Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Научные основы построения и применения общей математической модели термодинамики металлургических расплавов Сабирзянов, Тагир Галиевич

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Сабирзянов, Тагир Галиевич. Научные основы построения и применения общей математической модели термодинамики металлургических расплавов : автореферат дис. ... доктора технических наук : 05.16.02.- Киев, 2000.- 30 с.: ил.

Введение к работе

Актуальность проблемы. Чёрная металлургия и литейное производство, являющиеся сферой использования результатов работы, принадлежат к наиболее важным отраслям промышленности Украины. Острый дефицит природного газа, нефти, электроэнергии и других ресурсов, а также специфические особенности топливно-сырьевой базы металлургии Украины, такие как высокое содержание серы в каменном угле Донбасса, повышенная концентрация фосфора в железной руде Керченского месторождения и другие создали в указанных отраслях ряд сложных проблем, усугубляющихся необходимостью повышения конкурентоспособности готовой продукции путём снижения её себестоимости и повышения качества металла, в том числе и за счёт уменьшения содержания в нём вредных примесей.

При разработке ресурсосберегающих технологий изготовления изделий из чугуна и стали, а также рациональных технологических процессов, обеспечивающих низкое и сверхнизкое содержание вредных примесей в металле, необходимо иметь возможность прогнозировать для заданных реальных условий направление и пределы протекания соответствующих металлургических процессов, определять их тепловые эффекты, а также рассчитывать состояние металлургических систем при равновесии. Такую возможность призвана предоставлять термодинамика металлургических расплавов, главной целью которой является определение интегральных и парциальных свойств жидких металлов и шлаков при заданных их температурах и химических составах при помощи соответствующей совокупности соотношений и правил, представляющих собой математическую модель термодинамики расплава.

Благодаря трудам отечественных и зарубежных учёных термодинамика металлургических расплавов достигла значительных успехов, превратившись в быстро развивающееся направление теории металлургических процессов. В настоящее время существуют математические модели термодинамики металлических и шлаковых расплавов, разработанные М. И. Тём-киным, В. А. Кожеуровым, И. Т. Срывалиным и О. А. Есиным, Б. П. Буры-лёвым, М. С. Петрушевским и П. В. Гельдом, Н. М. Чуйко, П. А. Герасименко, А. Г. Пономаренко, Э. В. Приходько, К. Вагнером и другими учёными. Существующие модели в ряде случаев обеспечивают удовлетворительное прогнозирование термодинамических свойств металлов и шлаков. Однако многие из них являются упрощёнными и пригодными лишь к расплавам со сравнительно невысокими концентрациями примесей при ограниченном количестве последних. Усложнённые же варианты моделей, адек-

ватные при любых возможных концентрациях компонентов, относятся, главным образом, к бинарным системам. Таким образом, построение общей математической модели, при помощи которой можно определять термодинамические свойства многокомпонентного металлургического расплава любой сложности при любых возможных значениях температуры и концентраций примесей, является актуальной научной проблемой теории и практики металлургического и литейного производства.

Цель и задачи работы. Целью работы является создание теоретических основ построения и получение общей математической модели термодинамики металлургических расплавов на базе современных представлений об их структуре, а также разработка и внедрение методов её практического использования.

Для достижения этой цели необходимо было решить такие задачи:

разработать концепцию рассмотрения термодинамической системы "металлургический расплав" в качестве объекта математического моделирования, дать научную классификацию математических моделей технических объектов исследования и на её основе проанализировать существующие математические модели термодинамики металлургических расплавов;

сформулировать и обосновать научные принципы и методы, которые позволили бы на основе современных представлений о микронеоднородности расплавов найти соответствующую структуру общей математической модели их термодинамических свойств;

разработать методы идентификации общей модели, которые обеспечили бы определение её параметров;

разработать методы практического использования общей модели, в частности, для расчёта растворимости неметаллов в многокомпонентных расплавах железа и распределения их между металлом и шлаком при любых реальных-условиях; для расчёта термодинамических характеристик металлургических реакций с использованием ЭВМ; для определения оптимальных технологических и теплотехнических параметров плавки чугуна в вагранке и в индукционной тигельной печи, выплавки стали в современных сталеплавильных агрегатах и т.д.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.

1. Сформулировано и обосновано принципиально новое научное положение об одновременном присутствии в многокомпонентном расплаве всевозможных перманентно существующих микрогруппировок, в которых реализуется стремление системы к образованию всех энергетически выгодных связей между её компонентами.

  1. Предложен метод квазимолекул, который позволил учесть все возможные энергетические связи между частицами расплава и установить структуру общей математической модели термодинамики металлургических расплавов.

