Michalek Karel*, Gryc Karel*, Morávka Jan**

Transkript

1 STUDIUM PŘENOSOVÝCH DĚJŮ V LICÍ PÁNVI PŘI DMÝCHÁNÍ ARGONU POMOCÍ FYZIKÁLNÍHO MODELOVÁNÍ STUDY OF TRANSFER PHENOMENA IN ARGON BLOWING LADLE BY MEANS OF PHYSICAL MODELLING Michalek Karel*, Gryc Karel*, Morávka Jan** * Katedra metalurgie, VŠB-Technická univerzita Ostrava, Česká republika ** Třinecký inženýring, a.s., Třinec, Česká republika Abstrakt V článku jsou uvedeny výsledky modelového studia chování lázně v licí pánvi při jejím prodmýchávání argonem pomocí dvou dmýchacích elementů umístěných ve dně pánve. Pro modelové studium byla použita metoda fyzikálního modelování na modelu v měřítku 1:10. Pozornost byla věnována vlivu objemového průtoku argonu a vlivu umístění DE na průběh procesu koncentrační homogenizace a změnu charakteristik proudění. Naměřené výsledky byly zpracovány regresní analýzou. Abstract The paper describes the model study results of behaviour liquid in the argon-stirred ladle fitted with two bottom stir plugs. A method of physical modelling with model under scale factor of 1-to-10 has been used. The attention was devoted to influence of argon flow rate and location of stir plugs on homogenization process and change of flow patterns. The obtained results were computed by regression analysis. 1. ÚVOD Dmýchání inertního plynu (nejčastěji argonu) do roztavené oceli v pánvi je nejdostupnější a někdy i postačující metodou mimopecního zpracování oceli pro získání její chemické a teplotní homogenity, které se provádí během a po metalurgických operacích jako legování, ohřev oceli, korekce chemického složení apod. Výzkum homogenizačních pochodů při dmýchání argonu do oceli v pánvi byl předmětem prací mnoha autorů a přinesl řadu dílčích poznatků, z nichž některé již mají obecně platný charakter a jsou provozně využívány téměř v každé ocelárně. Pro případ přívodu dmýchaného argonu pórovitou tvárnicí ve dně pánve existují polokvantitativní závěry o vlivu jeho objemového průtoku i umístění tvárnice na rychlost homogenizačních pochodů. Rovněž tak pro případ použití svisle umístěné dmýchací trysky jsou k dispozici dílčí závěry o vlivu hloubky jejího ponoru a umístění. Zjednodušeně lze shrnout, že pro danou geometrii licí pánve existuje určité optimální vyosení dmýchacího elementu, při kterém jsou dosahovány nejlepší výsledky z hlediska průběhu a rychlosti homogenizačních procesů. Většinou se doporučuje umístění dmýchacího elementu v polovině až dvou třetinách poloměru dna licí pánve (od středu pánve). Toto umístění však dle dřívějších údajů fyzikálního modelování nemusí být optimální z hlediska intenzifikace přenosových dějů mezi struskou a kovem, např. při rafinaci syntetickou struskou. 2. POPIS STUDOVANÝCH VARIANT A POUŽITÉ EXPERIMENTÁLNÍ METODIKY FYZIKÁLNÍHO MODELOVÁNÍ Provedené práce byly provedeny pro podmínky 180 t ocelářské pánve a jejich cílem bylo získat údaje o vlivu objemového průtoku argonu a vlivu umístění dmýchacího elementu (DE) ve dně pánve na průběh homogenizace v pánvi. Ve druhé etapě bylo pak cílem posoudit vliv 1

