автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Математическое моделирование процесса порционного вакуумирования стали в условиях кислородно-канвертерного цеха Магнитогорского металлургического комбината

На правах рукописи

Воронин Валерий Александрович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОРЦИОННОГО ВАКУУМИРОВАНИЯ СТАЛИ В УСЛОВИЯХ КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНОГО ЦЕХА МАГНИТОГОРСКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 1998

Диссертация выполнена в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г. И. Носова.

Научный руководитель - кандидат технических наук В. Н.Селиванов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, проф., Д. X. Девятов;

кандидат технических наук Б. А. Камаев.

Ведущая организация - ОАО «Носта» (г. Новотроицк).

Защита состоится 24 декабря 1998 г. в 15— часов на заседании диссертационного совета Д 063.04.01 в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г. И. Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, Ленинский проспект, 38.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета.

Автореферат разослан ноября 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 063. 04. 01 кандидат технических наук, доцент

Селиванов В. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возрастающие требования потребителей к

ч (

качеству металла вынуждают изготовлять сталь, имеющую узкие пределы колебаний элементов и низкое содержание неметаллических включений. При решении вопросов повышения качества стали процессы раскисления и вакуумной обработки, а также их сочетание играют очень большую роль.

Промышленные эксперименты в металлургии трудоемки н дорогостоящи, поэтому целесообразно создание математических моделей, описывающих те шш иные процессы, протекающие при производстве стали и позволяющие рассчитать и оптимизировать технологические параметры процесса получения металла заданного химического состава.

Цель паботы. Создание математической модели процесса порционного вакуумировання стали, учитывающей комплексное влияние различных технологических факторов и предназначенная для прогнозирования химического состава и температуры стали после обработки, оптимизации параметров процесса порционного вакуумировання стали, использования ее в учебном процессе, а также в АСУ ТП.

Научная новизна

1. Разработана динамическая модель процесса порционного вакуумировання стали, которая в качестве входных параметров использует информацию, доступную а производственных условиях.

2. Получено уравнение, описывающее изменение температуры металла в процессе порционного вакуумирования,

3. Получеки уравнения, списывающие усвоение алюминия, марганца и кремния при присадке раскислителей в вакуум-камеру ' после вакуум-углеродного раскисления ■ • в' зависимости от начального содержания углерода и марганца в металле, количества углерода, удалившегося в процессе вакуумироваи-яя, кратности обработки.

з

Теоретическое и практическое значение результатов работы

1. Расширено математическое описание процесса порционного вакуумирования стали.

2. Исследовано усвоение алюминия, марганца и кремния при присадке раскислителей и ферросплавов в вакуум-камеру после вакуум-углеродного.раскисления.

3. Рассчитаны оптимальные параметры процесса порционного вакуумирования стали для 385-т установки, расположенной в ККЦ

ммк.

4. Построены номограммы для определения расхода алюминия, вводимого в вакуум-камеру после вакуум-углеродного раскисления.

5. Создана программа расчета процесса обработки стали на установке порционного вакуумирования, использование которой возможно в следующих направлениях:

■ прогнозирование химического состава и температуры стали после обработки;

■ оптимизация параметров процесса порционного вакуумирования стали;

■ проектирование новых установок порционного вакуумирования стали;

" отработка технологии производства новых марок сталей с использованием установки порционного вакуумирования стали;

■ тренажер процесса порционного вакуумирования стали для использования в учебных целях.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ. Материалы диссертационной работы доложены на конференции «Фундаментальные проблемы металлургии», (Екатеринбург, 1995), X международной научной конференции «Современные проблемы

электрометаллургии стали» (Челябинск, 1998), пятом конгрессе сталеплавильщиков, (Рыбница, 1998).

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и раздела выводов. Содержание работы изложено на 110 страницах машинописного текста и включает 33 рисунка, 7 таблиц. Список использованных источников содержит 129 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Анализ современного состояния внепечноН обработки стали

Внепечная обработка стали - обязательная операция при производстве стали высокого качества. Одним из наиболее эффективных способов внепсчной обработки является вакуумирование стали, в частности порционное вакуумирование. Основной целью вакуумирования является получение стали с особо низким содержанием углерода,- а также повышение качества металла, путем снижения содержания газов и неметаллических включений.

