CC BY
82
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
УДК 669.187.25
АлексеевЛ.В., СтоляровА.М., Бигеев В.А., МалофеевА.Е.
ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИВЫПЛАВКЕ ПОЛУПРОДУКТА В СВЕРХМОЩНОЙ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ С РАЗЛИЧНЫМ РАСХОДОМ ЖИДКОГО ЧУГУНА
В настоящей работе поведение таких химических элементов, как углерод, кремний, марганец, сера, фосфор, хром, никель, медь и железо изучается при выплавке полупродукта в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) вместимостью 180 т с трансформатором мощно -стью 0,83 МВА/т для условий элекгросталеплавильного цеха (Э СПЦ) ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Для решения этой задачи используется разработанная авторами математическая модель поведения химическихэлементов в элекгродуговой плавке.
Модель основывается на материальном балансе всех элементов металла. В общем виде для каждого элемента балансовое уравнение выглядит следующим образом:
mF + mF + mF + mF =
Е"болота нач" Елома Ечуг Едр.м
= mF +mF ±AmF,
^полупрод ^"болотако^1
где mF , mF - масса элемента F, нахо-
дящегося в металле «болота» в начале и в конце плавки, кг; mF , mF , mF - масса элемента F, поступившего в печь с металлическим ломом, жидким чугуном, другими материалами (углеродсодержащим материалом, из электродов), кг; mF - масса эле-
■^полупрод
мента F, наждящегося в полупродукте, выпускаемом из печи в ковш, кг; AmF - изменение массы элемента
F по ходу плавки - масса элемента, удалившегося из металла или поступившего в металл, кг.
В приждной части баланса рассчитывается масса химических элементов, поступивших в ванну ДСП: с металлической шихтой - металлическим ломом и жидким чугуном; из оставленною в печи металла предыдущей плавки - так называемого «болэта»; с другими материалами - вдуваемым углеродсодержащим материалом и из расходуемой части электродов. Для расчёта используется известная информация о расжде жидкого чугуна и содержании в нём основных примесей, количестве металлического лома, количестве и составе израсходованного углеродсодержащего материала, составе электродов. Состав металлического лэма принимается соответствующим составу низкоуглеродистой стали обыкновенною качества. Содержание элементов в металле «болота» принимается равным их среднему содержанию в выпускаемом из печи полупродукте по данным всех опытных плавок, используемых для настройки модели. Масса металла «болота» принимается постоянной и равной некоторому среднему значению, определяемому из практики работы цеха.
В расждной части баланса рассчитывается масса химических элементов, содержащихся в выплавленном металле, наибольшая часть которого выпускается из агрегата в сталеразливочный ковш, а небольшая часть оставляется в печи в качестве «болота» для начала следующей плавки. Расчёт производится по известным данным о количестве полученного полупродукта и о его химическом составе с использованием данных о ранее принятой массе металла в «болоте».
После этого вычисляется разность между массой поступившего в ванну каждого химического элемента и его массой в полученном металле. В случае получения положительного значения величины разности имеет место удаление рассматриваемого химического элемента из металла (как правило, в результате окислительных процессов) в процессе плавки. Наличие отрицательного значения свидетельствует о поступлении определённого количества данного химического элемента в металл.
При изучении поведения железа в модели учитывается, что железо может теряться металлом в результате протекания нескольких процессов. Так, условно названная, первая часть потерь железа может проис-ждить в результате образования выносов: в виде плавильной пыли с отходящими технологическими газами и брызг металла. Масса этой части железа в модели определяется по задаваемой линейной функции в зависимости от продолжительности работы агрегата под током. Выбор такой зависимости основывается на известном факте увеличения потерь железа в высокотемпературных зонах горения электрических дуг. В качестве коэффициентов регрессии в уравнении заданной функции используются настроечные коэффициенты. Перед началом расчёта этим коэффициентам присваиваются любые начальные значения, например единица. Вторая часть потерь железа связана с запутыванием капель жидкого железа в шлаке с образованием так называемых «корольков». Масса железа «корольков» шлака в модели рассчитывается по принимаемым данным о содержании «корольков» в формируемом шлаке. Данный параметр рассчитывается итерационным способом, так как на момент его вычисления масса сформировавшегося шлака ещё неизвестна. Третья часть потерь железа металлом проис-ждит в результате его окисления и образования оксидов железа FeO и Fe2O3 - компонентов шлака. При этом доля железа, окисляющегося до монооксида железа - FeO, в модели задаётся в виде настроечного коэффициента. Остальная часть железа участвует в образовании более сложного оксида железа - Fe2O3.
