автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка системы расчета шихты для конвертерного процесса в условиях "IRON AND STEEL СО" и изучение динамики окисления компонентов ванных в начальный период наведения шлака

с о г з 'J-

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МО С КО В СКИ Й ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи

УДК 669.184.046.5 ХЕМДАН Саббах Солиман Омар

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ РАСЧЕТА ШИХТЫ ДЛЯ

КОНВЕРТЕРНОГО ПРОЦЕССА В УСЛОВИЯХ „IRON AND STEEL СО» И ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ ОКИСЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ВАННЫ В НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД НАВЕДЕНИЯ ШЛАКА

Специальность 05.16.02 — «Металлургия черных металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1990

' / / у! о'/ V _ ^

Работа выполнена в Московском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени институте стали и сплавов на кафедре металлургии стали.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент ОКОРОКОВ Б. Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор КАШИН В. И. специалист в области теории металлургических процессов кандидат технических наук РЯБОВ В. В. специалист в области металлургии стали

Ведущее предприятие: Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И. П. Бардина

Защита состоится « ' » -¿¿Артк 1990 г. в час. на заседании специализированного совета Д.053.08.01 Московского института стали и сплавов до адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Автореферат разослан « 3 » 1990 г.

Справки по телефону: 237-84-45

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук,

профессор П. П. АРСЕНТЬЕВ

<

I

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Арабская Республика Египет тлеет большой рынок для потребления чугуна 7 стали. В стране есть большие задеки келезных руд и другого сырья, необходимого для металлургической промыиленносгя.

В АРЕ работает один комбинат в г. Хелуане с полным металлургическим циклом, производящий чугун и сталь. Он работает с 1955 г., модернизирован в 1956 г. и производит в настоящее время 1,5 млн. тонн чугуна и 1,2 млн.тонн стали в прокате.

Сталь производят в кислородно-конвертерном цехе и в электросталеплавильном цехе. Примерно 90$ производства стали на комбинате получают кислородно-конвертерным спбаобои. Кислородно-конвертерный аех имеет проектную мощность около 1,4 млн. тонн жидкой стали. Однако реальная годовая производительность за последние 5 лет составляет 0,80 млн. тонн, что обусловлено наличием ряда производственных и технологических проблем, существующих в цехе.

Результаты технического анализа существующего процесса производства стали показали, что наблюдаются большие колебания состава чугуна по кремнию (0,60-1,10®, по марганцу (1,60-2,70$), по фосфору (0,35-0,50$), по температуре (1225-1300°С). Кроме того, непопадание в заданные пределы • по составу и температуре металла (¿70°С) на выпуске приводит к увеличению количества плавок с додувками (80-905?)- Это приводит к снижению стойкости футеровки агрегата (140-180 плавок) и уменьшению выхода- годного. Всем этим и объясняется потери производства с 1,4 млн. тонн до 0,80 млн.тонн ■ жидкой стали. Такие показатели существенно уступают среднемировым. ■

Для повышения эффективности работы конвертеров в первую очередь необходимо улучшить организацию .производства за счет вне,прения процесса контроля • технологии и создания систем управления технологическим процессом.

Цель работы заключалась в изучении конвертерного процесса, разработке системы алгоритмов расчета шихты, кзуче-

ши особенности окисления компонентов ванны к форлалязации этих процессов.

Научпая новизна работы заключается в создании системы алгоритмов расчета шихты на процесс при различных временах прерывания продувки для промежуточного скачивания шлака и исследования динамики окисления компонентов вашш в начальный период наведения шлака при переработке чугуноз сложного состава; построении стохастических моделей прогноза состояния системы "шлак-метам" по ходу продувки и моделей окисления компонентов вашш в начальный период наведения шлака. Это стало возможным благодаря установлению основных физико-химиче ких факторов, определяющих скорости окисления кремния, марганца е фосфора при переработке вьгсокомарганцовдстых, с повышенным содержанием фосфора чугунов для условий работы комбината" 1у0и ^ э*^ Со.'' .

Практическая значимость работы заключается в создании системы алгоритмов расчета шихты для условий переработки марганцовисто-фосфористых чугунов для условий конвертерного цеха фирмы " ^ с„." .

Проведенные опытио-промшлеяные испытания системы расчета шихты на комбинате" показали, что применение разработанной системы расчета шихты на плавку, основанной на базе балансовой модели процесса позволит унифицировать шихтовку плазки, снизить удельный расход чугуна и извести, довести долю лоиа в шихте до оптимального с точки зрения теплового баланса, уменьшить отклонение по составу и температуре металла на выпуске, получить значительней экономический эффект.

Обьем и структура работы. Диссертация изложена на страницах машинописного текста состоит из введения, пяти глав; общих выводов, спика литературы. Диссертация содержит 44 рисунков, 20 таблиц.

1. Постановка задачи

В кислородно-конвертерном цехе в на^оящее время действует система сбора .информации (PDP-IV24) о кислородно-кг -вертерном процессе. Она производит сбор, обработку л протоколирование всех операций в ходе подготовки я проведения плавки д конвер-. терах.

В 1986 г. при содействии работников Каирского университета в конвертерном цехе внедрена статистическая система расчета шихта на процесс - модель "i«n a*j sn«e ь>*, • Она создана на базе физико-химического анализа процесса и призвана рассчитывать необходимое количество лома и извести для получения заданной температуры металла на выпуске из конвертера.

