автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка динамической модели кислородно-конвертерного процесса с использованием принципов физико-химической подобности для исследования и управления

„ Міністерство освіти України

ДЕРЖАВНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

На правах рукопису

СІГАРЬОВ Євген Миколайович

РОЗРОБКА ДИНАМІЧНОЇ МОДЕЛІ КИСНЕВО-КОНВЕРТЕРНОГО ПРОЦЕСУ З ВИКОРИСТАННЯМ ФІЗИКО-ХШГЧНОЇ ПОДІБНОСТІ для ДОСЛІДЖЕННЯ ТА УПРАВЛІННЯ

Спеціальність 05.16.02 - металургія чорних металів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ 1997 р.

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі теорії металургійних процесів Державної металургійної академії України Міносвіти України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор

Кандидат технічних наук, доцент

Провідна організація:

Інститут чорної металургії НАН України

Захист відбудеться “с^ ” 1997р.

О 12-30 на засіданні спеціалізованої вченої ради (шифр К.03.11.03, спеціальність - “Металургія чорних металів”) при Державній металургійній академії України за адресою: 320635,

м.Дніпропетровськ, МСП, пр.Гагаріна, 4. З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці ДМетАУ.

Автореферат розіслано “^3 т1997р.

КАМКІИА Людмила Володимирівна

ЧЕРНЯТЕВИЧ Анатолій Григорович

ЧЕРЕВКО Віктор Павлович

Вчений секретар спеціаліз вченої ради, кандидат те; доцент

Актуальність роботи. Найважливішими завданнями перебудови металургійної промисловості України є підвищення використання виробничого потенціалу, поліпшення якості продукції, зниження енерговитраг, підвищення технологічного рівня та техніхо-єкономічних показників.

Вдосконалення існуючих технологій повинно супроводжуватись розробкою відповідного інформаційного забезпечення, систем автоматизованого контролю та управління процесом. Розв'язання цих задач пов'язане з широким застосуванням обчислюваної техніки та створенням математичних моделей, адекватних реальним процесам. Розробка таких моделей здійснюється на основі фундаментальних положень термодинаміки, кінетики, гідродинамікі, тепло- та масообміну з використанням даних фізико-хімічних досліджень.

Отже, створення адекватних реальному процесу фізіко-хімічних та математичних моделей на основі законів термодинаміки, кінетіки, гідродинаміки та масообміну для аналізу процесів і вдосконалення існуючої технології є однією з найважливіших актуальних завдань розвитку металургійного комплексу.

Мета роботи . Розробка детермінованої динамічної моделі киснево-конвертерного процесу на принципах фізіко - хімічної подібності для дослідження, оптимізації та управління процесом, розробка алгоритмів ведення плавки на основі прогнозування ходу процесу, вдосконалення технології з метою підвищення якосіі та зниження втрат металу.

Для цього розв’язувались слідуючі основні задачі:

- на основі узагальнення існуючих експериментальних і виробничих даних розробити детерміновану динамічну модель киснево-конвертерного процесу з використання принципів фізіко-хіїачої подібності;

- розробити алгоритм та програму розв'язання моделі з використанням ЕОМ;

- провести ідентифікацію моделі та перевірку адекватності реальним процесам;

- дослідити методами математичного моделювання основні параметри та режими проведення киснево-конвертерної плавки та можливість оперативного управління процесом;

- розробити алгоритми оптимального проведення процесу та конструкцію дутьових пристроїв для їх застосування.

Наукова новизна. Розроблено детерміновану динамічну модель процесу зневуглецьовування в кисневому конверторі в рівняннях з розподіленими параметрами, які адекватні натурі.

За результатами експериментів на моделі показано, що в період інгенсівного зневуглецьовування в конверторі градієнт концетрацій вуглецю та кисню в металі та кисню в шлаці незначний.

Процес зневуглецьовування, в зв'язку з малими градієнтами концентрацій, описано системою рівнянь з зосередженими параметрами.

Показано, що хід процесу зневуглецьовування більш за все визначається початковими умовами його проведення. Виконано аналіз впливу початкових, умов на показники процесу зневуглецьовування. Показано, що визначальну роль на хід зневуглецьовування чинить температурний режим.

Для одержання більш точної інформації, з врахуванням відхилення реакцій від рівноваги, вперше побудовано модель на основі фундаментальних рівнянь з використанням принципів фізико-хімічної подібності. До моделі включено плавлення брухту та розчинення вапна. Показано, що розподілення потоку кисню між домішками, що одночасно окислюються, пропорційне величинам відповідюх чисел Дамкелера. Встановлено адекватність моделі реальним процесам. Відносна похибка прогнозу результатів не перевищує для температури 2,3%, для вуглехцо-4%.

Встановлено закономірності та можливість прогнозу порушень ходу процесу’ при нестабільному складі шихти та температурі чавуну, що заливається. Розроблено алгоритм та програму чисельної реалізації моделі в режимі машинного та реального часу. Час лічби в режимі машинного часу складає 0,3-0,5 хвилини.

Моделюванням показано можливість управління окислєністю шлаку та металу по ходу продувки за рахунок перерозподілення дуттьового кисню між фазами. Розроблено конструкції двоярусної та двоконтурної фурми з незалежним підводом кисню.

Запропоновано алгоритм динамічного управління плавкою. Проведено серію дослідно-промислових плавок. Встановлено, що при застосуванні дослідної фурми підвищилась лужність, знизився вміст оксидів заліза в кінцевому шлаці та збільшився вихід годного на 0,1%.

Основні положення, що виносяться автором на захист:

- детерміновані моделі процесу зневуглецьовування в кисневому конвертері з розподіленими та з зосередженими параметрами,

- детермінована динамічна модель киснево-конвертерного

процесу, розроблена на принципах фізико-хімічної подібності, з

врахуванням плавлення брухту та розчинення вапна;

- розподілення концентрацій кисню в шлаці, вуглецю та кисню в металі по глибині ванни в процесі зневуглецьовування;

- конструкція двоярусної дослідно-промислової фурми з

незалежними підводами кисню та центральним охолодженням наконечника для роздільного регулювання окисленості металу та шлаку;

- конструкція двоконтурної дослідно-промислової фурми з

незалежними підводами кисню для роздільного регулювання окисленості металу та шлаку;

- технологія ведення продувки з застосуванням розробленого продувочного пристою та одночасним прогнозуванням ходу процесу в режимі “радник майстра”.

