Введение к работе
Актуальность работы. Технологические требования к процессам обработки стали в агрегатах ковшовой металлургии, таких как ковш-печь (АКП), вакууматор непрерывно повышаются и комплексно выполнить их в рамках существующих технологий в полной мере не удается. Необходимы новые подходы, позволяющие стабилизировать температуру и состав расплава, сократить время технологических операций и повысить качество выплавляемых сталей. Одним из путей решения может быть технология струйно-плазменной обработки, развитие которой позволит эффективно использовать её в производстве.
Цель работы. Совершенствование ресурсосберегающих технологий производства стали с помощью струйно-плазменной ковшовой обработки, улучшающей технико-экономических показатели производства. Эта цель достигается на базе решения следующих задач:
-
Теоретические и технологические исследования процессов при струйно-плазменной ковшевой обработке жидкой стали.
-
Разработка физических и математических моделей для изучения гидродинамики ванны расплава стали, усреднения её по химическому составу и температуре при струйно-плазменной обработке.
-
Теоретическое и технологическое обоснование ковшового струйно-плазменного азотирования стали.
-
Разработка оборудования для проведения струйно-плазменной обработки стали в АКП и вакууматоре.
-
Внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований в опытно-промышленных условиях.
Научная новизна работы:
-
Теоретическое и экспериментальное обоснование технологии и режимов ковшовой струйно-плазменной обработки стали, обеспечивающее повышенное качество металлопродукции.
-
Впервые экспериментально исследовано распределение газовой фазы в восходящем газожидкостном потоке при взаимодействии заглубленной плазменной струи с жидкой ванной, обнаружены и исследованы резонансные гидродинамические процессы.
-
Разработаны математические модели, позволяющие оценивать теплотехническую и технологическую эффективность использования струйных электродуговых подогревателей для внепечных технологий обработки стали.
-
Установлена связь скорости расплавления и разогрева шлака на поверхности металлической ванны с параметрами электрической цепи струйного плазмотрона при использовании нового технологического приема - включения шлака в эту цепь в качестве дополнительного сопротивления.
-
Установлены закономерности, связывающие степень десульфурации и обезуглероживания расплава с изменением полярности дуги постоянного тока при струйно-плазменной обработке в вакууматоре, обоснованы режимы обработки, составы применяемого шлака и выбор мощности используемого оборудования. На основе проведенных исследований разработана установка, обеспечивающая достижение улучшенных характеристик процесса вакуумирования (пат. РФ № 21915).
-
На основе использования нечетких критериев и численного моделирования гидродинамики разработана методика оценки качества перемешивания расплава в ковше, позволяющая прогнозировать состояние жидкой ванны и совершенствовать режимы продувки.
-
На основе теоретических и экспериментальных исследований обоснованы технологические параметры струйно-плазменного газового азотирования стали в ковше.
-
На основе установленных закономерностей струйно-плазменной обработки больших масс металла в ковшах разработаны технологические режимы выплавки сталей различных марок в условиях промышленного производства.
Практическая ценность работы:
1. Основные научные положения диссертации могут являться основой для создания новых и совершенствования существующих ковшовых технологий, дополнительно оборудованных струйно-плазменными устройствами нагрева.
-
Разработаны конструкции струйно-плазменных устройств для ковшовых агрегатов – АКП, вакууматора, исследована их работа в опытно- промышленных установках. На основе проведенных исследований разработаны перспективные конструкции (а.с.СССР №902468,1300038,1540282).
-
Технологический прием струйно-плазменного нагрева шлака внедрен в установке переработки металлосодержащих отходов в НПО РАДОН.
-
На основе усовершенствованных режимов перемешивания расплава в большегрузных ковшах разработан проект технологической инструкции для условий ККЦ ОАО «ММК», позволяющий согласовать режим продувки с характером проводимой технологической операции, снизить расход электроэнергии на 3–7%, время обработки и затраты аргона. Ожидаемый экономический эффект составил 1,7 млн. руб./год в ценах 2006г.
-
Технология струйно-плазменного азотирования стали 110Г13Л успешно испытана в условиях Востокмашзавода.
-
На основе экспериментальных исследований обоснованы технологические параметры обработки стали в установках ковш – печь, обеспечивающие снижение расхода электродов и интенсификацию ковшовой обработки при использовании стабилизированных газом дуг (пат.РФ № 62048).
-
В условиях кислородно-конвертерного цеха ОАО «ММК» проведено внедрение струйно-плазменной технологии в опытно-промышленный образец агрегата ковш–печь, оснащенный полыми электродами. Обработано 120 тыс.т стали различного сортамента и получен экономический эффект 1,8 млн.руб.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Физические закономерности процессов струйно-плазменной обработки стали и их математические модели.
-
Методика расчета параметров струйно-плазменных устройств для агрегатов типа ковш-печь и вакууматор.
-
Результаты экспериментальных исследований по технологии плавления шлака и нагрева его расплава с помощью плазменных устройств для ускорения обработки стали в ковше.
-
Методика оценки эффективности перемешивания ванны расплава при ковшовой обработке, основанная на численном моделировании гидродинамики, и новые режимы подачи газа.
-
Технология вакуумирования стали с использованием плазменного нагрева, обеспечивающая проведение глубокого обезуглероживания и десульфурации стали.
-
Технология струйно-плазменного азотирования стали в ковше.
-
Новая технология ковшовой обработки стали в агрегате ковш-печь с подачей газа в полые электроды.
Апробация работы. Выполнены исследовательские работы в рамках гранта правительства Челябинской области 2004 г. Часть работы выполнялась в рамках гранта Министерства образования РФ за 2001 г. Материалы диссертационной работы докладывались на всесоюзных научно-технических конференциях «Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов» (Москва, 1983 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Теория и практика внепечной обработки стали» (Москва, 1985 г.), «Тепломассообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов» (Жданов, 1986 г.), международной научно-технической конференции «Современные проблемы металлургического производства» (Волгоград, 2002 г.), ежегодных всероссийских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (Магнитогорск, 2004–2006 гг.), международной научной конференции «Образование. Наука. Производство и управление в ХХI веке» (Ст. Оскол, 2004 г.), всероссийской научно-технической конференци «Энергосбережение и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2004 г.), 9 международном конгрессе сталеплавильщиков (Ст. Оскол, 2006 г.), международной научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2006 г.), международном промышленном форуме-выставке «Реконструкция промышленных предприятий – прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2007 г.), 65-68 научно-технических конференциях МГТУ им. Г.И.Носова по итогам научной деятельности (Магнитогорск, 2007-2010 гг.), всероссийском конгрессе металлургов (Ст. Оскол, 2007 г.), международном конгрессе металлургов (Варна, Болгария, 2007 г.).
Основное содержание работы отражено в 51 публикации, 14 из которых в изданиях по списку ВАК, новизна работы подтверждена 7 патентами.
Объем и структура работы Диссертационная работа общим объемом 360 страниц состоит из введения, 6 глав и выводов, таблиц, рисунков, библиографического списка из 427 наименований и 7 приложений.
