CC BY
105
перемешивания. В этом случае происходит охлаждение металла в нижней части и существенно возрастает тепловая нагрузка на свод, температура внутренней поверхности которого в примере превышает 1800оС, что отрицательно сказывается на состоянии огнеупорной защиты.
Таким образом, разработанное программное обеспечение позволяет учитывать влияние режимов работы АПК на потери тепла, а также использовать формируемые моделью рекомендации для оптимизации управления тепловым и электрическим режимами агрегата печь-ковш [3,4].
Литература
1. Рябчикова Е.С., Рябчиков М.Ю., Парсункин Б.Н. Математическое обеспечение имитационной модели процесса управления технологическим режимом агрегата печь-ковш // Автоматизированные технологии и производства. 2013. №5. С. 54-65.
2. Семеняк М.Ю., Порохнявый В.Г. Применение теплови-зионного оборудования для повышения эффективности работы основной футеровки сталеплавильного агрегата. Режим доступа: http://techcom-gmbh.de/mnovaeditor/assets/admin/3Teplovision%20rasch et.pdf. - Загл. с экрана.
3. Оптимизация управления температурным и энергетическими режимами в технологические периоды электродуговой плавки / Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Усачев М.В., Наливкин А.К., Михальченко Е.С. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2007. № 4. С. 30-34.
4. Оптимизация управления процессом потребления электрической энергии для достижения максимальной производительности АКП / Ахметов У.Б., Ахметов Т.У., Парсункин Б.Н., Рябчикова Е.С. // Автоматизированные технологии и производства. 2012. №4. С. 167-179.
а б
Рис. 4. Изменение температуры при нагреве без перемешивания: а — поле температур металла; б — поле температур шлака
Сведения об авторах
Рябчикова Елена Сергеевна - ст. преподаватель института энергетики и автоматизированных систем ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: mika.Elena@mail.ru
Рябчиков Михаил Юрьевич - канд. техн. наук, доц. института энергетики и автоматизированных систем ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: mr_mgn@mail.ru.
♦ ♦ ♦
УДК 669.18.046.552.3-982
Селиванов В.Н., Буданов Б.А., Аланкин Д.В.
КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УДАЛЕНИЯ ВОДОРОДА ПРИ ЦИРКУЛЯЦИОННОМ ВАКУУМИРОВАНИИ СТАЛИ
Аннотация. Проведен анализ скорости удаления водорода при циркуляционном вакуумировании стали. Предложена кинетическая модель процесса, включающая три стадии: диффузию атомарного водорода к поверхности дегазации, образование молекул газа, адсорбированных на этой поверхности, и десорбцию молекул водорода с поверхности металла в газовую фазу (вакуум или пузырьки аргона). Предложено математическое описание скорости удаления водорода из металла, основанное на трехстадийной модели. Показано, что при вакуумной обработке скорость выделения водорода из металла меняется с изменением текущего содержания его в металле.
Ключевые слова: вакуумирование стали, удаление водорода, кинетическая модель, диффузия атомарного водорода, образование молекул, их десорбция.
В настоящее время одним из наиболее востребованных видов металлопродукции является листовой прокат для производства газо- и нефтепроводных труб в северном исполнении. К такому металлу предъявляются повышенные требования по ограниче-
нию содержания ряда химических элементов, к числу которых относится водород. Поэтому в процессе выплавки металл такого сортамента всегда проходит вакуумную обработку.
Важным средством совершенствования техноло-
Раздел 3
гии вакуумной обработки является математическое моделирование. Авторами данной статьи ранее была разработана динамическая модель удаления водорода при циркуляционном вакуумировании стали [1]. В модели было принято, что удаление водорода происходит в кинетическом режиме, при котором скорость перехода водорода из металла в газовую фазу вакуумной камеры пропорциональна текущей концентрации водорода. Настройка модели была проведена по результатам вакуумной обработки 36 ковшей низколегированной стали.
Эта модель дала некоторую новую информацию. Например, были выявлены закономерности формирования потока металла, поступающего в вакуумную камеру, и потока, вытекающего из неё в сталеразли-вочный ковш. Однако, как показано на рисунке, конечный результат моделирования - содержание водорода после вакуумной обработки - недостаточно точно совпадал с данными химического анализа металла.
4,0
3,5 3,0 2,5 2,0 1,5
1,0
о
о о
о _ о о о О о ° о
о ^^ о о
о
1,0
4,0
гетерогенном образовании зародышей, удаление при продувке металла инертным газом. В каждом из этих вариантов процесс дегазации рассматривается протекающим в две стадии: диффузия газа из объёма металла к поверхности раздела и переход его в газовую фазу через эту поверхность.
По нашему мнению, в процессе дегазации следует выделять не две, а три стадии:
- диффузию атомов растворенного в металле газа к поверхности дегазации;
- образование молекул газа, адсорбированных на поверхности дегазации;
- десорбцию молекул газа с поверхности дегазации в газовую фазу.