Практична значимість. Розроблені динамічні моделі киснево-конвертерного процесу розширюють можливості дослідження процесу методами комп'ютерного моделювання та дозволяють використовувати одержані результати для управління процесом.

Розроблений програмний засіб в режимі “Радник майстра” передано ККЦ ДМК, що дозволяє у виробничих умовах при нестабільному складі шихтових матеріалів і коливаннях температури чавуну, оперативно прогнозувти відхилення від оптимального, з точки зору технології, ходу процесу. Розроблені програмні засоби дозволяють виключити необхідність проведення трудомісткіх виробничих експериментів.

Розроблену конструкцію двоконтурної фурми з незалежними підводами кисню та алгоритм ведення плавки передано в ККЦ ДМК дга широкого промислового опробування.

Теоретичні розробоки та практичні результати дисертаціонної робота реалізовано у відповідності з завданнями, поставленими державними науково-технічними програмами за пріоритетними напрямками розвитку науки та техніки, напрям 04.06, наказ № 15 від 10. (Р. 1993 р.; наказів Міністерства освіти України №76 від 21.03.1991 р.; № 68 від 31.03.1992 р.; рішеннями Ради ДМетАУ від 31.01.1992 р.

Апробація роботи. Основні наукові положення та практичні результати роботи повідомлені та обговорені на конгресах, Всесоюзних конференціях, нарадах і наукових семінарах, Республіканських науково-технічних конференціях, включаючи: II Всесоюзна нарада “Бази фізико-хімічних та технологічних даних доя опіимізації металургійних технологій” (Курган, жовтень, 1990); V Всесоюзна конференція “Теплота масообмінні процеси в ваннах сталеплавильних агрегатів" (Маріуполь, вересень, 1991); Всесоюзна нарада “Моделювання фізико-хімічнкх систем і технологічних процесів в металургії” (Новокузнецьк, жовтень, 1991): Перший конгрес сталеплавильників (Москва, жовтень, 1992): Другий конгрес сталеплавильників (Липецьк, жовтень, 1993): II Всесоюзна

нарада “Використання ЕОМ в наукових дослідженнях та розробках” 'Дніпропетровськ, жовтень, 1989); X Всесоюзна конференція “Фізико-тгічні основи металургійних процесів” (Москва., червень, 1991).

Публікації. Основний вміст дисертації опубліковано в 9 наукових роботах та тезах доповідей на конференціях.

Структура та обсяг роботи. Робота складається зі вступу, чотирьох глав, висновків, списку використаної літератури з 142 найменувань та додатку.

З

Конкретний особистий внесок дисертанта в наукову розробку.

Експериментальні та теоретичні дослідження, що увійшли де дисертаціонної робота, виконано автором за участю співробітники ДМетАУ, Дніпровського металургійного комбінату ім.Дзержинського Результата опубліковано у співавторстві з ними. Обробку даню досліджень та узагальнення результатів робіт проведено авгороь самостійно.

Автор щиро дякує науковому консультанту професору, доктор] технічних наук Яковлеву Юрію Миколайовичу, своїм колегам по роботі співробітникам Дніпровського металургійного комбінату за допомогу і проведенні досліджень, що узагальнені в дисертації.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У всіупі обгрунтовано актуальність роботи, викладено мету тї завдання досліджень, наведено результати, що винесені на захист, тг перелік опублікованих робіт по темі дисертації.

1. МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ СТАЛЕПЛАВИЛЬНИХ ПРОЦЕСІВ ТА МЕТОДИ IX ПОБУДОВИ

В роботі проведено аналіз раніше розроблених математичню моделей сталеплавильних процесів. Показано, що в зв'язку з деякимі особливостями побудови розроблені моделі не можуть бути використані і повному обсязі дія управління процесом і, тим більше для йог< дослідження.

Найбільш складною задачею в описі сталеплавильних процесів і розподіл потоку кисню (/заг), що надходить в метал, між домішками, щ< окислюються. Ця задача розв’язана із застосуванням методів фізико хімічної подібності сталеплавильних процесів, що розроблен Ю.М.Яковлевкм та Л.В.Камкіною, Мірой відношення швидкост витрачання або утворення речовини при хімічній реакції до швидкості і перенесення є числа Дамкелера (ра). Добуток числа Дамкелера ні безрозмірну концентрацію елементу пропорційний долі кисню (/т), щ< зиграчаеться на окислення цієї домішки

к Оз[С]д Рі

------ = ---------- ,/Є(С,Й,Мп,Р) (І)

/общ У] (Оагоїд р 0

При вмісіу вуглецю вище 0,2-0,3% концентрація кисню в металі змінюється несуттєво, тоді а? [О] / йх = 0 і поток кисню /з>х витрачається лише на окислення домішок. Після перетворень одержано вираз для розподілу кисню між домішками

/заг=[0][([С]-[С]р)+/5і([8і]-[8і]р)+А/ІЛп([Мп]-[МпЬ.)+А/р([Р]-[Р]р)]1 (2)

де [С], [Бі], [Мп], [Р]- поточні концентрації елементів; [С]р, ГЗІ]Р, [Мп]р, [Р]р- рівноважні концентрації; /я = / кг\ - кш / кс> к? = к? / кс -

відносні еффективні константи швидкостей (відносні кінетичні коефіцієнти) відповідних реакцій.

Відносні потоки кисню, що витрачається на окислення домішок.

