МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Бейцун Сергій Вікторович

УДК 669.046.55

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ КОВШОВОГО ВАКУУМУВАННЯ
НА ОСНОВІ МАТЕМАТИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

05.16.02 Металургія чорних металів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній металургійній академії України

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Кукушкін Олег Миколайович,

Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ,
професор кафедри автоматизації виробничих процесів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Яковлєв Юрій Миколайович,

Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ,
професор кафедри теорії металургійних процесів і фізичної хімії

кандидат технічних наук

Казаков Сергій Сергійович,

ВАТ “Дніпроспецсталь”, м. Запоріжжя,

вчений секретар науково-технічної ради

Провідна установа:

Інститут чорної металургії НАН України ім. З.І.Некрасова, м. Дніпропетровськ

Захист дисертації відбудеться 20.12.2005 р. о 15 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національної металургійної академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4)

Автореферат розісланий 18.11.2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03,

доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. В наш час пред'являються все більш високі вимоги до якості сталі. Одним з показників якості сталі є вміст у ній водню, що є причиною утворення ряду таких дефектів, як флокени, шиферний злам тощо. Існує велика кількість способів одержання сталі з низьким вмістом водню. До найбільш перспективних з них, з погляду економічності й ефективності видалення водню, відноситься вакуумування рідкої сталі в ковші з продувкою інертним газом. Високі вимоги, які висуваються до якості продукту, екологічних і економічних показників роботи комплексу позапічної обробки, вимагають рішення ряду питань розробки й удосконалювання технологічних режимів вакуумування, безперервного контролю рівня металу в ковші з метою запобігання виплесків, прогнозування зміни температури сталі і концентрації водню в ній для економії енергетичних і сировинних ресурсів. Вирішенню цих питань присвячена чинна робота, що підтверджує її актуальність у сучасних умовах розвитку чорної металургії України.

Зв'язок роботи з науковими програмами і планами. Дисертаційна робота виконана відповідно до Державної програми розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р.
(КДНЗ-88-2-94) і планів науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України, тема Г006F10060. Дисертаційна робота відповідає науковим напрямкам кафедри автоматизації виробничих процесів, кафедри металургії сталі і кафедри теорії металургійних процесів і фізичної хімії НМетАУ.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є вдосконалення технології ковшової вакуумної обробки сталі з продувкою інертним газом для зниження енерго- і ресурсозатрат. У зв'язку з цим вирішувались задачі статистичного оцінювання тривалості технологічних операцій і зміни температури сталі в ковші під час позапічної обробки для розробки й адаптації відповідних математичних моделей; визначення залежності рівня сталі в ковші коливань її поверхні від тиску у вакуум-камері і витрати аргону на продувку; визначення залежності площі відкритої від шлаку поверхні розплаву від витрати аргону на продувку; роз-робки й адаптації математичної моделі видалення водню зі сталі при її вакуумуванні в ковші.

Об'єкт дослідження – процес ковшової вакуумної обробки сталі з продувкою інертним газом через пористий блок у днищі ковша.

Предмет дослідження – енерго- і ресурсозберігаючі технології одержання сталі з низькою кінцевою концентрацією розчиненого водню.

Методи дослідження. Ідентифікація розроблених математичних моделей здійснювалася на основі промислових експериментів на ковшовому вакууматорі Нижньодніпровського трубопрокатного заводу. Дослідження динаміки рівня розплаву при вакуумуванні виконувалися з використанням радіолокаційного рівнеміра в промислових умовах і в лабораторії “Мікрохвильова техніка для металургії” Національної металургійної академії України. У роботі використані методи математичного й імітаційного моделювання динаміки зміни температури сталі в ковші під час позапічної обробки і зміни концентрації водню в сталі і рівня розплаву під час вакуумування, а також методи математичної статистики для обробки й аналізу отриманих даних промислових і машинних експериментів. Зазначені методи реалізовані за допомогою сучасних комп'ютерних технологій.

Наукова новизна отриманих результатів:

- розроблена методика прогнозування зміни температури розплаву під час технологічних операцій позапічної обробки, що базується на використанні апріорних розрахункових, а також регресійних моделей, які ідентифіковані шляхом статистичної обробки параметрів реального виробничого процесу, і корегуванні цих моделей по даним про масу розплаву та температуру розплаву і футерівки;

- на основі експериментальних досліджень вперше отримані залежності повільної зміни рівня розплаву і високочастотних коливань його поверхні, що обмежують інтенсивність продувки, від тиску у вакуум-камері і витрати аргону на продувку під час вакуумування та розроблена відповідна математична модель;

- на основі експериментальних і модельних досліджень отримана залежність зміни концентрації розчиненого в сталі водню від часу вакуумування, тиску у вакуум-камері і витрати аргону на продувку. Видалення водню розглянуте як дія двох взаємозалежних процесів: видалення через відкриту поверхню розплаву і видалення в пузирі аргону. За даними промислових експериментів визначена залежність розміру відкритої від шлаку поверхні з урахуванням буруна від тиску у вакуум-камері і витрати аргону на продувку та, з її урахуванням, виконана оцінка коефіцієнтів ефективності кожного процесу.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується використанням сучасних уявлень теорії металургійних процесів, коректністю математичної
постановки задач, використанням результатів промислових експериментів для ідентифікації математичних моделей і підтверджена погодженістю результатів розрахунків і моделювання з результатами промислових досліджень.

