металла в ковше газовыми струями, подаваемыми через донные керамические фурмы с определенным образом ориентированными каналами.
Практическая ценность и реализация работы. По результатам проведенных исследований разработана и внедрена технология рафинирования металла при разливке на слябовой криволинейной МНЛЗ через трехсекци-онный промежуточный ковш, в результате чего достигнуто снижение на 52% загрязненности литого металла неметаллическими включениями, полностью удалены включения размером более 30 мкм, на 40% сокращен уровень отсортировки листового проката по дефектам, выявляемым УЗК,
на 15-20% сокращена хвостовая обрезь слябов при выводе МНЛЗ «на концы».
В конвертерном цехе комбината «Азовсталь» изготовлена промышленная партия непрерывнолитых слябов, прокатанная на стане 3600 на листы толщиной 15,7-19,1 мм. Листовой прокат использован для изготовления газопроводных труб проекта «Восточная Сибирь - Тихий океан».
Объектом исследований служил жидкий металл, а также непрерыв-нолитые слябы и листовой прокат микролегированных ниобийсодержащих марок стали категории прочности Х60-Х70, предназначенных для производства электросварных труб большого диаметра.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 4 международных научно-технических конференциях.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в одной книге, 14 журналах и сборниках научных трудов, в том числе опубликовано пять статей в журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК. Получено пять патентов Украины на изобретения.
Диссертация содержит 5 глав и основные выводы.
В первой главе, представляющей собой литературный обзор, рассматриваются современные способы рафинирования жидкой стали в промежуточных ковшах МНЛЗ и методы изучения потоков металла в различных участках промежуточных ковшей.
Во второй главе представлено обоснование выбранных материалов, а также описание методов моделирования и проведения лабораторных и промышленных экспериментов, проведенных при автором при выполнении диссертационной работы.
В третьей главе изложены результаты изучения гидродинамических аспектов рафинирования металла в промежуточных ковшах МНЛЗ. По результатам гидравлического анализа движения жидкой стали в секционированном промежуточном ковше, подтвержденном результатами физического моделирования, уточнены величины поперечного сечения щелевого ка-
нала (h/B = 3 ), толщина перегородки / = 3h, ограничена величина угла наклона щелевого канала к горизонтали углом не более 45. С помощью адаптированных к реальным условиям математической модели и пакета прикладных программ, построенных на основании уравнения Навье — Сто-кса, неразрывности и дополненные соотношениями для k-є модели турбулентности, рассчитаны гидродинамические характеристики различных схем течения жидкого металла в приемной и раздаточной секциях промежуточного ковша МНЛЗ. Определено, что величины скоростей у разделительных перегородок достаточно малы, что дает обоснование рассматривать течения в каждой секции независимо и раздельно. Установлено, что формирование структуры течений в разливочной секции зависит от условий ввода жидкой стали через переточные каналы в разделительной перегородке. Определено, что разделительная перегородка с только горизонтальными переточными каналами не позволяет получить высококачественное рафинирование металла. В тоже время, при увеличении угла наклона каналов до 30 наблюдается достаточно устойчивое течение вдоль верхней границы, имитирующей шлак, и развитая зона обратной циркуляции. В результате проведенных исследований движения потоков металла над стаканом-дозатором промежуточного ковша определены условия образования затягивающей воронки, особенно актуальные применительно к переходным условиям разливки. Определено, что гидродинамический напор, позволяющий слив металла из промежуточного ковша без образования зоны вовлечения включений должен быть больше критического, который находится в пределах 280-340 мм. Зона захвата в горизонтальной плоскости составляет 2,5-3 диаметра выпускного стакана. Предложено обоснованное техническое решение по устранению или максимальному ослаблению вихревой зоны захвата путем уменьшения величины циркуляции разбивкой замкнутых циркуляционных вихрей в районе стакана-дозатора промежуточного ковша с помощью специальных огнеупорных рассекателей.