приведені у вигляді

1с //ЗАГ = (*[С] - Х[С) р) і Т.ІІЇ Д Хі ) (3)

Іг-Дзлг= (Х[5і] - Хгад р) І 1(к Лхі) (4)

ІиЛгаг= (хцйі] - хэд Р) / Е(л Д х,) (5)

Ір/ІЗАГ = (*£?] - *[?] р) / ІХИ Дї,): / (б)

де 2 (к &х-) = (х[Сі-Г[с;Р) + «а ([Зі]-[8і]Р) -ь Агип ([Мп]-[Мп]р) +

+ ^?([Р]-[Р]р) (7)

Для основного процесу'головна витрата кисню припадає на окислення С, Бі, Мп, Р. Експериментальне визначення відносних кінетичних коефіцієнтів виконано за літературними даними. Ці коефіцієнти залежать головним чином від температури процесу й можуть бути представлені в

формі рівнянь Арреніуса

kfsi = 1,26 10'® exp(215275/ЯГ), г = 0,79 (8)

#Мя = 9,28 10 '5ехр (144202 /RT), г= 0,91 (9)

К? = 1,29 10 '3 ехр (108393 f RT), т = 0,88 (10)

2. РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ ПРОЦЕСУ ЗНЕВУГЛЕЦЬОВУВАННЯ В РІВНЯННЯХ З РОЗПОДІЛЕНИМИ ПАРАМЕТРАМИ

Узагальнено та проаналізовано питання про лімітуючу ланку, стадійність та місце перебігу реакції зневуглецьовування. Більшість дослідників вважають лімітуючою ланкою підвод кисню в зону' реакції. Найбільш визнаною є двостадаша схема, за якою послідовно окислюється залізо, вуглець, а потім інші елементи чавуну. Основна частина вуглецю окислюється в зоні циркуляції й лише на почату плавки окислення відбувається в зоні продувки.

Розроблено фізико-хімічну модель процесу зневуглецьовування в кисневому конвертері. Киснево-конвертерний процес у період зневуглецьовування представлено як чотири відкритих системи, що взаємодіють між собою: шлак, метал, струмінь кисню та пузирі окису вуглецю.

При розробці математичної моделі процесу зневуглецьовування використано підхід, що дозволяє описати макрокінетику, зокрема розподіл кисню та вуглецю в об'ємі ванни без врахування процесів в об'ємі реакційної зони. При переносі в розплаві декількох речовин та хімічній взаємод ії між ними модель являє собою систему рівнянь диффузії кожної речовини з джерельними членами, що описують надходження та витраіу речовин на хімічні реакції.

Круїшомасштабне перенесення речовини б металлі та шлаці описано аналогом рівняння Фіка, в якому молекулярний коефіцієнт дифузії заміняється його турбулентним аналогом - ефективним коефіцієнтом дифузії (£>еф). При цьому система рівнянь моделі має вигляд

0(ОХ*,т) 1>ш 0ЧО)<Хг)

д т Я2цт дх2

5[0](х,т) £)м 8 2[0] (х, г)

дт Нги 8х2

А[ 1+ рёНи(1-х)10'$]

[С] (х, т) ■ ум

с [С](х,т) £>м Є2[С](х,г)

■?ш =

- 1,333 Кх”

(И)

[сімсої^-г) -

(12)

аг

нги

дх2

- Кх*[С](х.т)

[О] (т) -

.4[1+ ^§Ям(1-х)10'5] [с](^4

(13)

де Ае, ґ>і.' - ефективні коефіцієнта дифузії в шлаці та металі, ї?/с;'Ящ, Ни- товщина шару шлаку та металу, м; х-безрозмірна координата (0 < х < 1); г- час, с;дяьфь $с -джерельні члени, що враховують надходження кисню в шлак, метал та реакційну зону.

На підставі даних Ю.М.Яковлєва та О.В.Потапова визначено долю участі в реакції зневуглецьовування рекційної зони. Запропоновано рівняння залежності долі вуглецю, що вигоряє в реакційній зоні (^) від його вмісту в ванні. Для [С]>1,5%

Fc= 0,41[С] и'*‘ , (14)

Для [С] < 1,5%

0,022 [С]0’57 (15)

Відповідно визначено вирази для джерельних членів, що описують розподіл дутьового кисню між металом га шлаком

?С=-?С(1-#)0АГ, фП =6 ,

ди = (1-й1') (І-^с) £?зхг,

(16)

(17)

(18)

де б -коефіцієнт, що враховує розподіл кисню дуття між шлаком і металом, Оздг-сумарна витрата дуття, що враховує ступінь засвоєння кисню ванною ( г) о), кг/хв..

Ідентифіковано основні кінетичні параметри, що входять до моделі (коефіцієнти ефективної дифузії, масопередачі кисню з шлаку в ме-

6 '

тал (Дц) та константи об'ємної швидкості реахцй (Ку)). За результатами модельних експериментів одержано залежність питомої потужності перемішування (Л^шт) від глибини ванни

Л^ш=0,095Ям°'89 Рс 77 273 ' (19)

де Ус- швидкість зневуглецьовування, кг/с.

Встановлено, що для кисневого конвертора садкою 250т; #м=1,25б м и #ш=0,4 м (за середніх значень швидкості зневуглецьовування 0,2-0,3%/хв) Ал в гомогенній зоні розплаву має значення 0,3-0,32 м^/с; Ац-0,095-0,11ь?/с.

Температура ванни визначається за виразом /(г)=(2^4Гпоч+11019А [С]+23590 Аг А [О] + 3771 А (РеО)+5112 Д(Ге2Оз) +7335 А [0])/(2,94-1-4,95 А [С]+0,13йгА [С]-4,49^с2{С02}), (20)

Де *пэт, ігг - температура чавуну, що заливається та температура сталі, відповідно, С ; А [С], а (ИеО), А с^Оз), А [о]- змінення вмісту відповідних елементів в металі та шлаці за розрахунковий період часу (Л *),%-

Чисельну реалізацію моделі проведено за неявною кінцево-різницевою схемою з використанням ЕОМ. Адаптацію моделі до конкретного агрегату здійснено вибором диерельних членів та постановкою граничних умов.