2 současného dmýchání přes dva dmýchací elementy ve dně pánve a posoudit a navrhnout na základě výsledků fyzikálního modelování optimální umístění druhého DE ve dně pánve. Současné dmýchání je většinou využíváno u licích pánví většího objemu s vyšším poměrem D/H (průměru a výšky pánve). Hlavním přínosem při dmýchání pomocí dvou DE u těchto pánvi je rychlejší průběh homogenizace a to jak koncentrační tak i teplotní a minimalizace resp. eliminace případných mrtvých oblastí v objemu lázně, kde pohyb taveniny stagnuje se všemi nepříznivými důsledky na homogenitu lázně. Výhodu používání dvou DE lze spatřovat i v tom, že při jakékoliv poruše jednoho z DE zůstává možnost dmýchat druhým funkčním DE. Studované pozice umístění dmýchacích elementů jsou uvedeny na obr.1. Při stanovení podmínek fyzikální podobnosti se vycházelo z ověřeného a používaného postupu publikovaného Obr. 1. Studované umístění dmýchacích elementů ve dně provozní licí pánve použité pro modelový výzkum Fig. 1. Studied positions of stir plugs in ladle bottom used for modelling study c E,H v pracích např. [1 až 3]. Při studiu homogenizačních pochodů v ocelářských pánvích prodmýchávaných argonem lze stupeň chemické nehomogenity obsahu homogenizované složky v libovolném místě A a čase τ vyjádřit pomocí bezrozměrné veličiny E,A, τ E,H E,A, τ = (1) C kde : c E,A,τ c E,H c c hmotnostní koncentrace složky E v lázni v bodě A v čase τ hmotnostní koncentrace složky E, odpovídající plně zhomogenizované lázni C Hodnota veličiny E,A, τ je funkcí souboru určujících kritérií K i,j a parametrů, určujících polohu bodu A v lázni X A, Y A, Z A. C E,A, τ = ϕ ( K ; X ; X ; X ) i, j A B C Podrobný způsob odvození kritérií K i,j ani jejich přehled zde není uváděn, vychází však již z dříve citovaných prací [1 až 3]. Pro experimentální modelový výzkum byl použit model licí pánve v délkovém měřítku M L =1:10. Model byl vybaven dalšími nezbytnými doplňky a přístroji (nádrže, jehlové regulační ventily apod.) pro provádění jednotlivých experimentů. Pro měření průtoku argonu byl použit přesný hmotnostní průtokoměr s automatickou regulací. Měřítko objemového průtoku M Qv = 0,00576 bylo stanoveno z modifikovaného Froudeho kriteria, které respektuje i vliv expanze dmýchaného argonu v důsledku nárůstu jeho teploty průchodem tekutou lázní. Průtoku základního provozního případu Q v = 243 l.min -1 pak odpovídá průtok na modelu Q v = 1,4 l.min -1. Vypočtené časové měřítko M τ = 0,3162 pak bylo použito pro zpětný přepočet dosažených homogenizačních časů na modelu na podmínky provozní pánve. Pro dmýchání argonu byl na modelu použit dmýchací element, který byl modelovým ekvivalentem elementu pro provozní podmínky. (2) 2

3 Průběh homogenizačních procesů po zahájení dmýchání byl posuzován na základě změny elektrické vodivosti roztoku a jeho teploty, které byly měřeny ve třech místech objemu pánve pomocí vodivostních a teplotních čidel. Typický záznam průběhu homogenizace, resp. záznam průběhu změn koncentrace stopovací látky ve třech měřených místech objemu lázně v modelu pánve je uveden na obr horní sonda střed dolní sonda koncentrace, %hm čas, s Obr. 2. Typický zápis změn koncentrace stopovací látky ve třech měřených místech lázně v modelu licí pánve po zahájení dmýchání argonu přes dmýchací element Fig. 2. Typical record of tracer concentration change in three measured places of the bath in the ladle model after start of argon blowing through stir plugs 3. DOSAŽENÉ VÝSLEDKY Použití jednoho dmýchacího elementu Základní představu o charakteru homogenizačních pochodů při použití jednoho dmýchacího elementu v pozici A lze získat z obr.3. Obr. 3. Chování koncentrační a hustotní nehomogenity lázně v modelu licí pánve po zahájení dmýchání v časech 15 a 40 s objemový průtok Q v = 0,34 l.min -1 (Q v = 59 l.min -1 ) Fig. 3. Behaviour of concentration and density bath inhomogeneity in ladle model after start of blowing in times 15 and 40 s - volumetric flow Q v = 0,34 l.min -1 (Q v = 59 l.min -1 ) 3

