Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
І.І.Вакуумирование стали при внепечной обработке 8
1.2. Тепломассообменные процессы при обработке стали вакуумом 10
1.2.1. Обработка стали вакуумом и нейтральным газом 10
1.2.2. Процесс взаимодействия углерода и кислорода при изменении давления над поверхностью металла 17
1.2.3. Влияние водорода на процесс обезуглероживания 27
1.3. Математическое моделирование тепломассообменных процессов
при внепечной обработке стали 29
1.4. Выводы по главе 40
Глава 2. Разработка математического описания тепломассообменных процессов 42
2.1. Основные идеи математического описания 42
2,1 Л. Применение системного подхода к описанию процесса вакуумирования 42
2.1.2. Применение принципа аддитивности к описанию процесса обезуглероживания 45
2.1.3. Физические допущения при разработке математического описания 49'
2.2. Теплопередача в ковше с металлом и камере агрегата 50
2.3. Массоперенос углерода, кислорода и водорода 56
2.4. Взаимодействие углерода и кислорода, дегазация, удаление продуктов реакций 58
2.5. Формирование газовой смеси отходящих газов при вакуумировании 61
2.6. Выводы по главе 63
Глава 3. Разработка компьютерной модели тепло-массообменных процессов 65
3.1. Разработка приближенного решения 65
3.2. Тестирование алгоритмов модели 68
3.2.1. Уравнение теплопроводности 68
3.2.2. Взаимодействие углерода с кислородом 69
3.2.3. Количество и состав газовой смеси, образовавшейся при вакуумировании 70
3.3. Адаптация и проверка адекватности модели 72
3.3.1. Адаптация механизма перемешивания металла 72
3.3.2. Адаптация процесса охлаждения металла в ковше при вакуумировании...76 3.3.3 Проверка адекватности процесса обезуглероживания при вакуумировании стали в ковше ,78
3.4 Выводы по главе 82
Глава 4. Моделирование тепломассообменных процессов 84ч
4Л. Исследование тепломассообменных процессов при внепечной обработке 84
4.2. Исследование закономерностей обезуглероживания при вакуумировании... 91
4.2. L Изучение равновесия углерода и кислорода при вакуумировании 91
4.2.2. Изучение закономерностей процесса обезуглероживания 94
4.3. Влияние расхода нейтрального газа на процесс обезуглероживания при вакуумировании 99
4.4. Особенности образования СО и СО2 в процессе вакуумирования 101
4.5. Влияния водорода на процесс обезуглероживания при вакуумировании .103
4.6. Выводы по главе 106
Глава 5. Совершенствование технологии вакуумирования . 108
5.1. Установка вакуумирования УВС-300 в конвертерном производстве ОАО "Северсталь" 108
5.2. Разработка рекомендаций по совершенствованию существующей технологии И^
5.2.1. Определение оптимальных условий для получения заданного содержания углерода 112
5.2.2. Повышение производительности УВС 114
5.3. Применение модели для прогноза выбросов шлака и металла при вакуумировании 116
5.4. Выводы по главе 119
Заключение 121
Литература
- Тепломассообменные процессы при обработке стали вакуумом
- Применение принципа аддитивности к описанию процесса обезуглероживания
- Количество и состав газовой смеси, образовавшейся при вакуумировании
- Влияние расхода нейтрального газа на процесс обезуглероживания при вакуумировании
Введение к работе
Одним из способов внепечной обработки стали (ВОС) является вакуумирование. Процесс вакуумирования относится к самым сложным металлургическим процессам. При вакуумировании происходят взаимосвязанные процессы тепломассообмена, химических реакций, удаления газов, формирования газовой смеси в вакуумной камере и др. При разработке технологии производства стали с использованием вакуумирования применяют расчетно-теоретические и экспериментальные методы. При этом рассматривают основные элементы процесса по отдельности. Оценивают возможности реакции взаимодействия углерода и кислорода при обработке вакуумом, снижение температуры металла в ковше, распределение кислорода между металлом и шлаком, с*" " > їс-т условия для обеспечения оптимального состава шлака по результатам эксперимент <<ч и др. В результате получают приближенные решения без учета взаимовлияния и динамики процессов.