Моделюванням показана можливість незалежного управління окисленіспо металу та шлаку шляхом перерозподілу дугьового кисню між ними. Встановлено, що швидкість змінювання окисленосп шлаку (Уі?го)) може сягати значень 2-2,5 %/мин. Збільшення долі дуття в шлак на 10% від загальної витрати кисню приводить до зростання окисленості шлаку на 1%/хв, зниження- до такої ж швидкості падіння. Зниження витрата дуття в метал викликає зменшення швидкості зневуглецьовування. Одержано залежність швидкості зміненая вмісту (РеО) від змінення долі кисню, що надходить в шлак.

Показано, ЩО В умовах ЇСОНБЄрТЄрКС& ЕаКНИ В період ІКТсКСНвКОГо зневуглецьовування існує високоефективне перемішування, що забезпечує відносно невеликі перепади концентрацій по висоті розплаву. Це дозволило розглядати процес зневуглецьовування як систему з зосередженими параметрами та описати його моделлю у вигляді звичайних диференційних рівнять. Показано адекватність розробленої моделі реальним процесам.

3. ПОБУДОВА ДИНАМІЧНОЇ МОДЕЛІ КИСНЕВО-КОНВЕРТЕРНОГО ПРОЦЕСУ

Розроблено математичну модель зневуглецьовування з зосередженими параметрами. Визначено залежності градієнтів концентрацій кисню в шлаці (О)* і металі [О]* по глибині розплаву від ефективних коефіцієнтів дифузії для кисню в шлаці на межі шлак-метал

2НШ

(0)*= (О)ср -------- (0,0047Ус + 0,0133) , (21)

Dm

для кисню в металі на межі метал - шлак , 2 Ни

[О] = [0]ср +--------- (0,0079 - 0,00025 Гс) , (22)

Du

де (0)ср,[0]с? - вміст кисню в шдащ та металі, відповідно, кг/м.

Система рівнянь моделі має вигляд

<К О)

Hjz. - Qm - Дп (а*<?гО) Lq - [О]*) (23)

і ? d[Oi

Ни = дії +Дп (,a*^aoyLo - [О]*) - 1,333 Vc (24)

d т d[C]

Hu = - (де + Vr) (25)

d т

Vz—K. [C] ( [O] - [0]p) (26)

де позначкою * відмічено значення параметрів на межах розподілу фаз. Початкові умови замінено інтегральними рівняннями балансів, наприклад для вуглецю

[С]т = [С]о - J' (Vc + qo) dr , . (27)

де [С]о - вміст вуглецю на початку процесу інтєнсібного зневуглецьовува-ння, %.

Розрахунок побудовано на розв'язанні системи рівняюсь динамічних матеріального та теплового балансів. Модель реалізовано на ПЕОМ типу IBM PC/XT. Час розрахунку, в залежності від початкових умов, складає 0.5-1.5 хв.; що б 10-15 разів швидше реального часу процесу. Показано, хцо опис процесу в рівняннях з зосередженими параметрами не знижує точність прогнозування показників.

Повну інформацію про хід плавки можуть дахи моделі, опис яких виконано на основі фундаментальних рівнянь з використанням принципів фізико-хглчноі подібності.

В початковий період плавки при значних відхиленнях від рівноваги (Л/Л7>1) окислення домішок відбувається одночасно зі швидкостями, що визначаються кінетичними показниками, швидкісгь процесу лімітується величиною потоку кисню, що витрачається на окислення домішок. Поблизу рівноваги {АІКГ<\) швидкість окислення домішок залежить від рівноважних концентрацій елементів в реакціях окислення, які визначаються механізмом здійснення реакції. В даній роботі реакцію окислення вуглецю вибрано ж основну, відносно якої визначалася витрата кисню на окислення інших елементів.

Вираз доя визначення співвідношення витрат кисню має вигляд ЇЇІ (хщ-*рш)

----- = кі ехр[ А Еъъ !ЯТ\-------------------- (23)

(х [с] - -*р;с])

Потік кисню на окислення 7-го елемента визначається з співвідношення

&э (^и - -грсп )

/і=/3----------.--------------- , (29)

І! - *?к)]

Е [Ьз (хд - хрц])] = (хс-хрс) +• к?г{х5гХ?Еі) + £?(х?-.хрр), (ЗО)

де із-сумарний потік кисню, що витрачається на окислення домішок.

Повна модель конвертерного процесу являє собою систему диференційних рівнянь окислення вуглецю (23 - 27) та інших домішок (Бі, Мп и Р), розчинювання присадок, шлакоутворення плавлення брухту та рівнянь миттєвих балансіз (теплового та матеріального).

<*[&! ,

Нуі = 1,14 ^(хгі-хрБі), (31)

<і т

<і [Мп]

Ни — 0,29 Агмя( *мп- *?Ма) , (32)

і т

<*[Р] /

--------Ни = 1,29 к7 ( хр - хРР ) . (33)

і т

Поточні концентрації елементів визначаються за рівняннями балансу

(0)х=(0)о+|в (/ш-/дш)й?т, (34)

[О]х=[0]о+^ (/м+/цш - /д) (35)

[8і]*= [Бі]0 - І"Г «[йі] (іт, (36)

ГМп]х= [Мп]с - Г 4[Мп] (іт. (37)

іо

[Р!- [Р]э -\1 ф>] ат, (38)

де (0)оДО]о,[8^о,[Мп]о,[Р]о - початкові концентрації елементів в шлаці та металі, кг/'м*; 1ц, Іш-и, Ітіи іть ^рз -потоки дуіьового кисню в метал, з шлаку в метал, в шлак, на окислення домішок га в реакційну зону, відповідно, кг/(м2 с).

Розроблено модель плавлення брухту. В ОСНОВ}' розробленої моделі розчинення металобрухту покладено припущення Д. А. Франк- Ка-менецького, що в крайній області турбулентності массоперенесення визначається тільки характеристиками потоку.

Загальна кількість скрапу, що розплавився на даний момент продувки, розраховується слідуючим чином. Поточна маса твердого брухту в розплаві Мт знаходиться з виразу

Мтз= Мне - £ Щ , (39)

де Mbs- кількість твердого брухту в шихті.

