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