CC BY
107
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
УДК 621.385.6:669
© Сущенко А.В.1, Попов Е.С.2, Сидорчук Р.С.3, Орличенко М.П.4, Гриценко А.С.5
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ И РАЗРАБОТКА ПРИКЛАДНОЙ ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА БАЛАНСА КИСЛОРОДА КОНВЕРТЕРНОЙ ПЛАВКИ
Выполнен сравнительный анализ известных методик расчета материального и теплового балансов, а также баланса кислорода конвертерной плавки, показаны имеющиеся противоречия и неточности. Разработана усовершенствованная методика и соответствующая прикладная программа для расчета баланса кислорода. Выполнена их адаптация к условиям работы 350-т конвертеров ПАО «МК «Азовсталь».
Ключевые слова: конвертерная плавка, технический кислород, баланс кислорода, методика расчета, прикладная программа, адаптация.
Сущенко А.В., Попов Е.С., адорчук Р.С., Орлiченко М.П., Гриценко О.С. Вдосконалення методики та розробка прикладное програми для розрахунку балансу кисню конвертерное плавки. Виконаний пор1вняльний анал1з в1домих методик розрахунку матер1ального та теплового балансов, а також балансу кисню конвертерног плавки, показанi суперечност1 та неточност1, що маються. Розроблена удосконалена методика та вiдповiдна прикладна програма для розрахунку балансу кисню. Виконана гх адаптащя до умов роботи 350-т конверторiв ПАТ «МК «Азовсталь».
Ключовi слова: конвертерна плавка,техтчний кисень, баланс кисню, методика розрахунку, прикладна програма, адаптащя.
A.V. Sushchenko, E.S. Popov, R.S. Sidorchuk, M.P. Orlichenko, O.S. Gritsenko. Perfection of methodology and development of an applied program for calculation of balance of oxygen of the converter melt. The comparative analysis of known methodologies of calculation of material and thermal balances, and balance of oxygen in the converter melting was executed, contradictions and inaccuracies were shown. The improved methodology and corresponding application program for the calculation of balance of oxygen are designed. Their adaptation to the operation conditions of 350mt converters of PAS «MK «Azovsteel» was executed.
Keywords: converter melting, technical oxygen, balance of oxygen, methodology of calculation, application program, adaptation.
Постановка проблемы. Блок расчета расхода кислорода дутья на плавку (включающий соответствующие методики и алгоритмы) является одной из основных составляющих специального программного обеспечения автоматизированной системы динамического контроля и управления кислородно-конвертерным процессом. Совместно с подсистемами газового анализа и прогнозирования содержания углерода в металлическом расплаве он определяет момент окончания продувки плавки и используется для непрерывной корректировки настроечных коэффициентов расчетных моделей (статической и динамической) по различным каналам обратной связи. При управлении процессом машинистом дистрибутора
1 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
2 директор по технологии и качеству ПАО «МК «Азовсталь» Группы Метинвест, г. Мариуполь
3 начальник технологического управления ПАО МК «Азовсталь» Группы Метинвест, г. Мариуполь
4 начальник сталеплавильного отдела технологического управления ПАО МК «Азовсталь» Группы Метинвест, г. Мариуполь
5 специалист второй категории ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
в ручном режиме момент окончания продувки плавки определяется по параметрам газового факела (светимости и конфигурации), а также на основе оперативного сравнительного анализа входных и выходных параметров предыдущих и входных параметров текущей плавки. Одним из ключевых регулируемых параметров при этом является суммарный расход кислорода дутья на плавку. Поэтому, применение даже относительно простых (работающих в режиме «советчика») прикладных программ, позволяющих прогнозировать необходимый расход дутья (по входным параметрам текущей плавки, а более точно с использованием базы данных предыдущих плавок), позволяет повысить точность определения момента времени остановки продувки и, как следствие, улучшить технико-экономические показатели плавок. Эффективность работы таких программ существенным образом зависит от адекватности используемой методики расчета баланса кислорода конвертерной плавки. Подробный анализ всех составляющих расходной части этого баланса позволяет выявлять и использовать дополнительные резервы конвертерного процесса, а также правильно нормировать расход технического кислорода (дутья) на плавку в зависимости от параметров шихтовки, используемых материалов, марки выплавляемой стали и особенностей используемой технологии конвертирования чугуна.
Анализ последних исследований и публикаций. Большинство используемых до настоящего времени методик расчета баланса кислорода конвертерной плавки базируются на основных положениях работ [1, 2]. При этом имеющиеся в известных методиках противоречия и неточности могут приводить к значительным погрешностям при вычислениях, а в некоторых случаях даже к неверным выводам при анализе технологических показателей плавок.
