автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Исследование тепломассообменных процессов и совершенствование технологии вакуумирования стали в ковше

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Вакуумирование стали при внепечной обработке.

1.2. Тепломассообменные процессы при обработке стали вакуумом.

1.2.1. Обработка стали вакуумом и нейтральным газом.

1.2.2. Процесс взаимодействия углерода и кислорода при изменении давления над поверхностью металла

1.2.3. Влияние водорода на процесс обезуглероживания.

1.3. Математическое моделирование тепломассообменных процессов при внепечной обработке стали.

1.4. Выводы по главе.

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ

ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ.

2.1. Основные идеи математического описания.

2.1.1. Применение системного подхода к описанию процесса вакуумирования.

2.1.2. Применение принципа аддитивности к описанию процесса обезуглероживания.

2.1.3. Физические допущения при разработке математического описания.49*

2.2. Теплопередача в ковше с металлом и камере агрегата.

2.3. Массоперенос углерода, кислорода и водорода.

2.4. Взаимодействие углерода и кислорода, дегазация, удаление продуктов реакций.

2.5. Формирование газовой смеси отходящих газов при вакуумировании.

2.6. Выводы по главе.

Глава 3. РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ТЕПЛО-МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ.

3.1. Разработка приближенного решения.

3.2. Тестирование алгоритмов модели.

3.2.1. Уравнение теплопроводности.

3.2.2. Взаимодействие углерода с кислородом.

3.2.3. Количество и состав газовой смеси, образовавшейся при вакуумировании.

3.3. Адаптация и проверка адекватности модели.

3.3.1. Адаптация механизма перемешивания металла.

3.3.2. Адаптация процесса охлаждения металла в ковше при вакуумировании.76 3.3.3 Проверка адекватности процесса обезуглероживания при вакуумировании стали в ковше.

3.4 Выводы по главе.

Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ.84ч

4.1. Исследование тепломассообменных процессов при внепечной обработке.

4.2. Исследование закономерностей обезуглероживания при вакуумировании.

4.2.1. Изучение равновесия углерода и кислорода при вакуумировании.

4.2.2. Изучение закономерностей процесса обезуглероживания.

4.3. Влияние расхода нейтрального газа на процесс обезуглероживания при вакуумировании.

4.4. Особенности образования СО и СО2 в процессе вакуумирования.

4.5. Влияния водорода на процесс обезуглероживания при вакуумировании .ЛОЗ

4.6. Выводы по главе.

Глава 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВАКУУМИРОВАНИЯ.

5.1. Установка вакуумирования УВС-300 в конвертерном производстве ОАО "Северсталь".

5.2. Разработка рекомендаций по совершенствованию существующей технологии.

5.2.1. Определение оптимальных условий для получения заданного содержания углерода.

5.2.2. Повышение производительности УВС.

5.3. Применение модели для прогноза выбросов шлака и металла при вакуумировании.

5.4. Выводы по главе.

Одним из способов внепечной обработки стали (ВОС) является вакуумирование. Процесс вакуумирования относится к самым сложным металлургическим процессам. При вакуумировании происходят взаимосвязанные процессы тепломассообмена, химических реакций, удаления газов, формирования газовой смеси в вакуумной камере и др. При разработке технологии производства стали с использованием вакуумирования применяют расчетно-теоретические и экспериментальные методы. При этом рассматривают основные элементы процесса по отдельности. Оценивают возможности реакции взаимодействия углерода и кислорода при обработке вакуумом, снижение температуры металла в ковше, распределение кислорода между металлом и шлаком, с7 •»» ют условия для обеспечения оптимального состава шлака по результатам эксперимент»** г; др. В результате получают приближенные решения без учета взаимовлияния и динамики процессов.

При таком подходе невозможно учесть тот ipatci, ao любой металлургический технологический процесс - это система, состоящая из связанных и взаимодействующих между собой элементов (подпроцессов). А изучение процесса по отдельным элементам без учета взаимосвязи .ю-ит значительную погрешность. Поэтому освоение технологии i' • ■ .;;. i в течение длительного периода на большом количестве опытных плавок, трудоемкой доводкой методом проб и ошибок до того момента, пока не учтут достаточное количество элементов и их взаимодействий.

