Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого

Президента России Б.Н.Ельцина»

С.П. Бурмасов

А.Г. Гудов

А.М. Панфилов

ВНЕПЕЧНОЕ РАФИНИРОВАНИЕ СТАЛИ

В УСЛОВИЯХ ГАЗОВОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

Методические указания к выполнению инженерных расчетов

внепечной обработки стали при курсовом и дипломном

проектировании для студентов всех форм обучения

по специальности 150401-«Металлургия черных металлов», по направлению 150400-«Металлургия», профиль «Металлургия черных металлов»

Научный редактор - д-р техн. наук проф. С.А.Загайнов

Екатеринбург

УрФУ

2011

УДК 669.18.013

ББК 34.327

Рецензент: доцент кафедры литейного производства и упрочняющих технологий ИММт ФГАОУ ВПО УрФУ, д-р техн. наук доц. А.Б. Финкельштейн

С.П. Бурмасов

Внепечное рафинирование стали в условиях газового перемешивания: методические указания к выполнению инженерных расчетов внепечной обработки стали / С.П. Бурмасов, А.Г. Гудов, А.М. Панфилов. Екатеринбург : УрФУ, 2011.

ISBN

В методических указаниях представлен алгоритм расчета характера изменения текущей концентрации примеси в металле по ходу внепечного рафинирования стали в ковше в условиях газового перемешивания. Предлагаемая методика расчета позволяет учесть физико-химические особенности всех основных вариантов современных процессов внепечного рафинирования: как рафинирования металла шлаком от серы в ковше при атмосферном и пониженном давлении, так и рафинирования металла от водорода и азота при вакуумировании.

Методические указания являются составной частью методического обеспечения дисциплин профессионального цикла и будут полезны при выполнении курсовых и выпускных работ студентам, бакалаврам и магистрам, обучающимся по направлению 150400-«Металлургия», профиль «Металлургия черных металлов».

Библиогр.: 5 назв.

УДК 669.18.013

ББК 34.327

ISBN © УрФУ, 2011

© Бурмасов С.П., 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1. Динамика рафинирования стали от примеси 6

2. Оценка равновесной концентрации водорода и азота в стали 8

3. Оценка равновесной концентрации серы в стали 10

4. Примеры расчетов 15

4.1. Десульфурация металла в открытом процессе 15

4.2. Десульфурация металла при вакуум-шлаковой обработке 22

4.3. Удаление водорода при ковшевом вакуумировании 27

4.4. Удаление азота при ковшевом вакуумировании 30

Список использованных источников 35

Введение

Рафинирование металла от примесей – одна из главных задач сталеплавильного процесса. Эффективность этого процесса неразрывно связана с его термодинамикой и кинетикой. Степень удаления примеси существенно зависит от термодинамических условий и скорости процесса. Термодинамические условия, по сути, определяют максимально возможную степень удаления примеси. От скорости процесса зависит, насколько полно удастся реализовать потенциал рафинирования, созданный термодинамическими условиями. Таким образом, эффективность процесса рафинирования, особенно в условиях технико-экономических и технологических ограничений на время обработки, существенно зависит от динамики процесса. Учет кинетических закономерностей позволяет наиболее полно выделить все управляющие технологические факторы, оценить требуемые значения технологических параметров в целях реализации заданной степени рафинирования за определенное время.

В работе представлен алгоритм расчета характера изменения текущей концентрации примеси в металле по ходу внепечного рафинирования стали в ковше в условиях газового перемешивания.

Ввиду близости кинетических закономерностей рафинирования стали от нежелательных примесей по ходу внепечной обработки основной блок предлагаемого алгоритма расчета одинаков для всех примесей. Он может быть реализован в двух основных вариантах:

1. Оценка содержания примеси при заданном времени обработки.

2. Оценка времени обработки, требуемого для получения заданного содержания примеси в металле.

В связи с наличием особенностей физико-химических процессов рафинирования стали от различных нежелательных примесей предлагаемый расчетный алгоритм позволяет учесть особенности четырех вариантов рафинировочных процессов:

- внепечное рафинирования металла шлаком от серы в условиях газового перемешивания в ковше при атмосферном давлении;

- внепечное рафинирования металла от серы при вакуум-шлаковой обработке в условиях газового перемешивания в ковше;

- рафинирование металла от водорода при вакуумировании в ковше в условиях газового перемешивания;

- металла от азота при вакуумировании в ковше в условиях газового перемешивания.

1. Динамика рафинирования стали от примеси

В условиях выплавки стали большинство процессов рафинирования идут в диффузионном режиме. При этом в случае глубокого рафинирования от примесей лимитирующим звеном, по крайней мере, на завершающих стадиях процесса является диффузия примеси к месту реакции. В этих условиях основным способом ускорения и повышения эффективности процесса рафинирования является перемешивание металла. Интенсивность перемешивания может быть оценена величиной мощности перемешивания.

В предположение диффузионного режима изменение концентрации примеси во времени описывается соотношением:

(1)

где [X]₀ – начальное содержание примеси в металле, %;

[X]_равн – равновесная концентрация примеси, определяемая

термодинамическими условиями, %;

[X] – фактическая концентрация примеси, %;

k – коэффициент массопереноса, м²·с^-1;

S – площадь поверхности раздела, м²;

V – объем металла, м³;

τ – время от начала процесса, с.

Ввод параметра объемный коэффициент массопереноса

(2)

позволяет представить соотношение (1) в виде

(3)

Преобразуем выражение к виду, связывающему фактическую концентрацию примеси с текущим временем процесса

(4)

(5)

(6)

Часть удаляемых примесей относится к поверхностноактивным. В связи с этим скорость их удаления существенно зависит от доли свободной поверхности границы раздела фаз. Тогда в общем случае динамика изменения концентрации примеси может быть описана соотношением

, (7)

где (1- θ) – доля свободной поверхности.

В случае необходимости оценки времени обработки с целью получения заданного содержания примеси может быть использовано соотношение

. (8)

Равновесная концентрация примеси определяется термодинамическими условиями процесса. Соответственно управление величиной термодинамических параметров позволяет влиять на эффективность и характер изменения содержания примеси.

Влияние кинетики процесса на динамику изменения концентрации примеси определяется величиной объемного коэффициента массопереноса, зависимость которого от мощности перемешивания определяется соотношением

(9)

где - мощность перемешивания, Вт/кг.

В ковше наибольшее распространение нашло газовое перемешивание за счет продувки инертным газом. Расчет мощности газового перемешивания может быть сделан, исходя из аналитических оценок работы перемешивания. При этом рассчитать удельную мощность перемешивания при продувке инертным газом в ковше можно, используя соотношение:

, Вт/кг, (10)

где G – удельная интенсивность продувки, м³/(кг·с);

ρ – плотность металла, кг/м³;

g – ускорение свободного падения;

H – высота металла в ковше (глубина погружения фурмы), м.

Расход инертного газа, в большинстве случаев, задается и контролируется в единицу времени: л/мин. В этом случае для расчета удельной интенсивности продувки необходимо значение массы металла в ковше:

, м³/(кг·с), (11)

где Q – расход газа, л/мин;

М – масса металла, т.