Так, например, авторы работ [1, 3] считают, что диоксид углерода СО2 (потери при прокаливании - ППП), который содержится в недообожженных шлакообразующих материалах - ШОМ (известь, известняк и др.) в процессе конвертерной плавки реагирует с металлическим расплавом, участвуя в окислительных реакциях, что приводит, в конечном итоге, к снижению необходимого расхода кислорода дутья на плавку на величину, равную 80 - 90 % от количества кислорода в ППП ШОМ. Однако, с этим трудно согласиться по следующим причинам:
1) большая часть извести, как правило, подается в конвертер в процессе продувки плавки сверху на шлак. При этом куски извести не погружаются в металл (находятся в верхних слоях шлака) и выделяющийся из них остаточный СО2 уносится с отходящими газами вверх в полость конвертера и не контактирует с металлическим расплавом;
2) мелкая фракция извести может дообжигаться еще до попадания в ванну - при движении в противотоке с горячими отходящими газами в полости конвертера;
3) при условии, что часть извести может быть загружена на днище конвертера, она частично дообжигается при нагреве от горячей футеровки конвертера (и остатков шлака) до заливки чугуна.
Следует также отметить, что ряд исследователей [2, 4-7] не учитывают влияние ППП извести и других шлакообразующих материалов на расход кислорода дутья на конвертерную плавку, что также является не совсем корректным.
Очевидно, что в некоторых случаях (при отдаче большого количества ШОМ на лом без задержки с заливкой чугуна или на чугун до момента формирования первичного шлака) возможно частичное реагирование СО2 ППП ШОМ с чугуном. При необходимости учета этого процесса в расчетах (например, при использовании извести шахтных печей, известняка или специальных флюсов с высоким значением ППП) требуется дополнительная информация о режиме присадки ШОМ на каждой плавке. В случае использования материалов с ППП до 5% (например, извести вращающихся печей) влиянием указанного процесса на баланс кислорода конвертерной плавки можно пренебречь: даже при отдаче 60 % всех ШОМ на лом и 100 % - ом реагировании СО2 с чугуном, изменение расхода кислорода дутья на плавку составит менее 1%.
Авторы [2] считают, что при переходе серы из металла в шлаковую фазу высвобождается кислород из оксидов железа в соответствии с результирующей реакцией:
(БеО) + = (Бев) + (О). (1)
При этом они вычитают массу высвобожденного кислорода от требуемого его расхода на окисление примесей. Это является некорректным по следующим причинам:
1) в соответствии с методиками расчета расхода кислорода [1, 2 и др.] содержание (БеО) в шлаке задается фиксированным значением или определяется по известным выражениям,
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
например, в зависимости от содержания углерода в металле после продувки, до начала расчета. При этом величина (БеО) и количество кислорода, затраченное на его образование, не зависят от протекания реакции (1);
2) по данным [8 и др.] сера переходит в шлак не по (1) а в соответствии с уравнением реакции десульфурации
И + Fe + (СаО) = (СаБ) + (БеО), (2)
т. е. без выделения свободного кислорода.
Сера удаляется из металлического расплава в шлаковую фазу и в газ. В последнем случае на ее окисление (до SO2) затрачивается кислород. Доля серы (от общего её количества в шихтовых материалах), перешедшей в газовую фазу, по различным данным находится в пределах 5-15% и зависит от большого количества кинетических и термодинамических параметров плавки. В [3, 6, 7] удаление серы в газовую фазу не учитывают.
При расчете расхода кислорода на окисление углерода расплава большинство авторов, в том числе [1-3], принимают, что в смеси газов (СО + СО2) на выходе из ванны содержится 10% СО2; отмечается, что эта величина изменяется в диапазоне 5 - 15 (10-15)%. При этом не учитываются тип шихтовки плавки, а также характер протекания процессов обезуглероживания расплава и шлакообразования. В [6] принимают, что в выходящих из ванны газах СО2 отсутствует; он образуется в полости конвертера за счет расходования всего неусвоенного ванной кислорода дутья на дожигание СО. Автор [1] считает, что неусвоенный кислород дутья дополнительно дожигает 10% СО в отходящих газах над ванной. В соответствии с расчетными схемами [2, 3, 7] неусвоенный кислород дутья не участвует в процессах дожигания СО в полости конвертера, что приводит к неточностям расчета теплового баланса конвертерной плавки.