Скорость процесса на каждой из этих стадий определяется следующими формулами:
V
диф
= ^ ([Н ] - [ H ]я );
О
- кмол [Н]п
= Кс [ Н 2]
(1)
(2) (3)
где Vд
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Содержание по анализу, ppm
Сопоставление результатов расчета содержания водорода по модели с данными химического анализа
Линия тренда на рисунке заметно отклоняется от диагонали, соответствующей равенству результатов расчета опытным данным, причем в области относительно высокого содержания водорода после вакуумной обработки (>3 ррт) расчет даёт заниженный, а в области низких содержаний (<2 ррт) - завышенный результат. Это указывает на наличие в модели некоторой систематической ошибки, связанной с неадекватным отражением механизма удаления водорода.
Детальное обобщение результатов многих исследований механизма и кинетики удаления газов при вакуумной обработке стали содержится в монографии Г. Кнюппеля [2]. Автор приводит четыре возможных варианта удаления газов: прямая диффузия в газовую фазу, удаление при гомогенном образовании зародышей газовой фазы в жидком металле, удаление при
'диф , Vмол и ^дес - ск°р°сть диффузии обраЗ°-вания молекул газа и их десорбции соответственно;
[Н] и [Н]п - концентрация атомарного водорода в объёме металла и на поверхности дегазации;
[Н2]п - концентрация молекулярного водорода на поверхности дегазации;
О и 8 - коэффициент диффузии водорода и толщина диффузионного слоя;
кмол и кдес - константы скорости образования
молекул водорода на поверхности дегазации и десорбции их в газовую фазу.
При установившемся режиме скорости всех стадий равны и определяют общую скорость процесса в целом
V = V. , = V = V. . (4)
диф мол дес ^ ^
Если процесс образования молекул водорода на поверхности дегазации представить в виде реакции
2[Н]п = [Н2]п , (5)
то можно написать константу её равновесия [ Н 2 ] п
К =
[Н]
(6)
Из формулы (1) можно найти концентрацию атомарного водорода на поверхности дегазации:
[Н]п = [Н] - Vдuф О ■ (7)
Используя зависимости (1) - (3) и (6), соотношение (4) и исключая из них путем несложных математических преобразований неизвестные величины [ Н ]п и [Н 2]п , можно получить формулу для вы-
V
V
32
Теория и технология металлургического производства
числения скорости удаления водорода:
[Н]2
V = ■
1
кдесК
25 D
(8)
[ Н ]
Обозначив соотношения физико-химических параметров процесса в знаменателе правой части формулы (8) через а и в, получаем
V = ■
[ Н ]2
а + да ]
(9)
Анализ формулы (9) показывает, что в процессе вакуумирования скорость удаления водорода меняется. При относительно высокой концентрации водорода второе слагаемое в знаменателе формулы (9) будет больше первого. Зависимость скорости удаления водорода от текущей концентрации его в металле будет приближаться к линейной. При низкой концентрации водорода второе слагаемое знаменателя будет небольшим и не окажет существенного влияния на скорость дегазации. Зависимость скорости удаления водорода от текущей концентрации в металле будет приближаться к квадратичной.
Все приведенные выше математические разработки сделаны в расчете на единицу поверхности дегазации. Поэтому задаваемая ими скорость удаления водорода относится к единице поверхности дегаза-
Сведения об авторе
Селиванов Валентин Николаевич - канд. техн. наук, проф. института металлургии, машиностроения и материалообра-ботки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-84-49.
Буданов Борис Александрович — канд. техн. наук, доц. института металлургии, машиностроения и материалообработ-ки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-84-49.
Аланкин Дмитрий Васильевич - аспирант института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-84-49.
ции. Наблюдаемая скорость удаления водорода будет зависеть также и от площади поверхности дегазации.
Поверхность дегазации при циркуляционном ва-куумировании стали слагается из двух частей - поверхности жидкого металла, находящегося в вакуумной камере, и поверхности пузырей аргона, проходящих через металл. Вследствие интенсивного движения металл в вакуумной камере имеет сильно развитую поверхность. Определить её площадь с достаточной точностью не представляется возможным. Нельзя также определить и поверхность пузырей аргона. Однако можно предположить, что общая площадь поверхности дегазации будет пропорциональна площади днища вакуумной камеры и расходу аргона. Вид этой зависимости должен определяться в процессе настройки модели по опытным данным.
Литература
1. Аланкин Д.В., Селиванов В.Н., Буданов Б.А. Исследование удаления водорода при циркуляционном вакуу-мировании стали методом синтеза промышленных данных и математической модели // Труды XII конгресса сталеплавильщиков. М.: Металлургиздат, 2013. С. 175177.
2. Кнюппель Г. Раскисление и вакуумная обработка стали. Ч. II. Основы и технология ковшовой металлургии: пер. с нем. М.: Металлургия, 1984. 414 с.
♦ ♦ ♦