Промыталеннне испытания системы показали, что попадание в диапазон -10°С от заданной температуры составило 30$ (57 плавок из 187); а более, чем *Ю°С - 70%. Погрешности по температуре могут достигать ¿70°С. Погрешность работа системы прогноза по среднеквадратичным отклонениям фактических значений от.заданных позвг-ят получить по углероду, марганцу, фосфору и температуре соответственно ¿0,229$, 0,14$, ^0,04, ±28°С.

Представленные результата анализа работы конвертерного' цеха *Ifonar>J si«e С..* в APS подтверждают актуальность разработки эффективных алгоритмов расчета шихты на процесс и • создание адекватных процессу динамических моделей для соот-ветс.дующего управления процессом в перспективе.

2. Система алгоритмов расчета шихты

Выполненный анализ отечественной и зарубежной■литературы позволили сделать следующее заключение. Развитие систем рначета шихты на процесс прошло три основных этапа: упрощенные отдельные балансы тепла, полный материальный и тепловой баланс процесса, применение системы расчета шихты в Тесном контакте с динамическими системами упраэлен"*. Внедрение систем расчета шихты на процесс всегда дает вполне удовлетворительные результата улучшения работы конвертерных агрегатов.

В дальнейшем для повышения эффективности производства в кислородльх конвертерах б направлении снижения потерь вддеза и сокращения длительности плавки необходимо совершенствовать способы автоматического кочтроля и реализовать динамическое управление. Кроме того, стратегия управления кислородно-конвертерным процессом должна базироваться на целом комплексе подсистем, использование которых позволит успешно решить задачу получения металла в заданных пределах по составу и _ температуре при мшкмачьных экономических затратах. Этот комплекс должен включать: систему расчета шихты яа процесс, систему динамического управления, систему коррекции процесса на заключительном этапе продувки и систему адаптации технологических алгоритмов на процесс.

В условиях 'jTOMCMd с».* создание автоматизированной системы управления технологическим процессом должно начинаться с система расчета шихты.

Система расчета шихгц основана на балансовой модели кислородно- конвертерного процесса. Разрабатываемая балансовая модель конвертерного процесса состоит из пяти балансовых .уравнений: полного баланса масс, балансов шлака, извести, кислорода и теплового баланса.

В системе балансовых уравнений учитывались неконтролируемые4 параметры конвертерного процесса. К ним относятся количество железа, уносимого с отходящими газами, степень ■ его окчсления кислородом продувки в полости конвертера и количество кислорода, пошедшее на окисление СО до СО2 там же.

Известно, что кислородно-конвертерный процесс не имеет регулируемых" в широком диапазоне источников тепле и после шихтоэки плавки его энергетические ресурсы практически не могут быть изменены. Это приводит к тому, что при нарушении баланса шихты оказывается невозможным одновременно получить заданные температуру и содержание углерода ъ стали без определенного снижения эффективности процесса. Поэтому особое внимание более уделено правильному составлению теплового баланса 'плавки.

В технологий фирмы - iron a.„j si«Q с«." в APR предусмотрено применение в качестве шлакообрезуюшего материала доломита'.

Это, разумеется, также учитывалось в данной работе.

Обычно при разработке балансовых моделей возникают трудности, связанные с несоответствием числа неизвестных и числа уравнений, входящих ч базовую модель. Поэтому для устранения возникающей неопределенности наряду с балансовыми уравнениями используется ряд дополнительных термодинамических и стохастических зависимостей. "Часть этих зависимостей должна отражать внутренние ограничения процесса, накладываемые на него системой "шлак-металл". Из опубликованных материалов известно, что пренебрежение этими ограничениями приводило к тому, что балансовые методы расчета для конвертерного процесса оказывались мало эффективными. Главным "образом из-за того, что не учитывалась природа процесса, обусловленная наличием постоянных, устойчивых связей мевду компонентам шлаковой и металлической фазами. Поэтому в данной работе при создании алгоритмов расчета шихты на процесс этому вопросу уделено особое внимание. Оно обусловлено еще и тем, что предполагалось использование расчета шихты на процесс при различных временах прерывания продувки для промежуточного скачивания шлака.

Организация и условия провгдения экспериментов

Опытные плавки проводились в две серии: с 21 июля 1986 кл 23 августа 1986 гг. - первая серия (20 плавок) и с 23 июня 1987 г. по 28 августа 1987 г. - вторая (50 плавок). Кроме этого, проводились 60 плавок для проверки адекватности уравнений прогноза переменных состояний системы "шлак-металл".

На экспериментальных плавках контролировали толщину мик-серного шлака в чугунозаливочном ковше и его состав, температуру. состав чугуна и его расход на плавку, количество скрапа и шлакообразуших материалов, загружаемых в агрегат. По ходу продувки контролировали расход кислорода, положение фурма, время продувки, количество, вид и время присадки сыпучих материалов. Контроль состава чугуна и металла на плавках осуществляли по пробам, отобранным из чугунозаливочного ковша и из конвертера после остановки продувки. В пробах металла опре-

деляли содержание углерода, кремния, марганца, фосфора и сери. : Состав шлака определяли химическими методами. Контроль температуры металла и чугуна осуществляли ь помощью термопар разового погружения.

С помощью системы сбора информации осуществлялось протоколирование •всех технологических параметров процесса продувки. Экспериментальные данные по технологическим параметрам на различных этапах продувки представлены в таблице I , из 'которой следует, что фактические колебания составов шихтовых материалов на опытных плавках составили: марганца (1,312,26$). кремния (0,54-1,08?!) в чугуне и его температуры (1225? 1300°С), СаО в извести (65-77$).

Остановка продувки для взятия проб осуществлялась на 3-5, 6, 9, 12, 15, 18 и 22 минутах продувки. Ва каждой опытной плавке делалась только одна озтановка продувки с тем, чтобы не вносить возмущения в процесс до отбора проб и замера температуры.

