Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 2.4

Принудительное перемешивание расплава в ковше

Перемешивание расплава в ковше является обязательной операцией внепечной обработки. Известно, что в сочетании с интенсивным перемешиванием скорость рафинирования металла различными технологическими средствами существенно возрастает, становится возможным реализация эффективного дугового нагрева и вакуумной обработки раскисленной стали. Более того, путем перемешивания достигают требуемые по условиям разливки степень однородности температуры и химического состава стали, которые в значительной мере определяют технико-экономические показатели процесса производства.

Количественная оценка изменения температуры стали по ходу разливки из 160-т ковша в кислородно-конвертерном цехе комбината им. Ильича приведена в работе [197]. Установлено, что для плавок без перемешивания аргоном перепад температуры стали по ходу разливки составляет в среднем 30-32 oС, а на плавках, обработанных продувкой аргоном через пористый блок, этот перепад уменьшается до 7-8oС (то есть, примерно в четыре раза). Следует отметить, что величина потерь тепла металлической ванны на нагрев вдуваемого газа оказывается пренебрежительно малой. Так, падение температуры стали составляет 1,8 oС на 1м3/т, что в приведенном случае не превышает 0,05 oС. Перемешивание жидкой ванны в ковше по способу организации разделяют на пневматическое (путем продувки инертным газом) и электромагнитное (за счет взаимодействий индуцируемого в жидкой стали электрического тока с внешним переменным электромагнитным полем).

Принято считать, что для достижения максимальной равномерности химического состава целесообразнее использовать электромагнитное перемешивание, а для глубокого рафинирования (десульфурация и дегазация) – продувку аргоном.

Пузырьки газа, которые проходят при продувке весь металл по высоте, способствуют его рафинированию. Интенсивное перемешивание ускоряет доставку неметаллических включений к поверхности раздела металл – шлак и удаление их из стали, чему способствует флотация неметаллических включений пузырьками продуваемого газа. Так как парциальное давление, например, водорода в пузырьках инертного газа практически равно нулю, они по отношению к растворенному водороду являются «вакуумными» полостями и экстрагируют газ из металла.

Известно, что характер и интенсивность движения стали в ковше зависят от ряда параметров продувки, которые влияют на ее эффективность, в частности на степень гомогенизации металлической ванны [198]. На основании исследований поведения металла при продувке в различных агрегатах установлена зависимость времени, необходимого для достижения определенной степени гомогенизации, от параметров продувки, основным из которых является диссипация энергии. Так, величина диссипации энергии увеличивается, а время, необходимое для гомогенизации стали в ковше при заданной температуре, уменьшается с повышением скорости поступления газа в металл, а также с увеличением глубины барботажной зоны. С увеличением массы металла и диаметра ковша время гомогенизации увеличивается.

Современная техника пневматического перемешивания сравнительно проста и надежна в обслуживании и эксплуатации. Разработанные и широко применяемые технологические варианты обеспечивают необходимый уровень мощности перемешивания, что позволяет удалять неметаллические включения, а также интенсифицировать массообменные процессы между металлической и шлаковой фазами.

На практике для вдувания инертного газа в металл на этапе внепечной обработки применяют либо погружаемые в расплав фурмы, либо специальные огнеупорные блоки, устанавливаемые в днище ковша.

Применение погружаемой продувочной фурмы не требует изменения конструкции сталеразливочного ковша, устройство ввода надежно и просто в эксплуатации, что и предопределило применение способа как резервного для перемешивания стали на установке «ковш-печь». Большое количество установок «ковш-печь» оснащены дополнительной погружаемой фурмой, которая находится в поднятом положении и вводится в расплав только в случае нарушения газопроницаемости продувочных устройств в днище ковша. В большинстве случаев такой способ аварийного перемешивания позволяет восстановить работу донных продувочных устройств.

Основной тенденцией развития новых конструкций продувочных устройств является все более широкое применение специальных керамических пробок, устанавливаемых в днище ковша. Это стало возможным благодаря повышению их эксплуатационной стойкости и снижению удельных затрат. Применение донных продувочных блоков позволяет более точно регулировать расход вдуваемого газа при его стабильной подаче, а также обеспечить вдувание газа в нескольких точках. В целом, за исключением каких-то специальных случаев, следует отметить стремление технологов уменьшить интенсивность продувки металла в ковше при увеличении ее продолжительности в ходе цикла обработки.

В соответствии с основными технологическими задачами продувку стали инертным газом ведут на различных этапах пребывания стали в ковше с изменением интенсивности в широких пределах: от 3-6 до 35-50 м3/ч (от 50-100 до 600-800 л/мин), что предъявляет продувочному узлу требование универсальности. Характеристика газового потока из продувочного узла зависит от профиля и расположения газовых каналов.

Для продувочного узла выбирают огнеупорный материал, исходя из условий эрозии и абразивного износа при службе с учетом конструктивного исполнения и особенностей изготовления [199, 200]:

  • пористые пробки из материала с высокой пористостью, где газ протекает через произвольно расположенные капиллярные каналы, имеющие большой спектр величины диаметра;
  • комбинированные пробки с круглыми каналами заданного диаметра, которые соединены между собой или являются независимыми;
  • сборные сегментные пробки со щелевыми каналами заданного сечения, расположенные по какой-либо схеме.

Как показал опыт промышленной эксплуатации, пористые пробки рекомендуется применять только для условий работы с относительно коротким временем продувки и пребывания металла в ковше. Это объясняется тем, что из-за высокой пористости и несистематизированного расположения газовых каналов на практике происходит быстрое проникновение стали в поры продувочного узла. Последующие термические удары и химическая (кислородная) очистка приводит к быстрому разрушению пробки (в течение 7-15 плавок). При удлинении времени продувки разрушение пробки может происходить еще быстрее и приводить к аварийным ситуациям.

Более высокая эксплуатационная стойкость продувочных узлов может быть достигнута в случае применения специальных блоков с направленной пористостью. При этом сборная пробка со щелевыми каналами оказывается наиболее предпочтительной с точки зрения организации процесса продувки и подбора наилучших по стойкости материалов для отдельных керамических элементов, входящих в конструкцию продувочного узла. При использовании пробки сегментного типа их проницаемость для газа сохраняется в 90 % и более случаев без применения кислородной очистки перед очередным наливом. Эксплуатационная стойкость такой пробки может сохраняться в течение 30-50 плавок и более (до 4000 минут продувки), что обеспечивает ее равную стойкость в сравнении с огнеупорами днища ковша. При этом посредством выбора начальной высоты пробки возможно регулирование показателя ее эксплуатационной стойкости [199].

Усреднение стали в объеме сталеразливочного ковша сопровождается рядом процессов, которые оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на её качество и себестоимость [22, 201-204]:

  • энергичное перемешивание жидкой ванны металла в ковше путем формирования восходящего газометаллического циркуляционного потока в месте инжекции газа и нисходящих конвективных потоков стали по периферии;
  • взаимодействие потоков металла и покровного шлака, как по всей поверхности, так и в зоне выхода газа из металла в шлак (степень развития этого процесса зависит от интенсивности вдувания газа и способа его инжектирования);
  • повышение степени чистоты стали по неметаллическим включениям за счет эффекта флотации во всплывающих пузырьках инжектируемого газа и их взаимодействия с рафинировочным шлаком;
  • ускорение процессов расплавления и усвоения вводимых в жидкую ванну твердых реагентов, раскислителей, модификаторов и лигатур;
  • ускорение процесса вакуумной дегазации стали за счет транспортировки к поверхности зеркала расплава порций металла, расположенных в нижней части ковша;
  • развитие процесса вторичного окисления и насыщения стали газами в случае чрезмерно интенсивной продувки;
  • ускорение износа футеровки сталеразливочного ковша, что во многом предопределяет повышение требований к качеству и химическому составу огнеупоров.

При проектировании технологии внепечной обработки все вышеперечисленные процессы необходимо количественно оценить и соизмерить в зависимости от целей, а также технических и технологических ограничений в конкретных условиях производства. Наряду с обеспечением требуемого уровня рафинирования стали оптимизируют конструкцию ковша, тип и расположение продувочных устройств, а также режим продувки с целью экономии энергетических и материальных ресурсов.

Для разработки рациональных схем технологии перемешивания металла в ковше при вдувании инертного газа требуется изучение гидродинамики жидкой ванны и интенсивности перемешивания. Прямое определение рабочих параметров в промышленных условиях не представляется возможным, поэтому для этих целей широко используются методы физического и математического моделирования [205].

Физическое моделирование, как правило, применяют с целью визуальной оценки рационального расположения и количества продувочных устройств, а также характера гидродинамических процессов в системе, от которых в значительной мере зависит размер зоны контакта покровного шлака с футеровкой, а, следовательно, и скорости ее локального износа.

Альтернативным методом перемешивания металла в ковше является воздействие на расплав электромагнитного поля (рисунок 2.3). Характерной особенностью этого метода перемешивания является то, что индуктор расположен с внешней поверхности ковша, и воздействие проникает от стены ковша внутрь жидкой ванны. При этом в оборудовании отсутствуют движущиеся части и элементы, непосредственно контактирующие с жидким металлом. Кроме того, при наложении электромагнитного поля на металл имеются весьма широкие возможности по регулированию мощности перемешивания, а также по реверсированию направления движения потоков [206].

Схематическое представление характера перемещения потоков металла при продувке газом и ЭМП

Рисунок 2.3 – Схематическое представление характера перемещения потоков металла при продувке газом (а) и ЭМП (б)

Между тем, нельзя не отметить и достаточно очевидные недостатки электромагнитного перемешивания: ограничения в глубине проникновения поля в металл и необходимость наличия «немагнитных» вставок в стальных кожухах ковшей в зоне расположения индуктора. Достаточно очевидным также представляется и тот факт, что в случае повышения интенсивности перемешивания значительно возрастает скорость износа огнеупоров в зоне расположения индуктора.