38
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.
Изучение поведения элементов при выплавке полупродукта... Алексеев Л.В., Столяров AM, Бигеев В.А., Малофеев А.Е.
Рис. 1. Зависимости массы углерода, кремния, марганца и серы, поступающих в ванну печи с шихтой (1), и изменения массы этих элементов в металле по ходу плавки (2) от расхода жидкого чугуна в ДСП: положительный знак изменения массы получен при удалении элемента из металла, отрицательный - при его поступлении в металл
Рис. 2. Зависимости массы фосфора, хрома, никеля и меди, поступающих в ванну печи с шихтой (1), и массы фосфора и хрома, удалившихся из металла по ходу плавки (2), от расхода жидкого чугуна в ДСП
Удалившиеся из металла химические элементы участвуют в процессах образования как газообразных продуктов (углерод), так и шлака (кремний, марганец, сера, фосфор, хром, железо). По массе удалённых из металла шлакообразующих химических элементов рассчитывается масса соответствующих оксидов, переходящих в шлак. В процессе формирования шлака также принимают участие вводимая в печь известь, футеровка агрегата, мусор и окалина металлического лома, а также часть шлака предыдущей плавки, оставленного в печи с «болотом». При этом известной информацией являются только данные о расжде извести в ДСП. Содержание компонентов в шлаке «болота» принимается равным их среднему содержанию в шлаке перед выпуском из печи по данным опытных плавок. Остальные данные принимаются в соответствии с цежвой практикой [1, 2] и по литературным источникам [3, 4].
После вычисления массы образовавшегося шлака рассчитывается прогнозируемое содержание отдельных его компонентов в шлаке. Разность между расчётным и фактическим (по данным опытных плавок) содержанием каждого компонента шлака возводится в квадрат и суммируется сначала по каждой отдельной плавке, а затем и по всем опытным плавкам, используемым для настройки модели.
При создании модели использовался массив данных первой группы опытных плавок в количестве 35 штук при выплавке в ДСП полупродукта для получения самой распространённой стали марки Ст. 3сп. В металлической шихте этих плавок использовался металлический лом, содержащий в среднем 0,15% C, 0,17% Si, 0,45% Mn, 0,035% S, 0,020% P, 0,15% Cr, 0,95% Ni, 0,18% Cu. Кроме лома применялся жидкий чугун, расход которого составлял от 0 до 41% (отн. массы введённой в печь металлической шихты). Информация о содержании в чугуне кремния, марганца, серы и фосфора была известна для каждой плавки, содержание других элементов принималось [см. 3, 4]. Средний химический состав передельного чугуна был следующим: 4,4% C,
0,7% Si, 0,55% Mn, 0,02% S, 0,05% P, 0,03% Cr, 0,005% Ni, 0,005% Cu. Содержание марганца в чугуне опытных плавок почти втрое превышало его обычное содержание вследствие введения марганцевой руды в шихту доменных печей в период проведения исследования и не является традиционным для условий ОАО «ММК».
Опытные плавки в ДСП проводились с оставлением в печи «болота», состоящего в среднем из 15 т металла и 5 т шлака. Содержание в загружаемом металлическом ломе мусора и окалины принято равным 2,5 и 0,5% от массы лома соответственно. Расчёты проводились при различном содержании «корольков» в шлаке, равном 3, либо 5 или 7% (отн. массы шлака).
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.
