Физическое моделирование технических систем сталеплавильного производства


ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА



Учебное пособие





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 669.18.013
ББК 34.327
     Ф50

          Рекомендовано ученым советом Донецкого национального технического университета в качестве учебного пособия для обучающихся образовательных учреждений высшего профессионального образования



Авторы:
С. П. Еронько, Е. В. Ошовская, М. Ю. Ткачев, С. А. Бедарев, Б. И. Стародубцев



Рецензенты:
  доктор технических наук, заведующий кафедрой наземных транспортно-технологических комплексов и средств Донбасской национальной академии строительства и архитектуры
(г. Макеевка) Пенчук Валентин Алексеевич;
доктор технических наук, профессор кафедры физики неравновесных процессов, метрологии и экологии Донецкого национального университета
(г. Донецк) Недопекин Федор Викторович;
доктор технических наук, профессор кафедры основ проектирования машин
Донецкого национального технического университета
(г. Донецк) Ченцов Николай Александрович



Ф50 Физическое моделирование технических систем сталеплавильного производства : учебное пособие / [С. П. Еронько и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 324 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0699-4

      Изложены основы теории подобия и практические аспекты ее использования при физическом моделировании в процессе разработки передовых технологий металлургического производства и механического оборудования для их реализации. Приведены практические примеры решения различных задач, связанных с повышением эффективности создаваемых и находящихся в эксплуатации металлургических машин и агрегатов. Описаны оригинальные методики проведения лабораторных экспериментов и применяемая при этом контрольно-измерительная аппаратура.
      Для студентов технических специальностей высших учебных заведений, аспирантов и молодых специалистов.

УДК 669.18.013
                                                          ББК 34.327






ISBN 978-5-9729-0699-4

      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ............................................................6
РАЗДЕЛ I
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ...................................8
ГЛАВА 1. Общая характеристика металлургических процессов и оборудования для их реализации .........................8
1.1. Особенности развития металлургического производства в современных условиях..............................................8
1.2. Особенности физических процессов, протекающих при выплавке, внепечной обработке и разливке стали................................10
1.3. Методы изучения металлургических процессов и оборудования.....15
ГЛАВА 2. Физическое моделирование как метод исследования металлургических процессов и технологического оборудования ........17
2.1. Краткие сведения из теории подобия........................... 17
2.2. Критерии подобия ..............................................19
2.3. Метод анализа размерностей .................................. 21
2.4. Основные этапы физического моделирования..................... 23
ГЛАВА 3. Практические особенности физического моделирования .......26
3.1. Выбор масштаба, конструкции и материала модели .............. 26
3.2. Моделирующие среды........................................... 28
3.3. Визуализация жидкостных и газовых потоков.....................29
3.4. Видео- и фотосъемка при проведении экспериментов .............31
3.5. Организация рабочего места и техника безопасности при модельных исследованиях..................................................... 32
ГЛАВА 4.. Контрольно-измерительные средства и аппаратура ......... 34
4.1. Сущность процесса измерения, термины и определения ...........34
4.2. Виды и методы измерений ..................................... 35
4.3. Типы измерительных преобразователей.......................... 36
4.4. Устройства регистрации измерительной информации ..............42
ГЛАВА 5. Методы исследования напряженно-деформированного состояния деталей металлургических машин ................................... 45
5.1. Метод сеток.................................................. 45
5.2. Метод муаровых полос..........................................46
5.3. Метод хрупких покрытий .......................................46
5.4. Поляризационно-оптический метод...............................47

3

5.5. Электротензометрический метод ....................................47
ГЛАВА 6. Методы исследования газо-гидродинамических процессов.......50
6.1. Методы определения времени гомогенизации модельной жидкости ......50
6.2. Методы измерения скорости газовых и жидкостных потоков........... 57
6.3. Методы определения коэффициента рециркуляции......................64
6.4. Контроль газосодержания барботируемой жидкости................... 68
6.5. Контроль давления.................................................71
6.6. Контроль вязкости жидкостей.......................................73
6.7. Способы измерения температуры ....................................77
ГЛАВА 7. Математическое обеспечение физического моделирования..........84
7.1. Планирование эксперимента ........................................84
7.2. Оценка погрешности полученных результатов.........................93
7.3. Представление результатов экспериментов...........................97
7.4. Программные средства, применяемые при физическом моделировании.105
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................ 107

