Сборник научных трудов ДонНТУ - 2012. Серия: металлургия
  Публикация №4

Физическое моделирование двухстадийной отсечки шлака в кислородном конвертере

Б.О. АНТОНОВ, В.А. БАРАНОВСКИЙ, Е.Н. ЛЕБЕДЕВ (канд.техн.наук, доц.)
Донецкий национальный технический университет, Донецк

УДК 669.184

Разработана и изготовлена физическая модель кислородного конвертера, позволяющая моделировать процесс выпуска стали и шлака. Проведены исследования по определению влияния вязкости шлака на его опережение потока стали во время наклона конвертера при выпуске. Подтверждено влияние межфазного натяжения поплавок – металл – шлак на работу поплавка. Установлена закономерность влияния соотношения удельной массы поплавка к его рабочей поверхности на качество отсечки.

Keywords: конвертер, лётка, физическое моделирование, отсечной элемент.

Введение

Конкурентоспособность металлургической продукции во многом определяется рациональностью технологии её изготовления. При выпуске стали из агрегата, находящийся в нём шлак в той или иной мере попадает в сталеразливочный ковш. В его составе находятся оксид железа и химические соединения серы и фосфора. Они увеличивают угар раскислителей и легирующих элементов, снижают эффективность последующей внепечной обработке и удорожают её [1]. Поэтому исследования по усовершенствованию процессов отсечки шлака являются актуальными.

Экспериментальная установка и методика исследования

Установка для исследований была изготовлена из прозрачного органического стекла. За основу был принят конвертер ёмкостью 160 тонн. Модель выполнена в масштабе 1:6. Для детального изучения процессов, происходящих в лётке, наклон конвертера осуществляли электрическим исполнительным механизмом. Скорость наклона конвертера изменяли в широких пределах.

Эффективную отсечку шлака выполняли в два этапа. Начальный процесс выпуска стали моделировали, применяя специальные, само разрушающиеся запорные устройства – «тампон». В исследованиях его конструкцию изменяли в широких пределах, что обеспечило детализацию полученных результатов. Для моделирования второго этапа отсечки шлака была изготовлена серия отсечных устройств поплавкового типа. При общем признаке – одинаковой плотности материала, из которого они изготовлены, изменяли форму рабочей поверхности. Что меняло соотношение удельной массы поплавка к площади и форме рабочей поверхности.

В исследованиях жидкостью, моделирующей сталь, являлась вода, а шлак – минеральное масло. Поверхностную энергию рабочая среда -поплавок изменяли, покрывая его синтетическими материалами. Вязкость масла изменяли, растворяя в нём определённое количество углеводов. При выполнении исследований широко применяли кино- и фотосъёмку. Поверхностную энергию оценивали методом отрыва пластины, вязкость определяли методом крутильных колебаний.

Результаты экспериментов и их обсуждение

Начальный период выпуска из конвертера характеризуется тем, что первым в зоне лётки появляется шлак (рис. 1).

Характер движения жидкостей в конвертере во время наклона

Рисунок 1 – Характер движения жидкостей в конвертере во время наклона.

Без специальных мер по его отсечки он попадает через лётку в сталеразливочный ковш. По данным исследователей [2] его количество равняется 20 - 25 % от общего количества, попадающего в ковш. Из данных рисунка 1 следует, что расстояние между фронтом шлака и объёмом метала, зависит от угла наклона конвертера и вязкости шлака (рис. 2).

Влияние расстояния между слоями метала и шлака в зависимости от угла наклона конвертера

Рисунок 2 – Влияние расстояния между слоями метала и шлака в зависимости от угла наклона конвертера.

Из полученных данных вытекает, что расстояние между слоями изменяется неравномерно. Угол наклона конвертера 85 градусов уменьшает расстояние между фронтами шлака и металла до 30 мм. Отмеченное на графике минимальное значение расстояния объясняется заполнением объёма конвертера между цилиндрической частью и горловиной. При значениях углов больше и меньше чем 85 градусов перераспределение металла примерно одинаково увеличивает расстояние между фронтом модели металла и шлака.Представленная зависимость получена на основании обработки данных 3-5 параллельных опытов. Поэтому результаты являются усреднёнными.