  2. Разработаны методы идентификации общей модели, которые базируются на введенном в рассмотрение понятии об отклонениях свойств реального раствора от свойств раствора субрегулярного, на предложенной классификации диаграмм состояния бинарных систем, а также на выведенном правиле нахождения выражения для концентрационной зависимости парциальных свойств компонентов при помощи соответствующего выражения для интегрального свойства расплава.

  3. Разработана концепция интерпретации полинома Вагнера как статистического аналога общей математической модели термодинамики расплавов. В рамках этой концепции сформулировано и обосновано положение о принципиальной возможности использования полинома Вагнера во всей области реальных состояний расплава, предложены новые методы определения параметров взаимодействия первого и более высоких порядков, проведена научная систематизация параметров взаимодействия первого порядка.

  4. При использовании общей модели и фундаментальных термодинамических принципов впервые получены универсальные расчётные формулы для определения растворимости углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора в многокомпонентных железных расплавах при любых возможных их химических составах и температурах.

  5. Научно обоснован, разработан и внедрён в практику научно-исследовательских работ и в учебный процесс метод компьютерного расчёта термодинамических характеристик металлургических реакций для заданного температурного интервала, на котором реагенты могут претерпевать фазовые превращения или переходить из химически чистого состояния в раствор.

7. Предложена методика расчёта температуры реакционной зоны
(РЗ), образующейся при продувке сталеплавильной ванны различными
окислительными струями. Новизна методики состоит в том, что РЗ рас
сматривается как термодинамическая система, взаимодействующая с ок
ружающей её ванной, а отдельные статьи теплового баланса РЗ опреде
ляются при помощи предложенной общей модели. Получены математи
ческие модели теплового состояния РЗ и процесса проникновения струи
в жидкость для широкого диапазона условий продувки.

8. При использовании общей модели разработаны методы определе
ния отдельных статей тепловых балансов металлургических агрегатов
с учётом реальных условий протекания процессов в них.

9. Решена задача об определении химического состава и температуры продуктов неполного сгорания природного газа в кислороде при различных значениях коэффициента расхода окислителя. Установлены граничные значения этого коэффициента, ниже которых продукты горения становятся восстановителем по отношению к оксиду двухвалентного железа.

Вышеприведенные научные положения, методы и правила являются выносимыми на защиту научными основами построения и применения общей математической модели термодинамики металлургических расплавов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием основных фундаментальных законов природы, применением установленных государственными стандартами методов измерения температуры, отбора проб и анализа химического состава металла и шлака, удовлетворительной согласованностью результатов расчетов по разработанным математическим моделям с данными лабораторных и производственных экспериментов, успешной промышленной проверкой и внедрением в практику рекомендованных способов повышения эффективности процессов металлургического и литейного производства.

Научное значение работы состоит в разработке научных основ построения и практического применения общей математической модели термодинамики многокомпонентных металлургических расплавов, которая в виде конкретных её форм может быть использована при расчётах тепловых эффектов физико-химических процессов с участием многокомпонентных металлических и шлаковых расплавов; при определении возможности, направления и предела протекания металлургических процессов; при расчётах растворимости отдельных компонентов в металлах и шлаках, а также распределения их между этими фазами; при расчётах энергии Гиббса и константы равновесия металлургических процессов; при определении технологических и теплотехнических параметров процессов, протекающих в агрегатах металлургического и литейного производства.

Практическое значение работы характеризуется тем, что в практику научно-исследовательских работ и в учебный процесс внедрены универсальные методы расчёта растворимости важных примесей металла и шлака в многокомпонентных металлургических расплавах, компьютерного расчёта термодинамических характеристик металлургических реакций и других физико-химических процессов при любых возможных условиях их протекания, расчёта термодинамических свойств реальных многокомпонентных металлических и шлаковых расплавов. Кроме того,

были разработаны и прошли успешную практическую проверку методы и способы использования вышеуказанной общей модели при выполнении научно-исследовательских работ прикладного характера в чёрной металлургии и литейном производстве, результаты которых внедрены на ряде предприятий.

