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

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Магнитогорский государственный технический университет

им. Г. И. Носова

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

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель -

кандидат технических наук

Селиванов В. Н.

Магнитогорск - 1998

Содержание

Стр.

Введение.......................................................................................................... 4

1. Анализ современного состояния внепечной обработки стали............... 6

1.1. Основные задачи внепечной обработки стали................................. 6

1.2. Современные способы внепечной обработки стали........................ 7

1.2.1. Вакуумирование в ковше.................................:......................... 8

1.2.2. Вакуумирование в струе......................................................... 11

1.2.3. Порционное вакуумирование................................................... 14

1.2.4. Циркуляционное вакуумирование............................................ 17

1.3. Обзор математических моделей процесса вакуумирования стали 19

1.3.1. Математическая модель реакции обезуглероживания........... 19

1.3.2. Дегазация металла при порционном вакуумировании.......... 23

1.3.3. Массообмен при одновременном удалении нескольких газов

в условиях кипения расплава..................................................... 25

2. Состав и схема работы установки порционного вакуумирования стали 29 2. 1. Конструкция и состав технологического оборудования порционного вакууматора................................................................................ 29

2. 2. Техническая характеристика установки порционного вакуумирования стали В П-3 8 5............................................................................ 31

2. 3. Схема работы установки порционного вакуумирования стали..... 32

3. Математическая модель процесса порционного вакуумирования стали 37

3.1. Разработка математической модели процесса порционного вакуумирования стали....................................................................... 37

3.2. Проверка модели на адекватность.................................................. 60

3. 3. Результаты моделирования............................................................... 63

4. Моделирование влияния различных факторов на процесс порционного вакуумирования........................................................................................... 67

5. Апробация результатов моделирования в производственных условиях .............................................................................................................. 84

Выводы........................................................................................................ 92

Список использованных источников........................................................ 94

Приложение 1. Блок-схема программы «Расчет процесса обработки

стали на установке порционного вакуумирования»....105 Приложение 2. Параметры обработки стали на установке порционного

вакуумирования ВП - 385 .............................................. 109

Введение

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

Перенесение из плавильного агрегата в ковш ряда операций рафинирования металла (обезуглероживания, раскисления, дегазации и легирования) при воздействии вакуума значительно сокращает процесс плавки, освобождает плавильные агрегаты от выполнения операций, для которых они плохо приспособлены, сокращает расход энергии, огнеупоров и других материалов, а также влечет за собой увеличение их производительности. При этом, поскольку углерод в вакууме становится более сильным раскислителем, чем марганец, кремний, а в ряде случаев и алюминий, становится возможным глубокое раскисление стали либо без их применения, либо со значительно меньшим их расходом.

Глубокое раскисление металла углеродом, при котором газообразный продукт - пузырьки монооксида углерода, вместе с выделяющимися в них водородом и азотом, удаляются из металла, решает задачу получения стали, более чистой по содержанию газов и неметаллических включений. Это делает возможным значительное повышение -прочностных, пластических, электромагнитных и других свойств, а также получение металла, менее чувствительного к старению и хладноломкости.

Для решения этих задач, а также для получения металла с узкими допусками по содержанию различных элементов, наиболее часто используются установки порционного вакуумирования стали. Установки

этого типа сложнее всех остальных. Однако это оправдывается их, высокой производительностью, универсальностью, небольшими потерями температуры стали во время обработки, возможностью точно корректировать и выравнивать химический состав и температуру металла, осуществлять длительную обработку. Эти установки в случае необходимости могут обслуживать сталеплавильные агрегаты различной емкости, даже отличающиеся по массе плавки на 30 - 40 %. Ввиду того, что одновременно в вакуум-камере находится только часть обрабатываемого металла, потребная мощность вакуумных насосов невелика, что имеет особое значение при вакуумировании больших масс металла.