На серии опытных плавок установлен характер протекания • процессов окисления примесей металла и формирования шлака по времени продувки.

Известно, что до момента полного растворения лома характер процесса зависят от характеристик шихтовых материалов (состша чугуна и его температурю, качества лома и извести). В дальнейшем вследствие развития образования шлака, повыше-■ ния температуры ванны и ее гомогенизации процессы в ввнне конвертера уже определяются непосредственно свойствами шлака, температурой-ванны и составом металла. Аналогичное влияние шихтовки процесса прослеживается и на характер взаимосвязей в системе "шлак-металл".

К основным характеристикам системы "шлак-металл" относятся связи окисленности шла'ка с составом и температурой ванны, распределение марганца мевду металлом и шлаком и, в условиях *1гоп«"1с) Со." » разпределение фосфора между шлаком к металлом. ■

Окисленность шлака зависит от концентрации углерода и марганца в расплаве, температуры металла, содержания кремния и марганца в чугуне, основности шлака и положения фурмы.

Таблица I

Экспериментальные данные по технологическим параметрам на различных этапах продувки

!

!Время £остав_чугуна._%г___

•продузкя I , , ; | ! ' ! Тс] ! [5-.] ! СМп] ! р] ! [Р] 5 °С

Ж

!ыасса ! масса •навеете доломита

I I 1 • ■

I

т"

СаО

ро2 ¡у»^«

кг/см3 ¡««/^'нмЗ ___!_ _ 1___

I !

2 3-Ь >ш

111x11151:11_17_Тз_Ь_ 110 Ти Т12|~тз

1600 2 1 2 1-1,5 О

15

16 !17 ! 18

З.ЁО- 0,54-,1,31- 0,СЗ- П.ЗЗ- 12254,50 0,94 1,93 0,04 0,34 1250

1200

I 3

66- 12,5- 190- 63077 14 230 990

1600 4 I 2 1-1,5 О 3- б мин 3,58- 0,96- 1,65- 0,04- 0,31 1250- 12 66-10- 190- 12204,47 1,14 -2,17 0,05.0,40 1280 1 2 77 14 225 1390

1200 2 15

4 • Э мин 3,62- 0,88- 1,63- 0,04- 0,324,30 1,03 1,94 0,06 0,40 1240- 1600 1300 1200 4 1 22 1-2 1,5 3 1,5 4 2 5 0 5575 1314 1Э0--210 18302070

5 12 глин 3,60- 0,78- 1,65- .0,03- 0,324,15 1,04 1,84 0,05 0,54 1240- 1600 1280 1200 4 5 2 0 1,5 2 1,5 3 .1.1 — . 6877 14 200220" 24002580

Продолжение табящы

т 2 3 £ 5 6 7 8 9 10 II 12 13 14 15 16 17 16

6 15 мин 3,75- 0,71- 1,684,08 0,92 2,01 0,04- 0,36- 12300,05 0,43 1260 1600 1200 1 R II 2*" 2 0 2 3 . 4 5 7276 1314 200- 2980210 3180

? 18 мин 3,70- 0,78- 1,744,26 1,08 2,25 - 0,04- 0,35- 12500,05 0,38 1270 1600 1200 4 14 2 1,5 F 2 0 2 3 4 5 6774 14 190- 3600220 3850 1 >—i о

8 22 мяк 3,70- 0,80- 1,674,07 1,02 2,25 0,05- 0,36- 12400,06 0,51 1270 1600 1200 4 18 2 1,5 Р 2 0 2 3 4 5 6778 14 200- 4100220 4800

Продолжение таблицы I Экспериментальные данные по технологическим параметрам на различных этапах продувки

|врегм ; _'• Состав металла, % ■ • _Состав шлака.

I ■ и. I I ^

!ки0ДУЭ~!И ! М I М I М I I ^0) {««0) |

2,43- 0,13- 0,51- 0,03- 0,192- 1310- 1,87- 13,80-10.25-2,97-10,25- 30,0- 9,65- 3,682 3-5 мин 3,53 0,46 1,29 0,06 0,295 1350 6,81 18,51 19,76 5,20 16,03 43,2 18,10 8.Со

I й~ ~ ~2,49- 0,41-~0,04—~0,20- 1340- 1,59- 18739-~7773-Г,03-13,20^ 34~73-~б7б5-~з712-~

J ь из 3>48 0>0 01б2 0)С6 0)30 1460 3,68 27,8 17,10 3,06 20,97 43,10 15,25 6,31

. о .._„ 2,07- п п 0,29- 0,02- 0,168- 1420- 1,82- 21,3- 5,66 2,83-12,82- 32,03- 5,18- 2,311 а шш 2>97 и,и 0>77 0_06 0(29 1480 б1д3 25)80 13>35 ддз 20151 43(7 1^38 6)39

с ТО ,г.н 1,71- пп- 0,30- 0,04- 0,15- 1440- 2,78- 16.49-6,63- 3,25- 9,11- 35,96- 5,62-3,21

о и. мин 2,26 и>и .0,58 0,05 0,22 1520 3,97 24,9 13,29 5,26 20,49 40,88 12,11 5,49

й 1.41- п п 0,28- 0,03- 0,10- 1450- 1,91- 16,8- 6,58- 4,07- 10,39-38,73- 5,15- 3,65° 15 2,15 0,61 0.06 0,29 1650 5,30 24,0 14,03 5,26 19,41 41,77 Й,09 6,57

