Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 9
1.1. Основные направления использования вычислительной техники в литейном производстве 9
1.2. Оптимизационные методы расчета шихты 14
1.2.1. Обзор методов, которые могут использоваться для расчета шихты 14
1.2.2. Обзор программных средств для расчета шихты 25
1.3. Методы расчета корректирующих добавок 26
1.4. Способы снижения брака отливок по причине ликвации 29
1.5. Оценка влияния легирующих элементов на графитизацию чугуна 34
1.6. Оценка времени действия графитизирующих модификаторов 36
1.7. Установление зависимостей свойств серого чугуна от химического состава, модифицирования, легирования и температуры заливки 39
1.8. Методы снижения потерь при заливке металла в формы 45
Глава 2. Методика лабораторных исследований 47
Глава 3. Разработка программного обеспечения для решения задач по расчету шихты и оптимизации работы плавильных и заливочных отделений литейных цехов 54
3.1. Разработка программного обеспечения для расчета шихты и корректирующих добавок 54
3.2. Разработка программного обеспечения для расчета добавок в ковш и выбора форм под заливку 66
Глава 4. Результаты экспериментов и их реализация в промышленности 77
4.1. Опробование программного обеспечения для расчета шихты и корректирующих добавок 77
4.1.1. Уточнение коэффициентов усвоения элементов из шихтовых материалов 77
4.1.2. Использование данных расчета шихты для оценки вредных выбросов от плавильных агрегатов 77
4.2. Исследование процесса переноса структурных составляющих при затвердевании чугуна 90
4.3. Оценка действия легирующих элементов в сплаве в качестве графитизаторов 104
4.4. Оценка продолжительности действия графитизирующих модификаторов 116
4.5. Опробование программного обеспечения для расчета добавок в ковш и выбора форм под заливку 120
Общие выводы 126
Список литературы 128
- Обзор методов, которые могут использоваться для расчета шихты
- Оценка времени действия графитизирующих модификаторов
- Разработка программного обеспечения для расчета добавок в ковш и выбора форм под заливку
- Исследование процесса переноса структурных составляющих при затвердевании чугуна
Обзор методов, которые могут использоваться для расчета шихты
Так для решения задач первого уровня [8] на заводе «Ростсельмаш» был внедрен комплекс автоматизированных систем управления технологическими и производственными процессами, в числе которых АСУТП «Шихтоприготовление», АСУТП «Землеприготовление и стержни», АСУТП «Формовка - заливка - выбивка», АСУПП «Диспетчер». Авторы [7] на основе созданных баз данных «Шлак», «Металл», «Металл-Шлак-Газ», «Железорудные материалы» и базы технологических данных «Доменное производство» провели работу по созданию базы знаний, предназначенной для решения проблемно-ориентированных задач с целью исследования и оптимизации металлургических процессов и систем.
Решению задач 2-го уровня (разработке систем анализа технологических решений на основе математического моделирования литейных процессов) посвящена работа [9], в которой авторы предлагают методику математического моделирования для улучшения процессов литейного производства. Эта методика позволяет выявлять более точные математические модели при планировании экспериментов на пяти уровнях независимых переменных (факторов) или, в частных случаях на четырех, трех, двух уровнях независимых переменных. Полученная система планирования экспериментов и математического моделирования процессов была выражена в виде универсальных программ, написанных для ОС ЕС ЭВМ (язык ПЛ/1), и «Электроника ДЗ-28» (Бейсик). Авторами были получены математические модели сложных процессов литейного производства, позволившие улучшить ряд процессов, в частности, происходящих в агрегатах для плавки чугуна с использованием в качестве топлива природного газа. Были разработаны рекомендации для дальнейшего совершенствования процессов в высокотемпературных печах, предназначенных для плавки чугуна и стали, выявлены модели [9] для случаев производства отливок из алюминиевых сплавов в металлические формы.
