анализа, дутьевого режима и режима присадок, результаты замера температуры
и анализа стали. Результаты работы выводятся на видеоконтрольные устройства
в виде рекомендаций и передаются в системы первого уровня (в виде уставок и
программ).
С учетом выше описанного АСУ ТП выплавки стали в конвертере изображена
на рис.2.
Рисунок 2 - АСУ ТП выплавки стали в конвертере
1.5.2 Постановка задачи
Повышение требований к качеству продукции, в частности, учитывая тему
данного дипломного проекта, по содержанию легирующих элементов в стали,
требует оптимизации проведения процесса раскисления и легирования стали.
Получение металла с заданным химическим составом и требуемыми свойствами
затруднительно из-за большого количества выплавляемых марок стали и
используемых раскислителей и легирующих, высокой степени колебания
заданного состава готовой стали от выпуска к выпуску, изменчивости свойств
применяемых раскислителей, проведения раскисления и легирования в условиях
неполноты информации, колебаний угара элементов, малого времени слива.
Сменный мастер назначает требуемые массы ферросплавов зачастую по интуиции,
что ведет к перерасходу раскислителей и легирующих, браку готовой
продукции. Для повышения качества готовой продукции и экономии ферросплавов
необходима АСУ процессом раскисления и легирования стали при сливе ее в
ковш из конвертера.
Раскисление и легирование в ККЦ-1 ОАО "ЗСМК" производится при сливе
металла в ковш и на УДМ; в данной же дипломном проекте производится расчет
масс ферросплавов, отдаваемых при сливе металла в ковш. алгоритм расчета
масс ферросплавов должен быть универсальным и легко перестраиваемым на все
стадии раскисления и легирования. Если металл не обрабатывается на УДМ, то
удовлетворительная точность должна достигаться при расчете материалов,
подаваемых в ковш при сливе металла. Поэтому в рамках дипломного проекта
ставится задача отработать алгоритм для стадии слива металла в ковш на
данных о работе ККЦ-1 ОАО "ЗСМК".
2 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
2.1 Содержательная модель физико-химического механизма процесса
Жидкая нераскисленная сталь содержит значительное количество
растворенного кислорода. Снижение температуры металла во время разливки и
при кристаллизации сопровождается уменьшением растворимости кислорода, что
приводит к образованию и выделению оксида углерода, к получению пузыристых
отливок и неплотных слитков. Первой задачей раскисления является снижение
содержания растворенного в стали кислорода и связывания его в прочные
соединения, не дающие газообразных выделений при затвердевании металла. В
случае получения спокойно затвердевающих сталей содержание растворенного
кислорода должно быть как можно меньше; при получении сталей кипящих сортов
содержание кислорода должно быть снижено до заданной величины,
обеспечивающей нормальное кипение стали в изложницах. Другой задачей
раскисления является максимальное удаление из жидкой стали образующихся
продуктов раскисления – неметаллических включений. Наиболее
распространенными раскислителями стали являются кремний Si, марганец Mn и
алюминий Al. В некоторых случаях применяют кальций Ca, хром Cr, ванадий V,
церий Zr, титан Ti. Эти элементы, вводимые порознь или совместно, уменьшают
количество растворенного в жидкой стали кислорода до определенного уровня,
зависящего от их сродства к кислороду. Оставшиеся в твердом растворе
элементы-раскислители действуют как легирующие примеси, соответственно
изменяющие свойства стали.
Раскисляющая способность элемента, вводимого в сталь, измеряется
содержанием растворенного кислорода, остающегося в равновесии с оставшимися
в жидкой стали молекулами элемента-раскислителя и образовавшимися
продуктами раскисления. Химический состав и свойства продуктов раскисления
могут сильно меняться, раскисляющее действие одного и того же элемента
различно и зависит от состава и свойств получающихся продуктов раскисления.
Раскисляющая способность каждого элемента, растворенного в жидкой стали,
зависит от свойств данного элемента, концентрации элемента в жидкой стали,
активности его окислов в продуктах окисления, температуры. Чем выше
раскисляющая способность элемента, тем меньше содержание растворенного в
стали кислорода, находящегося с ним в равновесии при заданной температуре.
Раскисляющая способность элементов в зависимости от их концентрации в
жидкой стали и активности продуктов раскисления выражается уравнениями
химической термодинамики.
Эти уравнения устанавливают количественную зависимость между
содержанием растворенного в жидкой стали кислорода, содержанием в стали
данного химического элемента, активности окисла этого элемента в продуктах
раскисления, находящихся в равновесии с жидкой сталью, и температурой
жидкой стали; дают точные сведения о количестве остающихся в стали после
раскисления растворенного кислорода, неметаллических включений,
выделяющихся в момент затвердевания стали; дают сведения о химическом
составе неметаллических включений. Наиболее важные термодинамические
уравнения сталеплавильных процессов, в частности, раскисления, приведены в
табл.2.
