System iniekcji argonu w kadzi pośredniej i numeryczna symulacja przepływu stali oraz flotacji wtrąceń niemetalicznych

Transkrypt

1 2007 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 509 Mgr inż. ADAM CWUDZIŃSKI UKD :669.14: : Dr hab. inż. JAN JOWSA prof. P.Cz. 32: :66.067/068: Politechnika Częstochowska, Katedra Ekstrakcji i Recyrkulacji Metali al. Armii Krajowej 19, Częstochowa e mail: cwudzinski@mim.pcz.czest.pl Mgr inż. WIESŁAW ZELIK Zakłady Magnezytowe Ropczyce S.A. ul. Przemysłowa 1, Ropczyce e mail: wieslaw.zelik@ropczyce.com.pl Dr inż. DARIUSZ ZAŁOCHA ZM Invest S.A. ul. Przemysłowa 1, Ropczyce e mail: Dariusz.Zalocha@zm invest.com.pl System iniekcji argonu w kadzi pośredniej i numeryczna symulacja przepływu stali oraz flotacji wtrąceń niemetalicznych System of argon injection in the tundish and numerical simulation steel flow and flotation of non metallic inclusions W pracy przedstawiono wyniki symulacji komputerowej przepływu stali i flotacji wtrąceń niemetalicznych w kadzi pośredniej z systemem iniekcji argonu i podstrumieniowym regulatorem turbulencji. W artykule zaprezentowano przegrodę gazoprzepuszczalną produkowaną przez Zakłady Magnezytowe Ropczyce S.A. Zastosowanie systemu iniekcji gazu obojętnego (Ar) w kadzi pośredniej wpływa na rozkład pola przepływu stali oraz na flotację wtrąceń niemetalicznych. W rezultacie obliczeń otrzymano procentowe udziały ilości wtrąceń niemetalicznych wypływających poszczególnymi wylewami kadzi pośredniej i absorbowanych przez zasypkę żużlową. W pracy oceniono wpływ intensywności natężenia wdmuchiwanego gazu na ilość wtrąceń niemetalicznych usuwanych ze stali podczas procesu ciągłego odlewania stali. The paper presents the results of computer simulation steel flow and flotation of non metallic inclusions in the tundish with a system of argon injection and subflux controller of turbulence. This article presents the gas permeable barrier produced by a magnesite plant Zakłady Magnezytowe Ropczyce s.c. Application of argon injection system in the tundish has an influence on the field of steel flow and flotation of non metallic inclusions. In effect of calculations percentage participation of non metallic inclusions which flow through tundish outlets and are absorbed through tundish powder has been obtained. The paper contains estimation of the influence of argon blowing intensity on the quantity of non metallic inclusions removed from the steel during continuous casting of steel. Słowa kluczowe: kadź pośrednia, przegroda gazoprzepuszczalna, przepływ stali, flotacja wtrąceń niemetalicznych, gaz obojętny, symulacja numeryczna Key words: tundish, gas permable barrier, steel flow, flotation of non metallic inclusions, inert gas, numerical simulation 1. Wstęp. Wielofunkcyjność kadzi pośredniej spowodowała dynamiczny rozwój mechanizmów wspomagających jej pracę, większość z tych mechanizmów wdrożono i są one z powodzeniem wykorzystywane w koncernach metalurgicznych. Kadź pośrednia spełnia oprócz swych klasycznych zadań, jak transport stali do krystalizatora maszyny COS, czy ochrona przed wpływem warunków zewnętrznych, także funkcję reaktora metalurgicznego, pozwalając na przebieg procesów poprawiających czystość stali. Na bezawaryjne