CC BY
104
3. Столяров A.M., Мошкунов В.В., Казаков A.C. Мягкое обжатие слябов при разливке трубной стали на криволинейной МНЛЗ с вертикальным участком. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. 116 с.
4. Столяров A.M., Селиванов В.Н. Технология непрерывной разливки стали: учеб. пособие. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. 78 с.
Сведения об авторах
5. О способах воздействия на процесс формирования стальной непрерывнолитой заготовки / Столяров A.M., Сомнат Басу, Потапова М.В., Дидович C.B. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова. 2014. №1 (45). С. 24-27.
Дидович Сергей Владимирович - аспирант кафедры металлургии черных металлов института металлургии, машиностроения и материалообработки, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: [email protected]
Столяров Александр Михайлович - д-р техн. наук, проф. института металлургии, машиностроения и материалообработки, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: [email protected]
Юречко Дмитрий Валентинович - канд. техн. наук, начальник лаборатории непрерывной разливки стали Научно-технического центра ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
TESTS OF SLAG-FORMING MIXES WITH VARIOUS COMPOSITION IN MOULDS OF CURVED VERTICAL CONTINUOUS CASTERS
Didovich Sergey - Postgraduate Student, Institute of Metallurgy, Mechanical Engineering and Materials Processing, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: mchm@magtu. ru
Stolyarov Aleksandr Mikhailovich - D. Sc. (Eng.), Professor of the Instituteof metallurgy, machinebuildinf and material processing, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: [email protected]
Yurechko Dmitry - Ph. D. (Eng.), Head of continuous casting laboratory, Scientific and Technical Center, OJSC MMK.
Abstract. The present article introduces the outcomes obtained after testing of slag-forming mixes with various composition in moulds of curved vertical continuous casters. The influence of melting temperature and viscosity of different mixes on the melting process stability, and the quality of slabs and hot rolled plates is considers. Recommendations regarding the consistent composition of mixes for each continuous caster are provided.
Keywords: Continuous caster, curved-type, vertical section, mould, slag-forming mix, composition, properties, quality, slab,
plate.
♦ ♦ ♦
УДК 669.168
Колесников Ю.А., Бигеев В.А., Сергеев Д.С.
МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В КОНВЕРТЕРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ДАННЫХ
Аннтотация. В данной статье приводится описание программы, реализующей метод расчета параметров выплавки стали в кислородном конвертере с верхней подачей дутья. Программа была создана на основе системы балансовых уравнений, решаемых совместно методом итераций. При определении состава и количества шпака масса железа, принимающая участие в процессах шлакообразования, рассчитывается по балансу кислорода с учетом паспортных данных по составу шлака. Расходы материалов на плавку, количества продуктов плавки использовались вреальных данных.
Благодаря данной программе была достигнута возможность изучения факторов, которые влияют на определяемую расчетом температуру жидкого полупродукта, нарасход кислорода, а также неметаллическихматериалое.
Ключевые слова: Выплавка стали, программа, моделирование, математическая модель, конвертер, кислородно-конвертерный процесс, шихтовые материалы, неметаллические материалы
В 2014 году научным коллективом ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» в составе Бигеева В.А., Колесникова Ю.А. и Сергеева Д.С. в среде Microsoft Excel была создана обновленная математическая модель выплавки стали в кислородном конвертере для усло-
вий ККЦ ОАО «ММК». Кроме того, с целью получения авторского свидетельства для данной математической модели, именуемой в дальнейшем «Программа», был создан идентичный программный код в среде VBA.
Программа была основана на ранее созданной кафедрой МЧМ математической модели, в которой расчет велся на 100% металлошихты (кг/100кг), после чего выполнялся пересчет на вместимость агрегата, реальные расходы материалов и т.д.
Программа по традиции составлена на основе системы балансовых уравнений, которые решаются совместно методом итераций [1]. Однако при расчете состава и количества шлака масса железа, участвующая в процессах шлакообразования, определяется по балансу кислорода с учетом состава шлака по паспортным данным. Кроме того, расходы материалов на плавку и количества продуктов плавки использовались в реальных данных.
