содержание   ..  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  ..

8.2 ИССЛЕДОВАНИЯ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУИ МЕТАЛЛА В КАНАЛЕ КОВШОВОГО ЗАТВОРА И ЕЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ОКРУЖАЮЩЕЙ АТМОСФЕРОЙ НА ОТКРЫТОМ УЧАСТКЕ

Как известно, процесс повторного окисления стали, начинающийся после введения в расплав раскислителей, включает несколько стадий. При этом интенсивность передачи кислорода металлу определяется действием целого ряда факторов (способов раскисления, количеством попадающего в ковш печного шлака, технологическими особенностями разливки), а основной прирост содержания в нем кислорода обусловлен процессами, протекающими при контакте струи с воздухом во время разливки.

В настоящее время существует две точки зрения на механизм захвата воздуха истекающей из разливочного ковша струей жидкой стали. Приверженцы одной из них считают, что основное количество кислорода во время разливки попадает в металл за счет непосредственного окисления поверхности струи. Другие, напротив, увеличение содержания кислорода в стали после окончания разливки напрямую связывают с процессом инжекции воздуха струей металла. По их мнению, утолщенная часть струи, проникающая в жидкий металл, оставляет за собой кольцевую воздушную полость, которая при захлопывании разбивается на множество мелких пузырей, являющихся дополнительными источниками загрязнения стали кислородом.

Следует отметить, что указанные механизмы перехода кислорода из воздушной атмосферы в разливаемую сталь действуют одновременно, а соотношение объемов кислорода, попадающего в металл за счет его окисления в поверхностном слое струи, а также захвата ею воздуха, зависит от применяемого способа разливки, и конструктивных особенностей эксплуатируемых разливочных и защитных устройств.

При разработке мероприятий, направленных на повышение эффективности применения оборудования, обеспечивающего реализацию способов защиты стали от вторичного окисления, важно знать основные причины развития процесса насыщения кислородом разливаемого металла для целенаправленного поиска возможных путей их устранения. Этот поиск должен осуществляться одновременно по нескольким направлениям, включая проведения исследований условий формирования струи металла в канале ковшового затвора и изучение газо-гидродина-мических явлений, связанных с ее взаимодействием с воздушной атмосферой на открытом участке.

При этом существенная роль отводится физическому моделированию, позволяющему раскрыть особенности указанных явлений и найти эффективные способы решения существующих проблем.

Необходимость проведения модельных исследований условий формирования струи стали в канале ковшового затвора обусловлена тем, что из-за изменения характера взаимодействия в нем потоков металла, вызванного усложнением его формы и увеличением длины, нельзя воспользоваться данными других исследователей, полученными для условий стопорной разливки [118].

Канал скользящего затвора часто формируют, применяя комплект огнеупорных изделий с различными диаметрами отверстий (табл. 29), в связи с чем в нем образуются два ступенчатых перехода, изменяющих конфигурацию и скоростную структуру потока и, несомненно, влияющих на организацию истекающей из ковша струи стали. Поэтому выбор оптимальных форм и геометрических параметров сталевыпускного канала ковшового затвора является одним из мероприятий, способствующих улучшению организации струи разливаемой стали и тем самым снижению интенсивности ее вторичного окисления.

Для изучения качественной картины гидродинамических процессов, протекающих в канале ковшового затвора, использовали лабораторную установку, схематично представленную на рис. 114. Установка включала резервуар 4 с моделирующей расплав жидкостью, к донной части которого крепилась изготовленная в масштабе 1:2 плоская прозрачная модель шиберного затвора 5. Для визуализации жидкостных потоков в его канале использовался краситель, поступавший в область лунки гнездового кирпича по капиллярам 3 из сосуда 1, снабженного регулировочным вентилем 2.

В качестве моделирующей жидкости использовали воду из водопроводной сети. Истекающая из канала модели затвора жидкость поступала в приемный сосуд 7, а затем но трубопроводу $ в сливную магистраль.

Съемку картин жидкостных потоков при различных положениях нижней плиты модели затвора, а также соотношениях диаметров каналов разливочного стакана, плит и стакана-коллектора выполняли с помощью фотокамеры 9, установленной на штативе на уровне модели затвора. Для подсветки фотографируемых участков разливочного канала плоской модели затвора применялись размещенные под углом 45° к ней два светильника 6.