Согласно разработанным рекомендациям были реконструированы вагранки в цехе серого чугуна Кировоградского завода с/х машин "Красная звезда". Результаты исследования термодинамики процессов плавки чугуна в индукционных тигельных печах были использованы в руководящем техническом материале по этой плавке и в соответствующих практических рекомендациях, внедрённых на ряде заводов. Разработана, прошла промышленную проверку и внедрена на Алчевском металлургическом комбинате новая технология выплавки стали в двухванном сталеплавильном агрегате без скачивания первичного шлака.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на восьми Всесоюзных, двух Международных и шести Республиканских научных конференциях и семинарах, в том числе на VIII-ой Всесоюзной конференции по физико-химическим основам производства стали (Москва, 1978 г.), Всесоюзном научном семинаре "Продувка ванн сталеплавильных печей кислородом с газовой защитой" (Киев, 1978 г.), ХХН-м Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 1980 г.), IV-ой и VI-ой Всесоюзных конференциях по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов (Свердловск, 1980 и 1986 г.г.), Республиканских научно-технических конференциях "Современные процессы обезуглероживания и дегазации легированных сталей и сплавов" (Днепропетровск, 1981 и 1987 г.г.), IV-ой и V-ой Республиканских научно-технических конференциях по неметаллическим включениям и газам в литейных сплавах (Запорожье, 1985 и 1988 г.г.), Всесоюзных научно-технических конференциях по металлургической технологии в машиностроении (Волгоград, 1989 и 1991 г.г.), Международной научно-технической конференции "Литейно-металлур-гические процессы. Новые технологии, материалы и оборудование" (Киев, 1998 г.), Н-ой Международной научно-практической конференции "Проблемы конструирования, производства и эксплуатации сельскохозяйственной техники" (Кировоград, 1999 г.).

Отдельные вопросы работы докладывались на научных семинарах кафедры литейного производства Кировоградского государственного технического университета, кафедры металлургии стали Донецкого государственного технического университета, а также на ежегодных научных конференциях КГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 82 научные работы, из них 50 составили основу диссертации, в их числе монография и авторское свидетельство на изобретение.

Связь темы диссертации с планами научных работ учреждения. Рабо-та является итогом исследований, выполненных в Кировоградском государственном техническом университете в рамках госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ (номера их регистрации ' 75067580, 75067582, 79041529, 80049150, 01890031067) по планам Министерств чёрной металлургии СССР и УССР, Минтракторосельхозмаша СССР, Министерства образования Украины, НАН Украины и соответствуют приоритетному направлению Министерства науки Украины "Экологически чистая энергетика и ресурсосберегающие технологии". В проведенных исследованиях автор принимал непосредственное участие как научный руководитель или ответственный исполнитель.

Тема диссертации утверждена секцией "Металлургия" научно-технического совета Министерства образования Украины, протокол № 3 от 17.06.83 г.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из вступления, восьми разделов, выводов, имеет 280 страниц машинописного текста, 77 рисунков, 48 таблиц, список использованных источников из 374 наименований, семь приложений. Общий объём работы — 454 страницы.

Личный вклад автора в выполненное исследование состоит в том, что как инициатор, научный руководитель или ответственный исполнитель он непосредственно принимал участие в планировании, научно-методическом обеспечении и проведении теоретических и экспериментальных работ, обработке и анализе данных, формулировании выводов, написании научных отчётов, статей и т.д. Представленные в диссертации научные положения разработаны автором лично. Внедрение в производство результатов работы осуществлялось автором совместно с сотрудниками кафедры и соответствующих предприятий и учреждений. Среди опубликованных по теме диссертации работ около 60 % — без соавторов. Вклад соискателя в работы, опубликованные совместно с соавторами, такой (см. представленный ниже перечень публикаций):

[5, 8, 9, 10, 14, 19, 24, 48] — научное руководство, разработка методик исследования, вывод расчётных формул;

[11, 12, 16, 17] — разработка методик исследования и компьютерных программ расчётов, обработка и анализ термодинамических данных;

[21] — разработка методик компьютерного расчёта термодинамики "тигельной" реакции и энтальпии шихты для плавки чугуна, обработка и анализ полученных данных;

[22] — участие в планировании и проведении эксперимента, обработка и анализ данных, разработка математической модели объекта исследования;

[45] — разработка методики термодинамических расчётов;

[46] — теоретические расчёты, методика экспериментальных исследований, участие в проведении заводских экспериментов, обработка данных;

[50] — статистическая обработка данных заводского контроля, результаты которой положены в основу изобретения.

Автор считает своим долгом искренне поблагодарить за помощь и участие в проведении научно-исследовательских работ сотрудников кафедры литейного производства и механико-технологического факультета Кировоградского государственного технического университета, ректорат КГТУ, работников цеха серого чугуна и отдела главного металлурга Кировоградского завода с/х машин "Красная звезда", центральной заводской лаборатории и мартеновского цеха Алчевского металлургического комбината, возглавляемые академиком НАН Украины, доктором технических наук, профессором В. Л. Найдеком и доктором технических наук, профессором В. С. Шумихиным коллективы научных подразделений Физико-технологического института металлов и сплавов Национальной академии наук Украины, работников других учреждений.