При решении вопроса о расширении сортамента стали, обрабатываемой на установке порционного вакуумирования, а также для повышения эффективности обработки большую помощь смогут оказать математические модели, позволяющие рассчитать и оптимизировать технологические параметры для получения металла заданного состава, а также спрогнозировать результаты обработана конкретных условиях.

Рассмотрено несколько моделей процесса вакуумирования стали, разработанных Г. Кшоппелем, В. Г. Волковым и др. Сделай вывод, что рассмотренные модели косят преимущественно теоретический характер и использование их для гтрхстлческих расчетов вызывает определенные трудности. Целью данного исследования является разработка математической модели, которая в качестве входг.мх параметров использует «¡формацию доступную в производственных условиях. Такая

л

модель должна учитывать влияние различных технологических факторов на процесс вакуумирования стали.

Разработка математической модели процесса порционного вакуумирования стали

При построении модели были использованы параметры 385-т установки порционного вакуумирования стали, расположенной в кислородно-конверторном цехе Магнитогорского металлургического комбината.

В качестве входных параметров модели используется информация о массе плавки, высоте слоя шлака в ковше, разрежении, создаваемом вакуумным насосом, скорости подъема вакууматора, а также данные о химическом составе и температуре исходного металла. Моделирование состоит в последовательном расчете изменения химического состава металла на каждом цикле вакуумирования. Выходными- параметрами являются масса порции, поступающая в вакуум-камеру, химнчесюш состав и температура металла после вакуумирования, время обработки.

Модель состоит из двух блоков - блока предварительного расчета и основного блока. Блок предварительного расчета предназначен для расчета процесса заполнения металлом вакуум-камеры. В нем определяются статические характеристики процесса - высота подъема металла вследствие разницы между атмосферным давлением и давлением слоя шлака с одной стороны и остаточного давления газов в вакуум-камере с другой стороны Н, а также высота Нвк и масса Мп порции металла, засасываемой в вакуумную камеру.

Высота металла в вакуум-камере определяется выражением:

Нвк =//- АНютр -Нков + /С -Н1-Н2-Н3, (1)

б

где ЛНштр~ расстояние от верхнего края патрубка до борта ковша, м; Нкм - высота ковша, м; Н°м - начальная высота металла в ковше, м\

Н1 - падение уровня металла в ковше после заполнения патрубка, м\

Н} - падение уровня металла в ковше после заполнения конусной

часта вакуум-камеры, м\ Н} - падение уровня металла в ковше, после заполнения

цилиндрической части вакуум-камеры, м. Начальная высота металла в ковше Н"1е определяется массой плавки Мп, и находится из выражения:

М

пи _

Рме 3

-Я Н°яе(К1е + +

(2)

Масса порции металла, затекшей в вакуум-камеру, определяется как сумма масс металла в конической и цилиндрической частях камеры:

К, и1нч,:^рме, (3)

где НКои • высота конической части вакуум-камеры, м;

Нция • высота цилиндрической части вакуум-камеры, заполненной металлом, м\

Яек • внутренний радиус цилиндрической части вакуум-камеры, ле;

Кпатр - внутренний радиус патрубка вакуум-камеры, м,

В основном, бло-з программы осуществляется динамическое моделирование процессов обезуглероживания и дегазации металла,

протекающих при порционном вакуумировании. Для этого создается циклический расчет, в котором рассчитываются содержания элементов в металле, находящемся в вакуум-камере в начале и в конце каждого цикла вакуумировалия, а также содержание элементов в металле в ковше в начале любого цикла вакуумной обработки.

Содержание углерода и кислорода в металле, находящемся в вакуум-камере в конце каждого цикла вакуумирования определяется в предположении, что реакция окисления углерода растворенным в металле кислородом протекает с образованием СО и достигает равновесия.

На пузырек СО, всплывающий с подины вакуум-камеры, оказывает давление столб металла высотой Н„„. Парциальное давление монооксида углерода Рсо во время вакуумирования без большой погрешности можно представить как сумму барометрического давленая в вакуум-камере Рех и давления столба жидкого металла на ее дно 1\,е.

Помимо обезуглероживания металла в вакуум-камере происходит выделение азота и водорода, растворенных в металле. Количество удалившегося азота и водорода зависит от количества образующегося монооксида углерода. При разработке модели принято, что удаление азота н водорода происходит преимущественно с пузырьками СО.