В четвертой главе приводятся результаты исследования взаимодействия гидро-газодинамических потоков в раздаточной секции промежуточного ковша слябовой двухручьевой МНЛЗ. Предложено рассматривать подаваемые в промежуточном ковше газовые потоки в виде совокупности газовых пузырей как транспортирующие средства жидкого металла в зону раздела «металл-шлак», где и осуществляется процесс ассимиляции неметаллических включений жидким шлаком. Определен параметр эффективности такого процесса, которым является соотношение между диаметром пузырька при достижения им верхней границы раздела «шлак-металл» dj и в момент отрыва от канала dj равное 2. Исходя из равенства подъемной силы и силы поверхностного натяжения проведено вычисление величины диаметра подводящего канала фурмы do- Методами физического моделирования установлена зависимость величины расхода газа в зависимости от давления в ресивере (аргонопроводе) и выбрано значение расхода газа Ог, минимизирующее поверхностные возмущения.
Отмечено, что при вертикальном вводе газа в расплав сначала формируется струйное течение, которое на некотором расстоянии от дна начинает распадаться на отдельные пузырьки. Определено минимальное расстояние между двумя вертикальными каналами ЛЬ, равное 40d0, при котором не происходит соединение истекающих газовых струй в одну. Также определено, что при вводе газовой струи под углом к вертикали образование газовых пузырьков начинается сразу же у места ввода газа и движение газовой фазы в жидкости происходит в пузырьковом режиме.
Проведенные вычисления поля вектора скорости за перегородкой показывают, что при продувке формируются потоки с двумя циркуляционными зонами (фурма располагается перед разливочным стаканом). В результате моделирования определено, что чем дальше фурма расположена от стакана, тем меньше размер циркуляционной зоны, расположенной вблизи перегородки. При оптимальном расположении фурмы можно получить практически оптимальное течение с одной циркуляционной зоной.
В ходе исследования структуры течений при переходных условиях разливки установлено, что при понижении уровня металла в раздаточной секции промежуточного ковша ниже критической происходит уменьшение размеров основной циркуляционной зоны, появление условий попадания большего количества неметаллических включений в кристаллизатор за счет уменьшения длины траектории движущихся объемов к разливочному стакану. То есть, при понижении уровня металла в промежуточном ковше продувку металла следует исключить. При наполнении промежуточного ковша, когда подачу аргона прекращать нельзя, необходимо обеспечить минимальное воздействие подаваемой газовой фазы на структуру циркуляционных течений.
В пятой главе представлены результаты промышленного внедрения технологии рафинирования металла в промежуточном ковше.
Промышленные испытания проводились при разливке микролегированных ниобийсодержащих трубных марок стали на криволинейных двух-ручьевых МНЛЗ конвертерного цеха ОАО «МК «Азовсталь». Прокатку опытного и сравнительного металла проводили на стане «3600» толстолистового цеха ОАО «МК «Азовсталь».
Использование разделительной перегородки усовершенствованной конструкции, имеющей отношение толщины перегородки к диаметру канала 8nepjdhan на уровне 2,14 - 3,60 и углами наклона двух нижних каналов
23 и 35 соответственно позволило обеспечить 100% выход годного листового проката по содержанию неметаллических включений для труб по проекту «Восточная Сибирь — Тихий океан».
Отмечено снижение общей загрязненности жидкого металла на 26,5 -30,4%; уменьшение включений размером более 20 мкм более, чем на 50%. Загрязненность листового проката трубных марок стали силикатами хрупкими и недеформируемыми снижена как по среднему, так и максимальному баллу. Это привело к сокращению на 15% отсортировки листового проката по дефектам, выявляемым УЗК.
В результате опробования технологии непрерывной разливки стали через промежуточные ковши, оборудованные огнеупорными рассекателями, установленными в раздаточных секциях, отмечено снижение в 1,3-1,5 раза отсортировки по дефектам, выявляемым ультразвуковым контролем листов, прокатанных из слябов, отлитых на переходных режимах разливки. Получена возможность при использовании данной технологии сократить хвостовую обрезь слябов при выводе МНЛЗ «на концы» на 15-20%.
Промышленное опробование комплексной технологии поточного рафинирования металла в промежуточном ковше показало снижение общей загрязненности жидкого опытного металла по сравнению со сравнительным на 9-26% при величине степени рафинирования опытного металла 13,2-45,7% (на сравнительном - 5,0-27,5%). Отмечено уменьшение загрязненности литого металла (по общему индексу загрязненности) с 0,83 - 2,33 (сравнительный металл) до 0,46 — 1,24 (опытный металл), т.е. практически в 2 раза. Кроме того, выявлено изменение количества мелких и крупных включений при использовании новой технологии: увеличение количества включений размером менее 10 мкм в общей массе включений с 43,9% (сравнительный металл) до 68,9% (опытный металл) при исключении включений размером более 30 мкм в общей массе включений (в сравнительном металле - 29,0%).