7- ТЯ т-та °<79~ П П 0>51~ 0,04- 0,12- 1550- 1,93- 14,65- 6,83- 3,15- 9,89-39,50- 5,66-3,45

' 1,28 и,и 0,81 -0,05 0,24 1630 4,12 26,3 13,64 4,25 12,6^47,68 12.29 7,20

■я ?? V™ 0ДЗ- П П 0,28- 0,02- 0,034- 1610- 2,13- 9,60- 10,28-3,31- 7,93- 41,65- 7,63 6,19-

а ¿«2 мин о,52 и,и 0,72 0,04 0,16 1665 4,74 20,64 20,3 4-,90 15,16 53,75 18,00-8,30

Марганец распределяется мевду металлом и шлаком и окисление его происходит по реакции:

•[Мл] + (ГеС)} = (МпО) + йле ( I)

Равновесные концентрации марганца в металле со шлаком данного состава определяли по уравнениям:

( 2)

ГиУ^- (%И"0) ( 3)

По результатам экспериментальных данных, полученных в условиях работы конвертеров фирмы "Зг-ою «пЛ Со.'', было установлено, что фактические концентрации марганца лежат выше равнсвестных на всем протяжении процесса продувки. ' Полученные результаты указывают на то, что фактическое распределение марганца в течение всей плавки находится в области неравновесного состояния.

Осгагочная концентрация марганца в металле зависит от содержания марганца в чугуне, доли чугуна в мегаллошихте, количества скаченного шлака в середине плавки, окисленности шлака, • его оеноьности, температуры металла и содержания в нем углерода.

Б отличие' от окисления марганца, окисление фосфора на различных атапах продувки оценивали по коэффициенту распределения # фосфора мьвду шлаком к металлом.

Коэффициент расгределения фосфора между шлаком к металлом зависит от содержания'фосфора в чугуне, тешгературы металла, содержания углерода в металле, основности шлака и окисленности шлака.

■ На основании результатов проведенных опытных плавок с по-валками на 9,12,15 минутах по ходу процесса и конечного состава по завершению продуски было изучено влияние ряда пере-

(

численных внше параметров на изменение концентрации оксида железа (£е0) и суммарного железа (Рет) в шлаке, изменение концентрации марганца в металле и его отклонения от равновесия и изменение распределения фосфора между шлаком и металлом по ходу процесса.

Результаты парных связей весьма слабо проявляются, за исключением только некоторых. Поэтому били использованы методы мко- . явственного регрессионного эдализа.

По экспериментальным данным были получены следующие множественные регрессионные уравнения (Таблица 2): .•

- зависимость концентрации оксида железа (РеО) и суммарного железа (Рег) в шлаке на промежуточных повалках конвертера от содержания углерода и марганца в металле; температуры металла, суммарного содержания кремния и марганца в чугуне,' температуры последнего и основности шлака;

- отклонение содержания марганца в металле от равновесия в зависимости от содержания марганца в чугуне, суммарного содержания кремния и марганца в чугуне, температуры металла, содержания оксида железа (РеО) в шлаке и его основности;

- значение коэффициента распределения фосфора меяду шлаком и'металлом в зависимости от содержания фосфора в чугуне, содержания углерода в металле, температуры металла, основности шлака и содержания оксида железа (РеО) в шлаке.

Таким образом, полученные регрессионные уравнения зависимости оксида железа (РеО) и- суммарного железа (Рет) в шлаке, • изученные закономерности окисления марганца и оценка распределения фосфора между шлаком и металлом позволяют полностью опредзлить состояние системы "шлак-металл" и составить стохастическую модель этой системы. Для применения такой модели в составе алгоритмов расчета шихтн необходимо провести проверку адекватности уравнений прогпоза переменных состояния систекн "шлак-металл". Адекватность уравнений проверялась сравнением результатов расчетных и фактических значений оксида железа (РеО) и суммарного железа (Рет) в шлаке, содержания марганца в металле, распределения фосфора мезду шлаком и металлом. Проверка проводилась на новых массивах данных по проведенным опытным плавкам.

!

¡11

1Ш

tí-

«s

i

w a O'

Di 1

I

il

<J

? s

'S V

As i5 S з1

»? Iff

ri • ,

I« 'S'

I I 1 I

A,« 5>S i s

is

or

—s Ч"

г £ «

w

«

o"

Is 1

i*

4»

s

с»'

w

è

ft ï

i

л tí

S) > t

Ч) <3

S*

S

I»

•44J

§ ЧГ

¿,5

Ч> ц.

L»

r

«

<y

s1

ю

•tf §

Ц

S

<к

vi

<«5 4'

HHhi q

HHWÖ

Ч1

«

;s y

« ■>5

sa-

Ц»

I

<0 «

II

S

О

ч.*

нпн et

••л >

V

s

<г о-

N ГЧ

•о О» V и"

чг

—X

S

<4

N

41

W'

11

К1 $

у

I1

I

V

Of *

•о

а ?

<i ч i

ï>

?

S +

■ч

г»

о" *t

•и*

S л

1 с*

I

ч»

Î

?! ü¡

г

<п »1

I

Ч. SI

Г

i

¡ñ м

£ ^

s" *í

to "Ч

V ч

i j

! 1

« o

4 ;

4 s

mf и

5 -í

jA ч»

rsb

^

* ?

( *>

tv

Y|

■I

fs

■ X

Q"

§

4.

SI

11 •Рч a

I «

i1

0>

M V f\í t

y

■s , с r ?

