Дипломная работа: Влияние водорода на свойства стали

         После легирования сталь будет иметь химический состав,  который показан в таблице 17.

Таблица 17 – Химический состав стали после легирования и науглероживания

         2.2.8  Изменение температуры в процессе внепечной обработки металла

         В процессе производства стали без дополнительного подогрева на технологических стадиях между выпуском металла и разливки на МНЛЗ, температура металла все время уменьшается.

         Температуру  металла в печи перед выпуском можно найти из соотношения

                                     Твып = ∆Т1 + ∆Т2  + ∆Т3  + ∆Т4  + ∆Т5                                        (28)

где  ∆Т1 – падение температуры стали при выпуске из печи, ºС;

       ∆Т2  - падение температуры стали при транспортировке стальковша до стенда

                 продувки, ºС;

       ∆Т3  - падение температуры стали при продувке в ковше, ºС;

       ∆Т4  - падение температуры стали при транспортировке стальковша от стенда до

                 МНЛЗ, ºС;

       ∆Т5  - заданная температура в промковше,   ºС.

         Падение температуры при выпуске стали из печи за счет излучения струи металла в атмосферу цеха и нагрев футеровки ковша и ввода ТШС составляет 60ºС.

         Падение температуры стали при транспортировке стальковша до стенда и от стенда до МНЛЗ можно принять равным 20ºС.

         При продувке и с учетом ввода ферросплавов температура металла падает на 20ºС.

         Необходимая температура металла в стальковше перед разливкой

                                                  Тс.к = Тлик + Тп.к. + Ткр + 20                                            (29)

где    Тлик – температура ликвидус стали,  ºС;

          Тп.к – температура стали в промковше,  ºС;

           Ткр – температура в кристаллизаторе,  ºС.

                 Тлик = 1539 - 79[С] - 12[Si] - 5[Mn] - 25[S] - 30[P] + 2,7[Al]                       (30)

Тлик = 1539 – 79,0  · 0,17 – 12 · 0,5 – 5 · 1,38 – 25 · 0,04 – 30 · 0,035 + 2,7 · 0,03 =

= 1501ºС

         Тс.к = 1501 + 10 + 20 + 20 = 1551ºС

         Теперь легко подсчитать, что без принятия мер по дополнительному подогреву, температура стали на выпуске из ДПСА должна составлять

         Твып = 60 + 20 + 20 + 1551 = 1650ºС

         При необходимости сталь подогревают перед разливкой на МНРС химическим подогревом. Химический нагрев – это нагрев металла тепловым эффектом экзотермических реакций окисления элементов, растворенных в расплаве. Основными такими элементами являются алюминий и кремний. При окислении алюминия температура расплава может повышаться с максимальной скоростью 2-4ºС мин. Недостатками этого метода  является значительное загрязнение стали  неметаллическими включениями и невысоким коэффициентом полезного действия.    

         2.2.9  Разработка МНЛЗ

         Выбор типа МНЛЗ

         Для выпуска тонкого листа выбирается заготовка сечением 50 х 1200 мм. Принимается время разливки равное 90 мин., т.к. оптимальный вариант, когда время разливки равно времени плавки в ДПСА.

         Найдем скорость разливки. Она определяется по формуле:

                                                                                                  (31)

где ω – скорость разливки, м/мин;

      М – масса металла в ковше, кг;

      N – количество ручьем;

      τ – допустимое время разливки, мин;

      ρ – плотность стали, кг/м3;

      φ – коэффициент, учитывающий потери времени при разливке.

         ω = 210 ·/(1 · 0,05 · 1,2 · 7,65 · 90) = 5,1 м/мин.

         Металлургическая длина машины определяется по формуле:

                                                      L = 300 · a2 ·  ω                                                           (32)  

         L = 1,1  · 0,052 · 5,1/(22 · 0,0252) = 5,61 м      

         Исходя  из этого выбираем вертикальную машину с загибом. Управление для  оценки допустимого базового радиуса технологической оси МНЛЗ записывается /9/.