РАЗДЕЛ II
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ИССЛЕДОВАНИЯХ И РАЗРАБОТКЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО
ПРОИЗВОДСТВА..........................................................110
ГЛАВА 8. Моделирование процессов подготовки материалов к плавлению.. 110
8.1. Моделированне работы зубчатой дробилки ......................... 110
8.2. Моделирование процесса окускования мелкодисперсного материала на двухвалковом брикетном прессе .....................................122
ГЛАВА 9. Моделирование работы структурных механизмов кислородного конвертера с вращающимся корпусом относительно наклонной продольной оси .......................................................134
9.1. Моделирование условий работы механизма вращения корпуса конвертера относительно наклонной продольной оси .................... 134
9.2. Моделирование функционирования комбинированного привода механизма качания фурмы для вдувания порошкообразных реагентов в ванну конвертера .................................................146
9.3. Модельные исследования работы системы донной продувки расплава в конвертере ........................................................ 158
ГЛАВА 10. Моделирование процесса отсечки конечного технологического шлака при выпуске стали из кислородного конвертера в разливочный ковш.169

4

10.1. Основные способы удержания шлака в кислородном конвертере во время выпуска стали и их сравнительный анализ .................. 169
10.2. Физическое моделирование процесса отсечки конвертерного шлака с помощью элементов поплавкового типа...............................183
10.3. Модельные исследования на физической модели параметров системы газодинамической отсечки конечного шлака при выпуске стали
из кислородного конвертера...........................................203
ГЛАВА 11. Исследование параметров работы системы перелива стали
из разливочноковша в промежуточный ..................................222
11.1. Модельные исследования влияния вибрационного воздействия
на процесс затягивания канала шиберного затвора сталеразливочного ковша.222
11.2. Исследование на физической модели работы манипулятора для замены огнеупорных труб, экранирующих струю стали
при ее переливе из разливочного ковша в промежуточный ковш .........233
ГЛАВА 12. Исследование на физических моделях параметров работы
разливочных систем промежуточного ковша сортовой МНЛЗ ............. 245
12.1. Моделирование функционирования устройств быстрой замены
стаканов-дозаторов промежуточных ковшей сортовых МНЛЗ ...............245
12.2. Модельные исследования работы устройства аварийного закрытия
сталевыпускного канала промежуточного ковша..........................256
ГЛАВА 13. Модельные исследования условий работы разливочной системы промежуточного ковша слябовой МНЛЗ................................. 266
13.1. Исследование на физической модели влияния условий проведения замены погружных стаканов на гидродинамику потоков металла
в кристаллизаторе...................................................266
13.2. Моделирование функционирования системы быстрой смены погружного стакана на слябовой МНЛЗ .......................................... 279
13.3. Модельные исследования параметров работы 3-х плитного затвора, снабженного системой быстрой смены погружных стаканов...............289
ГЛАВА 14. Исследование эффективных систем механизированной
подачи шлакообразующих смесей в кристаллизаторы слябовой МНЛЗ........300
14.1. Изучение на действующей модели функционирования механизмов установки для ввода шлакообразующих смесей в кристаллизатор
слябовой МНЛЗ.......................................................300
14.2. Моделирование работы системы механизироанной подачи шлакообразующей смеси в кристаллизатор МНЛЗ для отливки слябовых заготовок особо крупного сечения ...................................312

5

    ВВЕДЕНИЕ


     Постоянное развитие и совершенствование технологических процессов металлургического производства, а также машин и агрегатов для их реализации обусловливают необходимость разработки и применения новых подходов в организации и проведении исследований на уровне, соответствующем современным требованиям.
     Физическое моделирование, являясь действенным средством, облегчающим решение целого ряда сложных задач, связанных с внедрением в производство передовых металлургических технологий и оборудования, позволяет еще на стадии разработки выполнить качественную и количественную оценку принятых технических решений, проверить адекватность теоретических расчетов, полученных с помощью математических моделей, т. е. достичь поставленной цели при минимальных временных, материальных и трудовых затратах.
     В пособии описаны новые методы физического моделирования и оригинальные контрольно-измерительные средства, прошедшие успешную апробацию в научно-исследовательских лабораториях; даны советы и рекомендации специалистам, приступающим к проведению лабораторных экспериментов в данной области; указаны ссылки на отечественные и зарубежные литературные источники, из которых можно получить подробную информацию по каждой из рассмотренных групп задач, связанных с физическим моделированием.
     По своей структуре учебное пособие состоит из двух разделов, включающих информацию теоретической и практической направленности. Первый раздел содержит краткие сведения из теории подобия и о методе анализа размерностей, информацию о порядке планирования, правилах подготовки и проведения экспериментов, связанных с использованием физического моделирования, а также об особенностях обработки и представлении полученных результатов.
     Во втором разделе приведены примеры практического применения физического моделирования в научных исследованиях при разработке нового механического оборудования, которое предназначено для выполнения основ