Новая математическая модель была адаптирована к условиям ККЦ ОАО «ММК» при производстве трубных сталей класса прочности К60 (Х70).
Для настройки новой модели использовали паспортные данные 50 плавок, проведенных с ноября 2013 г. по январь 2014 г. Паспортные данные по этим сталям наиболее полные и с высокой вероятностью достоверные. Проведена минимизации отклонений фактических и расчетных значений контролируемых параметров плавки (количества чугуна, лома, извести, доломита, кислорода и др. на плавку, составов металла и шлака и пр.), что позволило с высокой точностью откорректировать механизм расчета [2].
Для адаптации математической модели использовалась модель по методу В.Н. Селиванова (см. рисунок).
В целом новая программа более полно учитывает материалы, участвующие в процессе плавки, что позволило значительно ее расширить (возможность учета скрапа, сидерита и т.д.). В частности, благодаря данной программе удалось показать возможность ис-
пользования сидерита как материала для шлакообразования в конвертере, а также появилась возможность расчета плавки с использованием скрапа и дополнительных неметаллических материалов.
Недостатком старой модели являлось разделение этапов расчета по листам Microsoft Excel (на первом листе содержались данные о металлических материалах, на втором - о неметаллических, на третьем выводились результаты и т.д.). Это усложняло структуру самой модели - взаимосвязь между ячейками с данными и итерационные расчеты, поскольку связующие формулы содержали отсылки к разным листам. В новой программе этот недостаток был устранен, и пользователю изначально, на едином листе предоставляется вся структура задаваемых данных и рассчитываемых параметров плавки.
В новой программе, с целью повышения удобства использования, была проведена структуризация этапов расчета в виде интерфейсных блоков с подробными пояснениями в областях ввода исходных данных и вывода получаемых расчетом параметров плавки, что позволило достичь простоты и удобства использования на интуитивно понятном уровне.
В разы была усовершенствована компактность и наглядность интерфейса, включая реализацию цветового разделения входных и выходных данных. Так, вводимые данные паспорта плавки обозначаются синим цветом, а рассчитываемые параметры -зеленым. Неконтролируемые параметры плавки, за счет которых настраивается модель и которые можно изменять на 3-4 единицы (или в более широких пределах в случае необходимости) с целью более точной настройки программы, выделены красным цветом. Адекватность и точность настройки про-
Экспериментальные производственные данные:
Оч, т; 1ч,еС; Оп, т; состав чугуна, %; массы и состав неметаллических материалов; расход дутья; состав и температура металла в конце продувки.
Входные параметры: _Xi_
Xi
Х„
Выходные параметры:
Yl _ -— раса
Yn
Блок сравнения
Г - _ I ^ /г ■■ ^ ;
|расч
Yflpaçi
Математическая модель
г - ИЕ|
1 Q ~ 1 ¿з с^ ~
_ 100 Ig, ■Е,р„
1сю-№оГ
Su)
8» = S.
- SÏ&O]
{СиО)ш - B'(5IÖ5 )ш
■ „во: _ _ or_7
ц| S S Fe -Äft -
I..
„ Q-^ -O^- "H S ■ g„ +1379 • 0,84-^ + 2,09^
Критерий настройки:
2X
^ ¡роен ^ j'
Параметры настройки
Схемаадаптации математической модели по методу В.Н. Селиванова
граммы проверяется по минимальным отклонениям расчетных значений температуры готового металла и его массы от паспортных [3].
Благодаря данной программе появилась возможность решения исследовательских задач, поскольку при использовании реальных паспортных данных плавки появляется возможность анализировать соответствие модели реальным условиям, настраивать ее на реальный процесс, добиваясь тем самым точности рассчитываемых показателей, таких как материальный и тепловой баланс, состав конечного шлака, состав шлака для нанесения гарнисажа и т.д.
Реализована возможность изучения факторов, влияющих на расчетную температуру жидкого полупродукта, на расход кислорода, неметаллических материалов и т.д.