В результате выполненных лабораторных исследований установлено, что основными факторами, оказывающими существенное влияние на гидродинамические процессы, протекающие в канале затвора, являются: перепады площади поперечного сечения разливочного канала в местах стыковки огнеупорных элементов с различными диаметрами отверстий; местные гидравлические сопротивления, возникающие в момент дросселирования струи или в случае несовпадения отверстий плит; степень шероховатости стенок канала.

Процесс формирования струи начинается в зоне лунки гнездового кирпича. При этом жидкость, моделирующая расплав, благодаря большой подвижности частиц со всех сторон устремляется к входному отверстию разливочного стакана, вследствие чего над его верхней торцевой поверхностью образуются завихрения В местах перехода от большего поперечного сечения канала к меньшему при отношении dj/dj+i, превышающем 1,15, из-за огибания потоками жидкости выступающих кромок в пристеночных областях появляется зона низких скоростей, причем ширина этой зоны в продольном сечении канала увеличивается сверху вниз, о чем свидетельствует более темный цвет жидкости в указанных местах.

Во время дросселирования струи над выступающей частью подвижной плиты образуется застойная зона, а ниже ее появляются пустоты, что может способствовать как отложению включений в нижней части канала стакана, так и просачиванию воздуха между плитами в полости с пониженным давлением.
Исходя из полученной информации было сделано предположение о юм, что на участках канала затвора, на которых наблюдается резкое снижение скорости жидкостных потоков, возникают условия, усугубляющие процесс “затягивания” разливочного стакана, поскольку появпяющиеся на его рабочих поверхностях отложения не будуг смываться расплавом по крайней мере до того момента, пока формы продольных сечений канала я истекающей струи не станут идентичными.

Наряду с ухудшением условий формирования струи металла при “затягивании” канала на процесс ее распада во время свободного движения существенное влияние может оказывать состояние воздушной среды в околоструйном пространстве [69]. Данные скоростной киносъемки струй жидкости, истекающей в подвижную воздушную среду, показали, что в случае движения жидкостной струи в коаксиальном воздушном потоке состояние ее поверхности заметно меняется при различном соотношении их скоростей. Распад водяной струи снижался по мере уменьшения градиента значений скоростей жидкой и воздушной сред.

Например, при скорости истечения водяной струи 27 м/с ее винтовая неустойчивость вниз по направлению движения резко убывала в случае увеличения скорости попутного воздушного потока. Когда его скорость приближалась к скорости водяной струи, распад последней практически не происходил [16].

От состояния поверхности истекающей струи жидкости напрямую зависит количество захватываемого ею воздуха. Максимальная интенсивность процесса захвата воздуха характерна для турбулентного режима движения жидкостной струн, имеющей на поверхности пульсации, переходящие в поперечные волны. Количество захваченного воздуха в этом случае оценивают по объему, заключенному между фактическим профилем струи и огибающей цилиндрической поверхностью [27], который в свою очередь существенно меняется в зависимости от применяемого способа разливки.

При разливке сверху длина свободного участка струи в течение времени заполнения изложницы жидким металлом изменяется от 2,5 до 0,5 м. Процесс вовлечения в жидкую сталь воздуха наиболее интенсивно протекает в начальной стадии наполнения изложницы, поскольку в этот момент струя, имеющая максимальную длину свободного участка, входит в толщу металла с большой скоростью, что способствует захвату пузырей воздуха.
Несколько иначе протекает этот процесс во время сифонной разливки, для которой характерна сравнительно небольшая длина свободного участка струи (200-300 мм). Однако при входе струи металла в коническую воронку центровой создаются условия, характерные для работы струйного инжектора, в результате чего большое количество воздуха уносится в канал центровой, а затем по сифонной проводке попадает в полости изложниц.

Таким образом, в качестве действенных мер по снижению интенсивности вторичного окисления стали, разливаемой в изложницы, следует признать решения, способствующие улучшению организации струи и уменьшению концентрации кислорода в окружающей ее атмосфере.