39
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Для успешного функционирования модели необходимо осуществление процедуры её настройки. Настройка модели заключается в подборе значений настроечных коэффициентов таким образом, чтобы обеспечивалось минимальное расжждение результатов расчёта с опытными данными. Подбор значений настроечных коэффициентов производится при помощи сервис-
Рис. 3. Зависимость массы железа, поступающего в ванну печи с шихтой (1), и массы железа, потерянного металлом по ходу плавки (2), от расхода жидкого чугуна в ДСП
электродуговой плавки
Рис. 5. Зависимость относительной массы железа, теряемого металлом с выносами, от продолжительности работы ДСП под током при различных значениях содержания железа в «корольках» шлака (цифры у линий)
ной функции поиска решений в электронных таблицах «Еже1-2000». При этом в целевой ячейке электронных таблиц должно находиться минимальное значение сум -мы квадратов отклонений содержания компонентов в шлаке всех опытных плавок.
О качестве настройки модели можно судить по результатам сравнения прогнозируемого содержания компонентов в шлаке с данными второй группы опытных плавок из 33 штук, используемых для проверки разработанной модели на адекватность. Среднее расчётное значение основности шлака равнялось 2,4, а по опытным данным оно составляло 2,3. Средние значения двух сравниваемых выборок значений основности шлака являются статистически одинаковыми, о чём свидетельствуют величины критериев: F=1,18; F0>05=1,77; t=0,35, 10>0.5=2,00. При этом были получены достаточно близкие значения параметров, характеризующих окис-ленность шлака. Так, содержание в шлаке FeO и Fe2O3 по расчёту равнялось 27,2 и 13% соответственно, а по опытным данным - 25,2 и 11%. Отношение значений расчётного содержания FeO к аналогичному содержанию Fe2O3 составляло 2,1, а отношение опытных значений - 2,3. Вышесказанное свидетельствует об адекватности модели реальному процессу.
После настройки модели были проведены расчёты с использованием массива данных первой группы опытных плавок. На рис. 1-3 приведены сведения о массе поступивших с шихтой в ванну ДСП химических элементов и об изменении массы этихэлементов в металле по жду плавки при разном расходе жидкого чугуна.
Анализ полученныхрезультатов показывает, что с увеличением доли жидкого чугуна в металлической шихте возрастает поступление в ванну печи углерода, кремния, марганца и фосфора. В то же время вследствие меньшего содержания в чугуне по сравнению с ломом серы, хрома, никеля и меди уменьшается поступление этихэлементов в ванну печи. Это позволяет выплавлять полупродукт с меньшим содержанием неудаляемых цветных металлов: никеля и меди для получения стали более высокого качества. Масса поступающего в ванну печи железа изменяется незначительно при разном расжде чугуна в металлической шихте ДСП. Это происходит потому, что отрицательное влияние на выход годного металла довольно значительного количества мусора и окалины, поступающих с ломом при отсутствии жидкого чугуна в шихте, компенсируется аналогичным влиянием возрастающего количества окисляющихся примесей жидкого чугуна при его использовании в шихте.
При моделировании было установлено, что средняя величина общих потерь металлом в ходе электродуговой плавки равняется 10,2%. Следовательно, вы-жд годного металла на опытных плавках составляет в среднем 89,8%. Анализ составляющих общих потерь показывает, что вклад различных химических элементов в эти потери существенно различается. На рис. 4 приведены данные, позволяющие оценить вклад ос-новныхэлементов в общие потери металлом.
Из этих данных следует, что основную долю общих потерь металлом составляют потери железа -несколько выше 80% (оти). Доля других элементов значительно меньше: углерода - 11% (отн.), кремния и марганца - около 3 и 4% (отн.) соответственно.
40
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.
Изучение поведения элементов при выплавке полупродукта... Алексеев Л.В., Столяров AM, Бигеев В.А., Малофеев А.Е.
Следует отметить, что количество окислившегося фосфора - 0,2% (отн.) на порядок выше, чем масса удалившейся из металла серы, что объясняется высокой окисленностью сформированного шлака.
Масса шлака возрастает с увеличением расжда жидкого чугуна, но статистически значимой зависимости между этими параметрами получено не было. Количество шлака на опытных плавках изменялось в широком диапазоне от 12 до 25°% (относительно массы металлического расплава) и в среднем равнялось 18°% (отн.).
В процессе настройки модели установлена зависимость массы железа, теряемой с выносами из металла, от продолжительности работы печи под током. Варианты графического изображения этой зависимости при различном содержании железа в «корольках» шлака представлены на рис. 5.
