CC BY
98
ее график показан на рис. 4, а, причем среднее и действующее значения тока /=1,57 кАи /д=1,81 кА соответственно.
На рис. 5, а приведена зависимость среднеинтегрального значения радиальной проекции ОЭМС в зависимости от сдвига фаз. Видно, что на половинном расстоянии между осями тока (г=Л/2=150 мм) сила равна нулю. При изменении сдвига фаз сила изменяется в 2-3 раза, а ее направление в данной точке ванны остается одним и тем же. Минимум среднеинтегральной силы наблюдается при у=л. Неизменность направления силы/г в данной точке между подовыми электродами можно объяснить тем, что токи пульсирующие, а не знакопеременные.
Однако существуют и такие функции изменения тока (не знакопеременные), при использовании которых Б(у) меняет знак, например
i(x, у) = — +1 sin (шт-у)-
(
12-ТС П=1
cos
(2n)
2л:т
~Y
-w
Л
(5)
(2n - 1)(2n +1)
ее график приведен на рис. 4, б, причем среднее и действующее значения тока /=0,25 кА и /д=0,5кА соответственно . Особенностью этой функции является то, что часть периода она имеет нулевое значение. На рис. 5, б для функции изменения токов (5) приведена зависимость среднеинтегрального значения радиальной проекции ОЭМС в зависимости от сдвига фаз. Видно, что в данной точке между подовыми электродами направления силы/г меняется на противоположное. Использование на практике аналогичных функций и наложение на НИХ дополнительного условия /1+/2=С01В1 позволяет управлять не только интенсивностью течения расплава, но и его направлением при неизменной полезной элек-трической мощности печи.
Таким образом, обоснована теоретическая возможность управления течением расплава в ванне ДППГ с двумя подовыми электродами. Установлен качественный характер зависимости объемной электромагнитной силы в произвольной точке ванны
ДППГ от значения токов, протекающих через подовые электроды. Показана возможность управления интенсивностью и направлением течения расплава между подовыми электродами, а значит, и во всей ванне ДППГ за счет изменения соотношения посто-янных токов и сдвига фаз между пульсирующими токами, проходящими через подовые электроды. Даны рекомендации к выбору пульсирующих токов.
Список литературы
1. Результаты первого этапа освоения дугового плавильного агрегата постоянного тока нового поколения в ОАО «Курганмашзавод» / А.В. Афонаскин, И.Д. Андреев, Н.С. Влаоовидр. // Электрометаллургия. 2002. № 4. С. 16-19.
2. Элекгровихревые течения / В.В. Бояревич, Я.Ж. Фрейберг, Е.И. Шилова, Э.В. Щербинин. Рига: Зинатне, 1985. 315 с.
3. Ячиков И. М., Портнова И. В. Электромагнитные процессы в ванне ДППТ при произвольном расположении подового электрода // Электрометаллургия. 2006. № 11. С. 35-39.
4. Моделирование электровихревых течений в ванне дуговой печи постоянного тока / И.М. Ячиков, О.И. Карандаева, Т.П. Ларина. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. 231 с.
5. Ячиков И.М., Манагаров В.Н. Моделирование объемных электромагнитных сил в ванне расплава ДППТ // Вестник Самар. гос. ун-та. 2008. № 6 (65). С. 330-340.
6. Ячиков И.М., Портнова И.В. Характер течения металла в ванне ДППТ с двумя подовыми электродами // Вестник МГТУ. 2008. № 3(23). С. 67-69.
Список литературы
1. The first stage results of the development of a new generation DC arc melting unit at JSC «Kurganmashzavod» / A.V. Afenaskin, I.D. Andreev, N.S. Vlasov and others // Eelectrometallurgy. 2002. № 4. P. 16-19.
2. Electrovortical flows / V.V. Boyarevch, I.J. Freyberg, E J. Shih/a, E.V. Scherbnin. Riga: Zinatne, 1985. 315 p.
3. Yachikov I.M., Portneva I.V. Electromagnetic process in DC arc furnace bath with an arbitrary location of bottom electrode // Eelectrometallurgy. 2006. № 11. P. 35-39.
4. Electrovortical flows simulating in DC arc Hirnace bath / I.M. Yachikov, O.I. Karandaeva, T.P Larina. Magnitogorsk State Educational Institution of Higher Professional Education «MSTU», 2008. 231 p.