щ = Мне 0 б 5 (40)

де# б- відносний час повного розплавлення брухту; ті- маса 7-го Еиду брухту в шихті

На основі результатів математичних експериментів і з врахуванням відомих літературних даних апроксимовані вирази для опису плавлення брухт}7 різної компактності. Рівняння мають вигляд: для великовагового брухту

Мщ(т) = - 15,56 + 4,406 т - 0,2034 ■? + 0,00418 ■? - 0,0000264 т\ (41) для легковагового брухту

МхиМ = 9,524 + 4,518 х- 0,0567 ■? - 0,00178 1? + 0,0000522 х , (42)

для пакетів

Мпл(т) = 4,157-0.02389 т+0,0374 Г2 + 0,000163 ГІ-0І00000475 т4 , (43)

де г- відносний час процесу.

Змінення активностей компонентів в процесі шлакоутворення описано на основі методу В.А.Кожеурова. Склад шлаку на початок продувки прийнято як сущ оксидів міксерного шлаку, забруднень та окалини брухту. Змінення складу шлаку в ході продувки описане рівнянням

>Я(ьюу) (х) = т сЕлОу)(т-1) ± А яі<р.лСу)> (44)

MgasOy)

де &т$ьоу) = -----------------А Э

М(Ел>

- приріст маси компонент шлаку за час г, лгс&сог> (т) - поточна маса складових шлаку; тфа-д (г-1) - на попередньому кроці за часом.

Маса шлаку розраховується за виразом 100 S/яш

Мщ(г) = -------------------------, (45)

(100 - % (FeO))

де Хотш = Je ЩEsOy) dx- сумарна кількість оксида в шлаці, крім оксидів

заліза, кг, а маса металу, кг

Мм( х)— Мч( + Мцл( т) - £ А [Міг] - Д [Fe] (46)

Засвоєння вапна описане рівнянням, що враховує масову •швидкість розчинення твердса частки

dM Jk ([%Лнас - [%*]) Рж S

-------- ------------------------1------ (47)

dx [%Гт - [%Г]

де и [%7]тз - концентрація речовини Т в рідкій фазі на

початку процесу ха в твердих частках, мас.%

Температура метал}' визначається за виразом

г(т)=(28,9Шм7ч-6285ЯщГтг+4148100 Д#щ +13848 Д [С] Ям +

113130 (Д #щД (РеО)) +153354( ДЯШД (РеО) !Р) +7332ЯЫД [О])/ (28,91 СЛ/т+Л-/д)+б285Япґ-1,185 Д [С]#м), (4В)

де Яш, Ям- поточна товщина шару шлаку га металу, відповідно, м.

Система рівнянь реалізована на мові С>Ваыс і придатна для експлуатації на ПЕОМ типу ЇВМ РС / АГ, час чисельноі реалізації складає 20-45 сек в залежності від початкових умов розрахунку. Система має ряд модулів: базу даних про хімічний склад шихтових матеріалів; меню користувача; обчислювальний і графічний блоки; збереження та друку результатів моделювання. Ввід вихідних даних (склад і витрата чавуну та брухту, витрата шихтових матеріалів до початку продувки, положення фурми на початок продувки); корекція положення фурми, витрата дутьового кисню, момент і кількість присадок ситсих матеріалів відбувається з використанням екранних шаблонів (вікон).

Зіставлення результатів розрахунку з відомими виробничими даними показало достатньо високу адекватність моделі натурним процесам (рис 1) і можливість прогнозу порушень ходу технологічного процесу на основі моделювання, що дозволяє вжити заходів щодо їх запобігання. Встановлено закономірності ходу процесу при коливаннях деяких початкових умов.

Основними величинами, що визначають стійкість ходу конвертерного процесу, є вміст оксидав заліза в шлаці і температура металу. Моментом, що передує нестійкому ходу процеса, є зміна темпу росту температури, що призводить до зростання швидкосп окислення вуг лецю при одночасному зниженні переокисленості шлаку.

Робота моделі в режимі “мшшшногс" ’і?су дозволзє прогнозувати хід і результати плавки в міжплавочний період чи перед початком плавки; в режимі “реального'5 часу - з заданим випередженням прогнозувати та, при необхідності, коректувати хід плавки.

4. ІДЕНТИФІКАЦІЯ МОДЕЛІ КИСНЕВО - КОНВЕРТЕРНОГО ПРОЦЕСУ ТА ВИКОРИСТАННЯ її ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ І УПРАВЛІННЯ

Проведено аналіз впливу положення фурми і витрат дуттьового кисню на засвоєння (Т} о) та розподіл кисню між шлаком і металом (#ш/?м)- Запропоновано рівняння зв’язку засвоєння кисню ванною ( Т) о) з керуючими діями (висотою фурми) та витратою дуття (/о, м3/хвх 10*),

Час.%

Час, %

Рис 1. Зіставлення розрахункових (-----) і промислових

(— ) д аних по динаміці шлакоутворення (а) та окислення (б) домішок уІЗО-г кисневому конверторі з верхньою продувкою

(а):1-(СаО), 2Чві02Х 3-(РеО), 4-(МпО), 5-(Ре203)

(б): 1-С; 2-8; 3-Р; 4-Мп; 5-Бі; —моменти присадки сипких

же для кисневого конвертора садкою 250 т мае вигляд

Л о = 76,72 + 1,Х2Л - 2,6# 2 + 0,0154/о2- 0,185/о, г=0,69 (49)

Для умов роботи 250-т конвертора (положення фурми над рівнем ванни (Я) змінюється від 0 до 3 м; витрати дуття - від 500 до 1300 м3/хв) одержано рівняння залежності співвідношення дяхідм від положення фурми. Залежність одержано статистичним аналізом узагальнених даних про витрату, склад газів, що відходять і вміст оксидів заліза в шлаці

0ш/£м=О, 1- 0,237Н ї- 0,232Н2, г=0,678 (50)

Ідентифікацію моделі здійснено по даним промислових плавок, що були проведені на 250-тонних конвертерах в умовах конвертерного цеху Дніпровського металургійного комбінату та на 130-тонних конвертерах №№ 4-6 конвертерного цеху № 2 Криворізького металургійного заводу (табл.1). Виконана перевірка адекватності моделі за крітерієм Фішера. Відхилення по сумі плавок розрахункової температури металу на першій повалці становить- ±0,5%, хімічного складу металу: по Мп- ± 0,027Н; Б-± 0,001%; шлаку: по £ГеО- ± 1,1%; по М^О- ± 0,13%; СЮ/5іОг- ± 0,64%.