Следует отметить, что до настоящего времени процессы угара железа «в дым», испарения железа и его оксидов в высокотемпературной реакционной зоне конвертера изучены недостаточно. Так, в [2] принимают, что угар железа «в дым» (до Бе2О3) составляет 1,5% от массы металлошихты. Автор [1] при расчете материального и теплового балансов конвертерной плавки его не учитывает. По данным других работ эта величина колеблется от 0,3 до 2,1%, также до конца не ясна природа этого процесса (считают, что железо в пыли отходящих газов находится в виде: чистого Бе, БеО, Бе2О3 и их смесей) [9, 10 и др.]. Это может привести к существенным погрешностям при определении расхода кислорода дутья на плавку. Так, при расчете необходимого количества кислорода дутья на додувку конвертерной плавки в [11] отсутствие учета затрат кислорода на окисление железа пыли, как отмечают и сами авторы [11], привело к заметному отличию расчетных и экспериментальных значений расхода дутья.
По мнению авторов работы [11], при определении требуемого расхода кислорода на плавку необходимо учитывать кислород, растворенный в металлическом расплаве конвертерной ванны. Как показывают расчеты, влияние количества растворенного в металле кислорода на суммарный расход кислорода дутья на плавку при содержании углерода в металле после продувки [С]Ме > 0,08% пренебрежимо мало. С уменьшением величины [С] Ме оно усиливается, однако, даже при [С]Ме = 0,03 - 0,05 %, не превышает 1,5%.
В работе [12] справедливо отмечается, что во многих используемых до настоящего времени методиках расчета материального и теплового балансов конвертерной плавки и соответствующих программных решениях устарели исходные данные и ряд расчетных зависимостей. Применяемые, в т.ч. в учебных целях, прикладные программы реализованы в устаревших пакетах программирования, которые в настоящее время не могут дать удобного представления информации. Так не учитываются: особенности конвертерной плавки при использовании: различных видов металлоохладителей (одновременно), высокомагнезиальных ШОМ, дополнительных теплоносителей, новых типов кислородных фурм (в т. ч. обеспечивающих интенсификацию дожигания СО в полости агрегата, вдувание порошкообразных материалов), новых видов периклазоуглеродистых огнеупоров, при наличии промежуточного скачивания шлака, выполнении перед плавкой операций факельного торкретирования или/и раздувки струями азота модифицированного конечного шлака на футеровку (нанесение шлакового гарнисажа) и др.
Целью настоящего исследования являлось разработка усовершенствованной методики и прикладной программы для расчета баланса кислорода конвертерной плавки и их адаптация к
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
условиям работы 350-т конвертеров ПАО «МК «Азовсталь».
Изложение основного материала. Разработанная методика расчета расхода кислорода дутья на конвертерную плавку (и соответствующая прикладная программа ASAG версия 2.1 -для нормирования расхода технического кислорода), в отличие от других известных методик, учитывает: 1) в металлоохладителях (МО), кроме основного - лома стального углеродистого, наличие: скрапа, скрапа ошлакованного, чугуна чушкового, лома чугуна, лома «обрезь», легированного лома. Предусмотрена возможность ввода дополнительных МО; 2) в шлакообразующих материалах (ШОМ), кроме основного - извести вращающихся печей, наличие MgO-содержащих флюсов: DALSLAG Р-71, PL-66, P55BR, PN-FL60, ОДФ, ОДФ-К50. Предусмотрена возможность ввода дополнительных ШОМ; 3) наличие дополнительного углеродсодержащего материала (УСМ): уголь марок АКО, АО, кокс, «коксовый орешек». Предусмотрена возможность ввода других видов твердого топлива; 4) одновременное участие в плавке до 10 позиций каждого из видов материалов (МО, ШОМ, УСМ); 5) кроме поступления в плавку части футеровки конвертера дополнительно части шлакового гарнисажа на футеровке (при выполнении перед плавкой операции азотной раздувки конечного шлака на стены агрегата) и/или торкретпокрытия (при наличии факельного или полусухого торкретирования).
Методика (прикладная программа) позволяет рассчитать: теоретически необходимый расход дутья (технического кислорода) на плавку, нм3/плавку, удельный расход (нм3/т годного металла) и полный баланс технического кислорода. При этом также определяется масса и химический состав конечного шлака.