Из приведенных данных следует, что с увеличением содержания железа в виде «корольков» в шлаке потери железа с выносами из металла снижаются. Возрастание продолжительности работы сталеплавильного агрегата под током ведёт к увеличению потерь железа с выносами. Количество потерь колеблется от 2,8 до 4,4% от массы загруженной в печь металлической шихгы, среднее значение равняется 3,5% (отн.).
При настройке модели также выявлено среднее значение доли железа, окисляющегося до монооксида железа шлака, которое равнялось 66,5% относительно
массы железа, участвующего в образовании всех оксидов шлака.
Количественная оценка различных статей потерь железа металлом при содержании железа в виде «корольков», равном 5% (отн. массы шлака), выглядит следующим образом:
выносами ~ 43%
Масса потерянного железа с «корольками» FeO
шлака шлака
~ 10% =32%
Fe 2O3 шлака ~ 15%
Таким образом, применение жидкого чугуна в составе металлической шихты электродуговой плавки полупродукта позволяет снизить загрязнённость выплавляемого металла вредными примесями: фосфором, никелем, медью. На разработанной модели произведена количественная оценка поступления различных элементов в ванну печи с шихтой и изменения массы этих элементов в металле по ходу плавки. При настройке модели установлена зависимость потерь железа с выносами из металла от продолжительности работы печи под током и величина доли железа, окисляющегося с образованием монооксида железа шлака. Произведена количественная оценка различных статей потерь железа при плавке полупродукта в современной сверхмощной дуговой сталеплавильной печи.
Список литературы
1. Совершенствование технологии выплавки стали в ДСП ЭСПЦ ОАО «ММК» / А.В. Сарычев, Ю.А. Ивин, Л.В. Алексеев и др. // Вестник МГТУ. 2008. № 1. С. 71-73.
2. Особенности работы дуговых сталеплавильных печей с применением жидкого чугуна (ОАО «ММК»)/ Ю.А. Ивин, А.Б. Великий, Н.В. Саранчук и др. // Сталь. 2008. № 7. С. 49-50.
3. Теплофизические свойства топлив и шихтовых материалов чёрной металлургии: Справочник / В.М. Бабошин, Е.А. Кричевцов, В.М. Абзалов, Я.М. Щелоков. М.: Металлургия, 1982. 152 с.
4. Металлургия чугуна: Учебник для вузов / Под ред. Ю.С. Юсфина. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. 774 с.
List of literature
1. Enhancement of the steel-making fechnobgy in DSP YSPT OJSC “Magnitogorsk Iron and Steel Works / A.V. Sarychev, Y.A. Ivin, LV. Alexeev and others // Vestnik MSTU. 2008. № 1. P. 71-73.
2. The peculiarities of the arc steel-making furnace with hot metal (OJSC “Magnitogorsk ton and Steel Works”) / Y.A. Ivin, A.B. Veliky, N.V. Saranchuk and others'/ Steel. 2008. № 7. P. 49-50.
3. Thermalphysic properties of the fuel and charge materials in the ferrous metallurgy: Reference book / V.M. Baboshin, E.A. Krichevtsov, V.M. Abzalov, Y.M. Tshelokov. M.: Metallurgy, 1982. 152 p.
4. Cast iron metallurgy: course book for higher educational
institutes / Published by Y.S. Yusfina. M.: IKT
“Akademkniga”, 2004. 774 p.
УДК 519.2:621.74
Чайкин A.B., Вольнов ПН., Чайкин В.А.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ
Исследования проводились в условиях ОАО «Чебоксарский агрегатный завод» на отливках «клин фрикционный» (рис. 1) из серого чугуна марки СЧ30, предназначенных для тележек грузовых вагонов.
Отливки должны иметь перлитную металлическую матрицу. Присутствие цементита как структур-
ной составляющей не допускается.
Отливка производится в сталелитейном цехе. Плавка ведется в дуговой электропечи ДСП-6. Выпуск металла производится в раздаточный ковш емкостью 8 т. Заливка форм производится ковшом металлоемкостью 500 кг. При переливе чугуна из раздаточ-
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.
41