Кроме того, нередко теоретические данные расходятся с данными, полученными в лабораторных условиях, а также с результатами, полученными в производстве. Существуют противоречия в результатах, полученных при обработке различных масс металла.

Исследованиями и разработкой теории тепломассообменных процессов при внепечной обработке металла посвящено значительное количество теоретических и экспериментальных исследований. Наибольший вклад в развитие науки внесли работы Явойского В.И., Меджибожского М.Я., Цимбал В.П., Казачкова Е.А., Морозова А.Н., Поволоцкого Д.Я., Кудрина В.А., Вишкарева А.Ф., Новика Л.М., Григоряна В.А., Попеля С.И., Стомахина А.Я., Бигеева A.M., Лыкова А.В., Кнюппеля Г., Кейкса В.М. и др. Накоплен огромный объем теоретических и экспериментальных данных, выявлены закономерности процессов. В развитие математического моделирования основной вклад внесли Цимбал В.П., Явойский В.И., Меджибожский М.Я., Яковлев Ю.Н., Окороков Б.Н., Аделыдтейн Д.Ю., Козлов В.Н., Щербаков В.А., Абрамович С.М. и др.

В настоящее время продолжается освоение новых марок сталей с ультранизким содержанием углерода, водорода, азота и др. Для сокращения затрат на эмпирическое освоение технологии вакуумирования необходимы новые подходы к построению математического описания и изучению процесса, которые позволили бы рассматривать процесс вакуумирования в целом и во всей его сложности, характерной для реального объекта.

В связи с развитием компьютерной техники и накоплением знаний» представляется возможность рассматривать металлургический процесс как систему, состоящую из связанных и взаимодействующих между собой элементов.

В данной работе представлены динамическая математическая модель, результаты моделирования тепломассообменных процессов, протекающих при обработке металла вакуумом в ковше, и рекомендации по совершенствованию технологии обработки. При разработке модели применены системный подход, принцип аддитивности и локального равновесия. Модель адаптирована с использованием большого объема экспериментальных данных по многим параметрам процесса. Изучены закономерности процесса. Разработанная модель использована для совершенствования технологии вакуумирования стали на установке ковшевого типа конвертерного производства (КП) ОАО"Северсталь".

Основные результаты доложены на шестом международном конгрессе сталеплавильщиков (Череповец, ОАО"Северсталь", 2001 г.); на международной научно-технической конференции "Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах" (Череповец, ЧТУ,

2002 г.); на международной научно-технической конференции "Пути к совершенствованию" (Череповец, ОАО"Северсталь" 2004 г.); на международной школе - семинаре "Применение вакуума в черной металлургии" (Москва, МИСиС, 2004 г.); на международной научно-технической конференции "Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем" (Вологда, ВоГТУ, 2004 г.). По материалам диссертации опубликовано 8 статей.

Результаты, касающиеся совершенствования технологии, доложены и обсуждены на совещании по качеству в конвертерном производстве ОАО"Северсталь".

Настоящая работа содержит 134 страниц печатного текста, включает 49 рисунков, 10 таблиц и список литературы, состоящий из 81 наименования.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессорам Хисамутдинову Н.Е. и Кабакову З.К. за научное руководство и помощь в выполнении настоящей работы, а также сотрудникам кафедр "Металлургических технологий" и "Промышленной теплоэнергетики" ЧТУ. Автор также выражает благодарность специалистам ОАО"Северсталь" Ефимову С.В., Удальцову А.Н. и Лешкович А.И. за консультации по технологии и оборудованию УВС.

5.4. Выводы по главе

На основании проведенных исследований разработаны следующие рекомендации для совершенствования технологии:

1. Определены рациональные условия для обеспечения стабильного содержания углерода после вакуумирования без применения газообразного кислорода и потерь времени.

2. Для сокращения цикла обработки плавки на УВС необходимо обеспечивать содержание углерода не более 0.03 % ([0]>0.07 %) и, по возможности, максимальный расход аргона в завершающий период обработки.

3. При исследовании тепловых процессов установлено, что основные потери тепла происходят излучением на водоохлаждаемую панель крышки УВС. Для снижения теплопотерь при обработке металла на УВС необходимо водоохлаждаемую панель закрыть огнеупорным материалам или экраном.

