Введение к работе
Актуальність теми. Позапічеве розкислення сталі алюмовмісткими матеріалами є одним з найбільш ефективних напрямків суттєвого підвищення якості та властивостей металопродукції масового призначення. Вироби з первинного (алюмінієва катанка) та вторинного (зливки, чушки, стрижні, відливки, гранули) алюмінію масово застосовуються на вітчизняних та закордонних металургійних підприємствах для розкислення і мікролегування більшості спокійних та низьколегованих сталей. При цьому ступінь засвоєння алюмінію, згідно з багаторічними середньостатистичними даними, складає для алюмінієвої катанки 40-50%, для виробів з вторинного алюмінію АВ-87 від 15 до 23% та характеризується високим показником нестабільності: 10-12% і 20-25% відповідно. Поряд із застосуванням виробів з первинного і вторинного алюмінію, одним з найбільш ефективних способів ресурсозберігаючої технології позапічевого розкислення сталі є введення зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза (фероалюмінію) у розплав сталерозливного ковша в період випуску плавки зі сталеплавильного агрегату, що забезпечує краще засвоєння алюмінію і зниження його витрати в 1,5-2 рази, підвищення стабільності процесу розкислення, простоту здійснення і поліпшення властивостей сталі.
На основі аналізу дослідно-промислових даних по впровадженню технології позапічевого розкислення сталі фероалюмінієм стає очевидним той факт, що дана технологія ефективніша за конкуруючі. Найкращі по показниках ступеня засвоєння і стабільності розкислення результати дає застосування зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза великої маси (8-12кг) витягнутої форми зі співвідношенням довжини зливка до його ширини 1:5-8, тобто умовно циліндричної форми. Незважаючи на накопичені емпіричні знання по засвоєнню матеріалу зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза в розплавах сталі, технологічні параметри обробки розплавів фероалюмінієвими зливками,отримані в результаті дослідно-промислових досліджень, хоча і забезпечують засвоєння добавок, але не є уніфікованими, тобто вони не відбивають комплексного взаємовпливу технологічних параметрів на ступінь і якість засвоєння добавки.
Засвоєння фероалюмінію при випуску металу в ківш включає взаємозалежні тепло- та масообмінні процеси під час руху, плавлення зливка алюмовмісткого сплаву та наступного конвективного масопереносу рідкої фази розкислювача в обємі ковша. Якість і тривалість засвоєння фероалюмінія розплавом визначається кінетикою протікання теплофізичних процесів при плавленні зливків фероалюмінію. Таким чином для встановлення впливу технологічних параметрів обробки розплавів зливками фероалюмінію (маса, розмір і склад зливків, місце введення на дзеркалі металу, маса, температура і склад розплаву), необхідне детальне вивчення закономірностей протікання теплофізичних процесів при переміщенні та розплавлюванні зливків з урахуванням гідродинаміки розплаву в ковші.
Зв’язок роботи з науковими програмами та напрямами. Тематика роботи відповідає визначеним законодавством України пріоритетним напрямам розвитку науки і техніки, зокрема напряму “Нові технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі”. Матеріали дисертації є узагальненням наукових результатів, отриманих автором при виконанні науково-дослідних робіт відповідно до плану НДР Дніпродзержинського державного технічного університету. Автор приймав участь у виконанні науково-дослідних робіт “Розробка теорії та комплексної енергозберігаючої технології фінішних процесів обробки сталі з метою підвищення якості металопродукції” (131/04дб, №держреєстрації 0104U000810) та “Вдосконалення технологічних режимів роботи агрегатів типу “ківш-піч” для зниження енерго- та ресурсовитрат в процесі позапічевого доведення металу” (ДЗ/183-2005, №держреєстрації 0105U008756).
Мета роботи. Зниження витрат сировинних ресурсів у технологічних операціях позапічевого розкислення сталі за рахунок підвищення ефективності їхнього використання шляхом застосування зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза для доведення розплавів.
Об'єктом дослідження являється процес позапічевого доведення розплавів у ковші.
Предметом дослідження являється вивчення тепломасообмінних процесів і технологічних особливостей при позапічевому розкисленні металу алюмовмісткими матеріалами.
Для досягнення мети в роботі вирішені наступні задачі:
розроблено комплексну математичну модель, алгоритми і програми розрахунків спільної задачі руху і плавлення зливка алюмовмісткого сплаву з урахуванням впливу гідродинаміки розплаву при випуску плавки з подальшим усередненням розплавленої добавки в об'ємі ковша;
досліджено вплив технологічних параметрів (маса, розмір і склад зливків, місце введення на дзеркалі металу, маса, температура і склад розплаву) на кінетику плавленя зливку, на якість і тривалість засвоєння добавки;
встановлено раціональні режими обробки розплавів зливками алюмовмістких сплавів.