Задачи 3-го уровня (разработка систем анализа технологических процессов с их многоцелевой оптимизацией) включают в себя решение проблем снижения технологических потерь в литейном производстве и решаются разными путями: совершенствованием технологии формы, плавки, обработки литья, организационными мероприятиями, позволяющими сократить потери не являющиеся неизбежными. Среди работ, посвященных решению последней проблемы можно отметить [10], в которой рассматривается задача оперативного управления заменой отливок в программе цеха, сохраняя постоянную напряженность планового задания. Методика решения задачи разработана для непредвиденных производственных ситуаций, влияющих на номенклатуру отливок литейного цеха, а именно, на учет новых внеплановых наименований отливок. Модель планирования направлена на обеспечение ритмичной работы цеха, рациональное использование мощностей. Ленинградским политехническим институтом разработана программа по оптимизации режима работы плавильного и заливочного отделений сталеплавильного цеха [11]. Она позволяет оптимизировать выбор последовательности и тоннажа плавки для заданного парка ковшей и емкости плавильных печей, тем самым, позволяя минимизировать сливаемый остаток металла в ковшах. При этом учитывается информация о суммарной металлоемкости форм и их распределении по маркам стали. Расчет шихты выплавляемого сплава с оптимизацией по стоимости [12 - 17] также может быть отнесен к задачам 3-го уровня. В работе [15] авторы решали проблему учета неравномерности угара элементов в шихте, в зависимости от содержания в ней стружки.
Однако, прибыль, получаемая от реализации чугуна, выплавляемого из шихты данного состава, не будет максимальной. Т.к. с увеличением содержания стружки в шихте увеличивается общий угар металла, то чугуна из каждой тонны металла (шихты) будет выплавляться меньше. Поэтому боле правильно будет минимизировать не стоимость 1 т шихты, а стоимость шихты, необходимой для получения 1 т жидкого чугуна. Для
Для приближенного решения данной нелинейной задачи авторы применили метод линейного программирования. Задавали содержание стружки в шихте произвольно. Тогда легко находили для этого количества стружки минимальную стоимость шихты сш, а затем и стоимость шихты с ш, необходимой для выплавки 1 т чугуна. Задавая с определенным шагом значения хстр, получали ряд значений с ш, из которых выбирали наименьшее. Авторами была проанализирована плавка чугуна СЧ25 в дуговой электропечи, определен оптимальный состав шихты при угарах, зависящих от содержания стружки в шихте. Следует отметить, что в данном случае не все операции расчета шихты были автоматизированы, и было бы целесообразно решать задачу расчета шихты методом нелинейного программирования. Кроме того, на наш взгляд система уравнений (3) недостаточно полно отражает процесс угара отдельных элементов из материалов шихты. Желательно для каждого из материалов учитывать угар элементов.
Разработка новых методов снижения технологических потерь в литейном производстве ведется не только с ориентиром на использование вычислительной техники, но и в направлении разработки новых технологических процессов, выбора новых более дешевых, экологически безопасных материалов. Так, в работе [18] показана возможность частичной и полной замены диоксида хрома в качестве отвердителя ХТС со связующим в виде лигносульфонатов на отработанные электролиты ванн хромирования (ЭВХО). Это позволило снизить затраты гальванических цехов на нейтрализацию ЭВХО из-за наличия в них шестивалентного хрома.
Оценка времени действия графитизирующих модификаторов
Появление вычислительных машин, позволяющих проводить сложные расчеты, способствовало разработке программных продуктов и встроенных процедур, позволяющих решать задачи линейного программирования. Так, расчет шихты с оптимизацией состава по стоимости успешно проводился с применением ЭВМ «Минск-22», что в свое время позволило получить значительный экономический эффект [38]. В ЭВМ «Наири», сохранявшей тексты программ на бумажной ленте процедура симплекс-метода была встроенной, ее можно было вызывать в ходе выполнения программы, что успешно использовалось для расчета шихты [12]. После появления вычислительных машин, позволявших сохранять тексты программ на магнитных носителях, программисты стали разрабатывать программы, в которых был реализован этот метод. Так, для персональных компьютеров типа IBM PC XT была разработана программа "LINDO", успешно решавшая задачу линейного программирования симплекс-методом. Среди программ, разработанных известными фирмами, отметим программное обеспечение «STATGRAPHICS», разработанное STSC, Inc. и Statistical Graphics Corporation, в котором среди многочисленных процедур был реализован и симплекс-метод.
