Розробка раціональних режимів плавлення алюмінієвих стрижнів із захисним покриттям при позапічному доведенні сталі

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДНІПРОДЗЕРЖИНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Бабенко Михайло Володимирович

УДК 669.717:669.040.26:669.046.55.001.57

Розробка раціональних режимів плавлення алюмінієвих стрижнів із захисним покриттям при позапічному доведенні сталі

05.14.06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дніпродзержинськ - 2006

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Дніпродзержинському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Павлюченков Ігор Олександрович

Дніпродзержинський державний технічний університет

завідувач кафедрою програмного забезпечення та обчислювальної техніки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Недопьокін Федір Вікторович

Донецький національний університет

професор кафедри фізики нерівноважних процесів

метрології та екології;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Піптюк Віталій Петрович

Інститут чорної металургії НАН України

старший науковий співробітник відділу позаагрегатної обробки сталі.

Провідна організація: Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної Академії Наук України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 14 ” 11 2006 р. в 13 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради K 09.091.01 Дніпродзержинського державного технічного університету за адресою: 51918, м. Дніпродзержинськ, вул. Дніпробудівська, 2.

З дисертацією можна ознайомиться в бібліотеці Дніпродзержинського державного технічного університету за адресою: 51918, м. Дніпродзержинськ, вул. Дніпробудівська, 2.

Автореферат розісланий “ 14 ” 10 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради K 09.091.01, кандидат технічних наук, доцент О.С. Косухина

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Позапічна обробка металу є одним з найбільш ефективних напрямів корінного підвищення якості і властивостей металопродукції масового призначення і ресурсозбереження в металургії. Для забезпечення необхідних властивостей кінцевої металопродукції необхідне попереднє розкислення металу алюмінієм при випуску його в ківш із сталеплавильного агрегату. Дефіцит, висока вартість алюмінію на ринку сировини, обумовлені великою енергоємністю виробництва і відносно низьким і нестабільним засвоєнням алюмінію, що вводиться в розплав за традиційними технологіями, постійно примушують шукати шляхи зниження його витрат, вдосконалювати відомі способи його використання та розробляти нові, що будуть забезпечувати підвищення ступеня його засвоєння. З аналізу особливостей засвоєння алюмінію випливає, що протікання тепломасообмінних процесів на окремих етапах засвоєння (нагрів, плавлення, масоперенос) істотно впливає на ступінь та тривалість засвоєння добавки. Проведені ж раніше дослідження по засвоєнню алюмінію не відображають комплексного взаємовпливу особливостей протікання тепло- і масообмінних процесів при засвоєні алюмінію в рідкій сталі. Тому освоєння нових ресурсозберігаючих технологій в позапічній обробці металу пов'язане з необхідністю розробки математичних моделей і методів чисельного розрахунку плавлення тіл складної конфігурації, що враховують закономірності протікання теплофізичних процесів з урахуванням гідродинаміки розплаву в ковші.

Зв'язок роботи з науковими програмами і планами. Питання, що розглядаються в дисертаційній роботі, відповідають визначеним законодавством України пріоритетним напрямам розвитку науки і техніки, зокрема напряму “Нові технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі”, державній програмі розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р., положенням комплексної державної програми енерго- і ресурсозберігання, “Основним напрямам державної політики України” в області забезпечення екологічної безпеки, а також напрямам науковій діяльності ДДТУ.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи: Зниження витрат алюмінію в технологічних операціях позапічного розкислення металу в сталерозливному ковші за рахунок розробки раціональних тепло технологій використання алюмінієвих стрижнем із захисним покриттям.

Об'єкт дослідження - процес позапічного доведення розплаву в сталерозливному ковші.

Предмет дослідження - тепло- і масообмінні процеси при нагріві і плавленні матеріалів в період заповнення металом сталерозливного ковша з урахуванням гідродинаміки розплаву.

Задачі дослідження:

- виконати аналіз різних способів введення алюмінію в сталерозливний ківш;

- виконати аналіз процесів розрахунку гідродинаміки і плавлення матеріалів в сталерозливному ковші;

- розробити алгоритми розрахунку двомірних задач плавлення матеріалів;

- розробити комплексну математичну модель, алгоритм і програму розрахунку процесу плавлення алюмінієвого стрижня із захисним покриттям з урахуванням гідродинаміки розплаву при випуску плавки;

- на основі розроблених комплексної математичної моделі і алгоритму розрахунку досліджувати вплив технологічних параметрів на кінетику плавлення алюмінієвого стрижня із захисним покриттям, ступінь і тривалість засвоєння добавки;

- розробити раціональні режими обробки розплаву алюмінієвими стрижнями із захисним покриттям.