Перед расчетом вводятся необходимые исходные данные, выделенные синим и красным цветом (красные данные подбираются так, чтобы данные паспортов по температуре соответствовали расчетным). Метод основан на расчетах значений, которые затем сопоставляются с последующими значениями, и если расхождение не больше заданной величины, модель переходит к следующему блоку расчета (т.е. в заданных ячейках берутся предыдущие данные, которые уже имеются и сравниваются).
Например, определяется выход жидкого металла. Для начала задается его ориентировочное количество (красным цветом), а в уравнении закладывается использование этой массы, которая получается в результате расчета с заданной точностью.
Имеется целый ряд расчетных показателей: состав металла и шлака, их количество, температура и т.д., которые входят в уравнения для расчета.
На первом этапе составляются балансовые уравнения, рассчитывается углерод чугуна (инструкция у специалистов доменного цеха не предусматривает его определения); масса чистых металлических материалов (без мусора); расход кислорода на продувку, идущий на шлакообразование. Определяется количество окислившихся элементов и рассчитывается потребность в кислороде на окисление. Никель и медь не окисляются (на практике, если их количество превышает норматив, то его понижают дополнительным вводом чугуна). Далее по разности отданного на продувку кислорода и израсходованного на окисление элементов (по балансу кислорода) определяется его количество, пошедшее на окисление железа, переходящего в шлак.
На втором этапе ведется расчет окисления железа.
На третьем этапе идет расчет газообразования.
На четвертом этапе рассчитывается количество и состав шлака конца продувки с учетом расхода каждого материала и количества окислившегося железа за счет кислорода дутья. Для этого используются имеющиеся данные: масса чугуна и лома, содержание ком-
понентов в чугуне и ломе.
Особенность состоит в том, что масса лома до расчета еще не известна, поскольку она определяется из теплового баланса, который в свою очередь рассчитывается с использованием массы лома, чугуна, металла. Следовательно, составляется система уравнений, но решаемых не совместно, а методом подбора определенного значения для этой системы и проверки его на соответствие данным уравнениям. Подбор данного значения ведется до тех пор, пока не будет достигнуто определенное соответствие в пределах 0,001 (метод приближения). Приближение к результату проводится 1000 раз. Основным критерием выступает температура жидкого металла.
На пятом этапе рассчитывается количество и состав шлака для нанесения гарнисажа.
На шестом этапе рассчитывается выход жидкого металла по балансу железа.
На седьмом этапе составляется материальный баланс плавки. Приходит чугун, лом, шлакообразующие материалы и кислород, а образуется металл, шлак и газ.
На восьмом этапе составляется тепловой баланс плавки. Расчет ведется относительно комнатной температуры (0-25°С), что позволяет для химических реакций учитывать стандартные тепловые эффекты. Учитывается приход тепла в процессе окисления элементов и расход за счет нагреваемых до температуры металла (шлака) отходящих газов.
Материальный и тепловой баланс настраивались по температуре металла в конце продувки с целью получения необходимой информации о неконтролируемых параметрах.
Например, подаваемая известь не приносит тепла, но в ней присутствует разлагающийся при высокой температуре карбонат, у которого берется стандартный тепловой эффект (из справочника) и рассчитывается на 1 кг С02. Компоненты (СаО, 8Ю2, MgO и т.д.) подаваемой в конвертер извести, по мере ее растворения, переходят в шлак, нагревая его до температуры, близкой к температуре металла в конце продувки. То же самое касается и других неметаллических материалов (ожелезненный доломит, известняк, сидерит и т.д.) [4].
В результате рассчитывается не нагрев извести, ожелезненного доломита, известняка и т.д. до температуры выпуска металла, а совокупность всех элементов, поступающих из всех материалов (СаО, 8Ю2 и т.д.) в составе нагреваемого до этой температуры шлака с учетом его теплоемкости, при определении которой используются усредненные данные.