В работе [39] решалась задача расчета оптимальных сырьевых шихт для обеспечения минимума затрат при обжиге клинкера, соответствующего определенному виду цемента. Программное обеспечение разработано в среде Delphi 4.0 фирмы Borland под широко распространенные ОС MS WINDOWS 9X/NT. Файл базы данных свойств исходных компонентов физически представляет собой обычный файл DB -формата среды PARADOX, может быть использован в других программах.
Выбор состава подачи исходных материалов для получения оптимального шлакового режима и чугуна заданного качества рассматривался в работе [7]. Вместе с аналитическим аппаратом СНИР, позволяющим представить химический состав многокомпонентных систем в виде интегральных критериев и проблемно-ориентированным комплексом «Оксид» базы данных вошли составной частью в АРМ «Доменщик» для оптимизации шлакового режима доменных печей. В отличие от традиционных подходов с позиции балансовых методов, когда коэффициенты распределения элементов между чугуном и шлаком задаются константами, доля переходящего в шлак элемента рассматривается как величина переменная, зависящая от конкретных шихтовых материалов и технологических условий.
Для решения оптимизационных задач нелинейного программирования разработчиками электронных таблиц «QUATTRO PRO» (фирма Borland International) и «EXCEL» корпорации Microsoft применены методы сопряженных градиентов и метод Ньютона. Представляет интерес применения возможностей данных программных продуктов для решения задач по расчету шихты.
Методы расчета корректирующих добавок. Одной из задач, вытекающих из проблемы получения точного состава шихты, является расчет корректирующих добавок. В работе [13] предложен способ расчета, основанный на решении оптимизационной задачи, аналогичной расчету шихты методом линейного программирования. В этом случае расплав в печи рассматривается как одна из составляющих шихты. Ограничения по химическому составу имеют вид:
В статье [40] предложено проводить такой расчет с использованием метода решения системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), к которой сводится задача, в случае одновременной корректировки по нескольким элементам. При матричной системе индексации первая цифра индекса элемента соответствует его порядковому номеру (строке матрицы), вторая - порядковому номеру массы добавки и расплава (столбцу матрицы). Обозначения и исходные данные для примера расчета приведены в таблице 1.
В качестве неизвестных принимается требуемое количество каждой добавки {Х\, Х2, ..., Хп.\) и приращение массы сплава Хп=АМ. Первые (п-\) уравнения системы выражают баланс каждого из (п-1) корректирующих элементов, последнее n-Q уравнение выражает баланс масс. содержание, %, /-го элемента в сплаве; Eia - исходное (начальное) содержание, %, /-го элемента в сплаве по результатам анализа; Мк=Мн+Хп. Исходными данными для расчета являются Мн, Eip, EidL и номер добавки. Результаты расчета: при Л/н=10т необходимо ввести следующие добавки, кг: карбюризатора - 9,8; ферромарганца ФМн78 - 1337,9 и ферросилиция ФС45 - 98,1. Конечная масса сплава Мк = 1144,8 кг, химический состав сплава будет соответствовать расчетному.
Предложенные варианты расчета корректирующих добавок могут успешно использоваться и важны для случаев, когда состав расплава сильно отличается от расчетного, хотя в последнем варианте расчета нет оптимизации состава добавок по стоимости. Такая ситуация может возникнуть в случае большой ошибки в определении химического состава исходных шихтовых материалов. Если же вести строгий контроль состава поступающих шихтовых материалов, вероятность ошибки резко снизится, и общая масса корректирующих добавок не приведет к сильному разбавлению расплава и заметному снижению содержания остальных легирующих элементов. В этом случае допустимо использовать упрощенный расчет корректирующих добавок, осуществляемый перед проведением плавки и сокращающий время принятия решения по доводке состава сплава в печи.