Одновременное выполнение указанных условий возможно при использовании ковшовых затворов, обеспечивающих газодинамическую защиту металла в процессе разливки за счет создания вокруг струи на открытом ее участке завесы из инертного или нейтрального газа.

Наиболее эффективным в работе следует считать устройство, позволяющее при меньшем расходе Аг или N2 добиться требуемой для применяемого способа разливки дальнобойности кольцевой газовой струи. В этом случае защитный эффект, достигаемый за счет снижения возмущающего воздействия коаксиального газового потока на струю металла путем выравнивания их скоростей, уменьшения концентрации кислорода в граничном с поверхностью расплава слое на всем протяжении открытого участка, будет получен с минимальными энергетическими затратами. В связи с этим при совершенствовании данного метода защиты металла от вторичного окисления основное внимание должно уделяться обеспечению оптимальных динамических характеристик газовых струй, формируемых кольцевым соплом применяемого защитного устройства.

Согласно положениям газодинамики главной задачей анализа струйного течения является определение полей скоростей, расходов по длине и сечению струи [92].

Поскольку точного аналитического решения уравнений, описывающих распределение скоростей газовых потоков, окружающих открытый участок струи разливаемого металла, пока не найдено, информацию, необходимую для разработки высокоэффективной технологии газодинамической защиты стали, получили экспериментальным путем.

Цель исследований, проводившихся авторами в лабораторных и производственных условиях, заключалась в выявлении влияния дальнобойности, границ распространения и угла раскрытия струи азота, истекающей из кольцевого сопла защитного устройства ковшового затвора, на химический состав газовой смеси, образующейся в областях пространства, непосредственно окружающего поверхность струи стали.

В соответствии с разработанным планом работ на первом этапе исследований моделировался процесс истечения защитной газовой струм в условиях разливки сверху и сифонным способом. Моделирование проводили на лабораторном стенде, схематично изображенном на рис. 115. Он включал модель разливочного устройства 1, снабженного съемной газораспределительной камерой с кольцевым щелевым соплом, коаксиально расположенным относительно выпускного канала, а также приемник 2 моделирующей металл жидкости. Модель разливочного устройства крепилась на консоли 5, имеющей возможность перемещения в вертикальной плоскости относительно стойки штатива 3, снабженного линейкой 4 для определения расстояния между разливочным устройством и приемником жидкости. Вода, имитирующая жидкую сталь, подавалась к модели разливочного устройства из водопроводной сети. Ее расход менялся при необходимости с помощью пробкового крана 6. Воздух, моделирующий защитный газ, нагнетался в распределительную камеру модели разливочного устройства по гибкому шлангу 8 компрессором 12 через ресивер 11. Объемный расход воздуха контролировался с помощью ротаметра 10, а давление на входе в распределительную камеру - по показаниям манометра 9.

 

Рис. 115. Схема лабораторного стенда для моделирования процесса газодинамической защиты стали от вторичного окисления

Для визуализации газовой струи, истекающей из щелевого сопла, непосредственно за манометром к шлангу подключался резервуар 7 с системой дозированной подачи из него в полость трубопровода белой пудры. Масштаб модели разливочного устройства по отношению к промышленному образцу составлял 1:2. Во время визуальных наблюдений за распространением газовых потоков проводили видеосъемку образующихся в околоструйном пространстве защитных оболочек при различном конструктивном исполнении кольцевого щелевого сопла.

Анализ отснятых картин распределения потоков защитного газа позволил установить оптимальную геометрическую форму щелевого сопла для защитных устройств, применяемых при разливке стали различными способами. В соответствии с полученными результатами угол наклона образующей наружной поверхности кольцевого щелевого сопла к оси сталевыпускного канала в случае разливки сверху не должен превышать 3-5°. При разливке сифонным способом этот угол следует увеличить до 25-30° [117]. На рис. 116 приведены фотографии защитных газовых оболочек, формирующихся вокруг струи истекающей жидкости при обеспечении указанных значений угла наклона образующей наружной поверхности щелевого сопла.