При таком подходе невозможно учесть тот it>aK1> ао любой металлургический технологический процесс - это система, состоящая из связанных и взаимодействующих между собой элементов (подпроцессов). А изучение процесса по отдельным элементам без учета взаимосвязи ...юлгг значительную погрешность. Поэтому освоение технологии і - .г.. і и течение длительного периода на большом количестве опытных плавок, трудоемкой доводкой методом проб и ошибок до того момента, пока не учтут достаточное количество элементов и их взаимодействий.
Кроме того, нередко теоретические данные расходятся с данными, полученными в лабораторных условиях, а также с результатами, полученными в производстве. Существуют противоречия в результатах, полученных при обработке различных масс металла.
Исследованиями и разработкой теории тепломассообменных процессов при внепечной обработке металла посвящено значительное количество теоретических и экспериментальных исследований. Наибольший вклад в развитие науки внесли
работы Явойского В.И., Меджибожского М.Я., Цимбал В.П., Казачкова Е.А., Морозова А.Н., Поволоцкого Д.Я., Кудрина В.А., Вишкарева А.Ф., Новика Л.М., Григоряна В.А., Попеля СИ., Стомахина А.Я., Бигеева A.M., Лыкова А.В., Кнюппеля Г., Кейкса В.М. и др. Накоплен огромный объем теоретических и экспериментальных данных, выявлены закономерности процессов. В развитие математического моделирования основной вклад внесли Цимбал В.П., Явойский В.И., Меджибожский М.Я., Яковлев Ю.Н., Окороков Б.Н., Адельштейн Д.Ю., Козлов В.К, Щербаков В.А., Абрамович СМ. и др.
В настоящее время продолжается освоение новых марок сталей с ультранизким содержанием углерода, водорода, азота и др. Для сокращения затрат на эмпирическое освоение технологии вакуумирования необходимы новые подходы к построению математического описания и изучению процесса, которые позволили бы рассматривать процесс вакуумирования в целом и во всей его сложности, характерной для реального объекта.
В связи с развитием компьютерной техники и накоплением знаний > представляется возможность рассматривать металлургический процесс как систему, состоящую из связанных и взаимодействующих между собой элементов. В данной работе представлены динамическая математическая модель, результаты моделирования тепломассообменных процессов, протекающих при обработке металла вакуумом в ковше, и рекомендации по совершенствованию технологии обработки. При разработке модели применены системный подход, принцип аддитивности и локального равновесия. Модель адаптирована с использованием большого объема экспериментальных данных по многим параметрам процесса. Изучены закономерности процесса. Разработанная модель использована для совершенствования технологии вакуумирования стали на установке ковшевого типа конвертерного производства (КП) ОАО"Северсталь".
Основные результаты доложены на шестом международном конгрессе сталеплавильщиков (Череповец, ОАО"Северсталь", 2001 г.); на международной научно-технической конференции "Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах" (Череповец, ЧТУ,
7 2002 г.); на международной научно-технической конференции "Пути к совершенствованию" (Череповец, ОАО"Северсталь" 2004 г.); на международной школе - семинаре "Применение вакуума в черной металлургии" (Москва, МИСиС, 2004 г.); на международной научно-технической конференции "Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем" (Вологда, ВоГТУ, 2004 г.). По материалам диссертации опубликовано 8 статей.
Результаты, касающиеся совершенствования технологии, доложены и обсуждены на совещании по качеству в конвертерном производстве ОАСГСеверсталь".
Настоящая работа содержит 134 страниц печатного текста, включает 49 рисунков, 10 таблиц и список литературы, состоящий из 81 наименования.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессорам Хисамутдинову Н.Е. и Кабакову З.К. за научное руководство и помощь в выполнении настоящей работы, а также сотрудникам кафедр "Металлургических технологий" и "Промышленной теплоэнергетики" ЧТУ. Автор также выражает благодарность специалистам ОАО"Северсталь" Ефимову СВ., Удальцову А.Н. и Лешкович А.И. за консультации по технологии и оборудованию УВС.