4. В ходе исследований влияния массы плавки на процесс обезуглероживания установлено, что при повышении массы плавки с 325 т до 375 т время обработки увеличится на 10-12 мин. В случае реконструкции УВС с целью увеличения массы плавки на 10-20 % необходимо учитывать увеличение продолжительности вакуумирования на 20-30 %.

5. Для предотвращения выбросов шлака и металла при вакуумировании использовать разработанную модель, которая позволяет предсказать пик скорости выделения СО и безопасно управлять скоростью набора вакуума.

Разработанные рекомендации по совершенствования технологии переданы специалистам КП ОАО"Северсталь" для внедрения.

121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе создана математическая модель тепломассообменных процессов в жидкой стали при ковшевом вакуумировании и выполнено исследование процесса обезуглероживания в зависимости от технологических параметров. В ходе исследований получены следующие результаты:

1. Впервые получено точное решение задачи обезуглероживания в слое металла, расположенном на заданной глубине, которое позволяет рассчитать динамику обезуглероживания при любых начальных концентрациях кислорода и углерода в зависимости от давления в камере.

2. На основе принципа аддитивности разработано новое математическое описание динамики процесса обезуглероживания при вакуумировании.

3. На основе системного подхода разработано общее математическое описание взаимосвязанных процессов, протекающих при обработке металла в ковше вакуумом:

- тепловых процессов в жидком металле с учетом теплопереноса в футеровке и шлаке, теплопередачи от поверхности шлака к крышке и водоохлаждаемой панели камеры УВС, движения металла при продувке нейтральным газом и термоконвекции;

- диффузионных процессов углерода, кислорода и водорода с учетом движения металла при продувке нейтральным газом и термоконвекции;

- обезуглероживания при вакуумировании с учетом реакции окисления углерода до диоксида и влияния водорода на взаимодействие углерода и кислорода.;

- формирования газовой смеси в вакуумной камере с учетом удаления из металла СО, С02 и Н2, продувки аргоном подсоса воздуха через неплотности камеры и откачки газов вакуумным насосом.

4. На основе математического описания разработана компьютерная модель с применением метода конечных разностей и алгоритмического языка программирования Borland Delphi 7.0.

Выполнено тестирование алгоритмов:

- решения уравнения теплопроводности с учетом гидродинамики металла в ковше;

- расчета взаимодействия углерода с кислородом;

- расчета количества и состава газовой смеси, образовавшейся при вакуумировании.

Проведена адаптация модели по экспериментальным данным, полученным в производственных условиях, следующих процессов:

- перемешивания металла в ковше при продувке металла аргоном по коэффициенту эффективной диффузии;

- охлаждения металла в ковше по коэффициенту эффективной теплопроводности;

Выполнена проверка адекватности процесса обезуглероживания при вакуумировании стали в ковше путем сравнения результатов моделирования с результатами, полученными в промышленных условиях конвертерного производства УВС-300 ОАО"Северсталь". Установлено, что погрешность моделирования составляет менее 6 % по [С], [О], [Н] и менее 0.15- % по температуре металла.

Впервые проведена проверка адекватности модели по динамике изменения состава отходящих газов, которая показала качественное и количественное согласование результатов моделирования с экспериментальными.

5. С помощью модели исследованы тепломассообменные процессы при обработке металла вакуумом и аргоном, закономерности обезуглероживания с учетом влияния аргона и водорода, изучены особенности образования СО и С02 в процессе вакуумирования. Установлены закономерности обезуглероживания с учетом взаимодействия углерода и кислорода до диоксида, влияния водорода и расхода нейтрального газа на процесс. Установлено, что на продолжительность и конечный результат процесса обезуглероживания до ультранизких содержаний углерода основное влияние оказывает исходное содержание углерода (активность кислорода) и массообмен (расход аргона). При изучении условий протекания реакции окисления углерода до диоксида установлено, что при температурах металла менее 1600 °С и высокой активности кислорода содержание С02 в газовой смеси, состоящей из СО и С02, достигает 6-10 %.

Впервые с помощью математической модели определены равновесные содержания углерода и кислорода, достигаемые при вакуумировании в производственных условиях.