                                                                     (33)

         Производительность МНЛЗ.

         Производительность МНЛЗ рассчитывается по формуле:

                                                                                                          (34)

где Р1 – пропускная способность при отливке заготовки определенного сечения,

              т/год;

      n – количество плавок в серии при разливке методом плавка на плавку

            (принимаем  n = 15 плавок);

      М – масса металла, т;

      Ф – фонд времени работы МНЛЗ, сут;

       τ1 – время разливки стали из сталеразливочного ковша, мин;

       τ2 – время подготовки машины к приему плавки без изменения размеров слитка,

             мин.

         Принимаем  τ1 = 90 мин, τ2 = 40 мин.

                                              Ф = 365 – (Тк + Тпп + Тт),                                                 (35)

где  Тк – продолжительность капитального ремонта установки, 10 сут.;

        Тпп – продолжительность планово-предупредительных ремонтов, 17 сут.;

        Тт – продолжительность текущих ремонтов, 30 сут.

         Тогда

         Ф = 365 – (10 + 17 + 30) = 308 сут.

         Производительность МНЛЗ равна:

3  Специальная часть

3.1 Исследования в условиях сталеплавильного производства

         Продувка стали в ковше инертным или нейтральным газом стала обязательным элементом технологии выплавки стали в различных сталеплавильных агрегатах. С помощью этого метода решают достаточно большой круг вопросов, таких, как частичная дегазация, удаление включений, перемешивание, усреднение состава, тонкое регулирование температуры перед непрерывной разливкой и т.д. /13/.

         Одним из важнейших результатов внепечной обработки нейтральными газами является улучшение свойств твердого металла практически без изменения его состава /14/. Так, например, твердый металл после его продувки аргоном характеризуется  более высокими значениями модуля упругости, электропроводности и термо-э.д.с, а также пониженными значениями коэрцетивной силы. Проволока, изготовленная из этого металла, выдерживает большее число скручиваний до разрушения, а выносливость металлокорда на 27 – 102% больше, чем из металла не обработанная аргоном /15/.

         Как уже отмечалось, продувка инертным газом способна существенно снизить содержание неметаллических включений и растворенных в металле газов только лишь при обработке стали в ковшах небольшой емкости (20 – 30 тонн). Для получения низкого остаточного содержания водорода при внеагрегатной обработке аргоном необходимый расход нейтрального газа должен составлять 2-5 м3/т /16/. Такие расходы можно достигнуть только пру продувке стали в ковшах  малой емкости  или газопроницаемой футеровкой днища. Для большегрузных ковшей это невыполнимо из-за конструктивных особенностей продувочных устройств и большой длительности продувки.

         В большегрузном ковше продувка стали инертными газами влияет на однородность химического состава. Это обстоятельство особенно актуально при производстве высококачественной стали, разливаемой как на УНР, так и в слитки. Примером может служить производство низколегированной стали для труб большого диаметра «северного исполнения». В этом случае особенно важно получить точно заданный состав готовой стали. Обработка стали инертными газами в настоящее время  получила  наиболее  широкое распространение. Такой обработке с  целью усреднения температуры и химического состава металла подвергается почти вся сталь, разливаемая на МНЛЗ.

         В целом, основной задачей технологии внепечной обработки стали   нейтральными газами является  усреднение расплава по химическому составу, температуре и дегазации расплава.

         Под термином «газы в стали» металлурги обычно понимают концентрацию в ней водорода и азота. Кислород некоторые авторы не включают в это понятие в связи с тем, что методы борьбы с ним существенно отличаются от методов борьбы  с водородом и азотом. Однако разработка и освоение устройств для определения активности кислорода в расплаве (актинометров) дало толчок к ряду исследований, направленных на совершенствование процесса раскисления стали /17/.

         Вместе с тем на практике металлурги с определенной эффективностью ведут борьбу только с водородом и кислородом. Значительные трудности вызывает удаление из расплава азота. В ряде работ /18/ подтверждается факт нестабильного и незначительного удаления азота при внепечной обработке расплава нейтральным газом. Снижение содержания азота наблюдается только при продувке сталей, содержащих титан и алюминий, т.е. хорошо раскисленных сталей. При обработке нераскисленного металла аргоном дегазация расплава не сопровождается удалением азота.

         Поэтому был предпринят ряд попыток по реализации различных методов активизации воздействия на расплав. К таким попыткам следует отнести вращение фурмы с пористыми насадками, с реверсом направления и заданной цикличностью, наложение ультразвуковых колебаний в диапазоне 102 – 102 Гц, применение дутьевого устройства в виде Сегнерова колеса, вращающегося роторного устройства и горизонтального расположения желобов под струями газа в расплаве. Применение этих методов несколько повышает эффективность обработки, но  значительно усложняется изготовление дутьевых устройств и снижается надежность их в работе.

         Следует отметить, что все вышеперечисленные разработки предполагают истечение продуваемого газа из сопловых устройств при низких давлениях, а, следовательно, относительно низких скоростях.

         Как отмечалось в предыдущем разделе, основным параметром, характеризующим возможный уровень рафинирования стали от газов и неметаллических включений является степень дисперсности вдуваемого нейтрального газа. Описанные в литературе дутьевые режимы обработки больших объемов металла /19/ характеризуются малыми удельными расходами газа и, как следствие, весьма  невысокой степенью дисперсности вдуваемого газа.

         Применяемый дутьевой режим обработки стали в большегрузных ковшах обычно характеризуется струйным режимом истечения газа и образованием пузырьков с минимальным диаметром порядка 3-4 х 10-2 м. Так как при продувке стали инертным газом в струйном режиме пузырь формируется не непосредственно на отверстии сопла, а на конце вытянутой  струи (каверны), дробление вдуваемого газа до пузырьков  такого размера происходит лишь частично. Кроме того, при этом возможен и обратный процесс, т.к. агломерация пузырьков. Подтверждением этого обстоятельства  является тот факт, что основная масса выходит на поверхность зеркала металла в виде крупных пузырей. Соответственно при таких параметрах продувки и степени диспергирования газа уровень рафинирования стали в большегрузных ковшах от газов и неметаллических включений, определяемый, прежде всего, развитостью поверхности газ-металл, весьма низкий. Поэтому для увеличения межфазной  поверхности газ – металл, весьма низкий. Поэтому  для увеличения межфазной  поверхности газ – металл было предложено использовать для продувки стали аргоном (или азотом) в большегрузных ковшах нестационарные (или пульсирующие) газовые струи.

         Для реализации задачи продувки стали в ковше нестационарными потоками инертного газа с заданными амплитудно-частотными характеристика (АЧХ), погружные фурмы оснащались специально сконструированными газодинамическими устройствами. Сначала задача ограничивалась созданием газовых струй, пульсирующих с частотами в диапазоне 300 – 500 Гц, предназначенных для эффективного диспергирования их на пузырьки  диаметром 1 – 3 х 104 м., чтобы обеспечить максимально возможную поверхность контакта расплав-газ.

         Процесс создания в газовых струях заданных параметров (АЧХ) пульсаций является одной из важнейших задач прикладной газовой динамики. В сталеплавильном производстве цель управления струями  заключается в формировании струй  с определенными амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ), задача управления – обеспечение достижения  поставленной цели. Средства  управления должны удовлетворять требованиям простоты конструкции и ограниченности по затрачиваемой энергии.

         Среди имеющихся газодинамических средств управления сверхзвуковыми струями для сталеплавильного производства весьма перспективным является процесс распространения сверхзвуковых струй в ступенчатых каналах /20/, который может иметь неустойчивый (нестационарный) характер в широком диапазоне определяющих параметров. Это проявляет себя в волновой структуре струй и пульсациями давления. Наиболее предпочтительно  реализовать данный процесс внутри  газового тракта фурмы, исключив наличие каких-либо движущихся частей (элементов).

         Физические причины возбуждения сверхзвукового потока при его взаимодействии со стенками тракта относятся к числу дискуссионных проблем современной аэродинамики. Однако имеющиеся к настоящему времени исследования позволили для некоторых типов каналов однозначно определить границы областей существования колебательных и устойчивых режимов, а также  установить причины  колебаний газовых струй в трубах. На основании имеющихся результатов были разработаны универсальные газодинамические модули, предназначенные для осуществления способов управления струями, возбуждения  или стабилизации струй, т.е. в зависимости от требований того или иного металлургического процесса /21/. Установка таких модулей в газовых трактах или выполнение самих трактов в виде модулей позволяет получать струи с требуемыми параметрами.

         Генераторы в виде канала с внезапным увеличением площади поперечного сечения, цилиндрического и цилиндрического каналов с блоком сопел, тупикового канала предназначены для возбуждения  колебаний волновой структуры при  фиксированной геометрии канала и постоянном полном давлении газа на какой-либо частоте. Генератор в виде канала с кольцевой каверной в расходящихся стенках позволяет возбуждать  колебания как на одной, так и на  нескольких частотах. С помощью генераторов с последовательным расположением поперечного сечения или набора параллельных диафрагмированных каналов можно получить колебания  широкого спектрального состава.

         Использование каналов с серповидной или щелевой формой поперечного сечения позволяет создать неустойчивую, быстро расширяющуюся струю газа и легко возбудить колебания  в кавернах. Данные схемы должны улучшать и гидродинамику ковша при продувке стали  аргоном в ковше, если фурму оборудовать керамическим отбойником.

Таким образом, изучение особенностей распространения сверхзвуковых струй позволило создать универсальные газодинамические модули для управления струйными течениями в сталеплавильном производстве.

Модули для управления струйными течениями, возбуждения и стабилизации струй могут быть размещены в пустотах устройств для подачи кислорода и газов в металлургических агрегатах. Сочетание модулей различных комбинаций позволяет существенно расширить спектр режимов истечения струй из фурм, повышает эффективность продувки, что в перспективе должно резко улучшить технико-экономические показатели процесса.

В 80-х – начале 90-х годов на ОАО «Уральская Сталь» были испытаны и реализованы в промышленных масштабах несколько различных вариантов обработки стали в ковше нестационарными потоками инертного (или нейтрального) газа. Хронологически первым из них был опробован так называемый струйно-кавитационный режим        продувки металла аргоном.

3.1.1  Основы технологии струйно-кавитационного рафинирования

Для увеличения суммарной межфазной поверхности газ-металл было предложено использовать эффект газовой кавитации /22/. Разработка кавитационных  режимов продувки проводилась применительно к промесу внепечного рафинирования стали в 250-тонном сталеразливочном ковше.

Из гидродинамики известно явление газовой кавитации жидкости, заключающееся в образованной в ней разрывов сплошности при создании зон пониженного давления /23/.  До последнего времени это явление было связано с рядом отрицательных последствий (кавитационной эрозией, вибрацией и т.д.).

Явление кавитации, безусловно, весьма эффективно в плане создания дополнительной межфазной  границы раздела газ – металл и интенсификации рафинировочных процессов, протекающих при продувке металла нейтральным газом. В процессе исследований /24/ была показана возможность возбуждения кавитации при взаимодействии скоростной газовой с расплавом. Следовательно,  возможна реализация ресурсов жидкого металла как «аккумулятора» газовой фазы. Для возбуждения в расплаве газовой кавитации продувка осуществлялась плоскими  высокоскоростными струями нейтрального газа.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16