Тепломассообменные процессы при обработке стали вакуумом
Продувку расплава нейтральным газом (далее по тексту - аргон) производят с целью выравнивания химического состава и температуры металла. При продувке металла нейтральным газом пузыри аргона всплывают, расширяются и увлекают металл вверх. Циркуляция металла при продувке аргоном происходит следующим образом: в центральной части ковша металл поднимается вверх и опускается у стенки ковша. Такому движению металла способствует свободная конвекция, возникающая за счет перепада температур по радиусу ковша. При свободной конвекции слои металла, охлаждаясь, опускаются вниз вдоль стенки ковша, вытесняя более нагретый металл вверх по оси ковша. Продувка металла аргоном обеспечивает доставку масс металла из нижних слоев к поверхности металла в ковше, где созданы наиболее благоприятные условия для взаимодействия углерода и кислорода.
В работе [4] выполнена оценка гидродинамики металла в ковше при обработке газом с помощью математического и физического моделирования. На рис. 1.2 приведено поле скоростей для воздушно-водяной модели. Как установлено в работе [4], результаты физического и математического моделирования выявили аналогичные закономерности циркуляции при обработке металла газом в ковше.
Полученные в работе [4] закономерности циркуляции при обработке металла газом в ковше позволяют получить представление о переносе примесей металла ([С], [О] и др.) и применить их при учете гидродинамических особенностей в уравнениях тепломассопереноса при разработке математического описания.
При обработке стали в ковше вакуумом и аргоном происходит более интенсивное падение температуры. Охлаждение происходит путем теплопроводности через многослойную футеровку, далее - излучением от кожуха ковша и конвекцией воздуха, а также теплопроводностью через шлак, излучением в атмосферу агрегата и конвекцией.
Как установлено в работе [5], основные теплопотери происходят через шлак, особенно при интенсивном перемешивании расплава. На рис. 1.3 приведена кривая падения температуры при обработке плавки шарикоподшипниковой марки стали на УВС, Падение температуры за 18 мин обработки составило 85 С. Такое значительное падение температуры было объяснено тем, что ковш предварительно не был прогрет (данные по расходу аргона в работе [5] не приведены).
В работе [6] приведены результаты освоения технологии производства особо низкоуглеродистых сталей с применением 100-тонного циркуляционного вакууматора. Сталь выплавляли в мартеновской печи и выпускали с содержанием углерода 0.04-0.06 %. Предварительно камеру установки и ковш перед вакуумной обработкой разогревали: камеру - до 1000 С, ковш - до 600 С. Температура металла за 16-18 мин обработки понижалась на 30-40 С, скорость падения температуры составляла 1.6-2.0 С /мин. Сталь после обработки с содержанием углерода менее 0.01 % разливали в изложницы при температуре не менее 1555 С.
В работах [7, 8] выполнено исследование тепломассообменных процессов при обработке металла вакуумом и аргоном на циркуляционном [7] и порционном [8] вакууматорах. На рис, 1.4 показано изменение содержания углерода и температуры в ходе вакуумной обработки 4-х экспериментальных плавок [7]. Эксперименты проводились в 110-тонном ковше на циркуляционном вакууматоре. Отбор проб металла производился на глубине 80 см в ковше между патрубками вакууматора. Расход аргона в начальный период устанавливали 400 л/мин, во время кипения 150-200 л/мин и к завершению обработки увеличивали до 400 л/мин. Процесс обезуглероживания начинался при давлении в камере 13 кПа, скорость обезуглероживания металла была примерно стабильной до содержания углерода 0.01 %, после чего уменьшалась.