На процессы обезуглероживания и дегазации, протекающие при порционном вакуумировании стали, большое влияние оказывают различные технологические факторы. Целью данной работы является создание математической модели процесса порционного вакуумирования ! стали, учитывающей комплексное влияние различных технологических факторов с целью использования ее в АСУ «Вакууматор», а также для исследования влияния на процессы обезуглероживания и дегазации стали, протекающих при порционном вакуумировании, таких факторов, как масса порции, засасываемая в вакуумную камеру, высота металла в ковше, химический состав и степень раскисленности стали, остаточное давление в вакуум-камере, время обработки.

Использование такой модели возможно в двух направлениях. Первое - выдача заключения об эффективности вакуумной обработки стали на основании информации о технологических параметрах металла и процесса порционного вакуумирования. Второе - разработка рекомендаций по оптимизации режима вакуумирования металла с учетом его исходного химического состава и назначения.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВМЕНЕННОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

1.1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Современная техника предъявляет все более высокие требования к качеству стали. В тех случаях, когда проведение операций, обеспечивающих требуемое качество металла, непосредственно в самом агрегате связано с потерей его производительности или увеличением затрат, операции переносятся в ковш или во вспомогательную емкость (внепечная обработка). Основную цель внепечной обработки можно сформулировать как осуществление ряда технологических операций быстрее и эффективнее по сравнению с решением аналогичных задач в обычных сталеплавильных агрегатах. К числу основных задач, решаемых при внепечной обработке, относятся:

• выравнивание и регулирование температуры металла;

• окончательное раскисление;

• глубокое обезуглероживание металла;

• легирование металла и точное доведение его химического состава до заданного;

• получение металла с низким содержанием неметаллических включений;

• десульфурация металла;

• дегазация (удаление водорода и азота).

Естественно, что одновременно решить все перечисленные задачи трудно, поэтому одновременно решается лишь их часть.

Быстрое распространение и широкие масштабы применения внепечной обработки объясняется в значительной степени следующими обстоятельствами:

• возможностью замены при использовании методов внепечной обработки обычной двухшлаковой технологии плавки в электропечах одношлаковым процессом без скачивания шлака, при этом сокращаются продолжительность плавки, расход электроэнергии и т.д.-;

• упрощением технологии конверторной или мартеновской плавки и контроля за её ходом, так как появляется возможность продувать металл до низких содержаний углерода с последующим науглероживанием и корректировкой температуры в ковше;

• распространением непрерывной разливки стали, так как для высокопроизводительной работы установок необходимы точная регулировка температуры и химического состава металла, а также металл стандартно высокого качества;

• непрерывно нарастающими масштабами производства таких марок стали ответственного назначения, которые вообще трудно получить при обычной технологии плавки;

• возрастающими масштабами производства нержавеющих и других сталей и сплавов с особо низким содержанием углерода;

• возможностью получать в конверторных и мартеновских цехах сталь электропечного сортамента.

1.2. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Существующие способы получения стали высокого качества основаны на использовании одного или нескольких технологических приёмов:

• обработки металла специально приготовленным синтетическим

шлаком или твердыми и самоплавкими шлаковыми смесями;

• обработки металла порошкообразными материалами;

• продувки металла инертными газами;

• обработки металла вакуумом.

В табл. 1.1. дан краткий итог анализа эффективности различных способов внепечной обработки металла, проведенного по литературным источникам. Из представленных данных видно, что наибольшее комплексное воздействие на металл оказывает обработка металла вакуумом. Рассмотрим этот способ внепечной обработки стали более подробно.

Обработка металла вакуумом влияет на протекание тех реакций и процессов, в которых принимает участие газовая фаза. Газовая фаза образуется, в частности, в результате реакции окисления углерода, а также при протекании процессов выделения растворенных в металле газов -водорода и азота. Основной целью вакуумирования металла является повышение качества металла, путем снижения содержания газов и неметаллических включений в стали. В мире эксплуатируются сотни установок внепечного вакуумирования различной конструкции. Схемы наиболее распространенных конструкций представлены на рис. 1.1. [9, с. 121].