По представленной работе на защиту выносятся:
Установленное влияние геометрических параметров перегородки с переточными каналами на структуру потоков металла в раздаточной секции промежуточного ковша МНЛЗ.
Установленные механизмы образования зоны замкнутой циркуляции над разливочным стаканом промежуточного ковша и способ ее устранения с применением огнеупорных рассекателей.
Закономерности влияния режимов продувки и параметров донной многоканальной фурмы с однорядным расположением каналов на формирование газодинамических потоков в раздаточной камере промежуточного
ковша.
Установленные гидрогазодинамические факторы, обеспечивающие пузырьковый режим продувки по всей глубине металла в промежуточном ковше, исключающие взаимодействие газовых струй, поступающих из соседних каналов.
Выявленные условия течения металла с одной зоной обратной циркуляции при подаче газовой струи в раздаточной секции промежуточного ковша, улучшающие рафинирование жидкого металла.
Разработанные режимы комплексного рафинирования металла в промежуточных ковшах слябовых МНЛЗ в условиях конвертерного цеха ОАО «МК «Азовсталь».
Выявленное влияние разработанной технологии рафинирования стали на снижение ее загрязненности неметаллическими включениями.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю, доктору технических наук Ю.И. Матросову. Диссертант выражает особую благодарность научным сотрудникам: Физико-технического института металлов и сплавов НАН Украины - Б.С. Гончару, Е.Ф. Диюку, Приазовского государственного технического университета -Е.А. Чичкареву, Донецкого национального университета - В.В. Белоусову, за содействие в выполнении работы и получении результатов, а также ценные замечания по содержанию диссертации. Автор выражает признательность своим коллегам по работе - сотрудникам Центральной лаборатории (Исследовательско-технического центра) ОАО «МК «Азовсталь» за помощь в проведении экспериментов и исследований по проведенной диссертационной работе.
Физическое моделирование гидродинамических процессов в промежуточном ковше
За последние годы многие специалисты пришли к выводу, что управление процессами перемешивания и потоками расплава в промежуточных ковшах является важным компонентом программы, обеспечивающей высокое качество металла при непрерывной разливке стали. Установлено, что благодаря сглаживанию флуктуации потоков металла эти устройства могут сыграть ключевую роль в снижении числа неметаллических включений [11, 20-23 ].
Для исследования гидродинамических процессов в промежуточных ковшах широко используется физическое моделирование (обычно на прозрачных моделях), позволяющее установить наличие застойных зон, получить оценки скорости потоков моделирующей жидкости в различных точках, исследовать распределение времени пребывания потока в ковше.
В зависимости от задач моделирования и учитываемых критериев подобия используют водяные модели в масштабе от 1:1...2:3 до 1:6...1:12. В экспериментах на моделях используют следующие методы: фотосъемку перемещения границы подкрашенной жидкости для определения направления и иногда скорости ее течения [24]; фотосъемку движения трассирующих частиц для определения скорости течения [25]; пленочные термоанемометры, лазерные доплеровские анемометры, анемометры с горячей нитью [25-29] для измерения скорости течения; импульсный ввод индикатора для исследования динамики его пребывания в агрегате (т.е. определения плотности распределения частиц потока по времени пребывания) [23, 30].
Последний метод позволяет получить требуемую информацию по распределению времени пребывания, определить условия, приводящие к возникновению коротких контуров циркуляции [23, 30], оценить объем "мертвых" зон [30]. Однако он не дает информации о направлении и скорости потоков жидкости в модели промежуточного ковша. Метод импульсного ввода индикатора применим и для реального промежуточного ковша (например, при использовании в качестве индикатора меди [31]).
Термоанемометры являются одним из наиболее распространенных типов приборов, используемых в исследованиях турбулентных течений [27-28]. Они могут применяться для измерений как в воздухе, так и в капельных жидкостях. Однако, по оценке [27] термоанемометры, как и лазерные комбинированные измерители скорости - сложные, очень дорогие приборы, требующие для обслуживания высококвалифицированного штата операторов и специализированной приборной лаборатории, что делает их малодоступными для универсального использования.