Влияние дальнобойности, границ распространения и угла раскрытия струи азота, истекающей из кольцевого сопла защитного устройства ковшового затвора, на химический состав газовой смеси в околоструйном пространстве исследовали в производственных условиях. При этом промышленный образец шиберного затвора конструкции ДонНТУ, имевший на внутренней цилиндрической поверхности металлической обоймы (рис. 117) кольцевую продольную канавку, образующую с наружной поверхностью стакана-коллектора кольцевую распределительную камеру и щелевое сопло. При подаче сжатого газа через патрубок в камеру происходило его истечение с большой скоростью из щелевого сопла.

Суть эксперимента состояла в одновременном определении в характерных точках околоструйного пространства скоростей потоков газа, подаваемого с различной интенсивностью, и содержания кислорода в образующейся газовой смеси. Для этого сталеразливочный ковш устанавливали на стенд и патрубок затвора с помощью шланга подключали к цеховому азотопроводу. Давление и расход азота контролировали с помощью датчика ДМИР и расходомера ВФСМ.

Границы струи расплавленного металла имитировали вертикально установленной трубой диаметром 50 мм и длиной 2 м, верхний конец которой был введен в канал стакана-коллектора затвора. Осевые скорости газовых потоков измеряли с пюмощыо зонда, снабженного тензорезисторным преобразователем [41].

После обработки полученных результатов измерений построили поля скоростей потоков защитного газа при его фиксированных расходах, а также картину расположения зон с различной концентрацией кислорода (рис. 118).
 

Рис. 117. Измерение скоростей потоков газа, защищающего струю металла от вторичного окисления:
1 - стальная труба; 2 - щелевое сопло; 3 -распределительная камера; 4 - подвижная обойма затвора; 5 - стакан-коллектор; 6 - огнеупорные плиты затвора; 7 -сталеразливочный ковш; 8 - газоподводящий патрубок; 9 - зонд для измерения скорости газовых потоков; 10 — трубка для отбора проб газовой смеси; 11 -штатив

Дальнобойность защитной струи газа, распространяющейся в пограничном со струей металла слое, зависит от расхода азота. Требуемый уровень уменьшения концентрации кислорода (до 5 %) достигается при скорости газового потока не менее 5 м/с для сифонного способа разливки и 10 м/с для разливки сверху при расходе нейтрального газа соответственно 60 и 100 м3/ч.

 

Для объективной оценки эффективности сделанных рекомендаций провели серию промышленных испытаний, в ходе которых осуществляли контроль процесса истечения защитного газа и достигаемые при этом показатели изменения концентрации кислорода в опытной стали после завершения разливки. Учитывая, что отрицательное воздействие кислорода воздуха на качество металла особенно заметно, если он предварительно подвергался внепечной обработке или в его состав входят компоненты, обладающие высокой химической активностью, для экспериментов отбирались плавки, сталь которых легировали марганцем и кремнием, вводимыми в разливочный ковш во время его наполнения, и продумали газообразным азотом через канал шиберного затвора.

Так, в условиях мартеновского цеха ОАО “Макеевский металлургический комбинат” разлили сифонным способом 80 ковшей стали 35ГС с применением газодинамической защиты при расходах нейтрального газа (N2) от 30 до 90 м3/ч. Результаты химического анализа проб, отобранных для контроля изменения содержания кислорода и неметаллических включений в опытном и сравнительном металле, показали, что за время разливки по обычной технологии стали, подвергавшейся инжекционной обработке, концентрация кислорода в ней возрастала на 0,002-0,005 %. В то же время в опытной стали, разливаемой с применением газодинамической защиты, содержание кислорода оставалось практически неизменным. Брак первого передела для сравнительной и опытной стали составил соответственно 0,47 и 0,38 %.

Вместе с этим была также установлена нестабильность достигаемых показателей снижения интенсивности вторичного окисления разливаемого металла, защищавшегося газообразным азотом, обусловленная колебаниями давления в цеховом азотопроводе. При неизменных геометрических параметрах кольцевого сопла защитного устройства изменения давления в газовой сети вызывали неустойчивое истечение азота, что ухудшало условия образования кольцевой защитной завесы. На основании полученного фактического материала сделаны выводы о необходимости применения технических решений, направленных на устранение указанных отрицательных факторов, а также на обеспечение стабильности процесса истечения защитного газа из кольцевой распределительной камеры корпуса коллектора ковшового затвора без участия разливщика стали, занятого управлением работой разливочного устройства [159].