Применение принципа аддитивности к описанию процесса обезуглероживания
Принцип аддитивности заключается в представлении непрерывного физического процесса, который характеризуется непрерывным изменением входных и выходных параметров во времени в виде последовательных стадий, бесконечно малой длительности. В начале каждой стадии существует равновесие между входными и выходными параметрами системы. Затем равновесие нарушается за счет изменения входных параметров и в течение стадии система приходит в равновесие за счет изменения выходных параметров.
Принцип аддитивности применяется при формализации физических процессов в виде математического описания и соответствующего алгоритма решения. Приведем пример использования этого принципа для формализации процесса неравновесной кристаллизации [40], которая происходит при непрерывном охлаждении элементарного объема двухфазной зоны, образующейся при кристаллизации двойного сплава. С этой целью непрерывный процесс кристаллизации элемента объема, с непрерывно изменяющимся количеством примеси жидкой фазы объема и соответствующим изменением ее температуры ликвидус заменили последовательностью стадий, на каждой из которых сплав кристаллизуется как чистый металл с температурой кристаллизации, равной температуре ликвидус жидкого остатка, состав которого сформировался к концу предыдущей стадии. На каждой стадии принимаются, что при охлаждении элементарного объема возникающее переохлаждение "снимается" с неограниченной скоростью за счет выделения твердой фазы, и температура объема возвращается к температуре кристаллизации. Эти допущения опираются на экспериментальные факты об устойчивости состояния двухфазной зоны, установленные автором работы [41].
В данной работе принцип аддитивности впервые применен к описанию и алгоритмизации процесса обезуглероживания жидкой стали при вакуумировании. Поясним применение этого принципа на примере решения задачи обезуглероживания элементарного объема жидкой стали, расположенного на заданной глубине в ковше. В процессе вакуумирования в ковше осуществляется продувка металла аргоном, поэтому примем, что СО выделяется в готовые пузыри - зародыши. Реакция окисления углерода [С]+[0]={СО} происходит при выполнении условия: Рсо Рк + уЬ, где Рсо Ксо [С]-[0] (далее, скобки [С] и [О] опускаем) - парциальное давление СО, Ксо - константа равновесия реакции окисления углерода; Рк - давление в камере, у - удельный вес стали; h - глубина расположения слоя (элементарного объема) металла в ковше.
Разделим процесс обезуглероживания на последовательные стадии длительностью At. Рассмотрим процесс на отдельной стадии. Пусть в начале стадии к моменту времени t существует равновесие, характеризуемое величинами: давлением в камере Рк , содержанием углерода С и кислорода О , температурой стали Т и соотношением: Pco-PK + Y h = Kco -C.O . (2.1) В течении стадии в результате понижения давления Рк в камере до Рк" и изменения температуры равновесие нарушается, происходит реакция и к моменту времени t"=t +dt устанавливается новое равновесие, характеризуемое величинами Рк") С", О", Т" и соотношением: Рсо"= Рк"+ yh - Ксо"- С"- О". (2.2)
При этом предполагается, что при установлении равновесия реакция происходит в данном элементарном объеме с неограниченной скоростью [1, 2], т.е. в данном элементарном объеме мгновенно достигается локальное равновесие. При этом лимитирующим звеном реакции является только массоперенос между элементарными объемами [1,2]. Связь концентраций для моментов времени t и t" представим в виде: 0"= О +ДО] У (23) С"= C +ACj Приращения ДС и ДО связаны стехиометрическим соотношением: ДС = а-ДО, (2.4) где а = Мс/ М0 - отношение атомных масс углерода и кислорода.
Система четырех уравнений (2.2), (2.3), (2.4) связывает четыре неизвестных: С", О", ДС и ДО. Решая систему относительно ДО и пренебрегая членами второго порядка малости, получим: (Р 7Ксо")-С 0 ДО = со / со С +а-О Зная величину ДО можно вычислить остальные неизвестные С", О", ДС, а затем и объем образовавшегося газа СО в момент времени t". Таким образом, переходя от одной стадии к другой, можно рассчитать параметры процесса обезуглероживания в любом элементарном объеме стали по мере снижения давления в вакуумной камере. Разработанный нами алгоритм проверим, протестировав его путем сравнения с точным решением данной задачи при Ксо = const. Точное решение получить достаточно сложно, т.к. искомые величины отвечают уравнению равновесия, а их приращения- стехиометрическому соотношению.