Исходными данными являются: 1) металлосадка (жидкий чугун + лом + дополнительные МО), G0, т; 2) масса годного (или жидкого) металла, Gгод, т; 3) параметры чугуна; удельные
расходы (кг/т годного): 4) дополнительных (кроме лома стального углеродистого) МО, 5) извести и дополнительных ШОМ, 6) углеродсодержащих материалов; массы (т/плавку): миксерного (доменного) шлака, Ош чуг, перешедших в плавку 8) футеровки, Офут и 9) шлакового
гарнисажа, Сгарн; 10) химические составы материалов, используемых в конвертерной плавке (МО, ШОМ, УСМ, миксерный (доменный) шлак, футеровка конвертера, шлаковый гарнисаж и др.), задаются в виде - см. рис. 1; 11) чистота технического кислорода, kО2дут, %; 12) состав металла после продувки.
а в лен не материала
ЕВИ
Наименование материала |Л ом стальной углерод
Щ 97,02 ? СаО: О % СП 0
С: 0,2 ? SI02: 0,7 % СО 2: 0
Si: 0,15 ? МдО: 0 N2: 0
Мм: \05 ? P2G5' 0 % 02: 0
S: 0,04 ? МпО: 0 % hi 20: 0,1
Р: 0,04 ? AI2G3: 0,25 Si Н2: I
Ti: 0 ? FsO: 0,3 % S02: 0
Q: 0 ? Fs203: 0,7 ■Оу * Сумма:
Zn: 0 ? CaF- I У
Mo: О ? TiC2: У 'О
У у
у %
%
у у
Сокранить
Назад
Рис. 1 - Окно ввода химического состава материала, используемого в конвертерной плавке
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
В качестве исходной информации также используются эмпирические и полуэмпирические настроечные коэффициенты модели, которые предварительно определялись на основе анализа данных балансовых плавок и статистической обработки представительных массивов плавок: 13) коэффициент усвоения извести, кизв, в долях; 14) коэффициенты усвоения
ШОМ, кШОМ; 15) коэффициенты усвоения УСМ, куголъ; 16) коэффициент усвоения кислорода
дутья, кдут; 17) коэффициент для расчета содержания оксидов железа в шлаке, кх; 18) угар
железа в дым, кРеугар , в долях от металлосадки; 19) доля углерода расплава, окисляющегося до
СО2, ; 20) доля углерода УСМ, окисляющегося до СО2, кСО^ уголъ; 21) количество серы,
переходящее в газовую фазу, к5ат, % от общего её количества удаляемого за плавку.
Приходная часть баланса кислорода конвертерной плавки включает в себя две основные составляющие: кислород дутья и кислород оксидов железа, содержащихся в металлошихте, шлакообразующих и других сыпучих материалах, загружаемых в конвертер в процессе плавки. В отдельных случаях также учитывается дополнительный приход кислорода из ППП ШОМ.
Составляющие расходной части баланса кислорода конвертерной плавки: кислород, затраченный на окисление: 1) С расплава; 2) С топлива (угля); 3) Si расплава; 4) Мп расплава; 5) Р расплава; 6) S расплава в газовую фазу; 7) Fe расплава с переходом оксидов в шлак; 8) Fe расплава с переходом оксидов «в дым», а также 8) кислород дутья, неусвоенный (ванной).
Если в приходной части баланса указывают технический кислород, то в расходную необходимо дополнительно включать 9) примеси кислорода дутья.
Расходы кислорода на окисление примесей расплава (С, Si, Мп, Р, S) определяются в соответствии со стехиометрическими коэффициентами результирующих реакций. Для определения доли углерода расплава окисляющегося до СО2 используется переменный коэффициент 2со2. На основе обработки показаний масспектрометрической системы анализа состава отходящих конвертерных газов «ГРАНАТ», с учетом рабочих характеристик дымососа, получено, что при применении обычных (однопоточных) кислородных фурм, значение находится в пределах 8 - 12 % и зависит, прежде всего, от окисленности шлака и температурного режима плавки; оно ближе к верхней границе (из указанного диапазона) при «холодных» шихтовках и высокой окисленности шлака, и ближе к нижней границе при «горячем» ходе процесса и низком содержании оксидов железа в шлаке.
На основе анализа данных различных работ значение коэффициента к8асв принято
равным 7,5 %.
Расход кислорода на угар железа «в дым» определяли, с использованием результатов исследований [10 и др.], по формуле:
48
тОедыш = 0.6-100• креугар ■ ^ (3)
где 0,6 - эмпирический коэффициент, учитывающий доли железа окисляющегося в FeO и Fe2O3 дыма от общего количества угара железа «в дым»; кРеугар - доля железа (от
металлосадки) перешедшего «в дым»; 48/112 - относительное количество кислорода, расходуемого на окисление Fe до Fe2O3, кг О2 / кг Fe.
