Теория и технология плавления материалов при производстве стали Павлюченко, Игорь Александрович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Объемом производства металла, которое потребляет большое количество энергии и материальных ресурсов, в значительной мере определяется уровень развития экономики государства. В последние годы для решения проблемы эффективного использования сырьевых и энергетических ресурсов при производстве стали внедрены новые технологические операции выплавки металла в дуговой сталеплавильной печи, в кислородном конвертере, при внепечной обработке стали, а также при разливке в изложницу и на машинах непрерывного литья заготовок.

Неотьемлемой основной частью указанных операций является стадия плавления твердых материалов в жидком расплаве. Высокая температура, непрозрачность и агрессивность жидкого металла, а также дороговизна натурных экспериментов не позволяют достаточно аффективно и промышленных условиях исследовать кинетические закономерности плавления материалов. Поэтому для изучения указанных процессов предпочтение отдается методам моделирования.

Бурное развитие вычислительной техники (в особенности персональных ЭВМ), а также разработка новых эффективных математических методов дают возможность построить адекватную реальному процессу математическую модель плавления материалов и получить более полные н точные результаты исследований. Переход от математической модели процессов тенломассоперсноса к ее численному алгоритму, реализуемому с помощью ЭВМ, осуществляется, в основном, с применением метода конечных разностей.

Цель работы. Разработать математические модели и алгоритмы расчета процессов плавления материалов при создании и освоении новых технологий сталеплавильного производства; исследовать в данных технологиях методами математического моделирования рациональные технологические режимы производства, стали.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем.

1. Разработаны алгоритмы расчета, на основе метода Дюзинбера, кинетики нагрева и плавления легкоплавких, тугоплавких и диффузионного плавления сверхтугоплавких тел в расплаве. При расчете плавления материалов учитываются тепловой период (намерзание и последующее плавление оболочки расплава), зависимость теплофизнческих параметров от температуры, тепловой эффект от взаимодействия поверхности тела и расплава, а также возможное повторное намерзание оболочки расплава.

2. Впервые разработаны математические модели и алгоритмы
расчета кинетики плавления материалов для новых технологических
процессов в технологической цепи производства стали:

- процесса плавления в кислородно- конвертерной ванне
нресспакетов одинаковой массы с продольными отверстиями
различных диаметров;

динамики нагрева и плавления шихты и дуговой сталеплавильной печи (ДСП) с учетом оставляемого металла от предыдущей плавки;

- формирования рафинирующего шлака из кусковых твердых
шлакообразующпх компонентов (извести и плавикового шпата) для
условий выпуска металла из сталеплавильного агрегата в
сталеразливочпый ковш;

- процесса плавления чушкового алюминия в процессе выдержки и
продувки металла в сталеразливочном ковше;

- кинетики плавления, движения и последующего конвективного
массопереноса (усреднения) жидкой фазы кусковых материалов в
процессе выпуска металла из агрегата в сталеразливочкый ковш (с
учетом гидродинамики расплава);

- кинетики плавления порошковой проволоки в металлической оболочке в процессе выдержки металла в сталеразливочном ковше;

- кинетики плавления крупногабаритного алюминиевого слитка в
процессе выдержки металла в сталеразливочном ковше с учетом
продувки аргона через осевое отверстие слитка;

кинетики плавления кусковых материалов в жидкой стали при вводе их в центровую сифонной разливки стали;

кинетики плавления алюминиевой проволоки в металлической оболочке вводимой в кристаллизатор МНЛЗ;

3. Разработаны программы расчета на алгоритмическом языке
Паскаль " и проведены численные эксперименты на IBM -совместимых
ПЭВМ для всех рассматриваемых в диссертационной работе
алгоритмов расчета кинетики плавления материалов.

Практическая ценность и внедрение результатов работы в

промышленность. На основе разработанных математических моделей
изложены основные выводы о кинетических закономерностях нагрева
и плавления шихты в кислородном конвертере. Сделаны рекомендации
по оптимальной массе "болота" при вьтлавке стали в 100-тонной
дуговой сталеплавильной печи. Даны рекомендации о рациональном
фракционном составе титансодержащих ферросплавов,-

гранулированного алюминия и компонентой твердой шлакообразующей смеси, применяемых при микролегировании, раскислении и формировании шлака в процессе выпуска металла из конвертера в сталеразливочный ковш. Выданы рекомендации по рациональной скорости ввода порошковой проволоки в ковшах большой емкости.

Кроме того, даны рекомендации о рациональном фракционном составе редкоземельных кусковых материалов при разливке стали сифонным способом. Для регулирования задаваемого в кристаллизатор количества алюминия даны рекомендации о рациональных скоростях подачи проволоки в зависимости от скорости разливки. Приведены области применения разработанных методик и результатов исследований.

Исследования, проведенные с помощью математического моделирования. позволили изучить тепло- и массообменные закономерное при плавлении лома з различных зонах конвертерной ванны. Предложенные разработки способствовали совершенствованию технологии выплавки стали в 250-т конвертерах Днепровского металлургического комбината (ДМК). Суммарный экономический эффект от внедрения результатов данной работы в 1987 году составил 376406 рублей, долевое участие автора составляет 30% - 113922 рублей.

Исследования с применением математического моделирования явились основой разработки и внедрения ресурсо-энергосберегающих технологий выплавки стали (технологические инструкции ТИ 840-С-02-87, ТИ 840-П2-01-87) в 100 т дуговой сталеплавильной печи Беларусского металлургического завода (г. Жлобин).

При внедрении названных разработок получены следующие результаты:

1. Снижение продолжительности плавки на 10 мни.(7%).

2. Снижение расхода электроэнергии за счет применения
пенистых шлаков и работы ДСП по технологии с "болотом" на 1,5%.

Экономический эффект за 1990 год составил 113586 руб, долевое участие автора составляет 50% - .56793 рублей.

По результатам исследования кинетики плавления твердых добавок различных материалов и изделий в ковше разработаны рекомендации по рациональным режимам ресурсосберегающей внеагрегатной обработки стали в ковшах большой емкости с целью доводки по химическому составу, рафинированию, мнкролегированшо и модифицированию металла.

Разработанные математические модели, алгоритмы и пакеты прикладных программ внедрены в институте черной металлургии (ИЧМ) НАН Украины (г.Днепропетровск) и Беларусской политехнической академии (г.Минск) для проведении НИР на металлургических комбинатах. На комбинате "Азовсталь" освоена и внедрена технология раскисления стали крупногабаритным алюминиевым слитком в ковше после выпуска планки из конвертера, рафинирования стали кусковой твердой шлакообразующей смесью (ТШС) в ковше, а также технология доводки и микролегирования стали на установке доводки металла с суммарным экономическим эффектом за 1982-1990г.г. 3,2 млн.рублей (доля автора составляет 320 тыс.рублей).

Результаты работы внедрены в учебный процесс на
металлургическом и технологическом факультететах

Днепродзержинского государственного технического университета и применяются при чтении лекций и проведении практических занятий по курсам: "Моделирование и управление сталеплавильными процессами", " Разливка стали ", "Внепечные методы обработки стали", "Математическое моделирование теплофизических процессов", "Вычислительный эксперимент в металлургии".

Личный вклад в научную разработку. Диссертация является самостоятельной работой автора, основанной на опубликованных ранее его результатах исследований. На различных этапах этих исследований автор пользовался консультациями видных ученых ( Вихлевщук В.А., Никигенко Н.И., Огурцов А.П. ). В соавторстве с ними был опубликован ряд научных работ. Содержание диссертации является дальнейшим развитием положений, изложенных в этих публикациях, в значительной мере содержит новые исследования автора и не ущемляет интересы консультантов.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на III, IV и V Всесоюзных конференциях по тепло- и массообменным процессам в ваннах сталеплавильных агрегатов (г. Мариуполь, 1982, 1986, 1991 гл.), Всесоюзных научных конференциях: " Теория и практика тепловой работы металлургических печей" (г. Днепропетровск, 1988 г.), " Процессы разливки, модификация и кристаллизация стали и сплавов"

(г.ВЪлкнрад, 1990 г.),—"Проблемы кристаллизации сплавов и

компьютерное моделирование" (г.Ижевск, 1990 г.), " Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в

металлургии" (г. Новокузнецк, 1991 г.), "Совершенствование металлургической технологии и машиностроении" (г. Волгоград, 1991 г.), " Автоматизация проектирования и управления качеством отливок " (г. Ленинград, 1991 г.); на международных конференциях: "Тепло-и массоперенос в технологических процессах " (г. Юрмала, 1991 г.), "Тепло- и массообмен и гидродинамика в турбулентных течениях (г.Алушта, 1992 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 3.5 научных работах, в том числе в одной монографии, защищено 2 изобретениями СССР.

Объем и структура работа. Основное содержание диссертации изложено на 267 страницах машинописного текста. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы (234 наименования), приложении, содержит 58 рисунков и 17 таблиц.

Основные положения, выносимые на зашиту:

1. алгоритмы расчета кинетики плавления твердых материалов в расплаве;

2. математические модели и алгоритмы расчета;

- процесса плавлення в кислородном Конвертере пресспакетов с
продольным отверстием;

динамики нагрева и плавления шихты в дуговой сталеплавильной пеш;

формирования рафинирующего шлака из кусковых твердых шлакообразуюіцнх компонентов (извести и плавикового шпата) для условий выпуска металла v-з конвертера в сталеразливочный ковш;

процесса плавления чушкового алюминия, расположенного на границе раздела шлака и металла в сталерлзливочном коїшіс;

- кинетики плавления, движения и исследующего усреднения
жидкой фазы кусковых материалов в процессе выпуска металла из
конвертера в сталеразливочный кокш (с учетом гидродинамики
расплава);

- кинетики плавления порошковой проволоки в сталеразливочном
ковше;

- кинетики плавления крупногабаритного алюминиевого слитка в жидком металле;

- плавления кусковых материалов в жидкой стали при сифонном
заполнении изложницы;

- кинетики плавлении проволоки вводимой в кристаллизатор МНЛЗ;

3) Результаты численных исследований на основе разработанных
математических моделей и алгоритмов :

-зависимости величины продольного отверстия в пакетах одинаковой массы на длительность их расплавления в кислородно -конвертерной ванне;

- процесса нагрева и плавления шихты в дуговой сталеплавильной
печи в зависимости от массы металла, оставляемого в печи от
предыдущей плавки;

-процесса формирования рафинирующего шлака из кусковых твердых шлакообразуюших материалов в зависимости от скорости обтекания компонентов смеси металлом и их фракционного состава;

-процесса плавлення чушкового алюминия, расположенного на границе раздела шлака и металла в сталеразливочном ковше в зависимости от скорости обтекания металом в процессе выпуска и продувки;

-процесса усвоения титансодержащих кусковых ферросплавов в жидкой стали в процессе выпуска плавки нз сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш в зависимости от их фракционного состава;

-кинетики плавления порошковой проволоки в жидкой стали при выдержке металла в сталеразливочном ковше в зависимости от толщины оболочки, диаметра проволоки, скорости ввода и температуры металла;

-кинетики плавления крупногабаритного алюминиевого слитка в зависимости от расхода аргона при продувке через осевое отверстие и глубины его погружения в процессе выдержки металла в сталеразливочном ковше;

кинетики плавления кусковых редкоземельных материалов в зависимости от их фракционного состава и температуры металла при сифонной разливке.

кинетики плавления проволоки в металлической оболочке, вводимой в кристаллизатор МНЛЗ в зависимости от скорости ее ввода.

4. Проверка в лабораторных и опытно-промышленных условиях адекватности разработанных методик расчета кинетики плавления материалов в расплаве.

5. На основе использования численного моделирования процессов ІмаТмення^материалов-в-технологической-цеии^произврдстг^^тата предложенные рекомендации по усовершенствование этих процессов и их внедрению в производство.