Разработка программного обеспечения для расчета добавок в ковш и выбора форм под заливку
В ходе опробования программного обеспечения было выявлено несоответствие значений коэффициентов усвоения таких элементов, как кремний, хром, вольфрам, ванадий, молибден, титан из шихтовых материалов по сравнению с данными, полученными из литературных источников [35, 67, 68]. Причина такого положения заключается в нестабильности вида поставляемых материалов, в частности их фракционного состава. Поэтому в фасонно-литейном цехе ОАО «Северсталь» были проведены дополнительные исследования, позволившие получить уточненные значения коэффициентов, которые вместе с известными литературными данными представлены в таблице 6.
В ходе исследований было отмечено, что в зависимости от вида поставляемых материалов и применяемой технологии плавки коэффициент их усвоения может колебаться в значительных пределах. Так, для кремния коэффициент усвоения из ферросплавов для дуговой печи составлял 0,75, для индукционной - 0,95; коэффициент усвоения Si из лома для дуговой печи при плавке с окислением составлял 0, без окисления - 0,6; при плавке в индукционной печи - 0,8.
Существующие методики расчета вредных выбросов, к сожалению, не полно отражают реальную динамику в процессе плавки. Так, по данным Таблица 6. Данные по коэффициентам усвоения элементов из ферросплавов, используемых в ФЛЦ и по литературным источникам [67, 68].
Примечание: прочерк - коэффициент не оценивался. [69, 70], существуют оценки химического состава выбросов, однако они отражают состав выплавляемого металла лишь косвенно, например, говорится о выплавке нержавеющей стали, хотя марка стали не приводится. На такие данные трудно ссылаться, когда составляется прогноз вредных выбросов при плавке конкретного сплава. Данные по суммарным выбросам по различным источникам разнятся. Вместе с тем, учитывая важность решения экологических проблем, представляет интерес предварительный расчет выбросов при выплавке различных сплавов. Разработанный программный продукт предлагает в доступной форме информацию о химическом составе шихтовых материалов, коэффициентах усвоения элементов, результатах расчета шихты, которые можно использовать для оценки количества легирующих и примесных элементов, попадающих в пылевые и газовые выбросы, а также в шлаки.
На рис. 10-13 представлены исходные данные и результаты расчета шихты для стали 12Х18Н9ТЛ, выплавляемой в ДСП-3. Используя эти данные проведем оценку потерь легирующих и примесных элементов со шлаками и выбросами.
В соответствии с технологией плавки стали для раннего образования шлака, с целью предохранения металла от окисления, а также для дефосфорации в процессе плавления в завалку вводят известь в количестве 2-3%, что для шихты массой 3 т составит 60-90 кг. Для расчета принимаем массу извести 90 кг.
В процессе плавления происходит окисление примесей, вносимых шихтой [71]. Практически полностью окисляются алюминий, титан, кремний, значительное количество хрома, марганца и других примесей. Длительность периода составляет 1/3 - 2/3 времени всей плавки.
После полного расплавления шихты и тщательного перемешивания ванны отбирают пробу на химический анализ и на 3Л скачивают шлак, вместе с которым удаляется значительная часть окислившегося фосфора. В случае получения в первой пробе пониженного содержания углерода шлак скачивают начисто и, пользуясь коксом или углеродным боем, проводится науглероживание металла. Для стали 12Х18Н9ТЛ науглероживание не требуется. Принимаем, что после скачивания остается 25 кг шлака.