funkcjonowanie kadzi między innymi ma wpływ użycie odpowiednich materiałów ogniotrwałych, z których wykonuje się konstrukcje kadzi, wylewy oraz urządzenia sterujące przepływem. Materiały ogniotrwałe użyte podczas procesu ciągłego odlewania stali powinna cechować wytrzymałość termiczna, chemiczna i mechaniczna. Zastosowanie materiałów ogniotrwałych spełniających takie kryteria, gwarantuje pracę kadzi w sekwencji kilkukadziowej. Dobór odpowiednich materiałów ogniotrwałych jest szczególnie ważny w przypadku urządzeń sterujących przepływem (USP), tj. tam, przegród, przelewów, filtrów ceramicznych, podstrumieniowych regulatorów turbulencji czy płyt gazoprzepuszczalnych. Z drugiej strony należy zaprojektować odpowiedni kształt urządzenia typu USP oraz dobrać dla niego optymalne usytuowanie w kadzi pośredniej. Często jest trudno jednoznacznie rozstrzygnąć

2 S. 510 Hutnik Wiadomości hutniczen nr 10 o celowości zastosowania urządzenia sterującego przepływem w kadzi pośredniej bez wykonania odpowiednich badań. Dlatego zastosowanie symulacji numerycznych pozwala uzyskać cenną informację na temat wpływu danego urządzenia na przepływ stali w postaci krzywych RTD (Residence Time Distribution), krzywych mieszania, map pól ruchu medium, intensywności turbulencji przepływu oraz rozkładu temperatury medium wewnątrz agregatu. Parametry te pozwalają ocenić przydatność urządzenia i jego pozytywne lub negatywne oddziaływanie na zachowanie się przepływającej stali. Symulacje ruchu stali można połączyć z symulacją flotacji wtrąceń niemetalicznych (WN), co jest dodatkowym wskaźnikiem dla oceny przydatności USP w kadzi pośredniej [1 4]. Pozytywny wynik testów urządzenia otrzymany poprzez wykonanie symulacji otwiera etap odpowiedniego wykonania urządzenia i doboru odpowiedniej jakości materiałów konstrukcyjnych. Nowo zaprojektowane urządzenia sterujące przepływem powinny być także testowane w warunkach przemysłowych. W niniejszej pracy opisano system iniekcji argonu montowany w kadzi pośredniej i wykonywany przez Zakłady Magnezytowe Ropczyce S.A. oraz przedstawiono symulację numeryczną przepływu stali i flotacji WN w kadzi pośredniej, wykonaną w laboratorium komputerowym Katedry Ekstrakcji i Recyrkulacji Metali. 2. System iniekcji argonu. Zakłady Magnezytowe Ropczyce S.A. zajmują się produkcją asortymentu wykorzystywanego w przemyśle hutniczym, cementowniczym, wapienniczym, szklarskim oraz odlewniczym. W kooperacji z ZM Invest S.A. świadczącym kompleksowe usługi w zakresie doradztwa, projektowania, sprzedaży, instalacji i monitoringu pracy materiałów ogniotrwałych zabudowanych w urządzeniach cieplnych, Zakłady Magnezytowe S.A. oferują dla przemysłu hutniczego, zwłaszcza zakładów zajmujących się produkcją wyrobów stalowych, usługi związane z kompleksowym wyposażeniem w urządzenia lub wyłożenia z materiałów ogniotrwałych takich agregatów przemysłowych, jak konwertor tlenowy, łukowy piec elektryczny, urządzenie RH, kadzie główne i kadzie pośrednie. W przypadku kadzi pośredniej szeroki wachlarz produktów obejmuje biceramiczne wylewy dozatorowe, kształtki muszlowe, płyty podstrumieniowe, przegrody, przegrody gazoprzepuszczalne, wyłożenia zasadnicze, masy ochronne, zasypki ochronne z najwyższej jakości materiałów ogniotrwałych. W niniejszym artykule zaprezentowano przegrodę gazoprzepuszczalną typu PS2 zaprojektowaną na potrzeby kadzi pośrednich, poprzez którą możliwe jest wdmuchiwanie gazu obojętnego do ciekłej stali podczas procesu ciągłego odlewania stali. Szkic przegrody gazoprzepuszczalnej wraz z wymiarami przedstawiono na rys. 1. Z racji różnych kształtów i pojemności kadzi pośrednich oczywistym jest, że wymiary przegrody można modyfikować dostosowując je do określonej geometrii kadzi pośredniej. Przegrodę montuje się w dnie i ścianach kadzi pośredniej osłaniając następnie ogniotrwałą masą ochronną. W bocznej ścianie przegrody znajduje się kanał doprowadzający gaz obojętny, który jest wdmuchiwany do kadzi pośredniej przez część dolną przegrody, umożliwiając swobodny przepływ pęcherzy gazu obojętnego przez przepływającą stal. W tablicy 1 zaprezentowano własności fizykochemiczne materiału ogniotrwałego zastosowanego w produkcji przegrody typu PS2. 3. Metodyka badań. Symulację komputerową przepływu stali i flotacji wtrąceń niemetalicznych wykonano w programie Fluent dla pięciu wariantów kadzi pośrednich. W pierwszym wariancie kadź pośrednia została wyposażona tylko w podstrumieniowy regulator turbulencji (PRT), natomiast w pozostałych wariantach w kadzi zamontowano dwie przegrody gazoprzepuszczalne, przez które wdmuchiwano argon z następującymi natężeniami przepływu: 5, 10, 15 i 50 l/min. Na rys. 2 pokazano szkic kadzi pośredniej wraz z urządzeniami sterującymi przepływem stali. Przegrody gazoprzepusz- Rys. 1. Przegroda gazoprzepuszczalna typu PS2 wyprodukowana przez Zakłady Magnezytowe Ropczyce S.A. Fig. 1. The blowing shape PS2 produced by Zakłady Magnezytowe Ropczyce s.c. Tablica 1. Typowe fizykochemiczne własności materiału ogniotrwałego zastosowanego w przegrodzie Table 1. Typical chemical and physical properties of refractory material conform to producing blow shape Dodatkowe parametry charakteryzujące Skład chemiczny % gęstość pozorna g/cm 3 materiał porowatość otwarta % wytrzymałość na ściskanie MPa MgO Al 2 O 3 CaO Fe 2 O 3 SiO 2 2,7 18, ,5 0,5 0,5 1,9 7

3 2007 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 511 czalne zamontowano pomiędzy pierwszym a drugim oraz drugim a trzecim wylewem kadzi pośredniej. Przegroda gazoprzepuszczalna znajdująca się najdalej od strefy zalewania kadzi pośredniej została oznaczona numerem 1, natomiast przegrodę położoną bliżej PRT oznaczono numerem 2. Stal wpływała do kadzi z prędkością 2,5 m/s. Symulację przepływu stali sprzężono z symulacją flotacji WN typu Al 2 O 3 według procedur przedstawionych w pracach [5 7]. Badano zachowanie się WN o wielkościach 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 i 100 µm. Rys. 2. Kadź pośrednia z zamontowanymi urządzeniami sterującymi przepływem stali Fig. 2. Tundish with flow control devices 4. Wyniki obliczeń. W wyniku przeprowadzonych obliczeń numerycznych uzyskano mapy przepływu stali w postaci pól wektorów prędkości w wnętrzu kadzi pośredniej oraz procentowe udziały ilości wtrąceń niemetalicznych wypływających poszczególnymi otworami kadzi pośredniej i do zasypki żużlowej. Na rysunkach 3 12 pokazano ruch stali w strefach bezpośredniego wdmuchiwania gazu obojętnego Ar. Rys. 3 i 4 odpowiadają wariantowi kadzi pośredniej nie poddanej iniekcji argonu. Na rys. 3 widać wyraźnie opadający charakter ruchu stali, natomiast w strefie przegrody gazoprzepuszczalnej numer 2 przepływ ulega zawirowaniu zbiegającemu się w środkowej części kadzi. Obie mapy wskazują na niesprzyjający charakter przepływu stali dla flotacji WN. Odmienny charakter ruchu stali przedstawiają rysunki 5 12, na których kierunek przepływu stali jest zdecydowanie wznoszący i stanowi dodatkowy bodziec dla flotacji WN. Przedstawione na rys linie przepływu stali w strefach wdmuchiwania gazu obojętnego są do siebie podobne i nie pokazują istotnych zmian w polu przepływu spowodowanych zmianą natężenia wdmuchiwanego gazu. Analiza ruchu stali w strefach wdmuchiwania Ar oraz przedstawione w pracy [8] charakterystyki czasu przebywania stali (RTD) dla rozpatrywanych wariantów kadzi pośrednich wskazują na poprawę warunków Rys. 3. Przepływ stali w strefie wdmuchiwania Ar przez przegrodę gazoprzepuszczalną numer 1 podczas braku iniekcji Fig. 3. Steel flow in the zone of Ar injection through blowing shape number 1 during shortage of injection Rys. 5. Przepływ stali w strefie wdmuchiwania Ar z natężeniem 5 l/min przez przegrodę gazoprzepuszczalną numer 1 Fig. 5. Steel flow in the zone of Ar injection (5 l/min) through Rys. 4. Przepływ stali w strefie wdmuchiwania Ar przez przegrodę gazoprzepuszczalną numer 2 podczas braku iniekcji Fig. 4. Steel flow in the zone of Ar injection through blowing shape number 2 during shortage of injection Rys. 6. Przepływ stali w strefie wdmuchiwania Ar z natężeniem 5 l/min przez przegrodę gazoprzepuszczalną numer 2 Fig. 6. Steel flow in the zone of Ar injection (5 l/min) through

4 S. 512 Hutnik Wiadomości hutniczen nr 10 przepływowych w kadzi pośredniej wyposażonej w PRT i system iniekcji gazu obojętnego. Jednak do kompleksowej oceny wyposażenia kadzi pośredniej wykonano symulację zachowania się WN. Na rysunkach przedstawiono wyniki dotyczące wypływania WN ze stalą poszczególnymi otworami kadzi do krystalizatorów. W kadzi bez systemu iniekcji najmniej WN wypłynęło otworem wylewowym numer 2, natomiast w kadziach, w których wdmuchiwano Ar najmniej WN wypłynęło otworem 1. Dla każdego wariantu wyposażenia kadzi Rys. 7. Przepływ stali w strefie wdmuchiwania Ar z natężeniem 10 l/min przez przegrodę gazoprzepuszczalną numer 1 Fig. 7. Steel flow in the zone of Ar injection (10 l/min) through Rys. 10. Przepływ stali w strefie wdmuchiwania Ar z natężeniem 15 l/min przez przegrodę gazoprzepuszczalną numer 2 Fig. 10. Steel flow in the zone of Ar injection (15 l/min) through Rys. 8. Przepływ stali w strefie wdmuchiwania Ar z natężeniem 10 l/min przez przegrodę gazoprzepuszczalną numer 2 Fig. 8. Steel flow in the zone of Ar injection (10 l/min) through Rys. 11. Przepływ stali w strefie wdmuchiwania Ar z natężeniem 50 l/min przez przegrodę gazoprzepuszczalną numer 1 Fig. 11. Steel flow in the zone of Ar injection (50 l/min) through Rys. 9. Przepływ stali w strefie wdmuchiwania Ar z natężeniem 15 l/min przez przegrodę gazoprzepuszczalną numer 1 Fig. 9. Steel flow in the zone of Ar injection (15 l/min) through Rys. 12. Przepływ stali w strefie wdmuchiwania Ar z natężeniem 50 l/min przez przegrodę gazoprzepuszczalną numer 2 Fig. 12. Steel flow in the zone of Ar injection (50 l/min) through

5 2007 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 513 pośredniej najwięcej WN wypływa otworem wylewowym numer 3, który znajduje się najbliżej strefy zalewania. Zastosowanie systemu iniekcji argonu powoduje obniżenie ilości WN wypływających otworami kadzi dla wylewu 1 od 1 do 5 %, dla wylewu 2 od 0,5 do 3 % i dla wylewu numer 3 od 1,5 do 6 %. Dodatkowo widać, że wdmuchiwany gaz obojętny ma wyraźny wpływ na zmniejszenie ilości WN wypływających wylewami kadzi w przedziale wielkości od 10 do 60 µm. Na rysunku 16 przedstawiono wykres dotyczący WN usuniętych ze stali i pochłoniętych przez żużel. Najmniej WN wypłynęło do żużla w kadzi z PRT, bo wiem ilość ta wynosiła od 74 do 84 %. Dla kadzi z przegrodami gazoprzepuszczalnymi wynik ilości WN absorbowanych przez żużel w zależności od wielkości WN i natężenia przepływu gazu zawiera się w przedziale od 81 do 87 % dla natężenia Ar 5 l/min, od 85 do 90 % dla natężenia Ar 10 l/min, od 85 do 89 % dla natężenia Ar 15 l/min i od 88 do 90 % dla natężenia Ar 50 l/min. Otrzymane wyniki flotacji WN są do siebie zbliżone, zwłaszcza dla natężenia przepływu gazu 10, 15 i 50 l/min, oscylując w zakresie od % usuniętych do żużla WN. Dlatego optymalnym rozwiązaniem zarówno z punktu poprawy czystości stali, jak i kosztów związanych z wdmuchiwaniem argonu, wydaje się wariant kadzi pośredniej z PRT i system iniekcji Ar, przez który gaz będzie wdmuchiwany z natężeniem 10 l/min. Rys. 13. Ilość wtrąceń niemetalicznych wypływających otworem wylewowym kadzi pośredniej numer 1 Fig. 13. Fraction of non-metallic inclusions flowed through tundish outlet 1 Rys. 15. Ilość wtrąceń niemetalicznych wypływających otworem wylewowym kadzi pośredniej numer 3 Fig. 15. Fraction of non-metallic inclusions flowed through tundish outlet 3 Rys. 14. Ilość wtrąceń niemetalicznych wypływających otworem wylewowym kadzi pośredniej numer 2 Fig. 14. Fraction of non-metallic inclusions flowed through tundish outlet 2 Rys. 16. Ilość wtrąceń niemetalicznych wypływających do fazy żużlowej Fig. 16. Fraction of non-metallic inclusions removed from steel

6 S. 514 Hutnik Wiadomości hutniczen nr Podsumowanie. Uzyskane wyniki dotyczące flotacji WN w kadziach z zamontowanym systemem iniekcji argonu wskazały, że wyraźną poprawę czystości stali można uzyskać już przy natężeniu Ar 10 l/min, co odpowiada wyliczonym w pracy [8] udziałom stref przepływu w kadzi, z których wynikało, że natężenie Ar 10 l/min powoduje zdecydowane obniżenie wielkości strefy martwej przy wzroście strefy przepływu tłokowego w stosunku do stref przepływu obliczonych dla pozostałych wariantów kadzi pośrednich. Zamontowanie przegród pomiędzy kolejnymi wylewami kadzi pośredniej skutecznie minimalizuje ilość WN wypływających przez wylewy znajdujące się za przegrodą gazoprzepuszczalną. Na szczególne zanieczyszczenie wtrąceniami niemetalicznymi jest narażony wlewek ciągły odlewany przez krystalizator zasilany otworem wylewowym numer 3, będącym najbliżej strefy zasilania kadzi pośredniej w ciekły metal. Symulacja wskazała, że użycie systemu iniekcji Ar może dodatkowo wspierać procesy rafinacyjne stali i przyczynić się do poprawy stopnia czystości stali odlewanej na maszynie COS. Wykonane symulacje numeryczne stanowią dowód na propagowanie nowych rozwiązań technologicznych sprzyjających produkcji stali lepszej jakości przy odlewaniu wlewków ciągłych. L I T E R AT U R A 1. Merder T., Jowsa J., Siwka J.: Modelowanie usuwania wtrąceń niemetalicznych w kadzi pośredniej COS, II Międzyn. Konf. Ciągłe Odlewanie Stali, Krynica 2004, s Morales R. D., Ramos Banderas A., Sanchez Perez R.: Mathematical Simulation and Modelling of Steel Flow with Gas Bubbling in Trough Type Tundishes, AISTech, Vol. II, 2004, s Zhang L.: Fluid Flow, Heat Transfer and Inclusion Motion in a Four strand Billet Continuous Casting Tundish, Steel research int. 76, nr 11, 2005, s Cwudziński A. Jowsa J.: Removal of Non Metallic Inclusions from Liquid Steel in the Tundish with and without Under Flux Controller of Turbulence, 22 Celostatni Konference se Zahranicni Ucasti, Teorie a Praxe Vyroby a Zpracovani Oceli, Roznov pod Radhostem, 2006, s Miki Y., Thomas B. G.: Modelling of Inclusion Removal in a Tundish, Metallurgical and Materials Transactions 30B, 1999, s Cwudziński A., Jowsa J.: Izotermiczny i nieizotermiczny model numeryczny flotacji wtrąceń niemetalicznych z ciekłej stali, XIV Międzynarodowa Konferencja Naukowo Techniczna Produkcja i Zarządzanie w Hutnictwie, Szczyrk, 2006, s Cwudziński A., Jowsa J.: Wpływ warunków brzegowych na wynik obliczeń flotacji wtrąceń niemetalicznych z ciekłej stali, XVI Międzynarodowa Konferencja Naukowa pt. Iron and Steelmaking, Szczyrk, 2006, (w druku) 8. Cwudziński A., Jowsa J.: Charakterystyki RTD przepływu stali w kadzi pośredniej z podstrumieniowym regulatorem turbulencji i systemem iniekcji argonu, Hutnik Wiadomości Hutnicze, 2006, nr 12, s. 538 Dr inż. MAREK WOJTASZEK UKD :620.18:539.4/.5: : Prof. dr hab. inż. ANDRZEJ NOWAKOWSKI Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej al. Mickiewicza 30, Kraków mwojtasz@metal.agh.edu.pl Własności spieków żelaza po walcowaniu na zimno Properties of sintered iron obtained by cold rolling W pracy przedstawiono wyniki badań własności tworzyw, otrzymanych z zastosowaniem technologii metalurgii proszków oraz procesów przeróbki plastycznej. Jako materiał wyjściowy zastosowano rozpylany proszek żelaza, o oznaczeniu WPL 200. Wsad do walcowania wytworzono z wykorzystaniem zabiegów prasowania na zimno proszku i spiekania wyprasek. Proces walcowania prowadzono w temperaturze otoczenia, przy różnych wartościach gniotów względnych, wynoszących odpowiednio 18, 24 oraz 27 %. Ocenie poddano wpływ wielkości odkształcenia na wybrane własności fizyczne i mechaniczne otrzymanych wyrobów. Obserwowano stan powierzchni próbek po walcowaniu dla różnych wielkości gniotu całkowitego. Analizie poddano również mikrostruktury próbek, obserwowane z wykorzystaniem mikroskopii świetlnej. Podczas walcowania porowatego wsadu zachodzą równocześnie: proces odkształcenia plastycznego, proces zagęszczania, charakteryzowany zmianą porowatości względnej oraz efekt umocnienia. Podjęto próbę ilościowego oraz jakościowego opisu tych zjawisk. Wyniki badań pozwoliły na określenie zjawisk zachodzących w wyniku walcowania w temperaturze otoczenia porowatego wsadu w poszczególnych etapach tego procesu.