5. Yachikov I.M., Managarov V.N. Volumetric electromagnetic forces simulation in DC arc furnace bath // Bulletin of Samara State University. 2008. № 6 (65). P. 330-340.
6. Jachicov I.M., Portnova I.V. Steel flow pattern of liquid melt at DC arc furnace with two bottom electrodes // Vestnik of MSTU. № 3(23). P. 67-69.
УДК 621.746.6
Дюльдина Э.В., Селиванов В.Н., Лозовский Е.П.
ФОРМИРОВАНИЕ ШЛАКА В ПРОМЕЖУТОЧНОМ КОВШЕ МНЛЗ
При непрерывной разливке стали в кислородноконвертерном цехе ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» в промежуточный ковш МНЛЗ вводят шлакообразующую смесь (ШОС), при расплавлении которой получается жидкий шлак, изолирующий металл от контакта с атмосферой. В процессе разливки химический состав шлака меняется, что оказывает
влияние на его защитные функции. Для изучения изменения состава шлака в процессе разливки стали было проведено специальное исследование, в котором результаты экспериментов анализировались на основе математической модели процесса шлакообразования.
Экспериментальная часть исследования состояла из разливки двух серий опытных плавок. Первая серия
длительностью около 8 ч состояла из 9 плавок стали низкоуглеродистой стали марки БРИС общей массой 3290 т. Вторая серия длительностью 6,5 ч состояла из 5 плавок низколегированной стали марки 17Г1СУ обшей массой 1875 т. Разливка осуществлялась из 360-тонного сталеразливочного ковша, имеющего магнезитовую футеровку. Металл заливали в промежуточный ковш вместимостью 45 т, имеющий футеровку из шамотного кирпича, разделительные перегородки из огнеупорного бетона и вьЕокоглинозёмистые стопоры-моноблоки.
При наполнении промежуточного ковша металлом в него вводили шлакообразующую смесь в количестве 170-180 кг. В середине разливки каждой плавки производили добавку смеси в количестве от 48 до 72 кг. Общий расход смеси составлял 0,20 кг/т стали. Химический состав огнеупорных материалов промежуточного ковша и использованной в опытах шлакообразующей смеси приведены в табл. 1.
В середине разливки первой, пятой и девятой плавок первой серии и первой, третьей и пятой плавок второй серии производили отбор проб шлака из промежуточного ковша для химического анализа.
Основными компонентами как шлакообразующей смеси, так и получающегося шлака являются оксиды кальция, кремния и алюминия, суммарное содержание которых находился в пределах 75-85%. Изменяется содержание этих компонентов шлака по-разному (рис. 1). Содержание оксвда алюминия в шлаке постепенно увеличивается, что связано с растворением в шлаке огнеупорных материалов промежуточного ковша и всплыванием алюмосодержащих неметаллических включений.
Увеличение массы шлака, вызванное растворением огнеупоров и всплыванием неметаллических включений, приводит к снижению содержания оксида кальция, так как единственным источником поступления в шлак этого компонента является шлакообразующая смесь.
Содержание оксида кремния меняется в относительно узких пределах, сначала возрастая, а затем снижаясь. Такое изменение, по-видимому, вызвано одновременным протеканием двух противоположно действующих процессов. Один из них, уменьшающий содержание БЮ2, - это общее увеличение массы шлака за счёт поступления других оксидов из разных источников, а другой, увеличивающий содержание оксида кремния, - это растворение шамотной футеровки, ос -новным компонентом которой является этот оксид. Вероятно, на начальном этапе разливки шамотная футе-
Таблица 1
Химический состав огнеупорных материалов промежуточного ковша и ШОС
Содержание, %
СаО БЮ2 АІ2О3 МдО Р С
Футеровка 61,4 35
Перегородки 2 6,5 90
Стопора 8 75 17
ШОС 1-й серии плавок 38,9 30,7 9,0 5,0 2,4 4,5
ШОС 2-й серии плавок 38 30,4 9,1 4,7 2,7 2,1
ровка растворяется с повышенной скоростью вследствие относительно высокого содержания СаО в шлакообразующей смеси, что и является причиной начального увеличения содержания БЮ2 в шлаке.
Изменение содержания в шлаке оксидов магния и марганца показано на рис. 2. Содержание MgO изменяется аналогично содержанию СаО, так как единственным источником поступления в шлак обоих этих компонентов является шлакообразуюшая смесь.
