Современные огнеупоры и эффективность их применения при производстве и разливке стали
  Доклад №20

Роль турбулентности в процессах непрерывного рафинирования cтали в ванне промежуточного ковша мнлз

Белоусов В.В., Гончар Б.С., Комаров В.Ф., Ноговицын А.В.

Показано положительное влияние турбулентного перемешивания на гомогенизацию жидкой стали и снижение ее химической неоднородности в объеме промежуточного ковша МНЛЗ. Предложены режимы рафинирования, при которых не происходит обратного вовлечения неметаллических включений в жидкую сталь.

Ключевые слова: промежуточный ковш, турбулентность, перемешивание, гомогенизация, рафинирование

Наиболее эффективно процесс непрерывного рафинирования в промежуточном ковше МНЛЗ будет протекать, если вследствие трансформации гидрогазодинамических течений (например, при продувке инертным газом) будет обеспечено транспортирование жидкого металла, обогащенного неметаллическими включениями, в зону контакта «жидкий металл – рафинирующий шлак».

Из распределений значений горизонтальной компоненты скорости вдоль вертикальной координаты за продувочным блоком видно, что максимальное значение равно 0,44 м/с [1].

При таких значениях скорости расплава и учитывая геометрические Vx размеры ПК рассчитаем число Рейнольдса ( Re = Vx/v, где V – скорость расплава, х – характерный размер ПК, v– коэффициент кинематической вязкости). Re =1,3x10 , что значительно превышает порог урбулентности.

Поэтому при моделировании гидродинамических процессов в расплаве в ванне ПК необходимо учитывать влияние турбулентной вязкости [2].

Необходимость учета турбулентности объясняется тем, что в первоначально регулярных потоках в результате неустойчивости возникают случайные возмущения, которые быстро растут, взаимодействуя с основным потоком, и друг с другом, порождают новые возмущения, т.е. потоки становятся турбулентными. Существуют две основные причины неустойчивости: сдвиг скорости в пространстве (изменение скорости поперек потока) и термическая неустойчивость в жидкости, неравномерно разогреваемой в пространстве и находящейся в поле силы тяжести. В первом случае неустойчивость развивается при достаточно больших числах Рейнольдса (Re). Второй случай связан с неустойчивостью, развивающейся в условиях тепловой конвекции, которая в данной постановке не рассматривается.

скорость, продувочный блок

Рисунок 1 – Распределений значений горизонтальной компоненты скорости за продувочным блоком вдоль вертикальной координаты

Другим критерием, характеризующим турбулентную обстановку является критерий Ричардсона (Ri). Этот критерий подобия в гидродинамике, равен отношению потенциальной энергии тела, погружeнного в жидкость к его кинетической энергии. Под «телом» здесь обычно понимается рассматриваемая жидкость или газ. В случае металл – шлак формула Ri запишется в виде

где – плотность жидкости; – плотность шлака; g – ускорение свободного падения; L – характерная длина в вертикальном направлении; v – характерная скорость.

Если помножить и разделить выражение (1) на L2/v2, то получим

Если число Ричардсона меньше единицы, то сила Архимеда (Ar) не играет существенной роли для течения. Если оно больше единицы, то сила плавучести доминирует (в том смысле, что конвекция не может эффективно перемешать расслоившуюся по плотности среду).

Расслоившееся среда характеризуется вязкостью – свойством жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу слоев. Это свойство проявляется в том, что в реальной жидкости при движении возникают касательные напряжения . В нашем случае касательные напряжения от расплава к шлаку равны напряжением от шлака к расплаву. По данным экспериментальных исследований для расплава промышленных марок стали значения динамической вязкости в интервале температур 1480-1650°С находятся в пределах 0.007 Па с . Динамическая вязкость шлаков колеблется в широких пределах (0.01-0.4 Па·с). Тогда

где индексы «р» и «ш» соответствуют параметрам расплава и шлака.

Согласно полученным результатам численного моделирования возможно определить градиент скорости вблизи шлака. Величина х выбирается из следующих соображений: толщина жидкого слоя шлака 0,01 м. Такая толщина слоя выбирается и для определения градиента скорости в расплаве, который равен 0,3 1/с. Тогда, с учетом динамических параметров системы (плотности стали – 7000 кг/м3, шлака – 3000 кг/м3, характерным размером радиуса вихря – 0,32 м, средней скорости циркуляции расплава вблизи шлака – 0,44 м/с.), критерий Ричардсона, в этом случае, в период продувки в зоне максимальных приповерхностных скоростей равен Ri=9,03.

В результате решения уравнения (3) определено значение скорости шлака на границе «расплав – шлак», которая для указанных параметров равна 0,0018 м/с.

Для анализа влияния гидрогазодинамических потоков развивающихся в ограниченном пространстве ПК на интенсивность теплообмена и процесс удаления неметаллических включений можно применять критерии на основе интегральных величин средних значений удельной кинетической энергии осредненного движения K и удельной кинетической энергии турбулентного движения KT характерных зон течения (рис. 2) размерности м22

где u, v, k – локальные значения проекций скорости и кинетической энергии турбулентного движения, получаемой из решения уравнений движения с учетом модели k-e, соответственно; – площадь выделенной зоны течения. Интегралы приведены для случая рассматриваемой модельной задачи в плоскости.

Выделение характерных зон (рис. 2) производится по контурам изолиний, проходящих на границах раздела циркуляционных и прямых течений. Если плотность расплава металла , то среднюю удельную кинетическую энергию в зоне можно определить с помощью формулы EK = K.

промежуточный ковш, потоки

Рисунок 2 – Пример характерных зон потоков в промежуточном ковше:1, 2 – зоны циркуляции; 3 – зона прямого течения.

Таким образом, проведенные расчеты и полученные результаты распределения величин кинетической и турбулентной энергии для предло- женных технологических схем непрерывного рафинирования жидкой стали от неметаллических включений показывают, что турбулентное перемешивание способствует гомогенизации жидкой стали и снижению ее химической неоднородности в объеме промежуточного ковша МНЛЗ. При рекомендованных режимных параметрах рафинирования (например, с использованием продувки аргоном) в зоне контакта «рафинирующий шлак – жидкий металл» создаются условия устойчивого течения без взаимного проникновения слоев, вследствие чего обратного вовлечения неметаллических включений в жидкую сталь не роисходит.

Библиографический список

  • Анализ гидрогазодинамических факторов, обеспечивающих эффективное удаление неметаллических включений при непрерывном рафинировании жидкой стали в ПК НМЛЗ// Гончар Б.С., Ноговицин А.В., Белоусов В.В. и др. – Сталь № 11 2011, с.80-84.
  • Затвердевание металлов и металлических композиций // Недопекин Ф.В., Хрычиков В.Е., Белоусов В.В. и др. - Учебник, Наукова думка, Киев, 2009.- 412 с.
  Доклад №20
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