6

ных и вспомогательных технологических операций, повышающих эффективность сталеплавильного производства (подготовка шихтовых материалов к плавке, отсечка конечного шлака при выпуске стали из плавильного агрегата, интенсификация перемешивания металла во время его обработки на установках «ковш-печь», организация потоков стали в промежуточном ковше, дозированная подача шлакообразующих смесей в кристаллизатор МНЛЗ).
     Учебное пособие может быть использовано преподавателями высших учебных заведений при чтении лекций и проведении практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Физическое моделирование технических систем», «Физические основы моделирования», «Основы научных исследований и техника эксперимента» и «Оборудование сталеплавильных цехов».

7

            РАЗДЕЛ I


            ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ



ГЛАВА 1

        ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ
        ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

    1.1. Особенности развития металлургического производства в современных условиях

    Развитие металлургического производства при современном уровне экономик стран, входящих в первую двадцатку государств, являющихся главными потребителями стальной продукции, предопределяется обострением конкуренции на мировом рынке металла, в условиях которой первостепенное значение приобретает достижение разумного баланса между двумя показателями- ценой и качеством продаваемого листового и сортового проката. Обеспечить требуемое качество поставляемой металлопродукции при приемлемой для покупателя цене можно только в случае использования передовых ресурсосберегающих технологий выплавки, внепечной обработки и разливки стали. Повышение цен на природный газ, использовавшийся в качестве технологического топлива в сталеплавильном производстве, привело к закрытию мартеновских цехов и вводу в эксплуатацию высокопроизводительных кислородных конвертеров и мощных электродуговых печей, работающих в комплексе с установками доводки металла и машинами непрерывного литья заготовок нового поколения, на которых удалось реализовать серийную разливку стали и

8

значительно повысить выход годного в сравнении с ранее применявшейся разливкой в изложницы [5, 9].
     В последние годы были внесены существенные коррективы в ставшие уже классическими технологические схемы производства стали в кислородных конвертерах и электродуговых печах. Так в настоящее время в указанных плавильных агрегатах и печах осуществляют выплавку полупродукта с заданным содержанием углерода и имеющего требуемую температуру на выпуске, а сталь заданной марки получают в результате дальнейшей доводки на установках «ковш-печь» и вакуумной обработки [6, 15].
     Благодаря ряду новых технических решений, заложенных в конструкцию современной электродуговой печи (повышение мощности трансформатора, применение подогрева шихты отходящими газами), оборудованию ее дополнительными устройствами и приспособлениями (газовыми и кислородными горелками, донными продувочными блоками) с целью интенсификации процесса плавления, его длительность удалось сократить до 40 минут, т. е. по данному показателю печь уже конкурирует с кислородным конвертером.
     Все шире в состав шихты, используемой электросталеплавильном производстве, наряду с металлическим ломом применяют жидкий чугун, что вносит свои особенности в реализацию процесса получения стали в дуговой печи [32].
     Технология непрерыной разливки стали и оборудование для ее реализации совершенствовались в течение последнего десятилетия с ориентацией на возможность одновременного обеспечения повышения производительности МНЛЗ и улучшения качества получаемой на них заготовки. Для достижения поставленной цели потребовалось существенное увеличение серийности разливки и обеспечение защиты разливаемого металла от вторичного окисления на участках сталеразливочный ковш - промежуточный ковш - кристаллизатор. Это стало возможным благодаря внедрению в практику непрерыной разливки стали целого комплекса вспомогательного оборудования, влияющего на эффективность функционирования промежуточного ковша, кристаллизатора и зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок. Речь идет об устройствах, активно влияющих на динамику и траекторию потоков расплава в ванне промежуточного ковша; системах быстрой замены дозирующих и погружных стаканов; установках дозированного ввода шлакообразующих смесей на зеркало металла в кристаллизаторе [16-18, 29, 31, 37].