В настоящей работе такое решение было получено путем интегрирования уравнения равновесия, предварительно записанного в приращениях углерода и кислорода. Указанная выше трудность была преодолена следующим образом. Из концентрации, вступающих в реакцию элементов, выделим часть, которая останется после полной реакции. Для этого определим к = С/0, С0 и О -начальные концентрации углерода и кислорода.
Количество и состав газовой смеси, образовавшейся при вакуумировании
При вакуумировании происходит окисление углерода и выделение водорода. В результате реакций окисления углерода образуется определенное количество СО и СОг- При вакуумировании водород выделяется из стали в виде Н2. Для тестирования алгоритма расчета количества газовой смеси проверим соответствие количества газов (СО, С02 и Н2), образовавшихся при реакциях (2.28-2.30), количеству прореагировавших углерода, кислорода и водорода во время вакуумирования. Для этого выполним моделирование при следующих исходных данных:
Масса плавки (металла) = 300 000 кг; [С]=0.035 %; [О]=0.07 %; [Н]=0.0006%; Толщина шлака -Ом, т.е. переход кислорода из шлака в металл исключен.
В результате моделирования получили следующие конечные содержания элементов:
[С]= 0.004310079 %; [0]= 0.028540000 %; [Щ= 0.000200374 %, и количество газов, выделившихся при обработке в течение 1800 с (табл. 1). Также в результате моделирования получили количество прореагировавших элементов: - общее количество углерода - 0.0306899 %, в т.ч. 0.030253 % углерода окислилось до СО и 0.000436 % - до С02; - общее количество кислорода 0.04146 %, в т.ч. 0.040299 % до СО и 0.001161 % -до С02; - водорода - 0.0003996 %. Рассчитаем количества образовавшихся газообразных продуктов по уравнениям (2.39). Результаты расчетов приведены в табл. 3.1.
Таким образом, результаты моделирования, точно совпадают с расчетными значениями. Далее проведем тестирование алгоритма расчета общей смеси газов в камере УВС. Для этого составим материальный баланс газов при вакуумировании, т.е. проверим соответствие количества газов: - содержащихся в камере N2 и ( воздуха до вакуумирования; - выделившихся из стали СО, С02, Н2 и Аг; - поступивших в камеру через неплотности N2 и 02 воздуха количеству газов, откаченных насосом и оставшихся в камере. Баланс газов приведен в табл. 3.2.
Баланс сходится, компьютерная модель для выбранной расчетной сетки по алгоритму расчета количества газов, образовавшихся при вакуумировании и количества газовой смеси, откаченной насосом из камеры УВС, работает корректно. - Адаптация механизма перемешивания металла при продувке нейтральным газом проводится путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными [54].
В работе [54] приведены результаты экспериментального определения времени усреднения состава низколегированных сталей (09Г2С, ЮГ2С1) при продувке азотом чистотой 99,8 % через пористую вставку в днище ковша.
Магнезитовая (92.7 % MgO) вставка помещалась на месте второго разливочного стакана на 1220 мм от центра ковша, ее высота 300 мм, верхний диаметр 140 мм, нижний диаметр 170 мм, плотность 2.75 10 кг/м , открытая пористость 27,3 %, площадь пор в верхнем сечении 4200 мм2, средний диаметр зерна 0.6 мм. Для предотвращения утечки газа вставка была заключена в металлический кожух. Давление азота перед вставкой 0.6 МПа. Параметры металла в ковше: масса 320 т, высота 5.0 м, диаметр верхней поверхности 3.8 м, диаметр на уровне днища 3.0 м. Неоднородность стали в ковше по химическому составу измеряли путем отбора проб металла по ходу разливки (из каждой второй изложницы после наполнения), Состав металла в пробах определяли на квантомерах "Поливак". В качестве меры неоднородности металла в ковше приняли разность Дх между максимальным и минимальным значениями концентраций элементов.