Розроблено конструкцію двоярусної фурми з незалежними потоками кисню та центральним охолодженням наконечника.(рис 2). Три основних укорочених сопла Лаваля критичного діаметра 0,061 м, що розташовані рівномірно по колу нижнього ярусу під кутом 8° до вертикалі, забезпечують витрату кисню б00-900м /хв. П'ять сопел другого ярусу діаметром 0,02 м, що розташовані під кутом 30° до вертикалі, забезпечують витрату кисню 200-400 м3/хв. Відстань між ярусами -0,9 м.

Розроблено конструкцію двоконтурної фурми з нарізною подачею кисню на центральний і зовнішній контур (рис 3). Сопла розташовані на одному рівні, але з різними кутами нахилу до вертикальної осі фурми. Центральне сопло діаметром 0,071 м забезпечує підвід кисню в реакційну зону. П'ять периферійних сопел Лаваля критичного діаметра 0,049 м, що розташовані рівномірно по колу під кутом 20° до вертикалі, призначені для регулювання окисленості шлаку.

Розроблено алгоритм ведення плавки з використанням двоконтурної фурми. Дослідні плавки з використанням фурми з незалежним підводом кисню на зовнішній та внутрішній ряд сопел проведені на 250-т конвертерах в умовах ККЦ Дніпровського металургійного комбінату. Випробування проведені при виплавці сталі марок Зкп, Зпс, 09Г2С. Було проведено 182 дослідних плавок, в тому числі з використанням розробленого алгоритму - 8 плавок.

Прогнозуючу модель конвертерної плавки застосовано в режимі “порадника”. Для анализу результатів відібрано рівну кількість плавок; що проведені з використанням дослідної та штатной фурми. Аналізу підлягали 96 дослідних і 93 порівняльних плавки. За результатами випробувань проведено корегування модельних коефіцієнтів з метою наближення реальних значень параметрів плавки до тих, що прогнозуються.

N плавки Характеристики шихти Характеристики металлу на повалці (фактичні / розрахункові)

Марка сталі Маса чавуну, т Маса брухт, т Вміст в чавуні, % 1 ЧАВ,°С Витрат вугілля т Вміст в сталі, % ЕРеО /ст,°С І витр. 03,м3

Мп Бі 8 Р С Мп 8 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

913317 Зпс 184 85 0,81 0,09 0,043 0,049 1330 0,70 0,04 0,04 0,040 0,042 0,038 0,040 18,90 19,10 1578 1580 15744 15752

913314 40х 193 72 0,88 0,12 0,045 0,052 1264 1,30 0,04 0,04 0,050 0,050 0,037 0,038 27,30 26,10 1643 1640 16360 16357

922811 Зпс 188 75 0,98 0,08 0,026 0,050 1332 1,60 0,04 0,04 0,040 0,043 0,038 0,040 15,91 15,20 1657 1658 13940 13944

922801 Зпс 195 75 0,83 0,11 0,021 0,044 1330 0,70 0,06 0,06 0,030 0,034 0,035 0,036 15,46 16,09 1637 1631 13264 13256

922917 Зкл 179 80 0,92 0,15 0,027 0,055 1323 1,77 0,05 0,05 0,050 0,048 0,050 0,046 20,38 20,11 1659 1650 15382 15370

922915 Зпс 186 80 0,76 0,10 0,050 0,052 1315 1,94 0,05 0,05 0,040 0,044 0,042 0,042 25,17 24,30 1568 1578 15215 15200

922815 Зпс 194 77 0,69 0,08 0,022 0,049 1306 0,90 0,06 0,06 0,040 0,038 0,035 0,040 15,46 17.10 1630 1619 12562 12670

922827 Зпс 192 75 0,9 0,10 0,021 0,047 1320 0,90 0,06 0,06 0,040 0,043 0,046 0,045 19,03 19,60 1596 1600 14832 14851

922914 20тр 179 80 0,78 0,10 0,056 0,055 1300 0,58 0,04 0,04 0,030 0,040 0,037 0,039 35,61 32,10 1528 1540 16875 16780

922912 15сп 182 81 1,41 0,15 0,026 0,057 1336 0,72 0,05 0,05 0,040 0,040 0,042 0,046 15,23 16,10 1635 1627 13750 13827

Рнс 2. Дволруспа фурм®

Рис 3. Даоконтурпа фурма

На дослідних плавках середньо-інтегральне значення лужності шлаку збільшилося на 7%, коефіцієнт}'' розподілу марганцю - зменшилось на 11%. Досягнуто зниження вмісту (РеО) в кінцевому шлаці на 1,5% абс., що відповідає скороченню втрат заліза в шлак на 0,44т на плавку та збільшенню виходу годного 0,1% абс. При застосуванні дослідних фурм середня тривалість продувки скоротилася на 0,8 хвилини. Сумарна витрата дуттьового кисню на плавку скоротилася в середньому на 762 м3.

Таким чином, використання дослідної двоконтурної фурми дозволяє одержати менший розкид значень окисленності кінцевого шлаку, більш стабільний варіант ведення процесу, скорочення витрат дуттьового кисню на плавку та тривалості продувки.