1.2.1. ВАКУУМИРОВАНИЕ В КОВШЕ

Самым простым способом является вакуумирование в ковше. Недостатком этого способа является невысокая эффективность при вакуумировании относительно больших масс металла (более 50 т) и неравномернрсть состава металла в ковше после ввода раскислителей вследствие плохого перемешивания всей массы металла. Этот недостаток можно уменьшить, если одновременно с вакуумированием производить продувку металла в ковше инертным газом или электромагнитное перемешивание.

Таблица 1.1

Эффективность различных способов внепечной обработки стали

Технологические операции и способы внепечной обработки стали Содержание элементов в стали после различных способов внепечной обработки стали, % (В скобках - снижение содержания, % от исходного) Литературный источник

№ [С] [О] [Н], см3/100г [К]

Обработка синтетическим шлаком 0,003-0,012 (50-80) - (30) — — 1-13

Обработка твердыми шлаковыми смесями 0,015-0,020 (25-50) — - - — 9-18

Обработка порошкообразными материалами ' 0,003-0,007 (60-80) — — — — 19-28

Обработка кальцием и щелочно -земельными металлами 0,002 (70-85) - 0,0006-0,008 - - 9, 10

Продувка в ковше инертными газами - 0,02 (15-30) 0,03-0,05 (10-45) 2,9-3,5 (10-25) 0,01 (5-15) 29-41

Вакуумирование в ковше: углеродистая сталь низкоуглеродистая сталь - 1,0-0,3 0,1-0,05 0,0005-0,005 0,003-0,01 1-3 (50-70) 1-3 (60) 0,003-0,005 0,004-0,008 42-50 51-54

Вакуумирование в ковше с продувкой инертным газом — - 0,001-0,005 (40-60) 1,0-2,5 (50-60) 0,003-0,007 (10-15) 55-62

Вакуумирование в ковше с электромагнитным перемешиванием 0,002-0,005 (50-60) 1,5-3,0 (50-60) 0,003-0,006 (15-25) 63-68

Струйное вакуумирование — 0,002-0,007 (60-80) 0,002-0,006 (30-70) 1,0-2,5 (30-70) 0,003-0,007 (15-25) 69-75

Порционное вакуумирование (ОН-процесс) — 0,02-0,01 (50-65) 0,002-0,005 (30-70) 1,0-3,0 (30-60) 0,003-0,007 (10-25) 76-84

Порционное вакуумирование с подачей аргона в патрубок — 0,004-0,005 (60-80) 0,002-0,005 (40-80) 1,0-3,0 (30-60) 0,003-0,007 (10-25) 83-84

Циркуляционное вакуумирование (КН-процесс) — 0,003-0,005 (60-80) 0,002-0,005 (50-80) 1,0-2,5 (40-60) 0,003-0,006 (10-25) 85-87

Способы обработки жидкой стали вакуумом

При Выпуске и разливке

При переливе из ковша в ковш

При разливке стали

При выпуске

Порциями

Циркуля- Пар циан -

ционное нпе

вокууми- вапуум/.-

ровоние ро во ни I

В ковше. В В вакуум- Продувка ' Продувка Дуговой вакуумкамере ном ковше кислородом кислородом нагрев

под вакуумом и аргоном в вакууме В вакуумном конвертере

Индукционное в индукционной

перемешивание • же лобной

под вакуумом вакуумной

и дуговой подогрев печи

Рис. 1.1. Способы обработки жидкой стали вакуумом

В табл. 1.2. приведены имеющиеся в литературе [88 - 97] данные о снижении концентрации газов при вакуумировании стали в ковше. При обычно достигаемых в настоящее время конечных давлениях в вакуумных камерах (0,1-1 мм рт. ст.) конечные концентрации водорода колеблются в пределах (1,5-2,6)-Ю-4 %; снижение содержания водорода равно 55 - 73 %. Конечные концентрации кислорода колеблются в пределах 0,010-0,004 снижение содержания кислорода - 34-48 %. Конечные концентрации азота колеблются в пределах 0,009 - 0,004 %, а снижение содержания азота составляет 10 - 20 %.