Простым, универсальным и наиболее доступным является метод фотосъемки визуализированного турбулентного потока [27-28]. Визуализацию течения проводят введением в поток микрочастиц, размеры которых могут быть доведены до 0,2 мкм, или контрастного красителя [24, 32]. Измерение скоростей визуализированного дисперсными частицами течения сводится к фотографированию перемещения движущихся частиц за достаточно малый промежуток времени At, в течение которого картину течения можно считать мгновенной. Длина / следа от частицы визуализатора на негативе пропорциональна модулю вектора скорости течения, масштабу съемки М и обратно пропорциональна времени экспозиции At. Следовательно, измеряя / и угол а отклонение следа от оси потока, можно определить две составляющие мгновенной скорости:
Границы следа частицы обычно не имеют резких очертаний. Кроме того, длина / зависит от размеров частиц визуализатора и в известной степени от освещенности. Чтобы исключить эти ошибки, на один негатив делают 2-4 снимка последовательно через равные интервалы времени At. В этом случае At определяется как шаг цепочки [27-28].
Основной недостаток метода визуализации при помощи дисперсных частиц — трудоемкость ручной обработки фотограмм, поэтому во многих случаях ограничиваются лишь анализом качественной картины течения (например, в [25-26]).
Визуализация течения путем подкрашивания контрастным красителем также сопровождается фоторегистрацией контуров распространения окрашенной области [24, 32]. Этот метод также позволяет оценить скорость и направление течения жидкости. Он довольно трудоемок, менее точен, чем визуализация потока добавками дисперсных частиц, но весьма удобен вследствие простоты реализации.
По оценке [23], водяные модели очень полезны на ранних этапах проектирования эффективных конструкций промежуточных ковшей. Однако им присущи определенные недостатки, в т.ч.: большие физические размеры (для моделей в масштабе 2:3 ...1:1); невозможность получить подробную информацию о поле скоростей в потоке жидкости, а также данные о структуре турбулентности, даже при использовании лазерного измерителя скоростей; невозможность решить вопрос о коалесценции включений и их флотации из металла, особенно в неизотермических условиях.
Несмотря на отмеченные недостатки и приближенный характер физического моделирования, его результаты представляют значительный интерес как для разработки рациональной конструкции промежуточного ковша, так и для оценки адекватности результатов математического моделирования. В этой связи наиболее привлекательны методы импульсного ввода индикатора и визуализации турбулентного течения, допускающие использование результатов моделирования непосредственно для проектирования технологии. Например, в [26] на основании результатов физического моделирования удалось уточнить место установки перегородок в промежуточном ковше и оценить рациональный угол наклона отверстий в фильтрующих перегородках.
Физическое моделирование (обычно с использованием нескольких методов) применяется и для решения вопросов проектирования промежуточных ковшей. Например, в работе [33], посвященной физическому моделированию гидродинамических процессов в промежуточном ковше, исследовано влияние порогов и перегородок на структуру потоков в промежуточном ковше с использованием методов ввода контрастного красителя и импульсного ввода индикатора. Основные результаты приведены на рис. 1.1 — 1.2.
На рис. 1.1 приведено также представление объема промежуточного ковша в виде ячеечной модели. На рис. 1.2 представлены кривые, полученные при исследовании структуры потоков в модели промежуточного ковша методом импульсного ввода индикатора.
Исследование влияния конструктивных элементов промежуточного ковша на потоки в нем позволяет сделать ряд выводов о целесообразности их использования по отдельности или в комбинации. Так, согласно [33], наличие перегородок всегда приводит к появлению коротких циркуляции в промежуточном ковше. Использование порогов (единичных или в комбинации с перегородками) приводит к полному исчезновению коротких контуров циркуляции и появлению потоков металла, направленных к поверхности промежуточного ковша.
Методики проведения исследования загрязненности металла неметаллическими включениями
Для исследования были выбраны марки стали с различными схемами микролегирования, предназначенные для изготовления труб категории прочности К52-К60. Выбор материала для исследования обусловлен повышенными требованиями стандартов к качеству газо- и нефтепроводных труб, в том числе по минимизации содержания неметаллических включений.