ВИСНОВКИ

В процесі розв'язання поставлених в дисертаційній роботі завдань одержані слідуючи основні результати:

1. Вперше створено детерміновану динамічну модель киснево-конвертерної плавки на основі рівняють масообміну з використанням принципів фізико-хімічної подібності, що враховують відхилення реакцій від рівноваги, для одержання більш точної інформації про зміну основних параметрів по ходу процесу. Встановлено, що безрозмірні потоки кисню на окислення С, Єі, Мп, Р дорівнюють добутку чисел Дамкелера по кисню для кожної домішки на ії безрозмірну концентрацію. Обробкою експериментальних даних одержані вирази для відносних кінетичних коефіцієнтів К$ь А'ьь, які входять до рівнянь потоків кисню, що витрачається на окислення домішок.

2. Розроблена детермінована модель процес}' зневуглецьовування у ванні кисневого конвертора. Модель описано системою диференційних рівнянь в часткових похідних з розподіл енними параметрами. Перенесення речовини в металі та шлаці описане аналогом рівнянь Фіка, в якому молекулярний коефіцієнт дифузії І) замінено його турбулентним аналогом- ефективним коефіцієнтом дифузії Встановлено, що для 250-т конвертора за середніх значень швидкості зневуглецьовування 0,2-

0,3%/мин Піл. е гомогенній зоні розплаву має значення 0,3-0,32 м2/сех> .Ртттт- - 0,095-0,11 м2/сек.

3. На основі аналізу літераіурнкх даних визначена доля участі в процесі зневуглецьовування реакційної зони та об'єма ванни. Одержано рівняння залежності долі вуглецю що Еигоряє в реакційній зоні від загального, при різному вмісту вуглецю, та коефіцієнт, що враховує розподіл кисню між шлаком і металом.

4. Розроблено алгоритм і програм}' реалізації моделі на ЕОМ за неявною кінцево-різницевою схемою з використанням метод}' прогонки. Проведена чисельна реалізація моделі та ідентіфіковані основні кінетичні параметри. Адаптація моделі до конкретного агрегату

(кисневого конвертеру садкою 250 тонн з верхньою продувкою) здійснена вибором джерельних членів та постановкою граничних умов.

5. Результатами модельних експериментів показано, що зменшення швидкості зневуглецьовування при [С]<0,3% можна пояснити на основі загального опису процесу перенесення домішок та їх взємодії на макрорівні. Показано можливість здійснення незалежного управління окисленіспо металу та шлаку шляхом перерозподілу дуттьового кисню між ними. Швидкість змшешія вмісту (РеО) може сягати значень 2-2,5%/хв за незначної зміни окисленості металу. Встановлено, що з умовах інтенсивного зневуглецьовування існує відносно невеликий перепад концентрацій домішок по висоті ванни. Це дозволило розглядати процес зневуглецьовування як систему з зосередженими параметрами.

6. З врахуванням вищевикладеного розроблено модель зневуглецьовування в рівняння?; з зосередженими параметрами. Визначені залежності градієнтів концентрацій (О) та [О] по глибині розплаву від ефективних коефіцієнтів дифузії Модель доповнено системою рівняннь динамічних матеріального та теплового балансів, що враховують окислення домішок до початку інтенсивного зневуглецьовування. Проведено ідентифікацію та чисельну реалізацію моделі на ЕОМ типу ІВМРС. Показано адекватність моделі реальному процесу.

7. Розроблено фізико-хімічну та математичну модель киснево-конверторної плавки на основі принципів фізико-хімічної подібності. Модель представлена системою диференційних рівняннь окислення домішок, формування окислювального потенціалу металу та шлаку, процесу шлакоутворення, розчинення присадок та плавлення брухту. В початковий період плавки при значних відхиленнях від рівноваги (А!Ш>Ї) окислення домішок відбувається одночасно зі швидкостями, що визначаються кінетичними показниками, швидкість процесу лімітується величиною потоку кисню, який витрачається на окислення домішок. Поблизу рівноваги (А/ЛТ<1) швидкість окислення домішок залежить від величини відхилення реакцій від рівноваги.

8. Адаптація моделі до конкретного агрегату відбувається вибором джерельних членів і постановкою граничних умов. При цьому уточнюються значення коефіцієнтів в рівняннях, що визначають масоперенесення кисню зі шлаку в метал, величину константи об'ємної швидкості реакції зневуглецьовування та вплив керуючих дій на розпод іл кисню між шлаком і металом.

9. Розроблено алгоритм га програму чисельної реалізації моделі на ЕОМ типу ІВМРС. Час розрахунку складає 15-40 сек. Робота моделі в режимі ‘‘машинного” часу дозволяє прогнозувати хід і результати плавки в міжплавочний період чи перед початком продувки: в режимі “реального” часу - з заданим випередженням прогнозувати та, при необхідності, корегувати хід процесу.

10. Зіставлення результатів розрахунку з відомими промисловими даними показало достатньо високу адекватність моделі натурним процесам і можливість прогнозу порушень ход}' технологічного процесу на основі моделювання, що дозволяє вжити заходів для їх запобігання. Встановлені закономірності ходу процесу при коливаннях деяких початкових умов. Проведено дослідження щодо впливу різних факторів на основні показники плавки в широком}' діапазоні початкових умов. Вивчено вплив температури та хімічного складу чавуну, компактності й хімічного складу брухту, фракційного складу вапна, інтенсивності продувки та положення фурми, зносу футеровки на показники процесу. Так, при використанні великовагового брухту окисяеність шлаку на початку дещо знижується, температура ванни зростає. Застосування легковагового зпричиняє різкі сірибки температури, зменшення швидкості зневуглецьовування та прискорення переокислення шлаку. По мері вигоряння вуглецю та зниження маси нерозплавленого брухту криві наближаються. Динаміка окислення вуглецю змінюється несуттєво через те, що збільшення поверхні брухту з одного боку спричиняє зниження концентрації вуглецю за рахунок розбавлення розшиву, а з іншого - до зменшення швидкості зневуглецьовування за рахунок зниження температури ванни.