Методи дослідження. У роботі використані: метод математичного моделювання для дослідження процесів гідродинаміки, нагріву і плавлення матеріалів, що дозволяють встановити кінетику протікання тепломасообмінних процесів на різних етапах засвоєння алюмінієвого стрижня із захисним покриттям під час заповнення сталерозливного ковша з урахуванням гідродинаміки розплаву; дослідно-промислові експерименти для дослідження товщини захисного покриття в алюмінієвому стрижні.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Запропонований новий метод визначення тривалості плавлення захисного покриття алюмінієвого стрижня за допомогою комплексної моделі плавлення тіл складної конфігурації, що враховує закономірності протікання теплофізичних процесів з урахуванням гідродинаміки розплаву в ковші.

2. На основі розробленої комплексної моделі вперше отримано чисельне рішення задачі нагріву і плавлення алюмінієвого стрижня із захисним покриттям і гідродинамічних процесів при випуску металу в 250-т сталерозливний ківш з урахуванням інжекції повітря і стисливості середовищ газ - розплав для умов Дніпровського металургійного комбінату.

3. Встановлена раціональна товщина захисного покриття в алюмінієвому стрижні залежно від температури та складу металу, що випускається в сталерозливні ковші різної ємності.

Практичне значення отриманих результатів. Підтверджена технологічна можливість ефективнішого використання алюмінію в позапічних процесах розкислення металу в порівнянні з традиційними на сучасному етапі методами. Результати промислового випробування нової технології розкислення та проведені дослідження на ВАТ Дніпровський металургійний комбінат ім. Ф. Е. Дзержинського і ВАТ “Дніпровагонбуд” показали реальну можливість зниження витрат алюмінію на 35-40 % без погіршення якості сталі і зміни технології суміжних виробництв. Вартість матеріалів, що йдуть на виготовлення захисних оболонок алюмінієвих вставок, складає в середньому 15 % від вартості заощадженого чушкового алюмінію. Зроблені також рекомендації по впровадженню вказаної технології для ВАТ “Електрометалургійний завод "Дніпроспецсталь" ім. А. Кузьміна” (м. Запоріжжя). Очікуваний річний економічний ефект від впровадження результатів роботи в цінах 2006 року складає 781 тис. грн.

Розроблені автором методики розрахунків можуть бути використані інститутом “Укргіпромез” для опрацьовування варіантів конструкцій стрижнів з різних матеріалів з метою розкислення, легування або десульфації металу в різних металургійних агрегатах, а також використовуються в учбовому процесі ДДТУ при виконанні науково-дослідних робіт студентів, дипломних проектів і дипломних робіт.

Особистий внесок претендента. Дисертація є самостійною роботою автора, що грунтується на опублікованих раніше результатах його досліджень. На різних етапах цих досліджень автор отримував консультації відомих учених (Никитенко Н.І., Огурцов А.П., Самохвалов С.Є., Тимошпольський В.Й.). Основні ідеї роботи, постановка завдань, теоретичні дослідження, розробка і реалізація комплексної математичної моделі і методики чисельного дослідження процесу засвоєння алюмінієвого стрижня із захисним покриттям, а також узагальнення отриманих результатів і формулювання висновків виконані автором самостійно. Розроблений здобувачем алгоритм розрахунку двомірних задач плавлення матеріалів опублікований в роботі [1]. Результати виконаних здобувачем досліджень раціональної товщини захисного покриття залежно від температури випуску металу в сталерозливний ківш опубліковані в роботах [2, 3]. Розроблена претендентом методика розрахунку гідродинаміки розплаву при випуску металу в сталерозливний ківш з урахуванням інжекції повітря і стисливості середовищ газ - розплав опублікована в роботі [4]. Автор не використовував у роботі ідей і розробок, що належать співавторам спільно опублікованих робіт.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи двічі (2003 р. і 2005 р.) доповіли на міжнародній науково-методичній конференції “Проблеми математичного моделювання”, м. Дніпродзержинськ, на наукових семінарах кафедри “Програмне забезпечення та обчислювальна техніка” і “Промислової теплоенергетики” Дніпродзержинського державного технічного університету і кафедри теплотехніки Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Публікації. Основні результати роботи викладені в 4 статтях, опублікованих в фахових наукових журналах і збірках наукових праць.