§ V'

11

ä

ç *> V

ЧГ «

i 43 •0 . ^ Ol

«i N. § чз «

V) CJ* M

Ч* tf Ti

-il <v «Q V

к M

s § «ï

V i,

1 s,

V

y» s 1

i Э

if V 1 N 7» v\ vî

« V l< î 4 ■a и

5. Si

ниц S3

M

vj

<5

Результата проверки уравнений состояния системы "шлак, металл" представлены в таблице 2.

Регрессионные уравнения модем (' 4) - ( 27) для оксида железа (РеО) и суммарного железа (Рет) в шлаке, остаточного марганца и распределения фосфора характеризуются удовлетворительными значениями коэффициентов корреляции и значениями остаточных среднеквадратичных отклонений и являются более предпочтительными по сравнений с другими.

Среднеквадратичные отклонения прогнозируемых окисленности шлака, содержания марганца в металле и значения коэффициента распределения мевду шлаком и металлом не превышают 2--3$, 0,113$ и 18,36$ соответственно.

Полученные регрессионные уравнения зависимости оксида железа (РеО) и суммарного железа (Рет) в шлак и изучение закономерности окисления марганца и удаления фосфора позволяют определить состояние конвертерной ванны и составить стохастическую модель промежуточного состояния системы "шлак-металл". Для определения содержания оксида марганца в шлаке и содержания фосфора в металле необходимо использовать уравнения баланса 'марганца и фосфора. В общем виде поэтому модель "шлак-металл" на промежуточной ловалке конвертера должна включать следующие уравнения:

С 28)

Г Н^е =

С- ('■¿ПО) к.

( 29)

л Ом]

(ЙО) = и, ДМ 4-1Х+ цм ^ ь, ([5 ] + [м„1)у р,

См • л Сщ £ \ Т Ц

■ Ъ+С.СмиЗ^СЛ^ ( 32)

1-р 0„ ГрЬоЬ + Ц [с Г, о В^ О, (РО) ( : 33)

+ + & (м„й) 2*4». * & + Б- (Ни(У ._Цн„ ( 34)

г - л «... ч.-*к,й0 <- с-г^-1 -». .

Представленные уравнения прогноза переменных состояния системы "шлак-металл" совместно с основными балансовыми уравнениями я подученные ранее результатами по прогнозированию тепловых потерь конвертера позволят создать алгоритм системы расчета шихты на плавку.

Проверку адекватности модели расчета шихты процессу и изучение ее свойств для условий -'1т« о^а 5+мС Со. " проводили методом обратного баланса с использованием фактических данных проведенных плавок.

В качестве неизвестных были взяты: масса чугуна, масса извести, масса шлака, суммарный расход кислорода и разбаланс тепла. Б качестве исходных данных использованы: площадь поверхности конвертера (89,8 Л, время простоя, масса садки (78-83 тонн), состав чугуна к его температура, состав стали и ее температура, масса доломита,' содержание СаО в извести, основность шлака. Состав лома был принят соответствующие среднему составу готовой стали, выплавляемой в цехе.. Состав ышксерного шлака, дол.лпта и футеровки были приняты .постоянными. По результатам исследования теплового состояния футеровки и ее износа в условиях - 1соп мЗ р0были приняты степень износа футеровки на плавку п масса кнкс.еркого

шлака, равный 1 тонне. Потери при прокаливании извести были принята 5-7$. Содержание кчслорода в дутье принято 99,5$. Масса лома определялась на основе расчетного разбаланса тепла и ожидаемых потерь тепла конвертером. Количество кислорода, расходуемое на окисление СО до COg в полости конвертера (l) и степень усвоения извести (Я) определяется по результатам . расчета "средней плавки". "Средней" названа плавка, на которой всем входным и выходным параметрам были приданы средние значения.

Уравнения, входящие в систему алгоритмов расчета шихты на плавку, могут быть разделена на три группы:

I. Основные уравнения:■

1. полного материального баланса;

2. баланса шлака;

3. баланса извести;

4. баланса кис,юрода;

5. теплового баланса. П. Дополнительные уравнения:

I. баланса марганца; ч .2. баланса фосфора;

3. пересчет основности шлака 8R -

BL.---jmtiiM)_ (bIOi)

(s;<U + (Pßs)

4. определение константы равновесия реакции окисления марганца;

5. расчет ожидаемых тепловых потерь конвертера. III. Стохастические уравнения:

1. расчет концентрации оксида железа (РоСО в шлаке;

2. расчет суммарного железа в шлаке (Рет);

3. расчет отклонения содержания марганца а металле от равновесия;

4. расчет значения коэффициента распределения фосфора между шлаком я металлом.

Для решения системы ликеИнах балансовых уравнений был 'использован метод исключения (метод Гаусса).

В данной работе решали задачу достижения необходимого содержания марганца и фосфора изменением массы присаживаемой извести, т.е. изменением массы поручаемого шлэка.

Проверку адекватности всей балансовой модели процессу выполняли с испольоовчнием фактических данных плавок на 12, 15 и 18 мин продуркк,

Полученные расчетам путем результаты по расходу чугуна, лот. извести к кислорода соответствуют средний значениям прог'-лпл'мшыу пдавок.

Кроме этого, были выполнены сравнения фактических и расчет них значений по балансовой модем на массиве промышленных плавок (на 18-20 млн).

Результаты сравнения позволяют говорить об удовлетворительном соответствии фактических и расчетных значений.

Погрешность работы системы определяется среднеквадратичными отклонениями фактических шачений от расчетных по чугуну, лому, извести и кислороду ¿0,80 т, ±1,98 т, ±1,22 т и -147,72 нм3 соответственно.