Таблица 2 - Термодинамические уравнения раскисления и легирования
|Уравнение реакции|Константа |Зависимость |Изменение |
| |равновесия К |логарифма |свободной |
| | |константы |энергии реакции |
| | |равновесия lg К |(F |
| | |от температуры | |
|1 |2 |3 |4 |
|[Fe] + [O] = |aFeO/[%O] |6320/T – 2.734 |- 28900 + 12.51 |
|[FeO] | | |* T |
|[Mn] + [O] = |aMnO/([%Mn] * [%O])|12760/T – 5.68 |- 58400 + 26 * T|
|[MnO] | | | |
|[Si] + 2 * [O] = |aSiO2/([%Si] * |31000/T – 12 |- 142000 + 55 * |
|[SiO2] |[%O2]) | |T |
|1 |2 |3 |4 |
|2 * [Al] + 3 * |aAl2O3/([%Al2] * |57460/T – 20.48 |- 262800 + 93.7 |
|[O] = [Al2O3] |[%O3]) | |* T |
|Для шлака из FeO |MnO/([%Mn] * [%FeO]|6440/T – 2.95 |- 29500 + 13.5 *|
|+ MnO: | | |T |
|[Mn] + [FeO] = | | | |
|[MnO] + [Fe] | | | |
Неметаллические включения, присутствующие в стали, обладают
отличительными от основного металла физическими свойствами. Нарушая
сплошность металла, включения вызывают местные концентрации напряжений,
которые особо опасны на рабочей шлифовальной поверхности изделий.
Неметаллические включения размером 20 мкм и более резко влияют на
контактную усталость металлов. Сильное влияние неметаллические включения
оказывают на износостойкость стали, являются причиной разрушения и выхода
из строя подшипников качения, являются причиной возникновения
межкристаллического излома металла. В некоторых случаях неметаллические
включения придают металлу полезные свойства: сульфидные и фосфидные
включения придают металлу хрупкость, и стружка легко обламывается. Для
получения стали высокого качества содержание неметаллических включений
должно быть не более 0.005-0.006% и даже меньше.
2.1.1 Раскисление марганцем
Марганец – сравнительно слабый раскислитель и не обеспечивает снижение
окисленности металла до требуемых пределов, однако большее или меньшее
количество марганца вводят в металла при выплавке стали многих марок. Это
объясняется рядом достоинств марганца: положительная роль в борьбе с
вредным действием серы, положительное влияние на прокаливаемость стали и ее
прочность, малое значение межфазного натяжения на границе металл -
образующееся включение оксид марганца (MnO), в результате чего облегчаются
условия выделения включений и возрастает скорость раскисления. При введении
марганца в чистое, но содержащее кислород железо образуется MnO, который
создает с закисью железа (FeO) непрерывный ряд растворов mFeO * nMnO. В
сталях наряду с марганцем всегда содержится углерод, при этом окисленность
металла определяется или марганцем (при низких содержаниях углерода), или
углеродом (при высоких содержаниях углерода), или марганцем и углеродом
одновременно. Марганец вводят в металл в конце плавки (часто в ковш) в виде
сплава марганца с железом (ферромарганца). Различные сорта ферромарганца
содержат различное количество углерода (1-7%), приблизительно 75% марганца
и некоторое количество кремния. В тех случаях когда необходимо выплавить
сталь с очень низким содержанием углерода, используют металлический
марганец. Применение его ограничено высокой стоимостью. Реакция раскисления
стали марганцем представлена в табл. 2.
2.1.2 Раскисление кремнием
Кремний применяют в качестве раскислителя при производстве спокойных
марок сталей, что обусловлено его высокой раскислительной способностью и
благотворным влиянием на характер неметаллических включений. При введении в
жидкий металл кремния образуются или жидкие силикаты железа, ил кремнезем.
Кремний гораздо более сильный раскислитель, чем марганец: при 0.02% кремния
в металле содержится не более 0.01% кислорода. При наличии в агрегате
основного шлака, образующийся при введении кремния, кремнезем
взаимодействует с основными оксидами шлака, и активность оксида кремния
становится очень малой, соответственно, растет раскислительная способность
кремния. Однако образующиеся силикаты хорошо смачивают железо, поэтому
удаление силикатных включений из металла связано с определенными
трудностями. Если металл, раскисляемый кремнием, содержит некоторое
количество марганца, то в составе образующихся силикатов будут также и
оксиды марганца. Кремний в металл вводится в виде сплава кремния с железом
(ферросилиция). Совместно с марганцем кремний вводят в сталь в виде
силикомарганца.
2.1.3 Раскисление алюминием
Алюминий – более сильный раскислитель, чем кремний. При введении
алюминия металле остается ничтожно малое количество растворенного
кислорода. Алюминий, введенный в избытке, может взаимодействовать не только
с растворами более слабых раскислителей (с оксидом марганца, кремния). При
введении алюминия в железо, содержащее кислород, может образовываться либо
чистый глинозем (при большом содержании оксида алюминия), либо гипшель FeO
* Al2O3 (герцинит), температура плавления которого составляет 2050(С.
Высокие значения межфазного натяжения на границе металл – включение
глинозема, то есть малая смачиваемость таких включений металлом, облегчают
процесс отделения этих включений от металла. Образование в стали при
раскислении алюминием мелких включений глинозема и нитрида алюминия влияют
на протекание процесса кристаллизации, в частности, на размер зерна: чем
больше введено алюминия, тем мельче зерно. Введенный в металл алюминий
взаимодействует с серой (при большом расходе алюминия) и азотом.
Образование в процессе кристаллизации нитрида алюминия способствует
снижению вредного влияния азота и уменьшению эффекта старения стали.
Алюминий вводят в металл в виде брусков (чушек) алюминия или в виде
сплавов.
Учитывая выше написанное, можно сделать вывод о сложности трудности
проведения процесса раскисления и легирования, который заключается в выборе
вида раскислителя, его массы, а также условий и времени подави раскислителя
в металл. Даже небольшие отклонения процесса выплавки стали могут вызвать
сильное окисление легирующего элемента-раскислителя (угар) либо чрезмерно
высокое его содержание в готовой стали, что плохо для свойств стали.
2.2 Разработка математической модели для целей исследования технологии
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
|