Общая продолжительность окислительного периода составляет 40-70 мин, а в случае применения газообразного кислорода она может быть сокращена до 30 мин. В этот период удаляется 40-60% серы, вносимой шихтой [71], окисляется фосфор, углерод, хром. Реакция окисления марганца близка к равновесию, к концу окислительного периода начинает идти восстановление марганца из шлака.
Восстановительный период начинается наведением известкового шлака из смеси извести, плавикового шпата и шамота в соотношении 5:1:1 в количестве 2,0-3,5% от массы металла. Для получения белого шлака шлак обрабатывают порошками кокса и ферросилиция. Некоторая часть кокса идет на восстановление СаО с образованием карбида кальция, формируя, таким образом карбидный шлак. Принимаем, что в окислительный период наводится дополнительно 2,5% шлака от массы металла, т.е. 75 кг шлака. В ходе восстановительного периода углерод, кремний, кальций и алюминий, находящиеся в шлаке восстанавливают оксиды железа, марганца и хрома. Длительность восстановительного периода оценивается в 70-120 мин.
Составы шлаков, получаемых в ходе плавки в дуговой печи приведены в таблице 7 [71].
Из приведенных данных следует, что часть потерь легирующих элементов может переходить в шлак, в частности кремний, марганец. Данные о составе пыли, выделившейся при плавке в дуговой печи (таблица 8) показывают отсутствие в ней соединений хрома [69]. Примерный состав выбросов газов приведен в таблице 9. Здесь можно найти соединения хрома, титана, марганца, никеля.
Исследование процесса переноса структурных составляющих при затвердевании чугуна
Необходимо отметить, что эта оценка характеризует влияние только каждого элемента из Xj, введенного в отдельности в систему Fe - С.
Оценка по термодинамическим характеристикам (активность атомов углерода) может рассматриваться как качественная, так как в этом случае не учитываются кинетика протекания процессов, а также взаимодействие химических элементов между собой.
По характеру влияния на графитизацию чугуна химические элементы можно сопоставить со скоростью затвердевания. Известно, что увеличение скорости затвердевания чугуна приводит к снижению степени его графитизации и наоборот. Влияние скорости затвердевания проявляется в основном через изменение диффузионной подвижности атомов, участвующих в формировании кристаллов твердой фазы. Это подтверждает правомерность утверждения о воздействии химических элементов на активность углерода в чугуне.
Представление о возможном воздействии различных химических элементов на формирование высокоуглеродистой фазы в чугуне (графита или цементита) имеет важное значение для управления структурой чугуна и, прежде всего, подбора графитизирующих модификаторов. Это было подтверждено и экспериментально.
Изменение глубины отбела чугуна А/г при введении химического элемента или модифицировании /гЛ;М оценивали по сравнению с отбелом чугуна исходного состава /гисх, т.е. А/г = (Алм - /гИСх)-Ю0//гисх. Положительное значение А/г соответствует увеличению глубины отбела и наоборот. Глубина отбела чугуна увеличивается при повышении в чугуне содержания S, Сг, Ті, О, N. В их присутствии эффективность действия модификаторов различна. В присутствии серы модификаторы действуют недостаточно эффективно, что, вероятно, связано с отсутствием в модификаторах элементов, активно связывающих серу. Увеличение ее концентрации до 0,2% увеличивало отбел на 50%.
При вводе в чугун небольшого количества хрома [0,3 % (по массе)] глубина отбела чугуна увеличивается всего на 19 % (относительно сплава 1). При растворении кремнийсодержащих модификаторов в чугуне образуются зоны повышенного содержания кремния с высокой активностью атомов углерода. Это может привести к подавлению действия в чугуне химических элементов группы II, снижающих активность атомов углерода. Состав модификаторов в этом случае не оказывал существенного влияния.
При повышении содержания азота (от 0,001 до 0,018 %) склонность чугуна к отбелу возрастает почти вдвое, а при введении ФС60Ба22 существенно снижается (сплав 10). В присутствии химического элемента группы III эффективно действуют только те модификаторы, которые содержат в своем составе элементы, связывающие азот в прочные нитриды, резко ограничивая его диффузионную подвижность (например, барий).