После затекания всей порции металла в вакуум-камеру и ее выдержки в нижнем положении в течение некоторого времени происходит подъем вакууматора, который приводит к сливу металла обратно в ковш, где провакуумнровашшй металл смешивается с металлом, находящемся в ковше. Часть обработанного металла остается в патрубке вакууматора.

Исходный состав металла в вакуум-камере на следующем цикле вакуумирования вычисляется с учетом того, что металл, поступающий в вакуум-камеру, полностью перемешивается с металлом, оставшимся в патрубке.

t

После вакуум-углеродного раскисления для более полного раскисления и легирования в металл вводят раскислители и легирующие добавки. По данным более 70 плавок проводились исследования усьоения алюминия, марганца и кремния при присадке раскислителей и ферросплавов в вакуум-камеру после вакуум-углеродного раскисления. В результате обработки данных текущего производств методом множественной регрессии получены следующие зависимости усвоения элемадггов при присадке добавок в вакуум-камеру:

и м = 14,6 ~-~~+607 Д[С] + ОРбв™ + 2,4 К ц + 66 [ Мп ]н, (4) /'-Л

коэффициент корреляции 11=0,84;

Vт~ 92,8 194Л[С] - 39,б[Мп ]н + 0,86 К ц, (5)

/ ^ У и

коэффициент корреляции 11-0,49;

иа = 64 5,6 А[С ]+ 6,9 К ч. (6)

коэффициент корреляции И-0,87,

где имт Чц, " усвоение алюминия, марганца и кремния

соответственно, %; [С]„ - содержания углерода в металле перед вакуумированием, %; Д[С] ■ -количество углерода, удалившегося в процессе

вакуумироватм, %; [Мп]я - содержания марганца в металле перед вакуумг'рованием, %;

. - расход алюминия в ковш перед вахуумирозакием, кг; Кч - кратность циркуляции.

С целью определения падения температуры металла в процессе порционного вакуумировання по данным более ¡00 шшзох текущего производства был выполнен регрессионный анализ. Получено уравнение, описывающее изменение температуры металла Л'ГЛ1-р после вакуумной обраб тки в зависимости от длительности оакууг-шрозання:

ЛГвер~ 0,018 4- ¡,59 (о6р. (7)

Коэффициент корреляции этого уравнения равен £1=0,55. Овод раскнслнтелеП может вызвать как иоиюкекие, тая и повышение температуры. Изменение теплосодержания жидкого металла (%Дж) посла присадки легирующих материалов происходят вследствие следующих тепловых процессов:

• нагрева и плавления присадок (2нагр;

» разложения ныерметаллических соединений, имеющихся в его шве

• смешения расплавленных присадок с жидкой сталью (2см,

• реакции взанмодейстр.ня между лепфуидаей присадкой и кислородом, растворенным в металле (2р.

Изменение температуры ДТфс„ металла после легирования определяется из уравнения:

л г и*»?» т

где см, сж - удельные гасюеыкосга метаяаа и рзеялазлгииых компонентов феррослшоя, кДжс/кг; Т„ - температура металла до ввода добавок, *С\

ю

Мме, М^к„ • масса металла и присаживаемых феррзсплапов,

[Е],^ - содержание элементов в ферросплаве, %;

От - удельная теплота плавления элементов, кДж- к^,

Изменение температуря металла после ввода раскислнтелей, рассчитанные по изложенной выше методике, представлено на рис. I.

Расход, %

Рис. 1. Ихиенение температуры жидкой стали в зависимости от количества вводимых материалов Таким образом, зная химический состав металла перед вакуумнрованием, уровень металла и шпака в ковше, остаточное давление в вакуум-камере, можно при решении системы уразнешш (1) - (8) прогнозировать конечные содержания элементов в металле на каждом цикле порционной вакуумной обработки, а также температуру металла после вакуум иро ваш и н ввода раекмелителей и ферросплавов.

Проверка модели на адекватность

Проверка модели на адекватность проводилась применительно к 385-т установки вакуумирования тали, расположенной в кислородно-конверторном цехе ММК. Результаты расчета сравнивались с производственными данными. Линия, аппроксимирующая данные, практически "соответствует линии, выражающей условие: результат моделирования равен фактическим данным.

Полученные результаты, в частности высокие коэффициенты парной корреляции Я = 0,87 для углерода, И = 0,93 для кислорода, И => 0,70 для алюминия и 11=0,75 для температуры, позволяют сделать вывод, что разработанная модель достаточно хорошо описывает процессы, происходящие при порционном вакуумировании.

Моделирование влияния различных факторов иа процесс порционного вакуумирования

На основании разработанной математической модели была создана программа расчета процесса обработки стали на установке порционного вакуумирования с помощью которой исследовалось влияния различных факторов на процесс порционного вакуумирования.

На р!'с. 2. показано изменение содержания углерода, 'кислорода и водорода в зависимости от начального содержания углерода при обработке нераскисленной стали.

£ о о

?

<9

я §

I

<д>

а

0.030

0,025

0,020

0,015

0,010

0,005

3,0

5 о

X

Л о. й> ч

2 г>

5

0,5

0,02 0,04 0,00 0,08 0,10 0,12 0,14 0.16 0.18 0,20 Начальное содержание углерода, % Рис. 2. Зависимость изменения содержании эжменпган в процессе вакуумиростия нераскисчешюй ста/и от начального содержания углерода а метатш Моделирование позволяет сделать вывод, что наибольшее удаление элементов из мегмла наблюдается при обработке стали, содержащей 0,04 - 0,07 % С. Это связано с тем, что в таком металле наиболее благоприятные, близкие к стехнометрическим, соотношения содержаний углерода н кислорода. Если необходимо получение в металл низкого содержания газов и .¡еметаллнческих включений, то лучше всего подвергать вакуумной обработке сталь с содержанием 0,04 - 0,07 % С. Это подтверждается результатами мноп;;< исследований.

Следующий рисунок позволяет проанализировать влияние длительности обраСотки на изменение содержания углерода в процессе порционного вакуум!1ровання.

Число циклов

Рис. 3. Изменение содержания углерода в процессе вакуумирования в :виси\юсти от начального содержания углерода и кислорода в метите Установлено, что после 50 - 70 циклов дальнейшее вакуумирование не вызывает значительных измене,.ий в химическом составе металла, а после восьмидесяти циклов химический состав металла практически не меняется. Следовательно,, для эффективного обезуглероживания и дегазации стали, содержащей 0,04 - 0,07 % С достаточно 50 - 70 циклов вакуумнрования, что обеспечит 2,5 - 3 кратную циркуляцию. При других нач?1ьных содержаний углерода достаточно 30-50 циклов, обеспечивающих 1,5 - 2,5 кратную степень циркуляции.

Рис. 4 показывает влияние ос аточного давления в вакуум-камере на содержания'углерода в металле в процессе вакуумнрования.

и

Число циклов

Рис. 4. Изменение содерзхапил углерода в процессе еакуумирования нсраскисленной стали в зависимости от остаточного дааления в вакуум-камере

Установлено, что изменение давления в пределах 1-10 мм рт. ст. не оказывает существенного влияния на остаточное содержание элементов в металле.

Влияние массы порции, затекающей в вакуум-камеру, на содержание элементов в металле после вакуумирования показано на рнс. 5. Минимум на этих кривых объясняется тем, что при увеличешга высота металла в вакуум-камере увеличивается давление столба жидкого металла на ее подину, и вследствие этого, остаточное содержание элементов в металле увеличивается. Прп уменьшении высоты металла в вакуум-камере уменьшается масса обрабатываемой порции металла, и как следствие, для достижения нужной кратности обработки необходимо затратить большее количество циклов, что тоже снижает эффективность вакуумной обработки.

0.050

Высота металла в вакуум-камере, м 1,2 О.З 0.4 0,5 0,6 0.7 0.8 О,

9 1.

0.025

20 24 28 Масса порции, т

Рис. 5. Зависимость конечного содержания элементов в металле после 60 циклов вакуумной обработки от массы порции

Установлено, что наилучшие результаты обработки на данное установке порционного вакуумировання достигаются в том случае, если высота металла в вакуум-камере составляет 0,3? - 0,6 м. При этом масса порции металла, затекающая в вакуум-камеру равняется 15 - 24 т (4 - 6 % от массы плавки).