При увеличении вязкости модели шлака и сохранении аналогичных углов наклона конвертера получена зависимость (рис. 3).

Опережение металлом шлака в зависимости от угла наклона конвертера

Рисунок 3 – Опережение металлом шлака в зависимости от угла наклона конвертера.

Увеличение вязкости шлака в трёх диапазонах вызывает монотонноевозрастание расстояния S между фронтами метала и шлака. Это расстояние, в зависимости от угла наклона, изменялось от 70 мм до 260 мм. Полученная зависимость удовлетворительно аппроксимируется уравнением вида:

где S –расстояние, мм; x – угол наклона конвертера, град.

Второй этап отсечки реализуется тогда, когда слой металла уменьшается до момента опускания поплавка в лётку (рис. 4). На эффективную работу оказывает влияние рациональное соотношение сил, затягивающих поплавок в лётку и выталкивающих.

В первую очередь определялась эффективность работы исследуемых поплавков №1 и №2, из материала, который имеет меньшую поверхностную энергию относительно модельных жидкостей металла и шлака. Из расположения линий на рисунке 5 следует, что минимальное количество шлака попадает в ковш при использовании поплавка №2. При увеличении угла наклона конвертера количество попадающего в ковш шлака увеличивается. Измеренное его количество меньше, чем при эксплуатации поплавка №1.

С увеличением угла наклона конвертера попадание шлака в сталеразливочный ковш закономерно увеличивается. Эффективность отсечки шлака одновременно зависит от качества контакта поплавкового запорного устройства с поверхностью сталевыпускного отверстия.

Направление сил, действующих на поплавок

Рисунок 4 – Направление сил, действующих на поплавок.

Зависимость количества шлака в ковше от угла наклона конвертера

Рисунок 5 – Зависимость количества шлака в ковше от угла наклона конвертера.

При запирании лётки струя под поплавком приобретает признаки турбулентного движения. Из-за этого поплавок начинает колебаться в вертикальном направлении. Это указывает на не стабильность системы поплавок – торец лётки [3]. В процессе эксплуатации она размывается, изменяя свою форму торцевой части.

Если поплавок по геометрическим размерам не соответствует торцевой части лётки, то возникающие колебания описываются установленными зависимостями, представленными на рис. 6а и 6б.Частота колебания поплавка колеблется в диапазоне 1,40 – 3,14 Гц (рис. 6а) и запирание шлака происходит через 4,7 секунды. Изменение соотношения массы поплавка к площади его рабочей поверхности изменением её формы существенно повышает стабильность запирания (рис. 6б) снижая время с 4,2 до 1,1 сек.

Амплитуда колебаний поплавка

Рисунок 6 – Амплитуда колебаний поплавка.

Выводы

В заключении следует отметить преимущество двухэтапной отсечки шлака. Её эффективность определяется точностью времени срабатывания «тампона», гарантирующей то, что ни фронт шлака, ни воронка не будут являться причиной его попадания на ранней стадии выпуска.

С увеличением угла наклона конвертера для завершения процесса выпуска стали принципиальное значение имеет форма рабочей поверхности поплавка. Она должна соответствовать лётке, в зависимости от её кампании и предотвращать колебания поплавка в момент запирания.

Дополнительно на качество отсечки шлака оказывает влияние материал, из которого изготовлен поплавок. Решающим фактором является межфазное натяжение материал поплавка – металл – шлак.

  • 1. Смирнов А.Н. Конвертируемый металл / А.Н. Смирнов // Металл бюллетень. Украина. – 2006. – № 11. – С. 64-74.
  • 2. Еронько С.П. Разработка эффективных схем отсечки шлака при сливе металла из конвертера / С.П. Еронько, А.Н. Смирнов, Д.П. Кукуй // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2003. – №8. – С. 33 – 37.
  • 3. Проектирование систем автоматизации технологических процессов / А.С. Клюев, Б.В. Глазов, А.Х. Дубровский, А.А. Клюев. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 464 с.
  Публикация №4
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