Погрешность работы системы алгоритмов расчета шихты позволяет получить среднеквадратичные отклонения фактических значений от расчетных по содержанию оксида жеяеза (РеО) и суммарного железа (£ет) в шлаке, содержанию марганца и фосфора в металле и распределению фосфора мезду шлаком и металлом ±2,27$, ±1,02$, ±0,071%, ±0,02^ и ±9,64 соответственно.

Представленные результаты работы системы алгоритмов расчета шихты позволили сделать следующие вывода:

- составленные балансовые уравнения модели процесса позволяют получить результаты, отражающие истинное соотношение балансов материалов б кислородно-конвертерном процессе для условий работы агрегата в конвертерном цехе фирш " I™«

аш/ Со.' ;

- прогнозируемые содержания оксида келеза в шлаке при сопоставимых значениях углерода на промежуточной повалке конвертера позволяют оценить процесс окисления марганца и фосфора;

- выбор основности илака позволяет определить необходимое количество шлака за счет присадки извести для удаления марганца и фосфора при переработке марганцовистых и фосфористых чугунов.

Разработанная система расчета иихты основана на балансовой модели кислородно-конвертерного процесса. Балансовая модель представляет собой замкнутую совокупность уравнений, включающую в себя три группы:

- первая отражает законы сохранения массы и энергии;

- вторая описывает взаимодействие компонентов шлака и металла в конце продувки;

- третья представляет собой различные эмпирические и подуэмпирические зависимости и константы.

Разработанная система расчета иихты имеет широкую область применения» ока универсальна, менее чувствительна к изменению состава исходных шихтовых материалов и вшлавляемой стали по сравнению с известными статическими моделями. Она легко трансформируется для любых условий работы конвертеров и любых модификаций существующих и разрабатываемых типов процессов конвертерного передела.

< . 3. Динамика окисления компонентов ванны в

начальный ~ешод наведения шлака

Успешное обеспечен; з процессов десульфурации и дефосфорации, максимальное удаление в шлак марганца могут быть обеспечены только при динамическом управлении шлаковым режимом. Одновременно динамическое управление решает задачи борьбы с выбросами и непроизводительными потерями металла по ходу продувки.

Применяемые в настоящее время динамические системы контроля к управления технологическими процессами используются при перепеле обычных и фосфористых чугунов. В реальных условиях ЧгоиопJ Stiel Со/ чугун имеет высокое содержание марганца, фосфора и кремния. Колебания состава чугуна не позволяют получить жидкий металла в заданных пределах по составу и температуре по окончании продувки.

Эта проблема может быть решена только при динамической системе контроля и управления основным технологическим периодом процесса продувки, включающим период наведения шлака и период интенсивного окисления углерода.

На комбинате '[,-оп anJ S+we Со,'' планируется разработка и внедрение подобной динамической системы, но пока не установлено оборудование для анализа состава и контроля объема огходяпгих газов. Поэтому в рамках настоящей работы были проведены исследования по изучению динамики окисления компонентов вечны в

- 2Т -

начальном периоде продувки, так как первый период продувки -период формирования шлака оказывает определяющее влияние на характер протекания всего цикла процесса.

Опытные плавки проводились в реальных условиях кислородно-конвертерного цеха фирмы Со.4 •

При проведении опытных плевок контролировали химический состав, гекперпгуру, массу чугуна и мнксерного шлака, массу лома, массу илакообразутадих материалов, состав к температуру жидкой ванны'И состав шлака, количество израсходованного кислорода.

На опытных плавках остановку продувки производили при достижении расхода*кислорода до 660-1320 гол3 (через 3-6 мин от начала продувки). Минутный расход кислорода изменялся на плавках от 190 до 224 нм3/мш. ■ ■

Результаты применения балансовых систем расчета шихты показали, что дл! управления процессом с большой эффективностью мог-т бить использованы балансовые модели при условии выполни шя всех ограничений, накладываемых на систему расчета оашм процессом и применением специальных вычислительных методов .

Это послужило основанием для создания метода определения средних скоростей окисления компонентов ванны я количества ее жидкой составляющей с помощью соответствующей балансовой модели первого периода продувки (через 3-6 мин от начальной продувки). В качестве неизвестных в модель вошли за исследуемый период скорость окисления марганца,- кремния, фосфора, углерода, масса жидкой ванны и шлака.

Б балансовой модели учитывались потери железа с механическими выносами и количество твердой части лома, имевшейся в ванне на момент прерывания продувки. Масса миксериого шлака и его состав ( ^О,) , (МиО] , (1г0г) ) были приняты постоянными.

Для определения средних скоростей окисления компонентов ванны используется модель состоящая из следугаих семи балансовых уравнений: баланса марганца, баланса кремния, баланса фосфора, баланса углерода, баланса железа, баланса кислорода и баланса шлака.

По анализу опубликованных материалов по кинетике окисления компонентов ванны в начальной период конвертерного процесса можно сделать следующие выводи:

- железо н углерод в первый период продувки в кислородно-конвертерном процессе окисляются непосредственно кислородом дутья;

- определяющими факторами скорости окисления кремния, марганца и фосфорз является состав металла и шлака и их температура;

- большинство технологических параметров оказывают на процесс окисления креглния, марпгца и фосфора неоднозначное влияние.

Таким образом,опубликованные материалы по окислению железа, углерода, кремния, марганца и фосфора указывают на необходимость изучения влияния различных технологических факторов на скорость окисления этих компонентов в реальных условиях "Iren е-ис) st<et Co.* . С целью установления общего характера поведения компонентов ванны в начальной продувке были обработаны полученные результаты по средним скоростям окисления марганца, кремния, фосфора, углерода и железа.