Влияние расхода нейтрального газа на процесс обезуглероживания при вакуумировании
Как видно из рис. 4.11, для получения минимального содержания углерода за 1830 с (или 30.5 мин) необходимо обеспечивать минимальное начальное содержание углерода (максимальную активность кислорода) и максимальный расход аргона.
С целью минимизации затрат времени на обработку исследуем влияние начального содержания углерода и расхода аргона на продолжительность вакуумирования. На рис. 4.12 представлены результаты моделирования в виде зависимости продолжительности обработки металла вакуумом до конечного содержания углерода менее 0.0025 % от начального содержания углерода (w=0.0022 %) и расхода аргона.
Как следует из рис. 4.12, получение [С] 0.0025 % при начальном содержании более 0.035 % (менее [О]=0.062 %) затруднительно и требует большей продолжительности обработки (более 35 мин), т.е. такой вариант является пороговым, в этом случае необходимо обеспечить максимальный расход аргона и (или) применить газообразный кислород для ускорения процесса. Поэтому наиболее оптимальные условием для получения углерода менее 0.0025 % за минимальное время является минимальное содержание углерода перед обработкой (максимальная активность кислорода) и расход аргона более 0.02 м /с. На основе результатов моделирования можно сформулировать общие условия, при которых возможно получение содержания углерода менее 0.0025 % за минимальное количество времени обработки: - максимальная активность кислорода; максимальный расход аргона, особенно в завершающий период обработки (5-Ю мин до конца обработки); - остаточное давление в камере менее 100 Па.
Влияние нейтрального газа, в данном случае - аргона, на процесс обезуглероживания описывается зависимостями, приведенными на рис. 4Л1 и 4.12, и носит нелинейный характер. При повышении расхода более 0.02-0.03 м3/с влияние ослабевает, а при снижении расхода менее 0.015 скорость обезуглероживания резко снижается. Для уточнения приведем пример: рассмотрим вариант технологии, приведенный в таб. 3.5, но режим продувки аргоном зададим в соответствии с кривой 2 на рис. 3.8. Определим время обработки до достижения содержания углерода 0.00208 %, соответствующее прогнозу по среднему варианту технологии (см. табл. 3.6). Результаты моделирования приведены в табл. 4.1.
Как видно из результатов, приведенных в табл. 4.1, средний расход аргона на плавку - 40.8 м3 достаточно оптимален, но в случае необходимости, возможно сократить время обработки на 12 % увеличив расход аргона на 30 %.
В работе [3] (см. также гл. 1, п. 1.2.2) изучались массообменные процессы при обработке металла вакуумом. По результатам вакуумирования экспериментальных плавок массой менее 50 т автор [3] делает вывод, что вакуумирование до низких содержаний углерода возможно и без применения нейтрального газа, т.к. при вакуумировании выделяется достаточное для эффективного перемешивания количество газов (СО).
В связи с этим, изучим влияние расхода аргона на продолжительность вакуумной обработки до достижения в металле [С]=0.002 % (исходные данные в табл. 3,5, вариант - модель). Результаты моделирования приведены на рис. 4.13 в виде зависимости влияния расхода аргона на продолжительность вакуумной обработки. Как видно из рис. 4.13, при снижении общего расхода аргона менее 20 м3 продолжительность вакуумирования недопустимо возрастает и составляет более 60 мин. Следует отметить, что в случае моделирования обработки вакуумом 100 т металла без применения аргона при тех же условиях конечное содержание углерода 0.002 % достигается за 1638 с. Поэтому в промышленных условиях вакуумирование без применения продувки нейтральным газом (или др.), в данном случае менее 20 м аргона для 300-330 т металла в ковше за время обработки вакуумом, крайне неэффективно.
