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