Таким образом, затраты тепла при нагреве материалов до температур более высоких чем та, относительно которой составляется тепловой баланс, определяются по совокупности изменения теплосодержания шлака, металла и газа.
При реализации возможности использования си-
дерита в модели, теплоты его разложения рассчитывались через оксиды СаО, MgO, МпО, БеО (теплоты по окислению элементов брались из справочника).
При реализации возможности использования скрапа в модели, на основе статистических данных ЦЛК ОАО «ММК», принимается, что зашлакованный скрап включает 50 % лома и 50 % шлака (в программе для этого используется рассчитываемый состав шлака), т.е. состав скрапа рассчитывается по химическому составу металлической части как обычный лом, а по шлаковой составляющей - как конвертерный шлак конца продувки [5].
Недостатком модели является использование усредненных эмпирических данных по изменению теплосодержания шлака, коэффициентов (эмпирических связей теплоемкости с температурой), поскольку в реальных условиях при изменении состава шлака меняется и его теплоемкость.
Список литературы
1. Бигеев В.А., Колесников Ю.А. Прогнозирование технологических параметров выплавки стали в конвертере с использованием сидерита // Теория и технология металлургического производства: межрегион. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Колоколь-
Сведения об авторах
цева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. Вып. 11. С. 30 - 36.
2. Колесников Ю.А. Расчет расхода лома на плавку стали в конвертере с использованием электронных таблиц // Теория и технология металлургического производства: межрегион. сб. науч. трудов / под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2006. Вып. 6. С. 34 - 39.
3. Современные возможности развития расчетов плавки стали на персональных компьютерах / В.Н. Селиванов, Ю.А. Колесников, Б.А. Буданов и др. // Теория и технология металлургического производства: межрегион. сб. науч. трудов / под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2003. Вып. 3. С. 51 - 58.
4. Бигеев В.А., Колесников Ю.А., Сергеев Д.С. Состояние и перспективы использования сидиритовых руд Бакальского месторождения в черной металлургии // Теория и технология металлургического производства: межрегион. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2013. Вып. 13. С. 6 - 8.
5. Колесников Ю.А., Бигеев В.А., Сергеев Д.С. Расчет технологических параметров выплавки стали в конвертере с использованием различных охладителей // Теория и технология металлургического производства. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2014. №2(15). С. 45-47.
Колесников Юрий Алексеевич - канд. техн. наук, доц., ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-84-64, 29-84-49.
Бигеев Вахит Абдрашитович - д-р техн. наук, проф., директор института металлургии, машиностроения и материало-обработки, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-85-59. E-mail: [email protected]
Сергеев Дмитрий Станиславович - аспирант института металлургии, машиностроения и материалообработки, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: [email protected]
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
METHOD OF MODELLING OF PROCESS OF SMELTING BECAME IN THE CONVERTER WITH USE OF PRODUCTION DATA
Kolesnikov Yury Alekseevich - Ph. D. (Eng.), Associate Professor, of metallurgy, mechanical engineering and material processing, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 8 (3519) 29-84-64, 29-84-49.
Bigeev Vakhit Abdrashitovich - D. Sc. (Eng.), Professor, Director of institute of metallurgy, mechanical engineering and material processing, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 8(3519) 29-85-59. E-mail: [email protected]
Sergeyev Dmitry Stanislavovich - Graduate Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: [email protected]
Abstracts. The description of the program realizing a method of calculation of parameters of smelting of steel in the oxygen converter with the top giving of blasting is provided in this article. The program was created on the basis of system of the balance equations solved in common by method of iterations. When determining structure and amount of slag, the mass of iron which is taking part in processes of a shlak-calculates on balance of oxygen taking into account passport data on composition of slag. Consumptions of materials on melting, quantities ofproducts of melting were used in real data.
Thanks to this program possibility of studying of factors which influence temperature of a liquid semi-product determined by calculation, an oxygen consumption, and also nonmetallic materials was reached.
Keywords: Steel smelting, program, modeling, mathematical model, converter, oxygen and converter process, shikhtovy materials, nonmetallic materials
♦ ♦ ♦