9

     В ближайшей перспективе главным направлением дальнейшего совершенствования технологий выплавки и разливки стали следует признать разработку и внедрение в производство литейно-прокатных модулей, позволяющих, в сравнении с традиционной технологической схемой производства металлопродукции, добиться существенного повышения производительности, снижения энергозатрат и получения проката с требуемыми механическими и технологическими свойствами, а также с высокой точностью размеров поперечного сечения [34].

       1.2. Особенности физических процессов, протекающих при выплавке, внепечнои обработке и разливке стали

     Несмотря на многоплановость технологических задач, решаемых при выплвке, внепечной обработке и непрерывной разливке стали, их реализация связана с протеканием следующих физических процессов:
     • газовыделения;
     • взаимодействия жидкого металла с пузырьками вводимого в него газа;
     • взаимодействия потоков металла с частицами твердых материалов;
     • подаваемых в кусковом или порошкообразном виде;
     • взаимодепйствия струи металла с окружающей атмосферой.
     Поскольку все перечисленные процессы, обусловливающие тепло- и массоперенос в жидкой и газообразных средах, подчиняются законам гидрогазодинамики, основные ее положения позволяют описать и объяснить особенности физических явлений, свойственных различным стадиям производства черных металлов [23]. Рассмотрим эти особенности.
     Вакуумная обработка жидкого металла, предназначенная для его дегазации, основана на свойстве газов снижать свою растворисмость в расплаве в случае уменьшения давления над его свободной поверхностью при неизменной температуре.
     Процессы удаления растворимых в стали газов протекают по-разному. Снижение концентрации водорода и азота происходит в результате таких процессов, как диффузия газа к свободной поверхности и непосредственный его переход из расплава в окружающее пространство; образование пузырей на поверхности футеровки или имеющихся неметаллических включений и после

10

дующее их всплытие из жидкого металла; захват газа и вынос на поверхность пузырями образующейся в процессе вакуумирования окиси углерода или вдуваемого аргона. Интенсивность протекания и связанная с нею степень влияния перечисленных процессов на эффект дегазации зависят от условий реализации вакуумной обработки стали. В общем случае уменьшение содержания в стали водорода и азота в результате ее вакуумирования определяется давлением, достигаемым в вакууматоре, отношением поверхности дегазации к объему обрабатываемого металла и длительностью обработки. Поскольку увеличение продолжительности вакуумирования приводит к повышенных тепловым потерям, то для роста скорости дегазации на парктике стремятся обеспечить минимально возможное давление над поверхностью расплава и интенсифицировать его перемешивание. При этом следует учитывать то обстоятельство, что водород, не вступающий в реакции с входящими в состав расплавленной стали другими элементами и обладающий большой подвижностью, достаточно полно удаляется при давлении в вакууматоре порядка 65-70 Па. Для удаления азота требуется более глубокий вакуум, поскольку он менее подвижен в жидком металле и процессу его выделения из расплава препятствуют элементы, имеющие к нему более высокое, чем железо, химическое сродство.
     В отличие от водорода и азота, непосредственное удаление кислорода из металла под вакуумом практически неосуществимо. Его вделение может происходить только за счет образования монооксида углерода (углеродное раскисление).
     В процессах вакуумирования стали в ковшах большой вместимости (более 100 т), с целью обеспечения равномерного перемешивания в так называемых «мертвых» зонах (придонная область) и компенсации тепловых потерь, в последнее время используют продувку металла инертным газом через пористые пробки и электродуговой подогрев, осуществляемый как при атмосферном давлении (процессы ASEA-SKF и LF), так и под вакуумом (процесс VAD).
     При порционном вакуумировании (процесс DH) происходт обработка не всего металла в ковше сразу, а определенной его части в специальной вакуумной камере, но с таким расчетом, чтобы весь объем расплава был пропущен через нее минимум три раза. В условиях реализации порционного вакуумирования скорость циркуляции стали как в самой камере, так и в объеме ковша определяется одновременным действием нескольких факторов: рабочим объ