Наукове значення роботи. Отримані в результаті аналітичних і експериментальних досліджень дані про вакуумну обробку сталі в ковші з продувкою інертним газом можуть бути використані при прогнозуванні кінцевого вмісту водню в розплаві, зміни температури розплаву під час позапічної обробки і динаміки рівня ванни при вакуумуванні, а також при створенні моделей зміни температури сталі, рівня розплаву і концентрації водню в ньому під час вакуумування, що в комплексі дозволяє раціонально керувати процесом автоматично чи вручну.

Практичне значення отриманих результатів. На основі прогнозуючих моделей розроблена і запропонована до впровадження на ВАТ “Нижньодніпровський трубопрокатний завод” автоматизована інформаційна дорадча система для ділянки позапічної обробки сталі “АІС ДПОС”. Запропонована система дозволить вирішити задачі прогнозування температури розплаву під час технологічних операцій позапічної обробки, радіолокаційного контролю рівня та прогнозування зміни температури розплаву і концентрації водню в ньому під час вакуумування.

Радіолокаційний контроль рівня ванни впроваджений на ковшовому вакууматорі ВАТ “Нижньодніпровський трубопрокатний завод”. В результаті оцінки техніко-економічної ефективності системи “АІС ДПОС” очікуваний річний економічний ефект складає 1,6 млн. грн., що при планованих витратах 410 тис. грн. забезпечить строк окупності 3 місяці.

Отримані математичні моделі використовуються в Національній металургійній академії України в навчальному процесі за спеціальністю “Автоматизоване управління технологічними процесами” і також можуть бути використані при навчанні студентів спеціальності “Металургія чорних металів”.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі узагальнені результати експериментальних і теоретичних досліджень, виконаних автором у Національній металургійній академії України. В наукових працях, що наведені в авторефераті і виконані разом зі співавторами, особистий внесок автора полягає в постановці задач, проведенні промислових експериментів, обробці й аналізі експериментальних даних [1, 4, 6, 8, 11, 18], постановці задач, виконанні розрахунків, модельних експериментів і аналізі отриманих результатів [2, 5, 7, 9, 12 – 17, 19, 20], проведенні промислових експериментів і розробці методик [3, 10]. Проведення експе-риментів у промислових умовах здійснювалося за участю співробітників кафедри автоматизації виробничих процесів НМетАУ та працівників ВАТ “Нижньодніпровський трубопрокатний завод”. Аналіз отриманих даних і висновки зроблені автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи були повідомлені й обговорені на Міжнародних науково-технічних конференціях молоді “Запоріжсталь-2002” і “Запоріж-сталь-2004” (Запоріжжя, 2002, 2004); Міжнародних науково-методичних конференціях “Проблеми математичного моделювання” (Дніпродзержинськ, 2003, 2004, 2005); III-й Міжнародній науково-практичній конференції “Динаміка наукових досліджень 2004” (Дніпропетровськ, 2004); IV-й Міжнародній конференції “Воднева обробка матеріалів 2004” (Донецьк–Світлогорськ, 2004).

Публікації. Результати роботи опубліковані в 20-ти статтях у спеціалізованих наукових журналах і збірниках та 9-ти доповідях на конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновку, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертаційної роботи (202 сторінки) містить 134 сторінки основної текстової частини та 88 малюнків, 4 таблиці і 122 бібліографічні найменування.

Робота виконана на кафедрі автоматизації виробничих процесів НМетАУ.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі показано, що позапічна вакуумна обробка сталі є перспективним напрямком сучасної металургії не тільки в Україні, але й у світі. Розвиток цього напрямку вимагає детального дослідження процесів, що протікають під час вакуумування, для створення адекватних математичних моделей як умови застосування автоматизованих систем управління.

Найважливішим критерієм в оцінці ефективності способів позапічного вакуумування є ступінь зниження вмісту кисню, водню, азоту, неметалевих включень. Ковшове вакуумування з продувкою інертним газом характеризується невеликими капітальними витратами і простотою організації і управління процесом, що здійснюється у звичайному сталерозливному ковші зі збільшеним об’ємом. При цьому способі досягаються високий ступінь гомогенності розплаву. Його перевагою є універсальність, що дозволяє одночасно одержувати сталь з низьким вмістом сірки, водню, кисню і неметалевих включень.

Показано, що для подальшого вдосконалення технології вакуумної обробки треба знайти її ре-зерви. Для цього необхідно вивчити тривалість технологічних операцій позапічної обробки сталі в
ковші та витрати тепла розплавом при кожній операції для видачі сталі на розливання з необхідною температурою; динаміку рівня розплаву і високочастотні коливання його поверхні з метою запобігання переливів і виплесків; зміни концентрації розчиненого в сталі водню з урахуванням його видалення через відкриту поверхню розплаву й у пузирі аргону для визначення раціональних параметрів вакуумування, а також створити комплекс адекватних математичних моделей фізико-хімічних процесів
ковшового вакуумування.

Другий розділ присвячений визначенню тривалості технологічних операцій під час позапічної обробки і зміни температури розплаву при виконанні кожної операції. З метою економії енергетичних ресурсів необхідно провести підготовку металу до вакуумування за мінімально можливий час з мінімальними тепловими втратами і закінчити сам процес вакуумування до досягнення заданої мінімальної температури. Таким чином, температура розплаву є чинником, що обмежує тривалість вакуумування зверху. Мінімальна тривалість вакуумної обробки обумовлюється швидкістю видалення водню. Перед вакуумуванням сталь у ковші має бути нагріта до такої температури, що дозволить забезпечити необхідний час вакуумної обробки з можливими тепловими втратами під час обробки і транспортних операцій.

В результаті промислових експериментів були вивчені послідовність виконання і тривалість основних технологічних операцій позапічної обробки розплаву в ковшах. На рис. 1 приведена організація технологічного процесу позапічної вакуумної обробки двох ковшів однієї плавки.

У виробничих умовах тривалість операцій непостійна. Для створення математичної моделі позапічної ковшової обробки отримано статистичні характеристики і підібрано закони розподілу тривалості кожної технологічної операції (табл. 1). Перевірка відповідності проводилася за статистичними критеріями Пірсона та n2.

У значній мірі величина теплових утрат, особливо на початку позапічної обробки, обумовлена температурою футерівки ковша перед випуском у нього сталі, температурою сталі в ковші по закінченні випуску і масою металу в ковші. В ході промислових експериментів проведений статистичний аналіз цих випадкових величин. Маса металу в ковші обчислювалась з урахуванням зносу футерівки по величині запасу висоти ковша H – відстані від поверхні розплаву до верхньої крайки ковша (див. таблицю 2).

Рис. 1. Часова діаграма технологічного процесу:

1 – випуск сталі з мартенівської печі, 2 – очікування на стенді біля печі, 3 – транспортування до машини скачування шлаку, 4 – скачування шлаку, 5 – транспортування на установку “ківш-піч”, 6 – транспортування 1-го ковша на установку “ківш-піч”, 7 – нагрів сталі і доведення її по хімічному складу, 8 – утеплення ковша і транспортування на стенд біля мартенівської печі, 9 – очікування на стенді, 10 – транспортування ковша у вакуум-камеру, 11 – коригувальне розкислення, 12 – транспортування 2-го ковша від стенда на “ківш-піч”, 13 – вакуумування сталі в ковші, 14 – повторне коригувальне розкислення, 15 – транспортування ковша на розливання

Таблиця 1

Закони розподілу тривалості технологічних операцій на ділянці вакуумної обробки

№ п/п | Технологічна операція | Закон розподілу | Мат. очік.

µ, хв | Ст. відх.

, хв

1 | 2 | 3 | 4 | 5

1. | Час між закінченням випуску металу з мартенівської печі й початком скачування шлаку з першого ковша | 11,66 | 5,23

2. | Час виконання операції скачування шлаку з ковша | 11,22 | 2,41

3. | Час між закінченням скачування шлаку з першого ковша і початком його нагріву на установці “ківш-піч” | 7,18 | 2,60

Продовження табл. 1

1 | 2 | 3 | 4 | 5

4. | Час між закінченням випуску і початком нагріву першого
ковша на установці “ківш-піч” | 9,79 | 4,83

5. | Час між початком нагріву першого ковша на установці “ківш-піч” і початком скачування шлаку з другого ковша | 7,64 | 4,57

6. | Час між закінченням нагріву ковша на установці “ківш-піч” і початком операції розкислення | 14,07 | 7,22

7. | Час між початком операції розкислення першого ковша і початком нагріву другого ковша на установці “ківш-піч” | 11,57 | 5,18

8. | Час між початком операції розкислення і початком вакуумування металу в ковші | 8,43 | 3,34

Зміна температури розплаву в період між закінченням випуску і початком нагрівання його на установці “ківш-піч” відбувається за рахунок нагрівання футерівки ковша і теплопередачі через неї та випромінювання з поверхні розплаву.

Таблиця 2

Закони розподілу деяких технологічних параметрів

№ п/п | Технологічний параметр | Закон розподілу | Мат. очік.

µ | Ст. відх.

1. | Температура внутрішньої по-верхні футерівки ковшів перед випуском сталі з печі, С | 914,61 | 60,67

2. | Температура сталі в ковшах по закінченні випуску з печі, С | 1604,79 | 11,84

3. | Запас висоти ковша, мм | 719,51 | 152,39

Втрати теплоти розплавом за рахунок випромінювання визначалися за законом Стефана-Больцмана з урахуванням стану поверхні розплаву.

Розрахункова динаміка температури шарів футерівки у залежності від часу перебування розплаву в ковші представлена на рис. .

Для опису тепловтрат розплавом запропонована математична модель

, (1)

де – спад температури розплаву в ф1-у хвилину витримки, К; k1 і k2 – коефіцієнти, що залежать від температури внутрішньої поверхні футерівки ковша безпосередньо перед випуском розплаву, початкової температури розплаву і його маси в ковші.

Отримані в результаті досліджень на математичній моделі значення коефіцієнтів і апроксимовані лінійними регресійними рівняннями з коефіцієнтами детермінованості 0,99 і 0,96, відповідно

; (2)

, (3)

де mp – маса розплаву, т; Tф0 – температура футерівки ковша перед випуском у нього сталі, К; Тр0 – початкова температура розплаву в ковші, К.

На рис. 3 представлений діапазон зміни швидкості охолодження розплаву за рахунок тепловіддачі в футерівку в залежності від тривалості його перебування в ковші (1 крива – Tф0 = 1023 К, Тр0 = 1923 К, mp = 90 т; 2 крива – Tф01473 К, Тр0 = 1853 К, mp = 120 т).

У результаті зіставлення розрахунків усіх видів втрат теплоти розплавом з експериментальними даними уточнені теплофізичні властивості футеровочних матеріалів і ступінь чорності поверхні розплаву для всіх технологічних операцій, що передують обробці на установці “ківш-піч”. Отримана математична модель дозволяє прогнозувати втрати температури розплавом у ковші під час цих операцій у залеж-ності від початкової температури футерівки ковша і сталі та її маси в ковші (рис. 4).

Для розрахунку зміни температури розплаву під час обробки на установці “ківш-піч” складене рівняння теплового балансу з урахуванням підводу енергії від електродів установки і втрат тепла розп-лавом унаслідок введення сипучих матеріалів, нагрівання футерівки ковша і теплопередачі через неї, випромінювання з поверхні розплаву. Зміна температури розплаву за n хвилин нагріву розплаву на ковші-печі дорівнює

, (4)

де mp – маса розплаву, кг; ср – теплоємність розплаву, Дж/(Ккг); Qвип. – повний тепловий потік
випромінюванням, Вт; Рн. – потужність, яка йде на нагрів розплаву, Вт; – крок обчислень, що забезпечує задану точність розрахунків, прийнятий рівним 60 с.

Відповідно до розрахунків, швидкість нагріву розплаву в ковші на установці “ківш-піч” у залеж-ності від використованих ступенів потужності трансформатора варіюється від 0,17 до 4,58 К/хв. На рис. 5 приведені розрахункові залежності й експериментальні дані нагріву розплаву при роботі установки на 8-ій ступені потужності (Тр_кп0 – температура розплаву перед обробкою на ковші-печі).

Встановлено, що зміна температури розплаву в період між закінченням обробки на ковші-печі і початком вакуумної обробки відбувається, в основному, за рахунок випромінювання з поверхні розплаву, втрат через футерівку ковша, введення розкислювачів.

У результаті розрахунків і аналізу експериментальних даних отримані математичні моделі, що дозволяють прогнозувати зміну температури розплаву в ковші під час операцій, що передують вакуумній об-робці, в залежності від температури футерівки ковша перед випуском, температури сталі та її маси в ковші. Використання цих моделей дозволить точніше визначати необхідну температуру розплаву перед вакуумною обробкою і прогнозувати тепловий стан розплаву під час вакуумування.

Третій розділ присвячений аналізу теплових втрат розплаву під час його вакуумування. Зміна температури розплаву відбувається за рахунок втрат тепла внаслідок тепловіддачі через футерівку ковша, випромінювання з поверхні розплаву, нагрівання інертного газу, що іде на продувку, а також нагрівання, розплавлювання і хімічних реакцій легуючих добавок.

Проведені розрахунки показали, що при реальних витратах аргону на продувку під час вакуумування спад температури розплаву на нагрівання аргону не перевищує 0,1 єС. Втрати температури від маси добавок дорівнюють

Тдоб = (2,22 mAl + 0,99 mSiCa – 5,64 m – 3,00 mFeCr – 1,77 mFeMn – –

0,76 mFeSi – 2,50 mCaО – 2,00 mCaF2 – 0,81 mSiMn – 0,68 mFeTi) / mр, (5)

де mi – маса добавки і-го матеріалу, що вводиться, кг; mр – маса розплаву, т. Зафіксований емпірично спад температури розплаву при введенні добавок складає 17 С.

Отримано формулу для розрахунку зниження температури розплаву протягом ф-ої хвилини вакуумування з урахуванням поглинання тепла захисним екраном

, (6)

де Qекр., Qотв. – теплові потоки в системі “розплав–футерівка” і “розплав–навколишнє середовище” у ф-у хвилину вакуумування.

Величина сумарних втрат тепла залежить від вихідних маси розплаву, температури розплаву і захисного екрана перед вакуумуванням. Згідно з експериментальними даними, початкова температура розплаву знаходиться в межах 1853…1923 К. Початкова температура захисного екрану залежить від часу між початком вакуумної обробки ковша з розплавом, для якого розраховуються теплові втрати, і закінченням обробки попереднього ковша. Для визначення швидкості остигання екрана в промислових умовах були проведені виміри температури його внутрішньої поверхні після закінчення вакуумування. На рис. приведені результати одного з промислових експериментів і апроксимуюча крива , де – час остигання кришки вакуум-камери. Отримано значення коефіцієнтів A = …140 і B …1025. Достовірність апроксимації склала R2 = 0,96...0,99.

На математичній моделі (6) були досліджені теплові втрати розплаву під час вакуумування в залежності від початкових температур розплаву і захисного екрана перед вакуумною обробкою. Для діапазону часу обробки 15...45 хв отримана залежність

, (7)

де Tбаз = 1,54 К/хв – теплові втрати розплавом в одиницю часу t у базовому режимі (Tекр =  К и Tр  К); k1 = 0,00013 – коефіцієнт, що враховує початкову температуру захисного екрана T екр, яка залежить від часу, що пройшов після закінчення попередньої обробки; k2 ,00165 – коефіцієнт, що враховує температуру розплаву Tp перед початком вакуумної обробки; mр – маса розплаву у ковші, т.

Для визначення відповідності математичної моделі виконаний регресійний аналіз даних промислових експериментів. На рис. 7 приведені регресійне рівняння й експериментальні дані. З метою вик-лючення впливу температури захисного екрана на теплові втрати під час вакуумування фіксувалися тільки реалізації, у яких перші ковші вакуумувались не менш, ніж через 8 годин після закінчення попередньої обробки. Розрахункові відхилення по масі розплаву при цьому не перевищували ± ,5Врахований спад температури розплаву при введенні добавок.

Математична модель зміни температури розплаву з урахуванням його початкової температури та часу після завершення попередньої обробки (тобто початкової температури захисного екрана) дозволяє прогнозувати зміну температури ванни під час ковшового вакуумування. Використання даної моделі дозволить більш точно визначати необхідну температуру розплаву перед вакуумною обробкою і прогнозувати зміни його температури під час вакуумування, що у конкретних виробничих умовах дозволить уточнити технологічні інструкції з позапічної обробки.

Четвертий розділ присвячений одержанню й обробці інформації про зміну рівня розплаву в екстремальних умовах вакуумної обробки: високій температурі рідкої сталі (більш 1600 С), значних змінах тиску у вакуум-камері (від 105 Па до 300 Па), стану покритої шлаком збуреної поверхні ванни, наявності в атмосфері вакуум-камери великої кількості пилових часток, особливо після введення добавок.

Для контролю рівня розплаву в ковші встановлена радіолокаційна система РДУ-Х1 розробки НВП “Автомет” (Дніпропетровськ) і ГНВП “Исток” (Росія). Для підвищення достовірності її показань автором розроблений і впроваджений активний фільтр із двома подвійними Т-образними мостами. При радіолокаційному моніторингу процесу вакуумування чітко фіксується (рис. ) підвищення рівня розплаву в ковші при наборі вакууму, посилення хвилювання поверхні розплаву при
збільшенні витрати аргону на про-дувку і наступне зниження рівня при відновленні атмосферного тиску у вакуум-камері.

При розробці математичної моделі зміни рівня металу при ковшовому вакуумуванні як чинники, що впливають на зміну рівня металу, були прийняті витрата аргону й тиск у вакуум-камері.

Зміна тиску при наборі вакууму апроксимована рівнянням P = а exp(b t) + c, де P – тиск у вакуум-камері, гПа; t – час, с; a ,91031,9; b ,00925-0,0110; c _,43,9 при достовірності апроксимації R2 ,9970,999. Зміна тиску при скиданні вакууму представлена динамічною ланкою 2-го порядку – , де k 1014 гПа; T2 ,3 24,3 с; Т1 ,541,1 с при достовірності апроксимації R2 ,980,99.

Зміни рівня розплаву, що фіксуються, являються результатом сполучення повільних змін рівня ванни, що пов'язані зі зміною тиску у вакуум-камері, і високочастотних коливань поверхні розплаву, що пов'язані з продувкою аргоном і поверхневою дегазацією. Для виділення повільних змін рівня отримані значення були піддані фільтрації медіанним фільтром, рекурсивними фільтрами низької частоти Баттерворта 1-го і 2-го порядку, а також граничній фільтрації амплітудно-частотного спектра значень рівня розплаву.

При складанні динамічної моделі рівня розплаву використаний метод ідентифікації з адаптивною моделлю. У результаті, зміна рівня розплаву при вакуумуванні задовільно описана ланкою 2-го порядку з запізнюванням – з коефіцієнтами  ,310,6 с; k  ,100,121 мм/гПа; T2  ,385,0 с; Т1  ,932,5 с при достовірності апроксимації R2 ,800,89.

Динаміка рівня розплаву при скиданні вакууму представлена послідовним з'єднанням ланки чистого запізнювання і інтегро-диференційної ланки – з коефіцієнтами  = 16,431,0 с; k = 0,1370,171 мм/гПа; T2 = 19,826,0 с; Т1 = 0,10,9 с при достовірності апроксимації R2 0,770,88. На рис. 9 приведені емпірична зміна рівня й апроксимуючі криві цих процесів (різні реалізації, найбільш наочні для прикладу).

Для оцінки впливу витрати аргону на амплітуду хвиль при сталій витраті аргону були проаналізовані зміни рівня розплаву. Як параметр, що характеризує амплітуду хвиль, при статистичній обробці отриманих значень прийняте средньоквадратичне відхилення змін рівня розплаву (рис. 10). Оцінка відповідності, що проводилася за критеріями Пірсона і nщІ, показала, що амплітуди коливань рівня розплаву описуються нормальним законом розподілу. При спектральному аналізі коливань поверхні розплаву встановлено, що домінує діапазон частот 0,7...1,5 Гц (рис. ). Візуальна оцінка частоти коливань хвиль розплаву при вакуумуванні дає значення ~0,9 Гц.

З використанням отриманої інформації розроблена імітаційна модель зміни рівня розплаву під час вакуумної обробки, що описує як повільні зміни рівня, так і барботаж поверхні розплаву. Порівняння результатів моделювання, які наведені на рис. , з рис. 8 показує як якісну, так і кількісну
близькість до реального поводження ванни, що свідчить про їхню достовірність.

Детальний статистичний аналіз сигналів радіолокаційного рівнеміра дозволив одержати залежність амплітуди хвиль на поверхні розплаву від витрати аргону на продувку, визначити закон розподілу амплітуд і виявити основні частоти коливань поверхні розплаву при ковшовому вакуумуванні. Це дозволило побудувати й ідентифікувати модель поведінки розплаву при ковшовому вакуумуванні. Отримані результати дозволять управляти витратою аргону на продувку ковша при позапічній вакуумній обробці з максимальною інтенсивністю без виплесків розплаву.

П'ятий розділ присвячений аналізу зміни концентрації водню в залежності від режимів ковшової вакуумної обробки. Проведені Ю.М.Яковлєвим дослідження показують, що під час ковшової вакуумної обробки розчинений водень видаляється як через відкриту поверхню металу, так і в спливаючі газові пузирі.

Інтенсивність перемішування розплаву значно впливає на результати його продувки в ковші інертним газом. Виходячи з фізики цього інерційного процесу, динаміка гомогенізації розплаву описана експонентним рівнянням. Дослідження на моделі процесу гомогенізації сталі в ковші в залежності від витрати аргону на продувку і тиску над поверхнею розплаву в ковші показали, що тривалість усереднення складу розплаву складає менш ніж 2 хв при часі набору глибокого вакууму більш за 5 хв. Це свідчить про рівномірний розподіл домішок в розплаві перед обробкою глибоким вакуумом. Отже, подальші розрахунки видалення водню можна робити не враховуючи перемішування металу в ковші.

Для оцінки ефективності видалення водню в газові пузирі використане рівняння Геллера. Його рішення для умов вакуумування в ковші дає залежність зміни вмісту в розплаві водню (%) від його початкової концентрації [H]поч, обсягу аргону на продувку VAr (м3), тиску над розплавом Р (МПа), маси розплаву mp (т) і константи рівноваги реакції розчинення КH

. (8)

Оскільки це рівняння дійсне тільки для пузирів малих діаметрів, що знаходяться у безпосередній близькості від поверхні, у нього введений поправочний коефіцієнт ефективності дегазації в пузирі L1, що характеризує ступінь наближення до рівноваги процесу видалення водню при продувці аргоном.

Видалення водню через відкриту поверхню металу описується рівнянням

, (9)

де б – коефіцієнт швидкості масопереносу розчиненої речовини, м/с; S – площа поверхні розділу газ-метал, м2; Vр – обсяг металу, м3; – концентрація розчиненого в поверхневому шарі водню при рівновазі з його парціальним тиском у газовій фазі, %; t – час вакуумної об-робки, с. У рівняння введений поправочний коефіцієнт ефективності дегазації з поверхні L2, що враховує інтенсивність циркуляції розплаву у верхніх шарах.

Швидкість дегазації металу обумовлюється інтенсивністю його перемішування, площею відкритої поверхні металу, а повнота дегазації – розрідженням, що досягається у вакуумних установках. Розрахунки показали, що при фактичних значеннях початкової концентрації розчиненого в розплаві водню (410-410-4і кількості шлаку, що наводиться під час обробки на ковші-печі, видаленням
водню з-під шлакового покриву під час вакуумної обробки можна зневажити.

З чого випливає, що при вакуумній обробці сталі в ковші ефективність процесу видалення водню обумовлюється розмірами відкритої від шлаку поверхні розплаву, що має різну форму в залежності від витрати аргону на продувку. Залежність площі S від радіуса кривизни Rоп відкритої поверхні розплаву у ковші з урахуванням асиметрії розташування продувного блоку для зручності практичного застосування була апроксимована поліноміальним рівнянням 3-го порядку

. (10)

Через обмеженість зони огляду поверхні металу в ковші в промислових умовах спочатку була визначена залежність діаметра відкритої від шлаку поверхні від витрати аргону на продувку QAr при атмосферному тиску, а потім, виходячи з припущення, що ця залежність має аналогічний характер і при вакуумі, отримані рівняння для умов вакууму.

Отримані візуальним методом дані про залежність Dвп (м) від витрати аргону QAr (л/хв) (рис.  а) апроксимовані з достовірністю 0,98 регресійним рівнянням

. (11)

При продувці аргоном на поверхні розплаву виникає бурун у формі усіченого конуса, поверхня якого також бере участь у видаленні водню. За результатами активного промислового експерименту при атмосферному тиску залежність висоти буруна Нб (м) від витрати аргону (рис. б) апроксимована з достовірністю 0,97 лінійним рівнянням

. (12)

При атмосферному тиску розрахункове збільшення площі відкритої поверхні розплаву за рахунок буруна при витратах аргону від 100 до 500 л/хв складає 3033Встановлено тісний кореляційний зв'язок між площею вершини буруна Sб і площею відкритої від шлаку по-верхні металу Sвп. Значення коефіцієнта кореляції 0,97. Отримано відношення Sб / Sвп = 0,11.

Для визначення діаметра відкритої від шлаку поверхні розплаву в залежності від витрати аргону під час вакуумування фіксувалися видимі границі розділу шлак-метал. Отримані дані були апроксимовані рівнянням

, (13)

з достовірністю апроксимації R2 = 0,79 (рис. 13 в). Мінімальне значення витрати аргону визначене можливою зоною спостереження, а максимальне значення можливого діаметра відкритої поверхні обмежене стінками ковша.

Видалення водню з розплаву при ковшовому вакуумуванні становить два взаємозалежних процеси: виділення його через відкриту поверхню металу й у газові пузирі. Отримане рівняння, що дозволяє прогнозувати поточну концентрацію водню в розплаві під час вакуумної обробки

. (14)

На підставі рівняння (14) у системі структурного моделювання створена модель, що імітує процес видалення розчиненого водню зі сталі в залежності від витрати аргону на продувку і тиску над поверхнею розплаву. За допомогою цієї комп'ютерної моделі за умови мінімального квадратичного відхилення експериментальних і модельних даних були ідентифіковані значення поправочних коефіцієнтів ефективності дегазації L10,20 і L20,70.

За результатами моделювання (рис. 4) виконана оцінка ефективності кожного механізму видалення водню у залежності від зміни тиску у вакуум-камері і витрати аргону на продувку. У ході мо-дельних досліджень встановлено, що при існуючих режимах обробки через поверхню видаляється близько 30водню, а пузирями аргону – 70Зі зниженням концентрації розчиненого в сталі водню загальна інтенсивність його видалення падає. При концентрації менш 10–4ефективність механізмів вирівнюється.

У результаті обробки даних промислового експерименту отримані регресійні рівняння площі відкритої від шлаку поверхні в залежності від витрати аргону на продувку через пористий блок у днищі ковша при атмосферному і залишковому тиску  гПа з урахуванням поверхні буруна.

Загалом створена комп’ютерна модель дає можливість прогнозувати кінцевий вміст водню в сталі в залежності від його начального вмісту, тиску у вакуум-камері, витрати аргону на продувку, температури і маси розплаву, що дозволить більш раціонально вести процес вакуумування для одержання заданої концентрації водню.

Шостий розділ присвячений розробці рекомендацій з удосконалення керування процесом ковшового вакуумування.

Скорочення тривалості набору вакууму ефективно реалізується при автоматичному контролі за рівнем ванни за допомогою радіолокаційних вимірювальних систем рівня. При цьому на 1...2 хв скорочується час набору вакууму для ковшів зі зменшеним наливом (великим запасом висоти ковша), що важливо для зниження теплових втрат. Уникнути надмірно активного видалення газів у початковий момент можна при наборі робочого значення вакууму (3 гПа) за 9...12 хв, що особливо важливо для ковшів з малим запасом висоти.

Для оптимізації управління витратою аргону важлива інформація про рівень розплаву з виділенням його тренда й амплітуди коливань поверхні (рис. ), що дозволить вести продувку аргоном під час вакуумування більш інтенсивно, але без вип-лесків. Тривожним сигналом для оператора є наб-лиження верхньої границі діапазону коливань до граничного рівня. При такому способі управління процесом зміна рівня розплаву в більш широких межах додатково сприяє зменшенню глибини зносу шлакового пояса футерівки ковша.

Для визначення моменту завершення процесу вакуумування варто використовувати модель прогнозу зміни концентрації водню під час вакуумної обробки сталі (14). Вхідною величиною даної моделі є початкова концентрація розчиненого водню, що виміряється безпосе-редньо перед вакуумуванням. Якщо така інформація відсутня, то тривалість процесу вакуумної обробки першого ковша плавки необхідно обирати з деяким запасом, орієнтуючись на максимально можливу в даних умовах концентрацію водню в розплаві, а час обробки другого ковша тієї ж плавки скорегувати за результатами хімічного аналізу обробленого першого ковша.

Прогнозування теплового стану розплаву на ділянці вакуумної обробки сталі робиться з метою забезпечення заданого діапазону температури перед її розливанням. Для цього розроблена і реалізована з використанням сучасних програмних засобів подійно-імітаційна модель роботи ділянки позапічної обробки сталі. На рис. 16 представлений модельний графік зміни температури розплаву в першому ковші при визначеній послідовності і тривалості виконання технологічних операцій. На рис. 17 наведені аналогічні графіки для другого ковша. Позначення технологічних операцій відповідає рис. 1. Розроблена модель може бути використана для автоматичного узгодження операцій на ділянці вакуумної обробки сталі.