4 Naměřené homogenizační časy na modelu byly s ohledem na provozní interpretaci modelových výsledků přepočítány pomocí dříve určených měřítek objemového průtoku a času (M Qv, M τ ) na provozní podmínky. Tyto hodnoty byly graficky zpracovány a proloženy regresní funkcí typu τ H = a Q b v viz obr.4. A B E Mocninný (A) Mocninný (B) Mocninný (E) homogenizační čas, s objemový průtok, l/min A : y = x y = x y = x R 2 B : = R 2 E : = R 2 = 0.99 Obr. 4. Vliv objemového průtoku argonu Q v na dosahované homogenizační časy τ H pro tři pozice dmýchacího elementu ve dně pánve označené A, B a E Fig. 4. Influence of argon volumetric flow Q v on achieved homogeneity times τ H for three positions of stir elements in the ladle bottom marked A, B and E Z grafu je zřejmý pokles hodnot homogenizačních časů τ H s růstem objemového průtoku argonu. V oblasti nad 400 l.min -1 již tento pokles není příliš výrazný a homogenizační časy se udržují na hodnotách 100 až 150 s. Naopak v oblasti pod 100 l.min -1 a zvláště pod 50 l.min -1 se hodnoty homogenizačních časů prudce zvyšují a dosahují hodnot až 350 s v závislosti na umístění DE. Průběh křivek rovněž naznačuje, že z hlediska homogenizačních časů nejsou výrazné rozdíly mezi dmýcháním přes DE v pozicích A, B a E. Za nejpříznivější pozici DE lze považovat pozici A (resp. C, D) u které lze pozorovat poněkud kratší homogenizační časy o cca 10 až 15 % ve srovnání s pozicí B a E. Použití dvou dmýchacích elementů S použitím fyzikálního modelování byly pak studovány kombinace dmýchacích elementů AB, AC, AD a AE. Výsledky fyzikálního modelování jsou souhrnně uvedeny na obr.5, a to včetně stanovených mocninných regresních funkcí. Z grafu je patrný pokles hodnot homogenizačních časů s růstem objemového průtoku argonu. Podobně jako v případě použití jednoho DE je v oblasti nad 400 l.min -1 již tento pokles málo výrazný a homogenizační časy se udržují na hodnotách 100 až 150 s. Naopak v oblasti pod 100 l.min -1 a zvláště pod 50 l.min -1 se hodnoty homogenizačních časů prudce zvyšují a dosahují hodnot 350 s a více v závislosti na umístění tvárnice. 4

5 homogenizační čas, s AB AC AD AE Mocninný (AB) Mocninný (AC) Mocninný (AD) Mocninný (AE) objemový průtok, l/min AB : AD : y = x y = x R 2 AC : = R 2 = y = x y = x R 2 AE : = R 2 = Obr. 5. Vliv objemového průtoku argonu Q v na dosahované homogenizační časy τ H pro čtyři kombinace pozic dmýchacích elementů ve dně pánve označených AB, AC, AD a AE Fig. 5. Influence of argon volumetric flow Q v on achieved homogeneity times τ H for four position combinations of stir elements in the ladle bottom marked AB, AC, AD and AE Velmi zajímavé je však porovnání účinnosti dmýchání u jednotlivých kombinací umístění dvou DE. Kombinace AB a AC jsou prakticky shodné co do délky dosažených homogenizačních časů. Méně příznivá je pak kombinace AE, u které byly potvrzeny delší homogenizační časy než u variant AB a AC. Překvapivě nejhorší však vychází varianta AD, která se vyznačuje umístěním DE v pozici D osově symetrické podle osy y k pozici A. U této kombinace byly zjištěny nejdelší homogenizační časy v celém rozsahu objemových průtoků. Ve srovnání s kombinací AB či AC to představuje časový nárůst o 30 až 40 %. Vysvětlení této zdánlivé anomálie lze hledat v charakteru proudění, resp. ve vzniku dvou recirkulačních oblastí v licí pánvi, jejichž směr cirkulace je opačný. Dochází tak k výraznému vzájemnému ovlivňování a eliminaci rychlostních složek proudění s negativním dopadem na přenos složek a tepla. Proces homogenizace, a to koncentrační i teplotní, se zpomaluje a pro dosažení homogenně ustálené lázně je zapotřebí delšího dmýchání a tedy i většího množství nadmýchaného argonu, který může způsobit i větší pokles teploty. 4. ZÁVĚR Pomocí metody fyzikálního modelování bylo provedeno modelové studium vlivu dmýchání argonu přes dmýchací element resp. elementy umístěné ve dně pánve na průběh homogenizačních pochodů v lázni. Nejlepší výsledky byly zjištěny u variant se současným dmýcháním přes DE v pozicích A a B resp. A a C (obr.1). Naopak nejdelší homogenizační časy byly prokázány u varianty s umístěním DE v pozici A a D, což lze vysvětlit vznikem 5

6 dvou recirkulačních oblastí v licí pánvi s výrazným vzájemným ovlivňováním a eliminací rychlostních složek proudění. Práce vznikla v rámci řešení grantového projektu č.106/07/0407 za finanční podpory Grantové agentury České republiky. LITERATURA [1] BENDA, M., MICHALEK, K., FOUKAL, J. Modelové studium homogenizačních pochodů v roztavené oceli v pánvi při dmýchání plynu. Hutnické listy, 1985, č. 7, s [2] BENDA, M., MICHALEK, K. Přibližné fyzikální modelování homogenizačních pochodů v ocelářských pánvích. Hutnické listy, 1987, č. 6, s [3] BENDA, M. - MICHALEK, K. a dal.: Vliv vybraných činitelů na průběh teplotní homogenizace prodmýchávané lázně. Hutnické listy, 1989, č. 5, s