Сравнение различных известных зависимостей для определения содержания оксидов железа в шлаке (см. рис. 2) показало, что для сложившихся условий работы ККЦ ПАО «МК «Азовсталь» лучшее совпадение с промышленными данными дает зависимость [3], преобразованная к виду:
(РеО)-=?ЙГ/5' ^ ^ • (4)
где к1, п - эмпирические коэффициенты, зависящие от типа шихтовки плавки («горячая», «холодная») вида металлоохладителей, организации дутьевого режима, состояния футеровки конвертера и др.; [С]ме - содержание углерода в металле после продувки, %; В - основность шлака, равная отношению (СаО + MgO)/^Ю2 + Р2О5).
Серiя: TexHÍ4HÍ науки ISSN 2225-6733
Рис. 2 - Результаты расчета содержания (FeO) в шлаке после продувки (при В =
3,0) по выражениям, приведенным в: [1, 13] - а); [3] - б); [6] - в); в [7] - г); а также
по зависимости (4) при значениях k1 = 4,5 и n = 3 (для «холодных» шихтовок
плавок) - д)
Получено, что при [C ] < 0,08% для условий «горячей», «нормальной» и «холодной» шихтовок плавок значения коэффициентов kx, (п) соответственно равны 4,5 (4,0); 4,9 (4,0) и 4,5 (3,0) (см. рис. 3).
В начале расчета производится пересчет расходов чугуна жидкого, всех МО, ШОМ и УСМ, а также футеровки, шлакового гарнисажа, миксерного шлака, перешедших в плавку, на удельные - m, кг/100 кг металлошихты (МШ).
Масса лома стального углеродистого определяется, как:
пМО
тлом = 100 - тчуг - Е тмо^ , кг/100 кг МШ, (5)
i=1
где пМО - количество видов дополнительных МО.
Массы окислившихся элементов (С, Si, Mn, P, S) вычисляются последовательно по выражению, кг/100 кг МШ:
^m[E] — (тчуг [E]чуг + тлом [E]лом + тизв [E]изв + тфут ■ [Е]фут + тш.чуг ' [E]ш.чуг + тгарн ' [E]гарн +
пМО пШОМ пУСМ (6)
+ Е тМО,i ■ [E]MO,i + Е тШОМ,i ■ [E] ШОМ,i + Е тУСМ,i ■ [E]УСМi - тст ■ [E]ст )/100,
i=1 i=1 i=1
где Е - содержание химического элемента, % масс.; пШОМ, пУСМ - количество видов дополнительных ШОМ и УСМ; индексы обозначают параметры: чуг - жидкого чугуна; лом -лома стального углеродистого; изв - извести; фут - футеровки; ш. чуг - миксерного шлака; гарн - шлакового гарнисажа; ст - металла после продувки.
Результирующие массы оксидов, переходящих в шлаковую фазу (CaO, SiO2, MgO, P2O5, МпО, Al2O3, TiO2, CaF и др.) вычисляются последовательно по выражению, кг/100 кг МШ:
т(Е,Су ) = (тлом ■ (ExOy L + тизв ■ (ExOy L + тфут ■ (ExOy )фут + тш.чуг ■ (ExOy )ШЛуг +
, . пМО , . пШОМ , .
■ \ExOy L + Е тМО,г ■ (ExOy )м0,г + Е ^ОМ,г ■ (ExOy )шОМi + (7)
пМО пШОМ
+ тгарн ■ \ExOy )2арн + Е тМО> ■ (ExOy L i + Е ^ОМ,г ■ \ExOy )шоМ i +
i=1 i=1
пУСМ i ч UEO
ЕтУСМ,i ■(EOy)УСМ1 )/100 + "
_ УСМ i y УСМ E ] x U
i=1 Л ' He
где и - молекулярная масса.
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2013р. Серiя: Техшчш науки Вип.26
ISSN 2225-6733
Ч О
в) О
Рис. 3 - Зависимость содержания (БеО) в шлаке от содержания углерода в металле после продувки (декабрь 2012 г.) при «горячей» (а), «нормальной» (б) и «холодной» (в) шихтовках плавок и основности шлака В = 2,5 - 3,0 (среднемесячное значение 2,7); красные квадратики - фактические, синие ромбики - расчетные значения
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
Масса гомогенного шлака, кг/100 кг МШ:
тСаО + + тМО + тМпО + ™Р205 + тАО + ЩгОг + тСаГ + ... +
к & ___
1 S ,г03
100
тш= Г^^О) (^Щ) " ~ (8)
1 _ V /шл \ 2 3 /шл
100 100 Массы оксидов железа в шлаке, кг/100 кг МШ:
т (Гв0) тшп (Гв9 03)
т =_шЛ-ш; тРв0 = ^ 2 ъ,шл (9)
Гв0 100 Рвг° 100 Масса образовавшегося за плавку оксида железа БеО в шлаке равна:
АтГв0 = тГв0 _ (тлом ■ (Гв0)лом + тизв ■ (Гв0)изе + тфут ' (Гв0)фут +
пМО
+ тшчуг • (Гв0)ш.чу2 + тгарн ' (Гв0)гарн + Е ПМОЦ ' (Гв0)м0,1 + (10)
фут V 'фут
пМО
■тгарн '(гв0)гари + Е 1=1
пШОМ пУСМ
+ Е тшом, ■ (гв0)шом,, + Е тУсм,, ■ (гв0Ум,, )/100
1=1 1=1
Аналогично (10) определяется и масса образовавшегося за плавку оксида железа Бе2О3. Масса окислившегося железа в шлак, кг/100 кг МШ:
АтГв = АтГв0 72 + АтГв203 (11)
Масса кислорода на окисление углерода расплава, кг/100 кг МШ:
т°г = ат[с ] •(1 _ ^СОг)- у6+т ] • ^ • 12 (12)
Масса кислорода на окисление углерода угля, кг/100 кг МШ
3?У
к.
(пУСМ (, Ч 16 32
т02 = [ Е т • [С] •|(1 _ к )•— + к •— \к (13)
"1Суголъ ^ / /ПУСМ,1 \У-\УСМ,1 со2, уголь) 12 со2, уголь 12 J уголь V1"'/
Масса кислорода на окисление железа в шлак, кг/100 кг МШ:
0 Л 16 А 48
т0 = АтГв0 — + АтГвг03 — (14)
Масса кислорода на окисление железа в дым т°^дым, кг/100 кг МШ, определяется по формуле (3). Массы кислорода на окисление примесей Si ,Мп, Р вычисляются последовательно по выражению, кг/100 кг МШ:
т02 = Ат[Е] ^^ (15)
2
'-""[Е ]
х • Ме
Масса кислорода на окисление серы, удаляемой в газовую фазу, кг/100 кг МШ:
0, Л кS ,203 32
т0 = Дт„ —:------(16)
S S 100 32 Суммарный расход «чистого» кислорода на плавку, кг/100 кг МШ:
т02 = (т°2 + т°уголъ + т° + т0^ + т° + т°0п + т° + т°°2 +...) / к^ (17)
Расход технического кислорода (дутья) на плавку:
тдутъя = т0г • 100/ко2,дут, кг/100 кг МШ;
Кутья = тдутъя • 10 • ^ /1.33, нм3/плавку (18)
Удутъя = Кдутья / ^од , нм3/т гOДнOгO,
где 1,33 - плотность технического кислорода при нормальных технических условиях (при давлении 1,0133^ 105 Па и температуре 20 оС, т. е. 293 оК - при условии измерения расхода кислорода в цехе).
Прикладная программа для расчета расхода кислорода на конвертерную плавку (ASAG
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
2.1) разработана в среде «Borland Delphi 7». Ее выполнение на ПК возможно при установленной операционной системе «Windows» любой версии. Объем исполняемого файла -0,6 МБ. Требуемое количество оперативной памяти для работы программы - 4 МБ. Вся информация о химических составах металлоохладителей, шлакообразующих и углеродсодержащих материалов, подаваемых в конвертер, футеровки, шлакового гарнисажа и миксерного/доменного шлака, а также настроечные коэффициенты хранятся на жестком диске ПК в виде пополняемой базы данных, что позволяет сократить время на подготовку и ввод исходной информации. Результаты работы программы можно копировать или переносить в другие приложения (например, в Microsoft Word), что облегчает их использование в документах.
В качестве примера, в таблице 1 приведены результаты расчета всех составляющих расходной части баланса технического кислорода на плавках № 1300060 и № 2300061, которые были проведены подряд на разных конвертерах с использованием и без использования дополнительного топлива (угля) соответственно. На рисунке 4 показаны результаты сравнения расчетных и фактических значений необходимого расхода технического кислорода по массивам плавок, взятых подряд, без существенных отклонений от технологического процесса (при отсутствии: промежуточного скачивания шлака, значительных выбросов шлако-металлической эмульсии и выносов металла из конвертера, додувок). Как следует из представленных данных, на плавках без использования дополнительного углеродсодержащего материала - угля, а также при умеренных его расходах (до 1 - 1,5 т/плавку) имеет место достаточно хорошее соответствие расчетных и фактических значений Удутья . Относительное
отклонение составляет не более 2%, что, с учетом погрешности измерительной системы расхода кислорода, а также погрешностей определения исходных данных (массовые расходы материалов, степень замусоренности лома, степень зашлакованности скрапа и т. п.), свидетельствует об адекватности разработанной методики расчета расхода технического кислорода. При больших расходах угля погрешность определения необходимого расхода кислорода дутья на плавку возрастает до 5% и более. Фактические значения ¥дутья становятся стабильно меньше расчетных, что, очевидно, связано с ухудшением усвоения углеродсодержащих материалов; величина kyzojb является сложной функцией от таких параметров, таких как: фракционный состав, расход, способ отдачи УСМ и т. д.
Таблица 1
Результаты расчетов баланса и необходимого расхода
технического кислорода на плавках № 1300060 и № 1° 2300061
Составляющие расходной части Плавка № 1300060 Плавка № 2300061
баланса технического кислорода кг / 100 кг МШ % кг / 100 кг МШ %
На окисление С расплава 4,656 67,01 4,768 73,86
На окисление Si расплава 0,735 10,58 0,723 11,21
На окисление Мп расплава 0,107 1,53 0,098 1,52
На окисление Р расплава 0,057 0,82 0,059 0,91
На окисление S в газовую фазу <0,001 <0,01 <0,001 <0,01
На окисление Fe в шлак 0,444 6,40 0,326 5,05
На окисление Fe в дым 0,257 3,70 0,257 3,98
На окисление С топлива 0,450 6,48 0,0 0,0
Итого на окисление 6,914 96,5 6,424 96,5
Неусвоенный ванной кислород 0,208 3,0 0,194 3,0
Примеси кислорода дутья 0,0347 0,5 0,0323 0,5
Суммарный расход технического кислорода (дутья) 6,949 100 6,456 100
Суммарный расход технического кислорода, нм3/плавку 19 348 17 495
Фактический расход технического кислорода, нм3/плавку 19 200 17 600
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
Рис. 4 - Сравнение расчетных и фактических значений расхода технического кислорода на плавках без и с использованием угля (в качестве дополнительного топлива)
Выводы
1. Показано, что используемые до настоящего времени, в том числе в учебных целях, методики расчета необходимого расхода кислорода дутья, а также материального и теплового балансов конвертерной плавки имеют противоречия и неточности, связанные с некорректным учетом влияний: диоксида углерода, содержащегося в недообожженных шлакообразующих материалах, процесса десульфурации металла и перехода серы в газовую фазу, угара железа «в дым» и «в шлак», соотношения СО и СО2 в газовой фазе, соотношения FeO и Fe2O3 в шлаке и др.
2. Разработаны усовершенствованная методика и соответствующая прикладная программа для расчета баланса кислорода конвертерной плавки, которые позволяют учесть одновременно участвующих в плавке до 10 позиций каждого из видов материалов: МО, ШОМ и УСМ, а также поступление в плавку шлакового гарнисажа (и/или торкретпокрытия) на футеровке конвертера, коэффициенты усвоения ШОМ, УСМ и др. При этом уточнен ряд расчетных зависимостей для определения содержания FeO и Fe2O3 в шлаке после продувки, расхода кислорода на угар железа «в дым», величины zcOi и др.
3. Задачами дальнейших исследований являются: установление зависимостей для расчета коэффициентов усвоения дополнительных углеродсодержащих материалов и разработка технических предложений по повышению эффективности их использования, разработка усовершенствованной методики и прикладной программы для расчета материального и теплового балансов конвертерной плавки.
Список использованных источников:
1. Бигеев А.М. Математическое описание и расчеты сталеплавильных процессов / А.М. Бигеев. - М. : Металлургия, 1982. - 160 с.
2. Ойкс Г.Н. Производство стали (расчеты) / Г.Н. Ойкс, Х.М. Иоффе. - М. : Металлургия, 1975. - 480 с.
3. Методичш вказiвки до виконання розрахунюв киснево-конвертерно1 плавки для студенев усiх спещальностей. / Укл.: Б.М. Бойченко, С.В. Бочка. - Дншропетровськ: НМетАУ, 2001. - 25 с.
4. Старов Р.В. Производство стали в конвертерах / Р.В. Старов, В.А. Нагорских. - К.: Техника, 1987. - 165 с.