Методи дослідження. У роботі використані сучасні розрахункові методи (методи математичного моделювання), що дозволяють установити кінетику протікання тепломасообмінних процесів на окремих етапах засвоєння зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза, що вводяться в період випуску розплаву в сталерозливний ківш. Для чисельних розрахунків по розроблених математичних моделях побудовані консервативні кінцево-різницеві схеми, проведено дослідження стійкості обчислювальних алгоритмів.
Наукова новизна роботи полягає в наступному:
Запропоновано новий підхід до визначення тривалості плавлення зливків алюмовмістких сплавів, що вводяться в розплав, координат їхнього розплавлення в ковші і тривалості усереднення розплавленої добавки на основі комплексної моделі процесу засвоєння матеріалу зливків, що враховує зв'язані взаємовпливові процеси руху зливка під впливом гідродинаміки розплаву при випуску плавки, плавлення зливка та масопереноса розплавленої добавки в ковшовій ванні.
Вперше, на основі розробленої комплексної моделі процесу засвоєння, отримано чисельний розв’язок задачі засвоєння зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза умовно циліндричної форми, встановлено звязок між характером руху зливку під впливом гідродинаміки розплаву та кінетикою процесу розплавлювання зливку при різному вмісті алюмінію в сплаві.
Вперше чисельно досліджено вплив технологічних параметрів обробки розплавів зливками алюмовмістких сплавів умовно циліндричної форми (маса, розмір та склад зливків, місце введення на дзеркалі металу, температура та склад металу в ковші, ємність ковша) на взаємовпливові процеси сумісного руху та плавлення зливків, а також на тривалість усереднення розплавленої добавки в об’ємі ковшової ванни;
На основі результатів обчислювального експерименту показані широкі технологічні можливості ефективного і раціонального використання зливків алюмовмістких сплавів на основі заліза для позапічевого розкислення сталі.
Практична значимість роботи. Підтверджено технологічну можливість більш ефективного використання алюмовмістких добавок у процесах позапічевого розкислення металу в порівнянні із широко застосовуваними на сучасному етапі методами. Розроблені технологічні рекомендації підвищення ефективності процесу обробки розплавів сталі зливками алюмовмістких сплавів на основі заліза показали перспективність їхнього використання та прийняті для вдосконалення технології позапічевого розкислення розплаву та корегування по хімічному складу, що підтверджується актами їхнього промислового впровадження на Дніпровському металургійному комбінаті ім.Дзержинського і ДП "Дніпродзержинський сталеливарний завод" ВАТ "Дніпровагонмаш". Очікуваний економічний ефект від впровадження результатів роботи в цінах 2006 року склав 3,2-4,33 грн/т сталі.
Розроблені в процесі виконання дисертаційної роботи математичні моделі й алгоритми розрахунків використовуються в навчальному процесі на металургійному та енергетичному факультетах Дніпродзержинського державного технічного університету, застосовуються при читанні лекцій і проведенні практичних занять по курсам: "Математичне моделювання теплофізичних процесів", "Комп'ютерне моделювання технологічних систем", "Моделювання і керування процесами виробництва сталі".
Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною роботою автора, заснованою на опублікованих раніше результатах його досліджень. На різних етапах цих досліджень автор одержував консультації відомих вчених (Огурцов А.П., Самохвалов С.Е. Тимошпольський В.Й.). У співавторстві з ними був опублікований ряд наукових праць. Основні ідеї роботи, постановка задач, обгрунтування запропонованого нового підходу та основних припущень, теоретичні викладення, розробка та реалізація комплексної математичної моделі та методик чисельного дослідження процесу засвоєння алюмовмістких зливків, аналіз одержаних результатів та формулювання висновків за підсумками проведених досліджень належать авторові. Автор не використовував у роботі ідей і розробок, що належать співавторам спільно опублікованих робіт.
Публікація й апробація роботи. Основні результати дисертації викладені в 5 статтях у фахових наукових журналах і збірниках наукових праць, 3 матеріалах і тезах доповідей науково-технічних конференцій та конгресів. Основні положення і результати досліджень, узагальнених у дисертації, були повідомлені, обговорені та одержали позитивну оцінку на:
міжнародній науково-практичній конференції "Теплотехніка в металургії" (Дніпропетровськ, 2005р.);
міжнародних науково-практичних конференціях "Проблеми математичного моделювання"(Дніпродзержинськ, 2005,2006р.);
восьмому міжнародному конгресі сталеплавильників (Магнітогорськ, 2005р.).