6. С помощью модели исследован технологический процесс производства марок сталей с ультранизким содержанием углерода. На основании результатов исследований разработаны практические рекомендации для оптимизации существующей технологии вакуумной обработки металла на УВС-300 в условиях ОАО "Северсталь":

- определены рациональные условия в виде диапазона значений технологических параметров, которые обеспечивают заданное содержание углерода после вакуумной обработки без применения газообразного кислорода и потерь времени;

- для сокращения цикла обработки плавки на УВС необходимо обеспечивать начальное содержание углерода менее 0.03 и по возможности максимальный расход аргона в завершающий период обработки;

- при исследовании тепловых процессов установлено, что основные потери тепла происходят излучением на водоохлаждаемую панель крышки УВС. Для снижения теплопотерь при обработке металла на УВС необходимо водоохлаждаемую панель закрыть огнеупорным материалам или экраном;

- в случае реконструкции УВС с целью увеличения массы плавки на 15 % необходимо учитывать увеличение продолжительности вакуумирования на 15-25 %;

-для предотвращения выбросов шлака и металла при вакуумировании использовать разработанную модель, которая позволяет предсказать пик скорости выделения СО и безопасно управлять скоростью набора вакуума.

7. Созданная компьютерная модель имитирует процесс обработки металла на УВС в целом с учетом всей сложности металлургического процесса и поэтому возможно ее многофункциональное использование.

В частности, модель может использоваться для разработки и совершенствования технологии обработки металла вакуумом для ковшевых УВС различной емкости, служить советчиком сталевара при ведении плавки, для управления автоматизированным процессом вакуумной обработки, в учебных целях для обучения студентов и повышения квалификации производственного персонала металлургических предприятий.

125

1. Металлургия стали: Учебник для вузов. Явойский В.И., Кряковский Ю.В., Григорьев В.П. и др. М.: Металлургия, 1983 - 584 с.

2. Меджибожский М.Я. Основы термодинамики и кинетики сталеплавильных процессов: Учебное пособие для вузов. Киев-Донецк: Высшая школа. Главное издательство, 1979. —280 с.

3. Новик Л.М. Внепечная вакуумная металлургия стали. М.: Наука, 1986.-191 с.

4. Гидродинамика расплава в ковше. Растворение ферросплавов в жидком металле. В.И. Жучков, А.С. Носков, А.Л. Завьялов. Академия наук СССР. Свердловск 1990.-156 с.

5. Кнюппель Г. Раскисление и вакуумная обработка стали. М.: Металлургия, 1973. -312 с.

6. Hirata Ryima. Proc. 49 th Nat. Open Hearth and Basic Oxygen Steel Conf., 1967, v. 49, p. 173-178. ill.

7. Вебер P.A., Шике Г., Пицко Г. и др. -"Черные металлы", 1972, №14, с. 3-11 с ил.

8. Фабиан К., Гебель К. -"Черные металлы", 1972, №7, с. 8-13 с ил.

9. Потоки жидкости и металлургические реакции в продуваемом газом металле. Инжекционная металлургия. Т Ленер, Г. Карлсон, Шао Цечанг. Труды конференции. Пер. с англ. М., "Металлургия", 1981.-179 с.

10. Исследование режимов внепечной обработки стали в ковше с использованием математических моделей. Новокузнецк, 1997-34 стр., библ. список 10 наимен. с илл.

11. Скребцов A.M. Радиоактивные изотопы в сталеплавильных процессах. М., Металлургия, 1972.-211 с.

12. Лыков А.В. М. Тепломассообмен (Справочник), "Энергия", 1971.-561 с.

13. Tetsu-to-hagana. An analysis of fluid flow and mixing phenomena in liquid pool of continuous casting. T. Fuju, J. Matsumo. 1974.-111 p.

14. Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов: Учебноепособие для вузов. -М.: Металлургия, 1988 288 с.

15. Внепечное вакуумирование стали. Морозов А.Н., Стрекаловский М.М., Чернов Г.И., Канцельсон Я.Е. М., "Металлургия", 1975.-288 с.

16. Spire Т., Strauss I. -"Proc. Electr. Furn. Confer.", N.Y., 1969, v.29, S. 104-108. ill.

17. Внепечная обработка стали: Учебник для вузов. Поволоцкий Д.Я., Кудрин В.А., Вишкарев А.Ф.-М: МИСиС, 1995.-256 с.

18. Григорян В.А., Беляников Л.Н., Стомахин А.Я. Теоретические основы ( электросталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1987 272 с.