Кристаллический кремний, в отличие от ФС60Ба22, оказывает слабое влияние на графитизацию чугуна с повышенным содержанием азота.
Снижение содержания кислорода в чугуне с 0,0035 до 0,002% способствовало уменьшению глубины отбела (11%) и повышению по модифицирующей способности кремния, однако графитизирующее действие модификаторов (SiKp и ФС60Ба22) различается незначительно (сплавы 11... 16).
Введение титана сопровождается некоторым увеличением содержания в чугуне кислорода и азота. Из приведенных в таблице результатов видно, что титан является сильным антиграфитизатором. Более эффективное действие ферросиликобария в качестве модификатора чугуна с титаном, вероятно, связано с необходимостью нейтрализации азота и кислорода. Влияние титана на диффузионную подвижность атомов углерода будет подавляться кремнием [92].
Экспериментальные исследования, проведенные с модифицированным чугуном СЧЗО состава: С=3,0-3,2%; Si=l,6-1,9%; Мп=1,0-1,2%; Сг=0,15-0,25%; №=0,25-0,50%; Си=0,25-0,50%, ост. Fe на Каширском заводе «Центролит», позволили получить зависимости глубины отбела от содержания элементов (содержание кислорода 0,0018-0,024%, азота -0,0055-0,0092%). С учетом влияния хрома:
Расчетные значения равновесного содержания азота для чугуна состава: C=3,l%, Si=l,7%, Mn=l,l%, Cr=0,2%, Ni=0,35%, Cu=0,35% при температурах 1623, 1673, 1723К и парциальных давлениях азота 0,695, 0,755 и 0,795 атм. (при атмосферном давлении 700, 760 и 800 мм. рт. ст. соответственно) представлены на рис. 26.
Сравнение расчетных данных с опытными показывает хорошее соответствие. Реакция образования СО (64) не может реализоваться из-за кинетических затруднений, как это хорошо известно из практики сталеварения. Отсюда следует, что введение добавок с повышенным содержанием кислорода, например, никеля, может заметным образом _, сказаться на графитизирующей способности элементов.
Выводы. Показано, что графитизирующая способность химических элементов в чугуне может быть оценена по значениям параметров взаимодействия углерода с этими элементами. Химические элементы по значениям параметров взаимодействия предложено разбить на три группы: графитизаторы, антиграфитизаторы и элементы двойственного действия. Представления о воздействии химических элементов на формирование высокоуглеродистой фазы в структуре чугуна получили экспериментальное подтверждение и могут быть использованы для подбора модификаторов, снижающих склонность чугуна к отбелу.
Известно, что эффект графитизирующего модифицирования чугуна уменьшается со временем, вплоть до полного исчезновения. Обычно это связывают с рассасыванием зон повышенной активности углерода, которые возникают благодаря повышенному содержанию кремния при растворении кремнийсодержащего модификатора.
Для изучения, механизма исчезновения эффекта графитизирующего модифицирования чугун состава: 3,0 % С + 1,0% Si + 0,5% Мп модифицировали при 1673 К промышленным ферросиликобарием (ФС60Ба22п) состава: 63,3% Si + 21,3 % Ва + 0,6 % Са + 1,1 % Al + Fe — ост., синтетическим силикобарием (С80Ба20с) состава: 20% Ва + 80 % Si и чистым кремнием полупроводниковой чистоты. Количество модификатора выбирали из расчета, чтобы вместе с ним в расплав вводилось 0,5 % Si. Далее расплав выдерживали различное время в печи и заливали клиновую пробу на отбел. Клиновая проба выполнялась в сухой песчано-глинистой форме без холодильника.
Результаты экспериментов приведены на рисунке 29. Зависимость глубины отбела чугунов h, мм, модифицированных различными модификаторами, от времени выдержки t, мин, аппроксимируются следующими уравнениями регрессии второго порядка:
