Программный комплекс для моделирования процесса выплавки коррозионностойких марок стали Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 669.018.8 + 519.688

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫПЛАВКИ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ МАРОК СТАЛИ*

Б.И. Леонович, В.В. Натальченко{, Б.В. Ощепков, Е.А. Трофимов

THE PROGRAM COMPLEX FOR MODELING PROCESS OF CORROSION-RESISTING STEELS SMELTING

B.l. Leonovich, V.V. Natalchenko, B.V. Oschepkov, E.A. Trofimov

Проанализированы физико-химические особенности процесса выплавки ряда коррозионностойких марок стали. Разработаны алгоритмы, позволяющие моделировать различные стадии процесса выплавки таких сталей. Созданные алгоритмы реализованы в виде специализированного программного комплекса.

Ключевые слова: коррозионностойкие стали, моделирование процесса выплавки, программный комплекс.

Physical and chemical features of smelting process of corrosion-resisting steels are analyzed. Algorithms are developed, allowing to model various stages of steels smelting process. Created algorithms are realized in the form of the specialized programs complex.

Keywords: corrosion-resisting steels, modeling of smelting process, program complex.

Проблема автоматизации управления производственными процессами в последние десятилетия стала одной из наиболее важных и актуальных. Необходимость ее решения обусловлена возросшими требованиями к качеству продукции, условиям и эффективности производства. Предпосылкой успешного развития автоматизированных систем управления (АСУ) является быстрый прогресс в области технических средств контроля и автоматики, вычислительной техники и математических методов.

Автоматизация управления такими сложными процессами, как выплавка стали, представляет собой многогранную проблему, охватывающую все стороны и этапы производства. Создание АСУ требует изучения комплекса вопросов технического, технологического, экономического и организационного характера [1, 2].

Одним из центральных звеньев управления является технологическая подготовка производства. Технологическая подготовка сталеплавильного производства на каждом этапе связана с анализом большого числа факторов и зависимостей. Вероятностный характер плавки требует рассмотрения возможных отклонений хода процесса от прогнозируемого. Кроме того, построение модели электроплавки стали ограничено знаниями о природе сталеплавильных процессов.

В настоящем исследовании представлены результаты построения алгоритмов при математическом описании процесса выплавки коррозионно-

стойких марок сталей 08-12Х18Н10Т и их реализации на компьютере в среде Microsoft Visual Basic Express 2008. На рис. 1 представлена экранная форма ввода исходных данных. В данном случае предполагается выплавка стали марки 12Х18Н10Т переплавом легированных отходов с применением газообразного кислорода в ДСП, вместимостью 12 тонн и разливка в слитки. Следующим этапом является выбор материалов завалки, задание ограничений по химическому составу и технологических ограничений по количеству. Расчет шихтовых материалов проводится методом линейного программирования (симплекс-методом). При заданном составе материалов и их стоимости получаем минимальную стоимость шихты, удовлетворяющую заданному химическому составу.

Затем по средним значениям коэффициентов

усвоения k,ср (или угара yfp ) химических элементов и известному составу завалки рассчитывается химический состав расплава (рис. 2). Величины этих коэффициентов определены по данным балансовых плавок и в ходе статической обработки данных промышленных плавок.

В таблице «Расчет химического состава шихты и расплава» в приведенной на рис. 2 экранной форме bim, % и Ь/ж, % обозначают соответственно расчетный состав шихты и расплава. Пересчет производился с использованием величин угара

элементов ( yfp ) и всей шихты (уш ) по формуле

* Работа проведена по научной программе Федерального агентства по образованию «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», код проекта - 713.

Финч Прав»:* Йнд Гррвиг Ок#м Исходные данные й Лер но Д плавления Коррект1фудощнн период

БыЗран& старка етаднк 12Х18К1ИТ

Гакрщм щ?&лтг 1$г§5:Р&

т

* -. Этал №1: Выбор марки ( ; стали

Масса слитка к

; Количество слнткоэ ЛИ '

I Вояратт разлкххи, цЩЦ .'

Н к:

; ; На охлаждение н

тоссталопетге

щ,т1,; |» . Ш фтжго

■ *¥ш§;::

■ #Тж1в,'

Садка печи: 12 >5 юнн

жщщщщ|ММ1111111Д1111111|1^^^^^Ш *■ '- - - : -1 1 ' ■

........... ■"

::1ШШ#1вШ

* Результат расчета шюлы ||!;:::|

I Мнкнмумалъная стоимость шнхты Ц®! тшшы материалы

на 1 тонну: 18591,94 Рублен Ь"*й

* С учетам коеффнцнента хыхода жидкого 11:#:|

металла стоимость составит: 184175 рублен '*' '

3»<м* №5 Проверь»е нижние к веукци« иреийн**

1Ж11Ш1ЖШЖ1Ш1И^Ш^^Ш11 ----------------1*1

:I :Щ^ц ДВДШ ШИ ШШШ Ш!Ш1 ДВТМ ||||1|щ МШИ ШЁШ МУ1^ МШЮ ДЙМ.. |||||

|»Н*Г '

ч ■■ ' ' ' ч \ ■* <■ \-л •.?<•'• ^ •. -л ^ ' 51" % 1,"Л '' ' """■ % % -л л ■■ ' ■■ ■■ ■Л^.^-ЛСу.^-л $л\'ач'Йчул\% % ■Л^-л % ^ г

■Жтмржм0жетШт& %$т$Ш£Шцш^т&рт<жша тытжт ж$тШм$ прт^Ш щ*шШ тт

.......* ........................тшжь шгжтш* юття Т&й&шт шяътгж .

Рис. 1. Окно ввода исходных данных

_■ Шттхт дата!» 11е^г»длта»т?ш!я >* У<щ>§?ът$ут1тт- юсцтод

1|1111Ш!1111!1111Ш1Ж!^Ш^^^ШШ^МШШ^ЯШШ1111Ж1Ж|Ш11Ж1Ш11вШЖ11ЖШЖШШЖШвШв1111Ш11Ш1ШШШ1ШШ^®^Ш^^®^^^Щ

............................................................................

^, <■ ,:■■ .;■ >■ :::*/;'^- > ■ ■г '*:•?•:■?г'»;; - \* ::о~ ■:ж -^:й^- *. V* - ■,^ж:№,„*: 'ч**. , х- л\,..

54,434 ПМ?П 54да| 17033 17^77 !ШД

Н№^6 И^Г^И 54 4В.1 1050Д» 10,763 1034^11 44^?"0Д519 12 ^Й8 ■ Н1^% П,Ш7? ШД51|| <Р530 0Л>463 4Д577Ц &&м$й и II

24,765 0 0

65^-2 6396^70^6758,7

: Узг-а^ йееА &&&’в*.ушьс-гн ишхгм :| К^'згффкцнеюг.яьсш.да жндкйг® жталша

I М.ит.1 .метали

.V Г

1й

Утщ> 9ЛеМ»»ПИЯ1

> Квзанаиеит Общин, Ое»е5у^(гг » ш.1ял

р?СЯЛЗД»?» У* ^4Ич4С Кг

Х|«вм 34 да 80 2^6

К^рекмия 5-1/18 Й0 :32£9

Нтвдют- 15,75 п и

Мз^гамц Ш*29 80

Малгйде:» ЯМ •2Г1 П.11

: Вея&фрзгс 20 ОД

Л.^!Ш&ШККН 64?3 100 693

"Г»гтзи 34,7-^ то 24г77 ‘

Железо 13753 20 Г7.59

! 05ч»й >П(. ГГШГЯ ъ; I

\ Кмзкг'иес'-гв* Ш'р^игеДме'-е ^ шлгжк ШШ

0»вце«г кп^счггтзв» яйра.?розщяжя охгидап

Гтзтт.я таигсола.. >:г

1 О’кенд ШлКХй | Шв^сг^ь |Шгш>>т Си-ены С»йД I Шлэша, ] ЯТКЯГЬЯ | ИТОГО

.:■ Сг^ОЗ 39^8.1 0 0 ОЛЗ 04 0 40^7

' -?0Х5 61 л 0,198 0^4 0Й8 1351568

СяО ЙЛП :^2 т хит пт емз:7 гнут

МлО 23Л2 0 0 0 0 0827 23 №~

М&0 А1203 гм)й !ЗДЗ^ :« 2А '3 33 23 26 0^)16 26 4 0,2 2.461 одзгг ЫЛ21 487«

ТЮ2 41^8 0 0 0 0 0 41Д8

Гг. С) Ге20Л 35у1” □дзо 1£ Г,в И Д1Й Я 321 0Д144 0^96 ало.*» 0Л48 збда> 4.371

> Прг/тъг.

■ М^’фКЛ стллн ^ ^ млн«:гь печн . т .: Масс:** ме^яли-Чй^к. ' Мйеь:^ жидр.ьмЧ» ме1. Шлак.аобразч!ЮЩИ1е:

: ИзБежл», кг.........

«5 Шамот, кг...........

МЛЕГ.Т: ЗНЙЛКЯ. КГ

Сг2 03

$Ю2

Ш)

шо

У«0Я

^’03

Ш№

ТЮЗ

ГеО

им

ппА, м........

1Жи1111П! ■1

1Й.Ь £

...99(№,18«

... .9609 |||||р

300 1111

100 1#ф

к:ал?4

шшш_______

КШШ ПЯТИ

шшщшшш

ШЗЯЩШШ

I л#шяе;м Яма*<ж#т* $*жх$о &^№чяых^п^шяш

1*СЛ(* «ГУ &еры*ЛЮЖМ* ту?еХЖН£?ПЪ Л' К1Жрх*ЖХ*р&$КЪ

Рис. 2. Окно вывода результатов моделирования периода плавления

Программный комплекс для моделирования процесса выплавки коррозионностойких марок стали

х-у^/т

100

т - число

К„

100 ^

где Кш =Т^--------; =^

100-уш ,=1

компонентов расплава.

В приведенной на рис. 2 экранной форме показан расход шлакообразующих и футеровки печи, а также сводная таблица расчета состава шлака периода плавления.

Рассчитанные значения оптимального состава шихты, расплава, шлака перед продувкой и технологических параметров периода плавления оформляются в виде протокола плавки.

Фактический состав расплава, как правило, отличается от расчетного вследствие негарантированного состава шихтовых материалов. Разработанная программа предусматривает возможность корректировки состава расплава по данным экспресс-анализа. Расчет корректирующих добавок аналогичен расчету шихты оптимального состава.

Моделирование окислительного периода начинается с определения технологических параметров процесса в специальном окне программы. В этом же окне в процессе расчета отражаются результаты окисления элементов металлического расплава в табличном или графическом изображении (рис. 3).

Известно, что на начальном этапе продувки, в основном, окисляется кремний, а концентрации хрома и углерода изменяются мало [3]. На второй стадии имеет место интенсивное окисление углерода. На заключительной стадии продувки происходит совместное окисление хрома и углерода, однако хром взаимодействует с кислородом более интенсивно. Кроме того, исследование теплового режима позволяет оценить изменение температуры при продувке металла кислородом, используя линейное приближение

Г=Г1 + 6г= 1833 + 17582г.

При аналитическом описании кинетики окислительного периода при выплавке сталей использовано уравнение химической кинетики вида

т

dci{x)jd% = -kn^{-EnJRT)Y\cnkk , (1)

k=1

где kn = const, [cf~n • [г]-1; с, - концентрация /-го компонента, %; щ - порядок реакции по k-му компоненту; Е„ - энергия активации процесса, Дж/моль; R - газовая постоянная, Дж/(моль*К); Т- температура металла, К; т-время процесса, мин; к = 1, 2, 3, ..., m - число окисляющихся компонента

тов расплава; п = ^пк - порядок реакции.

■Ы1

В соответствии с физико-химическими представлениями, если подвод какого-либо компонента

:g| Ко мпо кет ;

Кяэф После продувки Угар

Угар в Ilociymrr Образуется

расплава °о кг уев. о/„ Кг общккргт : шлак,°/о в шлак,кг оксидов,кг

С 0,57 55,24 0Х) 9 8 9,02 46,22 0 0 СО 0

Сг 17^6 1672.73 15,807 1455,32 21^,41 80 173,928 Ci 2 03 254 2

Si 1 ,2 1163 0.129 11,88 104,42 60 62,652 Si02 1343

N1 10,69 1036 Я1 П.СЯ- 10J853 999,21 36,8 0 П NiO 0

Мп 0,23 22,29 0,025 23 19,99 80 15,992 : MnO 20j6

Мо 0.11 10^66 О.^Я) 0,116 10,68 0J02 20 QJ004 МоОЗ 0

W 0Л5 4,85 П.9П0 0 Р56 5,16 0,31 20 0,062 W03 0,1

А1 0.02 1,94 0 0 1,94 100 154 А1203 ; 3/7

Ti 0 0 0 0 0 100 0 ; ТЮ2 0

Fe 69.8” 6771.36 72,916 6713.23 58,13 20 11,626 FeO 14,9

Итого юо; Wi 1 0,9.' im В У>ърЛ2 4Г f,

ИИМШШ' [ :

Рис. 3. Окно вывода результатов моделирования окислительного периода

к месту его взаимодеиствия с другими элементами не лимитирует протекание химического акта, то данная реакция имеет по этому компоненту нулевой порядок. Поскольку в период окислительного рафинирования металлического расплава всегда имеется избыток поступающего в ванну кислорода, то можно полагать, что любая реакция окисления имеет нулевой порядок по кислороду. Для остальных компонентов реакции их окисления будут иметь либо нулевой, либо первый порядок, что следует из стадийности процесса окислительного рафинирования хромоникелевого расплава. В соответствии с этими положениями на первом этапе продувки, в основном, окисляется кремний, а концентрации хрома и углерода изменяются мало. На данном этапе продувки порядок реакции по кремнию равен единице, а по углероду и хрому -нулю. На втором этапе имеет место интенсивное окисление углерода, реакция имеет первый порядок, по хрому же - порядок прежний. На заключительной стадии происходит совместное окисление хрома и углерода, однако хром взаимодействует с кислородом более интенсивно. Можно полагать, что на данном этапе продувки реакция окисления хрома имеет первый порядок [4].

Уравнение (1) является детерминированной математической моделью для скорости окисления компонентов расплава. При его интегрировании находили зависимость от т, когда порядок реакции по /-му компоненту равен пь а по остальным компонентам равен нулю:

гехрО)

с)~'Чт) = {п,-\)к-п,Еж

М

киЕи Гехр(0 .

(2)

При щ = 1 1пс;(г) = — г—(к + Мь

М * г

где / = Еп /[К{Тг +Ьт)] = Ап/(Тг + Ьт); кш - постоянная, относящаяся к реакции /-го компонента; Н0 и N1 - постоянные интегрирования.

После разложения экспонент в ряд Маклорена и определения постоянных интегрирования из начальных условий:

N0 -> с, = с0, при т = 0 и 4 = ~4>, !Т\,

/У] -> с,. = с* при £ = -Ли /(7| + Ьт*),

где г,- - момент времени начала второй стадии окисления /-го компонента, будем иметь:

С, = Сщ -

1п

ь

_1_1 /° г

ккг V

+ 1п

\Л-

1_1 *

г

+ 1п

'I'

V г0/ у

О к

V*!/

+ у

ш(к + щ

оо ,к ,*к

(3)

Ш + !)!*_

где с1 определяется из первого уравнения при

Величины кы, Еы, Ь, ^ - параметры модели. Константа Ъ определена выше: Ь = 17,82 К-мин"1. Значения других постоянных имеют вид:

Компо- нент/ * г,, мин Е0/Я Е1/11 кш кц

(Мп) 0 - 10 000 - 17,00

С 8 1000 10 000 0,0207 17,96

Сг 15 1000 10 000 0,0382 1,96

Кремний окисляется в одну стадию, то есть будет иметь место только первое из уравнений (3), тогда окисление кремния при заданных ранее параметрах и условиях будет протекать по уравнению

“ С , .л ( \

1 1 + 1п , г

/°

1

ы\ (£ + !)!£

(4)

Углерод окисляется в две стадии (кинетическая и диффузионная), поэтому для расчёта его окисления необходимы два уравнения:

сг ~ Сое “

^ос4)с

1п

ъ

_ ЬсАс

_1_

/°

_1_

*

кЧс

-1п

/°

\Чс)

г-«

О к

ОС

+ 1п

\ус;

Аналогично для хрома:

\Чс;

ССг - СОСг

1п

крСгА)Сг

/ \ £о_ б и 1 1

кССх J Ь

1

/°

V ОСг

ЧПСг

+ 1п

+ 1п

\

1

/°

ЧГОСгУ \

1

к=\ (к+\)\к

оо Л ,*к

у1 1 ПС

'шк+т

Л ,0к ' 1 ~ ОСг

(5)

£{к + \)\к

оо Ж /к у 1 ~ПСг

'км\к

(6)

Кинетические закономерности при продувке металла кислородом при выбранных значениях технологических параметров и исходном составе расплава при окислении кремния, марганца, углерода и хрома представлены в соответствующем окне программы (см. рис. 3). По окончании продувки кислородом производится расчет состава металла и шлака. При этом формируется протокол плавки и строится график окисления компонентов расплава.