Сопоставительный анализ функциональных различий методов электромагнитного перемешивания и продувки металла аргоном через пористый блок приведены в таблице 2.1.

В литературе имеются достаточно противоречивые данные относительно величины удельных затрат на организацию электромагнитного перемешивания [207]. Однако с учетом обязательных затрат на оснащение ковшей немагнитными вставками и приобретение дорогостоящего оборудования для электромагнитного перемешивания, видимо, следует считать, что этот метод представляется более дорогостоящим. Исключение могут составить ковши малой вместимости (15-40 т), поскольку в них существенно возрастает доля удельных затрат на огнеупоры и повышаются потери тепла.

Так, выполненная в условиях ЭСПЦ ДП «Завод утяжеленных и ведущих бурильных труб» (г. Сумы) оценка времени перемешивания металла в 20-тонном ковше показала, что для широкого диапазона изменения величины мощности перемешивания (100-600 Вт/т) интенсивность электромагнитного перемешивания примерно на 20-30 % ниже, чем при продувке металла газом. Оценка выполнялась посредством введения в расплав фиксированного количества (500 кг) ферроникеля ФН-5 (30% Ni) и определения времени выравнивания концентрации никеля в объеме ковша [208]. Это, видимо, следует связывать с тем, что при продувке аргоном в зону активного принудительного перемешивания вовлекаются значительно большие объемы металла. Кроме того, при выходе пузырьков газа из жидкой ванны в атмосферу интенсифицируется перемешивание верхних слоев металла в ковше (рисунок 2.3).

Таблица 2.1 – Сравнение характерных технологических эффектов для методов ЭМП и продувки

Технологический признак

Электромагнитное перемешивание

Продувка металла инертным газом

Характеристика фазового состава жидкой ванны

Одна фаза – расплавленный металл

Две фазы – расплавленный металл и вдуваемый газ

Взаимодействие со шлаком

Шлак в жидкую ванну металла практически не вовлекается

Шлак вовлекается в перемешивание достаточно активно (в зависимости от интенсивности продувки)

Характеристика принудительных конвективных потоков

Потоки носят установившийся характер, имея максимальную скорость вблизи стенки ковша со стороны индуктора

Развитие конвективных потоков характеризуется высокой турбулентностью и происходит в соответствии с представлениями о всплывающем вверх газометаллическом столбе

Интенсивность перемешивания

Достаточно высокая, но в жидкой ванне имеются застойные зоны (с низкой скоростью движения потоков)

Интенсивность перемешивания примерно на 20-30 % выше (при тех же энергетических параметрах), чем при ЭМП; в перемешивание вовлекается практически весь объем жидкой ванны

Вторичное окисление стали

Практически не наблюдается

Достаточно высокое в силу оголения части зеркала металла в процессе продувки

Влияние на износ огнеупоров

Значительно усиливает износ стенки ковша в зоне расположения индуктора

Усиливает износ стенки ковша со стороны установки продувочного узла, а также способствует износу шлакового пояса в зоне выхода пузырьков газа

В технологическом плане интенсификация перемешивания металла в зоне, непосредственно прилегающей к шлаку, имеет большое практическое значение. Это, в первую очередь, относится к эффективности десульфурации стали синтетическим шлаком. В промышленных условиях ДП «Завод утяжеленных и ведущих бурильных труб» выполнена также серия экспериментов по оценке эффективности удаления серы различными методами. Для обработки использовался шлак следующего химического состава: 50-60% CaO; 10-15% SiO2; 6-8% MgO; 15-20% Al2O3; FeO < 1,5%. Сравнение полученных данных представлено на рисунке 2.4 [208].

Обобщая полученные результаты, отметим, что эффективность процесса десульфурации в значительной степени зависит от интенсивности перемешивания металла и шлака, что в наилучшей степени достигается при продувке жидкой ванны аргоном. Причем продувка производится под нагревательным сводом с незначительным оголением зеркала, что предупреждает вторичное окисление стали. По сути, применение только электромагнитного перемешивания (рисунок 2.4) не может обеспечить быстрого и эффективного удаления серы из металла.

Динамика десульфурации стали

Рисунок 2.4 – Рисунок 2.4 – Динамика десульфурации стали синтетическим шлаком при продувке аргоном (), а также ЭМП в ковше под атмосферным давлением (•) и в процессе вакуумирования (o)

Применение метода электромагнитного перемешивания в процессе вакуумирования существенно повышает степень десульфурации стали при прочих равных условиях. Это следует связывать с дополнительным перемешиванием металла со шлаком в ходе интенсивного всплытия пузырьков СО.

В целом технологическая схема агрегата «ковш-печь» с применением электромагнитного перемешивания для ковшей малой вместимости представляется вполне конкурентоспособной в сравнении с продувкой аргоном в случае ее использования в технологической цепочке с вакуумированием стали.

  Раздел 2.4
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