1.2.2. ВАКУУМИРОВАНИЕ В СТРУЕ

Большое влияние на скорость дегазации оказывает увеличение относительной поверхности (Б/У) металла. Существенно увеличить эту поверхность можно дроблением струи на капли. На этом принципе основан способ дегазации металла в струе. При попадании в разреженное пространство во втором ковше или в изложнице струя стали, в зависимости от количества растворенных газов, дробится на капли различной величины. Диаметр капель достигает величин 10-10 мм [98]. Они имеют шарообразную форму и падают веером в находящийся внизу ковш или изложницу. При переливе спокойной стали, когда окисление углерода не происходит, угол раскрытия струи составляет 20 - 40 ° [99, 100].

Особенно сильное деление струи стали на капли и раскрытие на - * большой угол (до 140 [101] происходит при переливе нераскисленной или слабораскисленной кремнием стали, т. е. при протекании реакции окисления углерода. Чтобы избежать трудностей, связанных с образованием настылей на огнеупорной кладке ковша или стенках изложницы, вызванных разбрызгиванием струи, в крышке камеры устанавливают впускную направляющую трубу столь большого диаметра, что взрывоподобный разрыв струи стали должен протекать в ней. Тогда

Таблица 1.2

Снижение концентрации газов при вакуумировании стали в ковше

Показатель Масса обрабатываемой стали, т

37 50 55 80 90 100 110

Марка стали 0,9 %С,\% - Нелегированные - легированные с Подшип- Подшип-

М, 0,3 %Мо и легированные содержанием никовые никовые

конструкционные 0,1-1 %С

Раскисление перед Присадка Посностью Раскисление РеБ! 0,25 % Нераскислен- Частично Частично

вакуумированием Са51 при раскислен- в печи перед 57 ная раскислен раскисленная

выпуске ная выпуском ная 0,15

0,15 % А' 0,005 %А1

Конечное давление в камере, Па 65 130 40 65 Менее 13 130 7

Время вакуумирования, мин 15 12 12-14 12-15 15 11-15 13-15

Принудительное перемешивание:

инертным газом Есть Есть Нет Есть Нет Есть Нет

электромагнитное Нет Нет Нет Нет Есть Нет Есть

Концентрация водорода, 10%:

до вакуумирования 4,3 9,1 5,5 2,5-5 - 5,1

после вакуумирования 1,75 2,4 2,1 1-1,9 1,5 2,2 1-2,6

снижение, % 59 73 62 56 — 57

Концентрация кислорода, Ю"4 %:

до вакуумирования 86 - 160 - - - 56

после вакуумирования 44,6 - 90 — — — 29

снижение, % 48 44 — — 37 48

Концентрация азота, 10Г4 %:

до вакуумирования - 103 80 - 60-110 - 86

после вакуумирования - 92 70 — 30-70 — 85

снижение, % - 10 12 — 40 20 1

Литературный источник [88] [891 [90, 91] [92] [93, 94] [95] [96, 97]

капли стали собираются на стенках впускной направляющей трубы и падают почти вертикально в ковш или изложницу [98].

Очень сильное деление струи нераскисленной стали на капли, при переливе из ковша в ковш, представляет для металлургических реакций особенно благоприятные условия вследствие чрезвычайно большой поверхности массообмена и очень малого пути диффузии. Это способствует как удалению водорода и азота, так и течению самой реакции окисления углерода. Раскисление углеродом под вакуумом применяют, как при переливе стали из ковша в ковш, так и при отливке слитков в вакууме [102].

Дальнейшая дополнительная дегазация происходит с поднимающейся чистой поверхности жидкой стали, накапливающейся в ковше, особенно, если это сопровождается интенсивным кипением, за счет выделяющейся окиси углерода.

Однако вакуумирование нераскисленной стали невозможно при отливке слитков, так как в изложнице полное раскисление производить нельзя из-за неравномерного распределения раскислителя в объеме металла. Обработка вакуумом нераскисленной стали производится при переливе из ковша в ковш [103].

По данным Д. Я. Поволоцкого и В. А. Кудрина [84, с. 59] при струйном вакуумировании нераскисленного металла, при остаточном давление 2-7 мм рт.ст., содержание водорода в стали уменьшается на 70 - 80 достигая уров