Во-первых, были изучены результаты экспериментов на 3-5 мин продувки.

Во-вторых, были исследованы результаты на 6 мин.

- Установлено, что окисление углерода и железа контролируются в начале продувки внешним массопереноссм и их наиболее вероятное окисление - окисление в реакционной зоне по прямой схеме.

- Установлено, что окисление кремния, марганца и фосфора происходит оксадами железа, поступающими из реакционной зоны в соответствии с их сродством к кислороду и лимитируется их транспортировкой в зону взаимодействия и отводом продуктов.

На основании данных по расходу железа на окисление кремния, марганца и фосфора, отклонению содержания марганца и фосфора от равновесия, среднему содержанию кремния в расплаве, интенсивности перемешивания шлака и вязкости шлака получены регрессионные уравнения, опчсывающие зависимости скорости окисления

кремния, марганца и фосфора от ряда факторов процесса.

Регрессионные уравнения представлены в таблице 3. Они характеризуются удовлетворительными значениями коэффициентов корреляции и значениями остаточных среднеквадратичных отклонений.

Полученные стохастические уравнения являются результатом идентификации уравнения вида

V*. = К Vc . ( СкЛ - О-я )

в логарифмических координатах. С позиций термодинамики необратимых процессов уравнение описывает интенсивность потока Л -го вещества при наличии термодинамической силы в виде

t*i. . В этом случае, кач и следует ожидать, феноменологический коэффициент будет зависеть как от интенсивности перемешивания, так и от интенсивности окислительного потока и вязкости шлаковой фазы. Это подтверждено всеми подученными уравнениями ( 36- 42). Расчеты, выполненные с использованием

О^ , практически себя мало оправдали, что говорит о том, что для практического моделирования без существенных потерь в погрешностях прогноза скоростей можно пользоваться концентрациями:

- Подтверждены концепции о двухсгадийной схеме окисления кремния, марганца и фосфора, о лимитирующей стадии внутреннего массопереноса этих процессов.

- Установлены основные физико-химические факторы, определяю-вде эти процессы.

- Полученные погрешности прогноза должны вполне удовлетворить практику.

- Полученные уравнения хорошо объясняют известные из практики результаты, опубликованные в научной литературе.

4. Огштко-промыцлекные испытания системы расчета пихты

Разработанная система расчета шихты на плавку прошла опитяо-нромнгшешше испытания на комбинате * Iran а»id Sf«t [•„_* с Т. июля I9U8 по 30 августа IS88 года.

I

S

if

u> o

<л

"i

0

Ol

«M

л

S t?

I *

? î

J *

ъз

s

5J

ö-?

I

Al

0' 4"

Çf ЧГ

1Í w

«vi

«0 Q'

I

I

v 4

V

w

V

ftj 0"

i о

>31

V

■ч

? й

¿J- "

? V

\ V

W W

«V Q

ч* s

41

о

>0 «

^

Ol <ï

*lj

s

о" *

* .

*

о cf

<;

w

о

«

er *

s

v

wo »

о"

I

о

ч <1

о «f

о «

ч> «

ад

5

ty

4

о

•

V

WJ

Wl» <?

Главкой задачей разработанной системы является точный расчет шихты на плавку за счет задания рационального соотношения количества охладителей и чугуна при выполнении термического и материального балансов процесса.

Необходимым условием эффективной работы системы алгоритмов расчета шихты в режиме управления является обязательное выполнение рекомендаций по расчету шихта, что исключает работу системы в режиме советчика оператора.

Для расчета шихты на плавку были приняты следующие допущения: содержание марганца и фосфора на промежуточной остановке продувки задавались равным их средним значениям, установленным но опытным плавкам.- Количество кислорода, расходуемое на окисление СО до COg в полости конвертера (L) , степень усвоения извести (i) я основность илака(8R) были прчнягы 170 км3, 12% и 2,0 соответственно.

По составу и температуре чугуна, весу доломита, заданному весу стали, концентрации углерода и температуре готового металла на промежуточной повалке конвертера, содержанию СаО в извести, ЭВМ выполняет расчет требуемой массы чугуна , лома, извести и шлака и расхода кислорода на планку.

ДЛЯ реализации испытаний на заводе фирмы 'Iron anj St«se Co." в APE была разработана система алгоритмов расчета шихты, структурная схема которых представлена на рио. I.I.

Сравнение результатов работы системы * 1>-ои SHet (v1-и разработанной системы расчета шихты "Баланс" представлены на рис. 2 до 5.

Рис. ( -2- . 5) показывают, что при работе модели "Баланс" отклонения полученных значений параметров ванны как по составу, так и температуре,гораздо ниже достигнутых в модели

'Won ¡L„J sbet С».'" . Это свидетельствует о том, что модель "Баланс" дает лучшие результаты по отклонению углерода, марганца, фосфора и температуры на первой повалке конвертера.

Сравнение показателей шихтовки разработанной системы расчета пихты "Баланс" и системы ' I™ ¿«J SM (■„,' представлены в таблице 4 . Видно, что модель "Баланс" дает лучшие результаты по расходу ломя и извести. По результатам испытаний: расход \ лома увеличивается на ~ ТО,Г/, расход чугуна снижается на л, 1,5%, расход извести сокращается на 25?., что весьма

I

- 26 -

С ягелю смс/яеыы /т^хнологичес/снг сглгор*/г?лю0 р<ж<+елго а/**-/г7б1 нсг saSo^e т Zron € Со " S

XXV

ООО

Баланс марганца

ми

вй-вЯ-Ц05

баланс фосфора

Печать, о,; С,, г у., .