11

емом и скоростью перемещения вакуум-камеры, а также длительностью ее выдержки в верхнем и нижнем положениях.
     В процессе циркуляционного вакуумирования росту скорости движения жидкой стали способствует повышение интенсивности подачи транспортирующего газа во всасывающий патрубок камеры, однако прирост скорости циркуляции потоков металла при повышении расхода вдуваемого газа происходит неравномерно, а в момент наступления пробойного режима истечения аргона и вовсе прекращается. Данное обстоятельство является одним из определяющих при расчете оптимальных технологических параметров RH-процесса.
     Струйное вакуумирование при переливе металла из одной металлургической емкости в другую, а также поточное вакуумирование в ходе непрерывной разливки стали имеют общую особенность, заключающуюся в том, что в отличие от рассмотренных выше способов дегазации расплава, длительность воздействия на него вакуума значительно меньше, а поверхность массопере-дачи, вследствие дробления истекающей струи, существенно больше. В таких условиях, когда диффузионный путь растворенных газов очень мал, происходит не только интенсивное удаление водорода и азота из стали, но и достаточно полное ее раскисление за счет бурного взаимодействия углерода и кислро-да.
     Продувка стали инертным газом в разливочных ковшах, выгодно отличающаяся от других способов внепечной обработки сравнительно низкими затратами, позволяет успешно решать такие задачи, как снижение неоднородности металла по температуре и химическому составу, улучшение условий удаления из него неметаллических вклдючений, а также частичная дегазация расплава. В зависимости о т поставленной цели для осуществления инжекционной обработки стали требуется не только применение соответствующих продувочных устройств, но и правильный выбор места их установки и обеспечение требуемой интенсивности ввода инертного газа и режима его истечения в жидкий металл, поскольку названные факторы оказывают решающее влияние на гидродинамику процессоы, протекающих в перемешиваемом расплаве. Например, для снижения градиента температуры стали в объеме ковша, а также колебаний концентраций содержащихся в ней элементов необходимо обеспечить устойчивую циркуляцию жидкого металла, исключающую наличие «мертвых» зон. Указанное условие может быть соблюдено при сосредоточен
12

ном вводе газа в расплав с помощью устройства, смещенного от центральной оси разливочного ковша к его боковой поверхности.
     Совершенно иные требования к организации процесса продувки металла предъявляются в случае, когда целью обработки стали является очистка ее от газовых включений, вызывающих возникновение в выпукаемой металлопр-дукции таких дефектов, как флокены, волосовины, подкорковые или внутренние пузыри, а также осевая пористость.
     Процесс удаления вредных газов из стали во время ее продувки в некоторой мере аналогичен вакуумированию. Пронизывающие толщу жидкого металла пузырьки аргона являются полостями, в которых парциальное давление других газов (H2, N2, CO) ничтожно мало, поэтому они будут поглощаться всплывающими пузырьками инертного газа и выноситься в окружающее пространство. Достигаемая при этом степень дегазации стали зависит от размеров и количества пузырьков аргона, а также от времени их пребывания в перемешиваемом металле. В связи с этим для ощутимой дегазации продуваемой аргоном стали одновременно стремятся повысить удельный расход рафинирующего газа и обеспечить его ввод в металлическую ванну в строго выраженном пузырьковом режиме.
     Эффективность применения спсоба внепечнрого рафинирования стали с целью десульфурации, раскисления и удаления неметаллических включений за счет использования шлаков и специальных смесей с определенными физико-химическими свойствами в значительной мере зависит от различных факторов, способствующих или, наоборот, препятствующих успешному решению поставленных задач. На скорость снижения концентраций серы и кислрода в стали, обрабатываемой синтетическим шлаком в ковше, влияют скорость их диффузии в металле и шлаке, интенсивность перемешивания металла со слаком и удельная поверхность их контакта. Поэтому скорость раскисления или десульфурации металла возрастает при повышении интенсивности перемешивания расплава в ковше, поскольку в этом случае одновременно увеличиваются значения коэффициентов массопередачи и удельной поверхности за счет обеспечения гидродинамических условий циркуляции потоков жидкой стали, способствующих эмульгированию рафинирующего шлакового расплава. Однако при определенных условиях интенсификация перемешивания жидкого металла может вызвать и обратный процесс перехода в него вредных примесей, что неоднократно наблюдалось на практике, когда в ковш попадало зна-13