Реализованная в рамках программного комплекса модель восстановительного периода предполагает возможность выбора варианта раскисления (из различных вариантов, предусмотренных технологическими инструкциями). После этого производится расчет состава шлака и металла, результаты которого отражают данные таблиц соответствующей экранной формы.

В ходе моделирования следующего этапа восстановительного периода производится выбор охлаждающих добавок и шлакообразующих. Охлаждающие добавки выбираются из базы данных и указываются их количества. Аналогично производится выбор вариантов наведения рафинировочного шлака после его скачивания.

В рамках модели возможна корректировка состава металла с использованием ферросплавов и чистых материалов. При этом расчет методом ли-

Программный комплекс для моделирования процесса выплавки коррозионностойких марок стали

, ФаЬг Цщ т*%ж ''

Исходные данные j Период плавлении ^ Корректирующий лернод Окнслтелъный период ^ Период постановления

BbiSpaita. тщъ&сияжг. 12Х18Ш0Т §§ Тешущее крыш; 19:32:11

"1 ’’ё к

Расхнгленне Охлаждение Корректировка и легирование

\ _______________________________________________ ___________________

- \' -f tr# :* ■■ да- *. к:'.;; w ;

■::¥::-: ::.- -й ^ % 5 Жт--- >■■ ^ j

ggm ж

Итого

v^sv'- *■**■ ■>щ-уж.,:;$шт;уму;М1Ш«щ «шшттАакдм^' , s'

I - t-??vГW "f * ■: AifoT* '■ Й

Рис. 4. Окно вывода результатов моделирования восстановительного периода (корректировка состава расплава и легирование)

нейного программирования предполагает использование технологических ограничений по количеству металла после корректирования расплава. Выбор материалов и вывод результатов расчета осуществляются посредством экранной формы, представленной на рис. 4.

Наряду с корректировкой состава металла моделируется процесс легирования расплава необходимыми материалами. Для стали 08-12Х18Н10Т легирование может быть проведено высоко- или низкопроцентным ферротитаном в зависимости от способа присадки.

Если все установленные пределы удовлетворяют исходно заданным и решение найдено, моделирование плавки завершается и программа формирует итоговый протокол плавильной карты.

Выводы

1. Проанализированы физико-химические особенности процесса выплавки ряда коррозионностойких марок стали.

2. Разработаны алгоритмы, позволяющие моделировать различные стадии технологического процесса выплавки (подбор шихты, расплавление, окислительную продувку, восстановление).

3. Посредством среды программирования Microsoft Visual Basic Express 2008 созданные алгоритмы реализованы в форме специализированного программного комплекса.

Литература

1. Глинков, Г. М. Автоматизированные системы управления в металлургии / Г. М. Глинков // «Металлургическая теплотехника. Оборудование, измерение, контроль и автоматизация в металлургическом производстве. Т. 7 (Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР). -М, 1986.-С 48-97.

2. Савченко, Т.К. Технологическая подготовка электроплавки стали / Т.К. Савченко, Д. Г. Атли-ваник, М.Ф. Галкин. — М.: Металлургия, 1981. — 132 а

3. Курдюмов, А.В. Расчет оптимального состава шихты на ЭВМ/ А.В. Курдюмов, Э.Б. Тен. — М.: Металлургия, 1984. - 72 с.

4. Дильдин, А.Н Математическая модель окислительного периода при выплавке коррозионностойких сталей в дуговых сталеплавильных печах / А.Н. Дильдин, Б.И. Леонович // Изв. вузов. Черная металлургия. — 2007. —М 12. — С. 22—24.

Поступила в редакцию 4 февраля 2010 г.