Створення автоматизованої системи управління процесом позапічної вакуумної обробки дозволить не тільки одержувати інформацію про параметри технологічного процесу, але й здійснювати управляючі впливи для одержання сталі з необхідними характеристиками при мінімальних витратах.

Ідея організації автоматичного управління технологічним процесом на ділянці вакуумної обробки сталі полягає у використанні прогнозуючих моделей тривалості всіх технологічних операцій і корегування результатів прогнозу теплового стану ковша і розплаву в ньому за результатами вимірів температури сталі у визначених точках простору-часу обробки ковша. При цьому можуть бути скориговані як результати моделювання, так і параметри моделі.

ВИСНОВКИ

1. У роботі проаналізовані фактори, що впливають на тривалість і режими вакуумної обробки сталі в ковші. Тривалість вакуумної обробки, з одного боку, визначається кінцевим вмістом розчиненого водню в розплаві, а, з іншого, вона обмежена температурою сталі перед розливанням. Раціональні параметри режимів вакуумної обробки (глибина вакууму, інтенсивність його набору, витрата аргону на продувку) залежать від рівня сталі в ковші. Ці режими варто вибирати таким чином, щоб уникнути виплесків розплаву з ковша.

2. В результаті проведеного аналізу показано, що основними факторами, які впливають на втрати температури розплавом, є теплопередача через футерівку і випромінювання з поверхні розплаву. Величина цих втрат залежить від ступеня прогріву футерівки, температури розплаву в ковшах по закінченні випуску, маси розплаву, наявності шлаку чи сумішей, що утеплюють, на поверхні розплаву і тривалості перебування розплаву в ковші. За даними промислових експериментів уточнені теплофізичні властивості матеріалів футерівки ковшів і коефіцієнти випромінювання з поверхні розплаву при виконанні різних технологічних операцій. Розрахункові й експериментальні дані добре збігаються.

3. Тривалість перебування розплаву в ковші і, відповідно, теплові втрати залежать від загального часу виконання технологічних операцій, а для других ковшів однієї плавки – також від часу виконання деяких технологічних операцій над першими ковшами. За даними про-мислового експерименту визначені послідовність і тривалість виконання технологічних операцій позапічної обробки. Підібрано закони розподілу часу цих операцій. Встановлено, що тривалість технологічних операцій процесу позапічної обробки сталі в ковшах описується логарифмічно–нормальним чи нормальним законами розподілу.

4. Однією з основних підготовчих операцій до вакуумування є обробка розплаву на установці “ківш-піч”. На ковші-печі виконується доведення сталі по хімічному складу та її нагрів, щоб забезпечити припустиму температуру сталі перед розливанням з урахуванням можливих теплових втрат.

На зміну температури розплаву під час його обробки на ковші-печі впливають надходження енергії від електродів установки, теплові втрати на випромінювання з поверхні розплаву і через футерівку ковша, а також введення сипучих матеріалів. Виконані розрахунки показують, що продувка аргоном не впливає істотно на зміну температури. Отримано емпіричну залежність зміни температури розплаву під час його обробки на установці “ківш-піч”, яка добре збігається з експериментальними даними.

5. У ході промислових експериментів установлено, що теплові втрати розплавом під час вакуумування деякою мірою залежать від температури футерованого захисного екрана, яким накривається ківш у вакуум-камері. Проведені експерименти дозволили одержати регресійне рівняння, що описує швидкість охолодження захисного екрана. Отримано адекватну математичну модель зміни температури розплаву під час вакуумування, що враховує температуру розплаву і захисного екрана перед вакуумуванням, а також масу розплаву в ковші. Модельні й експериментальні дані добре збігаються.

6. Уперше за даними промислового експерименту визначено зміни рівня розплаву в ковші. Встановлено, що повільні зміни рівня ванни викликає зміна тиску у вакуум-камері, а високочастотні коливання поверхні пов'язані з дегазацією і продувкою аргоном. У результаті аналізу експериментальних даних отримані регресійні рівняння, що описують зміну тиску при наборі і скиданні вакууму. Із застосуванням динамічної ідентифікації отримані математичні моделі, що описують зміну рівня металу в ковші при наборі і скиданні вакууму, виконана оцінка трендів зміни рівня ванни при сталому режимі вакуумування. Отримана залежність амплітуд хвиль на поверхні розплаву від витрати аргону на продувку і встановлено, що розподіл цих амплітуд описується нормальним законом. Визначено основні частоти коливань поверхні розплаву. Отримані залежності дозволяють керувати процесом вакуумування таким чином, щоб уникнути переливів і виплесків металу з ковша.

7. Видалення розчиненого водню з рідкої сталі під час ковшового вакуумування розглянуто як два взаємозалежних процеси: видалення водню в пузирі аргону, що продувається через пористу пробку в днищі ковша, і через поверхню розплаву. Видалення водню в пузирі аргону описано рівнянням Геллера, в яке введений поправочний коефіцієнт ефективності дегазації пузирями аргону. У рівняння, що описує видалення через відкриту поверхню, введений коефіцієнт