с

¿?стано&ка

РИС 1

цлыпаты промышленных испытаний cfec/mttu расчёта ivnx/пы глз зайоОв , Iron and Sieef Со ",

Лнст>арам4«х сра0неычя статистического распря&елеми ifavGHHÚ fje/iepoda ô металле

Ж « i"

1 !"

0 ii

s

1 'О -ti J*

Г

m

cj

фефекдафра/вмюе ояклж.

it О:/*'.'t. .Iron f SieitCÁ , баланс '

о,гя9 0,1se

y

к

tffl.

-0,4 -<?< o 0,1 4*. at

Содержание цллерада I метаме, я

РИС z

Гнскоеромжа сравнения ста/гтстичес/смо pac/iptd&KWíi Jt/avem/tf MQflîa/ruci à Ша/палкв

[M.]

£¡aedutnnSadficr/r^//A}a amr*.

мочЗель Jmn SSiectCS , ßaAOifc "

0, **

RU

V

r-7

s$

/

sí

I/

\LâÀ

äzChCO.

-ЦП о,н «л -40t в ЦМ 0, If, О,Ik qu Codep»iaHH0 марганца ó м&пцллв, »i

PUG 3

<S

«

'S JS

U

S

- M9 -

/¡tanotjaaufa сраЗнет/я г/водаж»«»»тли) -

¿fvAeuff tpocfopa <3 mqitkiasg

M

P

/ ✓

/ / /

СреЖекбадратнчим откл.

MOtfe*<> .Iron 1 Sítetí _ ßafl а не "

о, о* 7л о,ог

/

C2

4S

« W

i Si

i

i\

& »

1 is

»

ч VI ft го

•à- /»

4»

S

-íj<2 ¿(лл -a,m a û,v* e,m t,<i Содержание фОг<рорц ó метам <*, M

MD 1

Гмагюграмьн! е/>а.0нення £гдгал?мо/пмнескошо

¿//ove-*** мелкз

Г/с

гчГ"1—I I

Р7]

/

/

á

/

3d //

✓

Сре^мхбадрскччимое огк/t.

Jr¡*1Ste*tC¿ „Баланс"

г&, to Г/, /V, BV

Ьд

êi> ьо го

40 ь» «о

РИС S

- 30 -

Таблица ц

Срабненма показателем шихтсЛки системы „¡голат! Вв" и системы , Баланс »

Покащп^лн шнхтодкн скаче- Показатели шихтабкн

ны , Тгапкапс! Steet Со' системы , баланс"

м? пяааок 62 пладки

1?х -7е,«у тонн - 78,Я<5 панн

п ЧО,?? тонн О-'"* н,ат тон»

г, су» тонн ?,£& тонн

О» 0**4, ЗД« -

. . -П.,. »щв ,4 О*'»..,оца

существенно для работы цеха в текущем производстве.

Подученные {результаты опытно-промымлешшх испытаний разработанной системы расчета ыихты на плавку "Баланс" позволяют сделать следующие выеоды:

1. Применение разработанной системы расчета шихты дает возможность существенного уменьшения отклонения по границам допустимых интервалов по составу и температуре металла на первой повалке конвертера.

2. Система расчета шихты обеспечивает получение рациональных технологических соотношений количеств охладителей и чугуна при выполнении термического и материального балансов процесса.

3. Стабилизация содержания оксидов железа в шлаке при сопоставимых значениях углерода па промежуточной повалке

конвертера позволяет оценить процесс окисления марганца я процесс дефосфорации.

4. Модель "Баланс" позволяет увеличить выход годной стали, так как расход лома больше, а колебания окисленности шлака гораздо геньие, чем на плавках текущего производства.

Использование системы расчета шихты должно давать, кроме технологических и технических преимуществ, также экономический эффект. Действительно, ориентировочный расчет показывает, что при условии увеличения расхода лома с 11,9$ до 135? и уменьшения расхода извести о 11% до 8% на плпвку система расчета шихты "Баланс" позволит уменьшить стоимость пихтн примерно на 2241620,90 ЕФ в год.

Общие выводы

1. Разработана замкнутая балансовая модель конвертерного процесса для условий переработки высокомарганцовистых, с повышенным содержанием фосфора чугуяов для условий работы комбината - апЛ 5Ыг.е Со.'' •

2. Доказана" принципиальная возможность прогноза состава шлаковой и металлической фаз по ходу продувки в условиях переработки чугуноз сложного состава. Разработаны и созданы соответствующие математические модели, позволяющие осуществлять этот прогноз.

3. Исследованиями конвертерного процесса а условиях передела чугуяов с повышенным содержанием марганца, фосфоре и рремния подтвержден порядок окисления в начальный период продувки компонентов ванны, ранее установленный на конвертерах с переделом фосфористых и передельных чугуноз. Окисление углерода к железа происходит преимущественно по прямой схеме, окисление кремния, марганца и фосфора - преимущественно по двухогадкйной схеме оксидами железа, поступающими из реакционной зоны в шлаковую фазу.

4. Разработаны математические модели, опнсыващие скорость окисления кремния, марганца и фосфора е начальный период наведения илака яри переработке чугуноз, содержащих повышенные концентрации марганца а фосфора.

5. Проведенные опктно-промшилениые испытания системы рас-чла шихты на комбинате 5+ееЬ Со.* показали, что применение разработанной системы позволит существенно улучшить технико-экономические показатели работы цеха и получить значительный экономический эффект.

о

МСч'КОЭСЖИЙ ИНСМ-Л1 СТАЛИ И СШГАВДВ

о

Ттюгрщш ШГ-С, ул. Орджоникидзе» Ь/Ъ