Апробация результатов моделирования 0 производственных

условиях

На основании проведенных исследований усвоений элементов при вводе их в вакуум-камеру построена номограмца для определения расхода алюминия при различном начальной содержании углерода при вводе алюминия росяе 60 цякяс& вакуумного обезуглероживала. .

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана динамическая модель процесса порционного вакуумирования стали, учитывающая комплексное влияние различных технологических факторов и позволяющая определить изменения содержания элементов в металле в процессе вакуумирования, а также химический состав и температуру металла после обработки и ввода легирующих добавок.

2. Адекватная модель процесса порционного вакуумирования стали получается в предположении, что в вакуум-камере достигается равновесие между углеродом и кислородом при парциальном давлении монооксида углерода, равном ферростатическому давлению металла на подину вакуум-камеры. .

3. Получено уравнение, характеризующее изменение температуры металла после вакуумной обработки в зависимости от длительности вакуумировання. Скорость охлаждения стали, при обработке на 385-т вакууматоре, в течение первых 20 мин практически постоянная, и составляет 1,6 град/мин.

4. Получены уравнения, описывающие усвоение алюминия, марганца и кремния при присадке раскислителей и ферросплавов в вакуум-камеру после вакуум-углеродного раскисления в зависимости от начального содержания углерода и марганца в металле, количества углерода, удалившегося в процессе вакуумировання, кратности обработки. Установлено, что для лучшего усвоения алюминия необходимо подвергать вакуумной^обработке металл, содержащий не менее 0,05 % С, и производить присадку алюминия после 60 циклов вакуумного обезуглероживания.

5. Установлено, что наилучшие результаты обработки на 385-т установке порционного вакуумировання достигаются в том случае, если высота металла в вакуум-камере составляет 0,37-0,6 м (масса порции 15-24 т). Для получения оптимальной порции металла о вакуум-камере необходимо, чтобы масса металла в сталеразливочном ковше составляла не менее 380 т.

6. Для эффективного обезуглероживания и дегазации стали, содержащей 0,04 - 0,07 % С достаточно 50 - 70 циклов вакуумировання, что обеспечит 2,5 - 3 кратную циркуляцию. Для других начальных содержаний углерода достаточно 30 - 50 циклов, обеспечивающих 1,5 - 2,5 кратную степень циркуляции.

7. Создана программа расчета процесса обработки стали на 'установке порционного ва&ууиирования, использование которой возможно в следующих направлениях^

■ прогнозирование химического состава и температуры стали после обработки;

■ оптимизация параметров процесса порционного вакуумирования стали;

■ отработка технологии производства новых марок сталей с использованием установки порционного вакуумирования стали;

■ тренажер процесса порционного вакуумирования стали для использования в учебных целях.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Исследование физико-химических процессов, протекающих при порционном вакуумировании стали, методом математического моделирования / Буданов Б.А., Селиванов В.Н., Столяров A.M., Воронин В.А., // Фундаментальные проблемы металлургии, [Екатеринбург, 1995]: Тез. докя. - Екатеринбург, 1995, С. 17.

2. Воронин В. А. Исследование на математической модели процесса порционного вакуумирования низкоуглеродистой стали // Современные проблемы электрометаллургии стали / Тезисы докладов X Международной научной конференции. - Челябинск, 1998. - С. 99.

3. Воронин В.А., Селиванов В. Н. Математическая модель процесса порционного вакуумирования стали // М., 1998. - Деп. в ВИНИТИ 10.03.98, № 668 -В98,- 31с.

4. Воронин В.А. Моделирование влияния различных факторов на процесс порционного вакуумирования // М., 1998. - Деп. в ВИНИТИ 07.10.98, № 2955-В98.-9 с.

5. Воронин В.А. Математическая модель изменения температуры металла в процессе вакуумирования и легирования // М., 1998. - Деп. в ВИНИТИ 07.10.98, № 2956 - В98. - 7 с.

Подписано в печать 13.11.98 Формат 60x84 1/16 Бумага тип.№ 1

Плоская печать Усл.печ.л.1,00 Тираж 100 экз. Заказ 501

Бесплатно

455000, Магнитогорск, пр.Ленина, 38 Полиграфический участок МГТУ