Моделирование взаимодействия компонентов шлаковой и металлической фаз при производстве стали, разработка алгоритмов и программного обеспечения для описания технологических процессов

• Автор: Комолова, Ольга Александровна
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : ил.

Содержание
Введение

1 Обзор литературы

1.1 Типы математических моделей

1.2 Кислородный конвертер, как объект математического моделирования

1.3 Агрегат ковш-печь, как объект математического моделирования

2 Физико-химическое описание процесса взаимодействия между компонентами шлаковой и металлической фаз
3 Применение разработанного физико-химического описания взаимодействия между компонентами системы шлак-металл для создания динамических моделей процесса выплавки полупродукта в кислородном конвертере и внепечной обработки стали

3.1 Создание математического описания кислородного факела

3.1.1 Расчет присоединенной массы факела

3.1.2 Материальный баланс кислородного факела

3.1.3 Тепловой баланс кислородного факела
3.1.4 Проверка математической модели кислородного факела
3.2 Описание математической модели реакционной зоны
3.3 Проверка адекватности работы системы шлак-металл для условий ККП
3.4 Разработка динамической модели процесса обработки металла на агрегате ковш-печь (АКП)
3.5 Проверка адекватности работы разработанного программного
обеспечения “АКП”
Выводы
Библиографический список
Приложение

Введение
В современном мире конкурентной борьбы между металлургическими предприятиями за рынок все острее становится вопрос качества и себестоимости выпускаемой продукции. Повышение требований к качеству стали предопределяет необходимость точного попадания в узкий диапазон заданного химического состава для конкретных марок стали.
Для получения заданного качества готовой продукции необходимо контролировать и управлять процессом производства стали на каждом из этапов металлургического передела, начиная от расчета шихты до момента получения готовой продукции.
Технологический процесс отбора проб и замер температуры металла вызывает удлинение цикла обработки и позволяет оценивать характеристики металлической ванны с запаздыванием, а для эффективного управления высокоскоростными и высокотемпературными металлургическими процессами необходимо знать температуру и химический состав металла и шлака заранее. Заблаговременный прогноз позволит рассчитать оптимальные управляющие воздействия на технологический процесс. Поэтому в первую очередь необходимо создание прогнозирующих математических моделей, описывающих все основные переменные состояния системы. Это позволит эффективно использовать время и энергоресурсы, проводить процесс по наиболее рациональной траектории. Для создания прогнозирующих программных комплексов необходимо иметь физико-химические описания современных металлургических процессов и математические модели, учитывающие состав взаимодействующих фаз и тепловые режимы, отражающие динамические характеристики процессов плавления, растворения, интенсивности перемешивания, скорости взаимодействия между всеми компонентами шлаковой и металлической фаз, описывающие реакции процесса на управляющие воздействия.

В современном металлургическом производстве с каждым годом наблюдается унификация металлургических агрегатов. Если выделить основные процессы, которые происходят во время выплавки или внепечной обработки стали, то становится понятным, что на каждом из агрегатов происходят идентичные процессы. Разница заключается только в способе подвода энергии, физическом и химическом состоянии вводимых материалов, характеристики газовой фазы. Разработка математических моделей, основанных на законах термодинамики, гидро- и аэродинамики, тепло - и массопереноса и т.д., содержащих минимальное количество настроечных коэффициентов, позволит моделировать любой процесс, собирая его, как конструктор из деталей.
Интегрирующими, т.е. объединяющими все процессы, происходящие при выплавке и внепечной обработки стали, являются шлаковая и металлическая фазы (Рис. 1). Химический состав и температура шлаковой и металлической фаз практически полностью определяют траекторию развития процесса.
Печь-ковш
Усвоение легирующих и шлкаообразующих материалов
Перемешивание
Электронагрев
Расплавление и растворение твердой составляющей металлошихты
““Усвоение легирующйхй“ шлкаообразующих материалов
Перемешивание
Продувка кислородом (факел и реакционная зона)
Электронагрев
шр'У " Зр
Кислородный конвертер
Расплавление и растворение твердой составляющей металлошихты
“Усвоение легирующих и-шлкаообразующих материалов
Перемешивание
Продувка кислородом (факел и реакционная зона)
Вакууматор
Усвоение легирующих и шлакообразующих материалов
Перемешивание
Продувка кислородом (факел и реакционная зона)
Вакуумирование
Шлако - газо - металлическая система
Химический Температура
Масса металла Масса шлака состав шлака, шлака и
металла, газа металла
Рис. 1. Система шлак-металл, как интегрирующая фаза

{С0}+1/2{02}={С02}, что также вносит тепло; кроме того увеличивается объем газов, что приводит к расширению струи.
Была разработана структурная схема математической модели кислородного факела (Рис. 7).
Математическая модель, описывающая формирование кислородного факела, состоит из следующих основных блоков:
• блок расчета характеристик потока при истечении его из сопла;
• блок послойного моделирования подмешивания в факел газов из полости конвертера;
• термодинамический блок расчета процесса окисления {СО} до {СОг};
• блок расчета пространственной конфигурации факела.
Расход, темп-ра и состав кислорода продувки
Высота фурмы над уровнем ванны и геом-кие хар-ки сопел фурмы
Темп, и х/с отходящих газов
-V«, <х/с)ог

-Тог, {х/С}ог
Расчет Расчет скорости и Расчет присоединенной массы
параметров истечения струи Уо2°. Тстр0~| -► присоединенной массы газа для струи, формируемой газа для элементарного слоя по всей длине факела, ~1,
из сопла одним соплом образованного N соплами Чприс,
Расчет геометрических размеров
{х/с}
Моделирование дожигания СО до СОг в слое с учетом изменения парциальных давлений газов в струе
Материальные и тепловой балансы факела в слое і
Графическое представление распределения скорости, х/с, температуры по длине факела
Рис. 7. Схема математической модели взаимодействия кислородного факела с атмосферой конвертера.