11. Моделюванням показано, що відносні потоки кисню, що витрачається на окислення домішок, мають достатньо добре відомий характер. Після 30% часу продувки, значна частина кисню витрачається на окислення вуглецю. На степінь засвоєння та розподіл дуттьового кисню впливають положення фурми та інтенсивносгь продувки. Встановлено., що положення фурмы чинить більший вплив, ніж змінений інтенсивності продувки. Обробкою промислових даних одержані рівняння зв'язку засвоєння та розподілу дуттьового кисню між шлаком і металом з керуючими діями.

12. Розроблено конструкцію двоярусної 8-ми соплової фурми з центральною подачею води на охолодження та незалежним підводом кисню на кожний ярус сопел. Розроблена конструкція 6-ти соплової двохконіурної фурми з нарізною подачею кисню на центральний та зовнішніш контур.

13. Розроблено алгоритм динамічного управління плавкою. Використання його дозволяє оптимізуват хід процесу та підвищити вихід рідкої статі. Проведена серія дослідних плавок з використанням розробленої двохконіурної фурми. Використання дослідної фурми дозволяє одержати більш стабільний варіант ведення процесу На підставі аналізу результатів дослідних плавок встановлено, що при застосуванні розробленої фурми підвищилась лужність, знизився вміст оксидів заліза в кінцевому шлаці та збільшився вихід гідного на ОД %.

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах

1. Яковлев Ю.Н., Каыкина Л.В.. Рыдванская Т.В., Сигарев Е.Н.

'/ Анализ различных динамических моделей процесса обезуглероживания і их использование при исследовании сталеплавильных процессов // Известия вузов. Черная металлургия. 1992. Лг°б. С.65-68.

2. Сигарев Е.Н., Яковлев Ю.Н., Учитель Л.М., Рыдванская Т.В. /Математическая модель обезуглероживания в ванне кислородного сокверіера // Известия вузов. Черная металлургия. 1991. № 12. С.64-67.

3. Яковлев Ю.Н., Рыдванская Т.В, Сигарев Е.Н. //Анализ «обратимости процессов в сталеплавильных агрегатах как в открытых металлургических системах и разработка динамической прогнозирующей модели процесса обезуглероживания // Труды I конгресса сталепла-жлыциков. Ассоциация сталеплавильщиков. Москва. АО “Черметинфор-лация”. М. 1992. С.89-93.

4. Яковлев Ю.Н., Камкина Л.В., Сигарев Е.Н., Рыдванская Т.В. /Динамическая прогнозирующая модель конвертерного процесса на тринципах неравновесносіи металлургических реакций // Труды II конгресса сталеплавильщиков. 1993. Липецк. Ассоциация сталеплавиль-циков. АО “Черметинформация”. М. 1994. С. 118-120.

5. Яковлев Ю.Н., Учитель Л.М., Сигарев Е.Н., Рыдванская Т.В. '/Использование модели с сосредоточенными параметрами доя описания іроцесса обезуглероживания Н Тезисы докладов Всесоюзного совещания ‘Моделирование физико-химических систем и технологических процесів в металлургии “ Новокузнецк. 1991. С. 64-67.

6. Яковлев Ю.Н., Рыдванская Т.В., Сигарев Е.Н., Кожемяко Е.В. ’/Математическое моделирование процесса обезуглероживания в даухванных печах при продувке ванны кислородом // Тезисы докладов II Всесоюзного совещания “Применение ЭВМ в научных исследованиях

і разработках14. Днепропетровск. 24-27 октября. 1989. С. 49-50.

7. Яковлев Ю.Н.. Учитель Л.М.,Сигарев Е.Н.,Иванов А.В., Рыдва-

їская Т.В. //Исследование кинетики окисления углерода в сталеплавильных процессах с помощью математических моделей // Тезисы докладов X Зсесоюзной конференции “Физико-химические основы металлургичес-шх процессов". Часть 2. Москва. 1991. С.121-125. "

8. Яковлев Ю.Н..Учитель Л.М., Сигарев Е.Н., Рыдванская Т.Е. '/Математическое моделирование процессов обезуглероживания в конвертерной ванне // Тезисы докладов П Всесоюзного совещания “Базы физи-со-химичесхих и технологических данных для оптимизации металлурги-іеских технологий КМИ. Курган. 1990. С. 110-111.

9. Сигарев Е.Н., Рыдванская Т.В. //Динамическая модель с сосредоточенными параметрами процесса обезуглероживания в кислородном сонвертере // Тезисы докладов V Всесоюзной конференции “Тепло-

л. массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов". ММИ. Мариуполь. 1991. С. 56-57.

Сігарьов Є.М. “Розробка динамічної моделі киснево-конвертерного процесу з використанням принципів фізико-хімічноі подібності для дослідження та управління”. Дисертація на здобуття вчена стулені кандидату технічних наук з спеціальності 05.16.02. “Металургія чорних металів”. Державна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, 199? р.

Захищаються результати теоретичних та експериментальних досліджень ходу киснево-конвертерного процесу з використанням математичної моделі. Розроблені фізико-хімічна та математична моделі киснево-конвертерного процесу на основі принципів фізико-хімічноі подібності Встановлені закономірності ходу процесу при коливаннях початкових умов. Розроблена конструкція дослідної фурми та технологія ведення плавки з використанням математичної моделі. Проведено дослідно-промислову апробацію на Дніпровському металургійному комбинаїі

Sigaryov E.N. “The development of oxygen converter process dynamic model with the use of physico-chemical similarity principles for investigation and control3’. Dissertation for the scientific degree of Candidate of Science (Eng.) on the speciality “Ferrous metal metallurgy” 05.16.02. State metallurgical academy, Ukraine, Dnepropetrovsk, 1997.

The results of theoretical and experimental investigations of Hie oxygen converter process with the use of mathematical model are defended.

A physico-chemical and mathematical model of oxigen-converter smelting based on the physical-chemical similarity principles has been developed. The process regularities by some initial condition changes have been established. The structure of an experimental tuyere and technology oi smelting with the use of mathematical model has been developed. The results oi the work have been experimentally probed at the Dneprovsky iron and steel works.

ANNOTATION