5. Технология производства стали в современных конвертерных цехах / С.В. Колпаков [и др.]. - М.: Машиностроение, 1991. - 464 с.
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
6. Методичнi вказiвки до курсово1 роботи «Матерiальний i тепловий баланс конверторно1 плавки» (для студента спещальносп 7.090.401 МЧМ) / А.Х. Димшч [та îh.] - Донецьк: ДонНТУ, 2005. - 44 с.
7. Методические указания к выполнению курсовой работы «Расчет материального и теплового балансов кислородно-конвертерной плавки при переделе обыкновенных чугунов» (для студентов специальности 7.090.401 «Металлургия черных металлов») / Сост.: П.С. Харлашин, В.Я. Бакст. - Мариуполь: ПГТУ, 2005. - 20 с.
8. Якушев А.М. Справочник конвертерщика. - Челябинск: Металлургия, 1990. - 448 с.
9. Баптизманский В.И. Конвертерные процессы производства стали / В.И. Баптизманский, М.Я. Меджибожский, В.Б. Охотский. - К.: Вища школа, 1984. - 343 с.
10. Сущенко А.В. О механизме образования высокодисперсной пыли в кислородном конвертере / А.В. Сущенко // Новости науки Приднепровья. - 2008. - № 1-2. - С. 65-68.
11. Туркенич. Д.И. Расчет потребности в дутье при различном содержании углерода в конвертерной ванне / Д.И. Туркенич., Е.Г. Молчадский, Ю.А. Романов // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 1973. - № 1. С. 41-44.
12. Разработка компьютерной модели кислородно-конвертерного процесса / А.С. Седляров [и др.] // Металл и литье Украины. - 2007. - № 5. - С. 18-20.
13. Бигеев А.М. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали / А.М. Бигеев, В.А. Бигеев. - Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 544 с.
Bibliography:
1. Bigeev A.M. Mathematic description and calculations of steelmaking processes. - M.: Metallurgy, 1982. - 160 p. (Rus.)
2. Oiks G.N. Steelmaking (calculations) / G.N. Oiks, H.M. Ioffe. - M.: Metallurgy, 1975. - 480 p. (Rus.)
3. Methodic pointing for students of any specialties to making calculations of converter melting./ Compiler.: B.M. Boichenko, S.V. BocM^. - Dnipropetrovsk: NMetAU, 2001. - 25 p. (Ukr.)
4. Starov R.V. Steelmaking in convertors / R.V. Starov, V.A. Nagorskih. - K.: Technika, 1987. -165 p. (Rus.)
5. Technology of steelmaking in modern converter workshops / S.V. Kolpakov [and others]. - M.: Mashinostroenie, 1991. - 464 p. (Rus.)
6. Methodic pointing for the term paper "Material and thermal balance of converter melting" (for students of speciality 7090401 MBM) / A H. Dimnich [and others]. - Donetsk 2005. - 44 p. (Ukr.)
7. Methodic pointing for the term paper "Material and thermal balance of oxygen-converter melting for redistribution of usual cast-irons". / Compiler.: P.S. Harlashin, V.Y. Bakst. - Mariupol: PSTU. - 2005. - 20 p. (Rus.)
8. Yakushev A. M. Reference book of converter steelmaker. - Chelybinsk: Metallurgy, 1990. -448 p. (Rus.)
9. Baptizmansky V.I. Converter processes of steelmaking / V.I. Baptizmansky, M.Y. Medjibojsky, V.B. Ohotski. - K.: Visha Shkola, 1984. - 343 p. (Rus.)
10. Sushchenko A.V. About mechanism of creation high dispersible dust in oxygen convertor / A.V. Sushchenko // Novosti nauki Pridneproviya. - 2008. - № 1 - 2. - P. 65-68. (Rus.)
11. Turkinich D.I. Calculation of necessities of blowing with different content of carbon in converter bath / D.I. Turkinich, E.G. Molchansky, Y.A. Romanov // Izvestiya VUZov. Chernay Mettalurgia. - 1973. - № 1. P. 41-44. (Rus.)
12. Development of computer model of oxygen-converter process / A.S. Sedlyarov [and others] // Metall i litie Ukraini. - 2007. - № 5. - P. 18-20. (Rus.)
13. Bigeev A.M. Metallurgy of steel. Theory and technology of steelmaking / A.M. Bigeev, V.A. Bigeev. - Magnitogorsk: MGTU, 2000. - 544 p. (Rus.)
Рецензент: В.А. Маслов
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 17.01.2013