Структура дисертації. Робота складається з введення, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Матеріал дисертації викладений на 140 сторінках машинописного тексту і включає 10 таблиць, 24 малюнки, 3 додатки. Список використаних літературних джерел містить 159 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обгрунтовані актуальність і доцільність роботи, визначена наукова новизна, практичне значення і реалізація результатів дослідження, приведені відомості про апробацію результатів і публікації.

СТАН ПИТАННЯ І ЗАДАЧІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

В першому розділі проведено аналіз науково-технічної літератури, який показав, що питанню підвищення ступеня засвоєння алюмінію при розкисленні сталі в ковші присвячена велика кількість досліджень, основним завданням яких було зменшити тривалість контакту алюмінію з окислювальним пічним шлаком, що потрапляв в ківш, і атмосферою. На Дніпровському металургійному комбінаті ім. Ф.Е. Дзержинського пройшла промислове випробування ресурсозберігаюча технологія розкислення металу алюмінієм, суть якої полягає у введенні під рівень металу двох комплектів алюмінієвих чушок (вставок) з плавкими захисними оболонками, що встановлюються в 250-т ковша до випуску плавки (рис. 1).

Враховуючи складність і трудомісткість експериментальних досліджень для різних марок сталі і широкий діапазон температури випуску металу, доцільно застосувати для вибору раціональної товщини захисного покриття математичне моделювання. Таким чином, виникає необхідність математичного моделювання процесу гідродинаміки металу при випуску його в ківш і процесів нагріву і плавлення стрижня. При рішенні задачі нагріву і плавлення стрижня необхідно вирішити двомірну задачу теплопровідності з внутрішньою (нагрів і плавлення алюмінію усередині оболонки) і зовнішньою (плавлення захисного покриття) межами плавлення. Для її вирішення розроблений алгоритм розрахунку на основі методу Дюзімбера.

В процесі розробки і впровадження даної технології розкислення металу необхідно підбирати товщину захисного покриття алюмінієвого стрижня такою, щоб плавлення алюмінію почалося після закінчення випуску металу в ківш. Якщо захисне покриття розплавиться до закінчення випуску плавки, то алюмінієвий стрижень швидко розплавиться і рідка фаза алюмінію спливе на поверхню металу, при цьому втрати алюмінію значно зростуть.

моделювання на основі методу дюзімбера процесів плавлення тіл правильної геометричної форми в розплаві

У другому розділі проведено математичне моделювання процесів плавлення тіл правильної геометричної форми в розплаві. Проведені чисельні розрахунки кінетики плавлення тіл, засновані на методі Дюзімбера. У даному методі, після розрахунку підігріву поверхневого шару тіла до температури плавлення, при розрахунку руху зовнішньої межі плавлення обчислюють "надмірну" температуру по відношенню до температури плавлення тіла. Для цього на кожному кроці за часом, паралельно з розрахунком прогріву внутрішніх шарів тіла, сумується різниця між "надмірною" температурою і температурою плавлення, яка заноситься в окремий рахунок. Коли число "надмірних" градусів в цьому рахунку досягне величини відношення прихованої теплоти до теплоємності тіла, то величина розрахункової області зменшується на один крок по координаті.

Для підтвердження адекватності методу Дюзімбера порівнювали його з відомим методом Никитенко, розглядаючи модельну задачу плавлення пластини. Вибрані два характерних для металургійних теплотехнологій матеріали: метал і шлак, теплофізичні характеристики яких приведені в таблиці 1. При цьому припустили, що тепловим періодом плавлення (намерзання і подальше плавлення оболонки розплаву) можна нехтувати. Для процесу плавлення шлаку в розплаві таке допущення (зважаючи на низьке значення коефіцієнта теплопровідності) є природним. Що стосується металу, припускаємо, що плавлення пластини відбувається поза розплавом, наприклад, під впливом зовнішнього джерела тепла.

У розрахунках прийняли пластину з характерним розміром Z0 = 0,05 м. Температура розплаву прийнята постійною і рівною 1600 C. Коефіцієнт тепловіддачі від розплаву до поверхні пластини також вибраний постійним і рівним б = 5000 . Отримані при плавленні пластини результати представлені в таблиці 2.

Таблиця 1