Оксид марганца является единственным компонентом шлака, который отсутствует в составе шлакообразующей смеси. Он попадает в шлак из металла в результате всплывания неметаллических включений. К концу разливки обеих серий опытных плавок содержание оксида марганца достигает достаточно высоких значений -около 5% для стали марки БРИС и до 15% для стали марки 17Г1СУ. Этот факт свидетельствует о существенной роли всплывания неметаллических включений в формировании шлака в промежуточюм ковше.
В шлаках обеих серий опытов в небольшом количестве (1-2%) содержались также и другие компоненты - №20, К20, Б, вносимые шлакообразующей смесью. Концентрация этих компонентов в процессе разливки постепенно снижалась. Совершенно очевидно, что причиной такого изменения является поступление в шлак других компонентов - продуктов разрушения огнеупорных материалов футеровки ковша и неметаллических включений из металла.
Особый характер имеет изменение концентрации оксида железа. В процессе разливки обеих серий она практически не изменялась, оставаясь в пределах 1,0-1,5%. Можно предположить, что содержание БеО определяется не поступлением этого оксида в шлак из разных источников, а является результатом динамического равновесия окислительно-восстановительных процес-сов, протекающих при разливке.
Анализ полученных экспериментальных данных был проведён с использованием математической модели изменения химического состава шлака в промежуточном ковше в течение разливки каждой серии плавок.
Модель была построена на основе следующих об-
40
10 /-------------------------------------------------
5 --------------------------------------------------
0 2 4 6 8
Время от начали разливки серии плавок, ч
Рис. 1. Изменениесодержания СаО (•, о), ЭЮ2 (■, □) и АЬСО (▲ , Д) в шлаке при разливке стали марок БРИС (—) и 17Г1СУ (- - -)
щих положений. Исходный шлак образуется в результате расплавления порции шлакообразующей смеси, введённой в ковш при наполнении его жидким метал -лом. В процессе разливки химический состав шлака меняется вследствие растворения в нём шамотной футеровки, материала разделительных перегородок, сто-поров-монэблоков, а также всплывания неметаллических включений из разливаемой стали. Было принято, что масса растворившихся в шлаке огнеупоров увеличивается пропорционально времени, прошедшего с начала разливки, а масса всплывших неметаллических включений - массе разлитого металла.
В соответствии с моделью, построенной на основе этих положений, содержание любого компонента в шлаке в произвольный момент времени может быть определено как средневзвешенная величина содержаний этого компонента во всех материалах, участвующих в шлакообразовании:
(к) =
у т .к.. M
(і)
15
10
ч:
О б
O
s' -*** * * H-
S' S’ t' V" У
~~~ "" —o- ♦ —О
0 2 4 6
Время от начала разливки серии плавок, ч
Рис. 2. Изменениесо держания МдО (♦, 0) и МпО (х, +) в шлаке при разливке стали марок БРИС (—) и 17Г1СУ (- - -)
40
30
2O
O
\p о
y5" О
\o \) °\
O
4O
10 20 30
Содержание по анализу, %
Рис. 3. Сопоставлениесодержания компонентов в шлаке по расчёту и химическому анализу
где (К) - содержание /-го компонента в шлаке, %; щ и М - массау'-го материала, участвующего в шлакообразовании, и общая масса шлака кг; Ку - содержание /-го компонента в]-ш материале, %.
Формула (1) отражает баланс /-го компонента в процессе шлакообразования.
Общая масса шлака определяется по формуле
т
(2)
Масса материалов, участвующих в формировании шлака, кроме ШОС, вообще говоря, неизвестна. Неизвестен также и химический состав всплывающих неметаллических включений. Однако все эти неиз-вестные величины могут быть найдены по данным описанных выше экспериментов.
Уравнение (1) можно составить для любого компонента шлака, состав которого известен по результатам химического анализа. При проведении данного исследования был проконтролирован химический состав шести шлаков (по три шлака при разливке каждой серии опытных плавок). При химическом анализе в каждом шлаке определялось содержание девяти компонентов. Следовательно, используя формулу (1) и экспериментальные данные, можно написать 54 соотношения, образующие единую систему уравнений. Число неиз -вестных величин в этой системе будет меньше числа уравнений. Такая система уравнений является переопределённой и её решение может быть найдено методами, используемыми в математической статистике, в частности, при регрессионном анализе.