19. Бигеев A.M. Бигеев В.А. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали. Учебник для вузов, 3-е изд. перераб. и доп. Магнитогорск: МГТУ, 2000. -544 с.

20. Общая металлургия. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев A.M. Учебник для ВУЗов.-5-е издание, переаб. И дополн.-М.: Металлургия, 2000768 стр.

21. Внепечная обработка чугуна и стали. Кудрин В.А. М.: Металлургия. 1992. -336 с.22. "Пути интенсификации вакуумного обезуглероживания расплава при выплавке стали типа IF". А.Я. Стомахин, Б.Я. Балдаев, Д.В. Зайцев, А.А.

22. Черных. Сталь 2002 № 9, стр. 44.

23. Bannenberg N., Chapellier P., Nadif M. Betriebsergebnisse zur Vakuumenkolung bei der Pfannenstandentgasung. Stahl u. Eisen 113 (1993) №9.

24. Рафинирование стали инертным газом. Баканов К.П., Бармотин И.П., Власов Н.Н. и др. М., "Металлургия", 1975.- 232 с. '

25. О математическом моделировании сталеплавильных процессов. Яковлев Ю.Н. // Металлы №6 1991, с 197.

26. Кабанова О.В., Максимов Ю.А., Рузинов Л.И. Статистические методы построения физико-химических моделей металлургических процессов. М.: Металлургия, 1989.-131 с.

27. Яковлев Ю.Н. Рыдванская Т.В. Математическая модель процесса обезуглероживания в ванных сталеплавильных агрегатов // Изв. вузов. Чер. металлургия 1989, №12, с. 132-134.

28. Яковлев Ю.Н., Учитель Л.М., Рыдванская Т.В. Математическое моделирование обезуглероживания в мартеновских печах // АН СССР. Металлы, 1990, №5, с 15-17.

29. Окороков Б.Н., Ронков Л.В. Математическая модель изменения переменных состояний конвертерной ванны в период наведения шлака и интенсивности окисления углерода // Изв.вузов. Чер.металлургия 1988. № 5, стр . 44.

30. Булатов Н.К., Лундин А.Б. Термодинамика необратимых физико-химических процессов. М.: Химия, 1984-286 с.

31. Меджибожский М.Я. Основы термодинамики и кинетики сталеплавильных процессов: Киев-Донецк: Высшая школа., 1986 265 с.

32. Цимбал В.П. Математическое моделирование металлургических процессов: Учебное пособие для вузов. М.: Металлургия, 1986. -240 с.

33. Д.Ю. Аделыитейн, А.В. Гуляев, Ф.Ф. Валеев. Моделирование процесса вакуумно-кислородного обезуглероживания коррозионно-стойких сталей. "Сталь". 2000, №4, с. 35.

34. Теория металлургических процессов: Учеб. пособие для вузов. Попель С.И., Сотников А.И., Бороненков В.Н. М.: Металлургия, 1986, №3, с 463.

35. Соколов Г.А. Внепечное рафинирование стали. М.: Металлургия, 1977.-208 с.

36. Scriven L.B. Nucleation and flotation of carbon oxide bubbles in liquid steel.- Chem. Eng. Sci., 1959, N10, p. 1 -14.

37. Самойлович Ю.А. Системный анализ кристаллизации слитка. Киев: Наук. Думка 1982.-248 с.

38. Самойлович Ю.А., Кабаков З.К. Расчет затвердевания слитка из двойного сплава на основе "схемы компенсации". Изв. АН СССР, Металлы, 1979, №4, с. 65-67.

39. Теория двухфазной зоны металлического слитка. Борисов В.Т. М.: Металлургия, 1987.-224 с.

40. З.К. Кабаков, П.З. Кабаков. Математическая модель процесса химического подогрева жидкой стали в ковше. // Энергосбережение в тепло энергических системах: материалы Международной научно-технической конференции. -Вологда: ВоГТУ. -2001.-е. 99-102.

41. Габелая Д.И. Исследование тепловых процессов при формировании стальных слябовых заготовок и совершенствование стационарных и переходных режимов их непрерывного литья. Дис. на соиск. науч. степени к.т.н. Череповец 2002.-178 с.

42. М. В. Кирпичев, М. А. Михеев, А. С. Эйгенсон. Теплопередача. Гос. энерг. изд. Москва, 1940.-261 с.47.48,49.50,51.52,53,54