Выплавку плавок опытных марок стали осуществляли в промышленных условиях ОАО «МК «Азовсталь» в конвертерах емкостью 350 т. Металл исследуемых плавок разливали на двухручьевых машинах непрерывного литья заготовок криволинейного типа. После непрерывной разливки и порезки слябы охлаждали в штабелях в течение не менее 48 часов. Дальнейшую прокатку слябов производили на толстолистовом стане «3600» ОАО «МК «Азовсталь».
Производили исследования: жидкого металла (пробы при разливке стали на МНЛЗ); литого металла (пробы от непрерывнолитых слябов); деформированного металла (пробы от листового проката).
Для изучения количественного изменения содержания неметаллических включений производили отбор проб металла из приемной камеры промежуточного ковша и кристаллизаторов опытного и сравнительного ручьев в середине разливки первой, третьей и пятой (седьмой) плавок в серии.
Пробы из промежуточного ковша отбирали при помощи штатного пробоотборника эжекционного типа путем его погружения под уровень металла на глубину 250-350 мм.
Пробы из кристаллизатора отбирали при помощи вакуумного пробоотборника при погружении его кварцевой трубки в металл под углом 75-85 к поверхности металла на расстоянии 250-350 мм от узкой стенки кристаллизатора.
Оценку загрязненности металла силикатными, сульфидными, нит-ридными включениями, а также общий индекс загрязненности производили по ГОСТ 1778-80 (метод Л).
Исследования макроструктуры производили на темплетах, отобранных от слябов, отлитых на опытном и сравнительном ручьях МНЛЗ. Оценку производили по серым отпечаткам (метод Баумана) и по результатам глубокого («горячего») травления 50%-ным раствором НО. В качестве оценочных приняты стандартные шкалы ОСТ 14-4-71.
Изучение загрязненности литой стали неметаллическими включениями по типам и размерным группам производили по пробам, вырезанных из середины темплетов по их толщине вдоль узкой грани (см. схему нарис. 2.4).
На шлифах изучали природу, форму, размер и распределение включений. Количественный подсчет содержания неметаллических включений проводился методом индексов (метод Л по ГОСТ 1778-70) при 500-кратном увеличении с помощью микроскопа «НЕОФОТ-2», а также непосредственным подсчетом включений при помощи металлографического микроскопа ММР-2Р. Учитывалось количество включений по размерным группам и соответствующему типу (сульфиды, оксиды, нитриды), определялся их индекс загрязненности. Индекс загрязненности неметаллическими включениями определялся как отношение суммарной длины включений, встретившихся в поле зрения шлифа, по всей длине подсчета. Для каждого шлифа оценка содержания неметаллических включений усреднялась по 20 полям зрения. Длину подсчета равномерно распределяли по поверхности изучаемого шлифа, согласно уравнению: где 3-І - среднее значение размеров включений в делениях окулярной шкалы; rrij - количество включений в данной размерной группе; b - цена деления окулярной шкалы при данном увеличении, мкм; L - длина подсчета, мкм. Определяли также общий индекс загрязненности шлифов на основании подсчета всего количества включений всех размерных групп и видов.
Исследования деформированного металла Оценка загрязненности неметаллическими включениями металла в деформированном состоянии производилась методом Ш6 по ГОСТ 1778-80, заключающаяся в определении максимальной и средней (по 6 пробам листов одной плавки) величины (в бальной системе) включений различных типов (оксиды, сульфиды, силикаты).
Оценка соответствия листового проката требованиям стандартов (ГОСТ 22727, SEL 072) производилась ультразвуковым методом (УЗК) на установке ДУЭТ-5 толстолистового стана «3600» ОАО «МК «Азов-сталь». Требования стандартов по загрязненности листового проката неметаллическими включениями приведены в таблице.
Количественная оценка результатов УЗК листов производилась путем вычисления отношения - --100%. Вид характерной дефектограммы листа, несоответствующего требованиям стандарта SEL 072 как по площади единичного дефекта, так и по суммарной площади дефектов, приведена на рис.
Математическое моделирование процесса формирования циркуляционных потоков в различных секциях промежуточного ковша МНЛЗ
Изучение формирования структуры течения в приемной и раздаточной секциях промежуточного ковша МНЛЗ в зависимости от конструктивных параметров фильтрационных элементов перегородок является важной задачей, которая обеспечит условия эффективного протекания процессов рафинирования жидкой стали на промежуточной стадии ее транспортирования между сталеразливочным ковшом и кристаллизатором [111]. Для решения этой задачи использовали методы математического моделирования. Обобщенную гидродинамическую модель, описывающую процессы течения жидкого металла в исследуемой области, можно разбить на следующие взаимосвязанные задачи: - поступление жидкости сверху и образование вихревой структуры, порожденной затопленной струей в приемной секции; - при стационарном и нестационарном режимах (при смене ковшей и выходе на режим); - истечение расплава из приемной секции в раздаточную через переточные каналы [112]. Рассмотрены приемная и раздаточные секции промежуточного ковша (рис. 3.10). В приемную секцию поступает жидкая сталь в виде вертикальной затопленной струи. Через переточные каналы, которые находятся в перегородках, металл поступает из приемной секции в раздаточные. Из раздаточной секции металл через стакан поступает в кристаллизатор. Описываемую область можно разделить на две зоны ограниченного пространства: первая зона соответствует приемной емкости; вторая — раздаточной. Процессы, протекающие в обеих секциях, описываются уравнениями Навье-Стокса и неразрывности.
Предполагается, что при расчете в приемной и раздаточной секциях движение расплава должно быть установившимся при постоянном уровне металла. Поэтому движение металла описывается стационарным уравнением Навье-Стокса. При нестационарном режиме движения описываются в общей постановке нестационарным уравнением Навье-Стокса, которое в форме переменных «вихрь со - скорость V» для пространственной задачи описывается в виде [113]: вихря скорости; и, v, w - компоненты скорости по координатам х, у и z соответственно; t - текущее время; v - коэффициент эффективной вязкости, являющейся суммой кинематической и турбулентной вязкости. Предложенная форма записи («вихрь ю — скорость V») системы уравнений (3.4)-(3.5) имеет преимущества при решении пространственных задач по сравнению с методами в „простейших" переменных («V - скорость и Р — давление») и «вихрь ю - функция тока \/». При использовании записи в простейших переменных решаются только четыре уравнения: три для компонент скорости и одно для давления, что существенно сокращает время счета. Однако генерация пространственной сетки в «шахматном» порядке [114], итерация уравнения Пуассона для давления, а также недостаточно обоснованные неявные методы существенно снижают преимущества такой формы записи.
Метод «вихрь — скорость» как и метод «вихрь — функция тока» требует решения шести уравнений (три для компонент вихря скорости и три либо для компонент пространственного потенциала, либо для компонент скорости), но сочетает хорошо обоснованную методику решения в неявной форме легко задаваемые граничные условия для скорости. Вместе с тем метод «вихрь — функция тока» требует введения пространственного потенциала и существенно усложняет запись граничных условий для пространственного потенциала. Система уравнений (3.4)-(3.5) дополняется начальными и граничными условиями: - начальные - все компоненты скорости и вихря скорости равны нулю; - граничные условия — состоят из условий «непроницаемости» и «прилипания» на стенки. Например, на стенке у = уо в плоскости (х, z) граничные условия за писываются в виде: u = v = w = 0. (3.7) Вихрь скорости на этой плоскости равен: На входной границе, где поступает метал: граничное условие Неймана и Дирихле: Для расчета турбулентной вязкости предлагается двухпараметриче-ская модель (к — є) [115]. В соответствии с этой моделью, турбулентная вязкость определяется следующей зависимостью от величины кинетической энергии к и скорости ее диссипации є: Уравнения переноса для к и є имеют вид где С ,С С2, т,сгк - константы турбулентности. В работе [116] даны значения констант и диапазоны их применения для металлургических процессов. Численная реализация предложенной математической модели осуществлялась на языке программирования Delphi 7.
Была выбрана неравномерная конечно-разностная сетка: для приемной секции 30450420 и для разливочной секции 50450420. Использовалась неявная конечно-разностная монотонная схема с использованием разности против потоков, возмущенного оператора и прогонки. Алгоритм решения трехмерной задачи следующий. Один шаг по времени разделяется на три временных подслоя: п+1/3; п+2/3; п+\. Сначала находим распределение вихря скорости, для этого решается уравнение Навье-Стокса для сох — компоненты на п+1/3 временном подслое, затем для этой же компоненты решается уравнение на п + 2/3 и п + 1 временных подслоях. Такая же последовательность осуществляется при нахождении распределений сОу а 2 компонент вихря скорости. Затем из решения уравнения Пуассона находим значения для трех компонент скорости. Для численной реализации уравнение (3.4) преобразуется к каноническому виду, для оси х записывается следующим образом
Исследование взаимодействия системы газовых и жидкометаллических струй и их влияния на структуру циркуляционных течений
Особенности формирования структуры циркуляционных течений в раздаточной секции промежуточного ковша играют важную роль в процессе удаления неметаллических включений. В то же время ввод нейтрального газа (аргон в реальных условиях, воздух при физическом моделировании) может рассматриваться как внешняя сила к общей гидродинамической задаче, которая может повлиять на геометрические и динамические характеристики течения жидкой стали в ограниченном пространстве. При описании гидродинамических процессов при газодинамическом воздействии на структуру течения уравнения (3.4) и (3.5) в зоне 2 в сочетании с граничными и начальными условиями (см. главу 3) дополняются соотношением для двухскоростной модели, позволяющей учитывать разность скоростей жидкой и газовой фаз. Эта модель в первом приближении предполагает, что в исследуемой зоне в процессе движения от места образования до поверхности не изменяются размеры и скорость движения газовых пузырьков где р - содержание газовой фазы, Vr - скорость ее движения. При определении параметра fp принимается во внимание, что вводимая в металл газовая струя дробится на пузырьки одинакового радиуса и это происходит в области объемом Vp. Тогда в точках, принадлежащих области Vp, выполняется соотношение где Qv - объемный расход газа, R0 - начальный радиус пузырька. В точках, VpHe принадлежащих, fp=0. Параметр, позволяющий учитывать разность скоростей жидкой Уш и газовой фаз Vn в уравнении Навье-Стокса, определяется по формуле [129] где - коэффициент гидравлического сопротивления пузыря. Граничные условия для газовой фазы нулевые на стенках и равны скорости поступления газовой фазы в системе струй.
Представленное выше дополнение к общей математической модели также входит в состав интегрированного пакета прикладных программ. Исследование взаимодействия системы газовых и жидкометалличе ских струй проводили для варианта «толстой» перегородки с каналами, расположенными на трех уровнях, для которых значения углов наклона а составляют соответственно 23, 35 и 0 (начиная от первого нижнего уровня). Расположение фурмы в донной части раздаточной секции пока зано на рис. 4.9. . . Проведенные вычисления поля вектора скорости в ограниченном пространстве за перегородкой показывают, что при продувке формируются потоки с двумя циркуляционными зонами, если фурма располагается перед разливочным стаканом (рис.4.10). Следует отметить, что чем дальше фурма расположена от стакана, тем меньше размер циркуляционной зоны, расположенной вблизи перегородки. При оптимальном расположении фурмы можно получить практически течение с одной циркуляционной зоной, к чему нужно стремиться. Полученные результаты математического моделирования структурно подтверждаются данными физического моделирования, показанными на рис. 4.11. Используемая математическая модель может дать результаты для любого положения фурмы и произвольно выбранной конструкции перегородки. Для дополнения полученных результатов рассмотрим два варианта: - используемая перегородка с расположением фурмы за разливочным стаканом (рис. 4.12а); - перегородка со щелевым каналом, площадь которого равна сумме площадей распределенных каналов (рис. 4.126). Первый вариант подвода газа (рис. 4.12а) соответствует гипотезе рафинирования жидкого металла в противотоке газовой фазы. К сожалению, этот вариант имеет существенные недостатки, главным из которых является то, что газовые струи создают циркуляционную зону с вращением против часовой стрелки. А это, в свою очередь, сокращает путь движения (зону контакта) жидкого металла вдоль шлакового покрова, снижает эффективность действия каналов и перегородки и способствует попаданию поступающей в раздаточную секцию жидкой стали по кратчайшей траектории. Это приводит к ухудшению качественных характеристик металлопродукции.