Количество неизвестных величин определяется принятой моделью. Узкие рамки статьи не позволят детально обсудить вопрос о количестве неизвестных величин модели. Укажем лишь, что в данном исследовании было 11 неизвестных:
- три коэффициента, связывающих массу растворившейся в шлаке футеровки, материала перегородки и материала стопоров со временем, прошедшим от начала разливки;
- два коэффициента, связывающих поступление в шлак неметаллических включений с массой разлитой стали;
- шесть величин, характеризующих среднее содержание оксидов кремния, марганца и алюминия в неметаллических включениях стали марок SPHC и 17Г1СУ.
В данном исследовании система уравнений была составлена и решена в среде электронных таблиц Excel с использованием входящей в состав этой среды надстройки «Поиск решения».
В результате решения системы уравнений было установлено, что при разливке обеих серий опытных плавок скорость растворения шамотной футеровки промежуточного ковша составляла в среднем 5 кг/ч, а материала перегородок стопоров-моноблоков - 0,2 и 0,1 кг/ч соответственно. Масса всплывающих в шлак неметаллических включений при разливке стали марки SPHC составила 0,0095% от массы разливаемого металла, а при разливке стали марки 17Г1СУ - 0,0298°%.
Химический состав неметаллических включений
в
Таблица 2
Средний химический состав всплывающих неметаллических включений
Содержание, %
SiO2 MnO AhO3 FeO
SPHC 15,15 17,24 60,54 7,08
17Г1СУ 33,25 27,35 39,31 0,09
о
приведён в табл. 2.
С использованием приведенных выше значений по формуле (1) были проведены расчёты изменения химического состава шлака в процессе разливки опытных плавок. Характер изменения содержания компонентов шлака соответствует данным, полученным при химическом анализе (см. рис. 1 и 2). Численно расчётные данные также близки к результатам химического анализа (рис. 3). Линия тренда практически совпадает с диагональю, соответствующей равенству расчётных и опытных данных, а достоверность аппроксимации составляет 0,99.
Таким образом, разработанная модель вполне адекватна реальному процессу формирования шлака в промежуточном ковше.
Используя формулу (2) и данные, полученные при обработке результатов экс пери- |
ментов, можно определить изменение КОЛИЧЄ- “
ства шлака в процессе разливки и роль раз- ^
личных источников в его формировании |
(рис. 4). Как видно из этого рисунка, масса ^
шлака в процессе разливки возрастает в 5-6 “
раз, причем существенную роль в увеличении Ш
массы шлака играет всплывание неметаллических включений. Доля всплывших неметаллических включений в конечном шлаке при разливке низкоуглеродистой стали достигла 33%, а при разливке низколегированной стали
- 51%. Доля огнеупорных материалов в конечном шлаке мала - всего 3-4%.
Пробы шлака, отобранного из промежуточного ковша, были использованы также для определения температуры плавления шлака с использованием высокотемпературного микроскопа. За температуру плавления принимали температуру, при которой происходило растекание материала расплавляемого образца по огнеупорной подложке. Результаты определения температуры плавления шлаков обеих серий опытных плавок представлены на рис. 5.
Из данных этого рисунка следует, что температура плавления шлака в процессе разливки несколько повы-
Масса разлитой стали, т
Рис. 4. Изменение массы шлака (■, □), массы ШОС (♦, 0), огнеупоров (▲ , Д) и неметаплическихвкпючений (•, о), участвующихв шлакообразовании, при разливке стали марок SPHC (—) и 17Г1СУ (-------------)
1400
- 1350
1300
1250
1200
f- У
/
З
0
6
2 4
Время от начала разливки, ч
Рис. 5. Изменениетемпературы плавления ШОС и шлака в промежуточном ковше при разливке стали марок SPHC (•--•) и 17Г1СУ (о - - - о)
шается, однако это повышение не превышает 100°С. В течение всей разливки серии плавок температура плавления шлака, находящегося в промежуточном ковше, остаётся ниже 1400°С, что обеспечивает пребывание шлака в жидком состоянии. Таким образом, шлакообразующая смесь, используемая в кислородноконвертерном цехе ММК для создания защитного покрытия металла в промежуточном ковше, выполняет свои функции в течение всего процесса разливки.
