«Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»
| Вид материала | Автореферат |
СодержаниеОбщая характеристика работы Основное содержание работы Общие выводы Основное содержание работы отражено в следующих публикациях |
- Методика применения методов программной инженерии на этапах разработки информационной, 111.59kb.
- Нп «сибирская ассоциация консультантов», 132.23kb.
- Конференция состоится 11-12 мая 2012г, 58.92kb.
- «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова», 175.27kb.
- Разработка механизма формирования конкурентной стратегии в отраслях олигополии, 220.25kb.
- Разработка метода диагностирования ад на основе конечно-элементной модели, 198.53kb.
- Электропривод насосного агрегата на основе энергосберегающего асинхронного двигателя, 268.94kb.
- Методика диагностирования силовых трансформаторов на основе оперативного контроля частичных, 286.02kb.
- Великий Андрей Борисович совершенствование технологии разливки стали на высокопроизводительных, 288.42kb.
- Разработка методики анализа надежности автоматизированных электроприводов прокатных, 289.64kb.
На правах рукописи
Алексеев
Леонид Вячеславович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ ПОЛУПРОДУКТА
В ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ
С ПРИМЕНЕНИЕМ ЖИДКОГО ЧУГУНА
Специальность 05.16.02 –
Металлургия чёрных, цветных и редких металлов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Магнитогорск – 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Научный руководитель – доктор технических наук
Столяров Александр Михайлович.
Официальные оппоненты: доктор технических наук
профессор
Рощин Василий Ефимович;
кандидат технических наук
Изотов Алексей Викторович.
Ведущая организация – ЗАО «Нижнесергинский метизно-
металлургический завод»
(г. Ревда).
Защита состоится 23 июня 2009 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
А
втореферат разослан « » 2009 г.Учёный секретарь
д
иссертационного совета В.Н. СеливановОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Доля электростали в общем объеме мирового производства по данным за 2007 год равнялась 31,2 %. Этот показатель в России пока составлял 26,7 %. Электросталеплавильное производство в нашей стране развивается динамично и к 2020 году прогнозируется увеличение доли электростали до 38,9 %. Основными преимуществами этого способа производства стали являются широкие возможности по варьированию состава металлической шихты, точность и простота регулирования температуры.
В настоящее время для производства электростали широко применяются трехфазные дуговые сталеплавильные печи, работающие на переменном токе. Такие агрегаты используются для расплавления шихты и получения жидкого полупродукта, превращение которого в сталь заданного химического состава и качества осуществляется методами ковшовой металлургии. Технология выплавки полупродукта в современных электродуговых печах развивается в направлении интенсификации плавки. Основными способами интенсификации плавки являются применение топливо-кислородных горелок, подогрев металлического лома, применение в металлической шихте жидкого чугуна, окисление газообразным кислородом дополнительно вводимого углерода, работа с «болотом» на вспененном шлаке, продувка ванны инертным газом. Для металлургических предприятий с полным циклом производства одним из самых эффективных способов интенсификации плавки является использование в металлической шихте жидкого чугуна.
В результате коренной реконструкции сталеплавильного производства ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» в ЭСПЦ введены в эксплуатацию две дуговые сталеплавильные печи фирмы «VAI–FUCHS» вместимостью по 180 т. Каждая печь имеет удельный объём около 1,0 м3/т и оборудована многоступенчатым трансформатором удельной мощностью 830 кВ∙А/т. Для интенсификации процесса выплавки полупродукта в дуговой сталеплавильной печи предусмотрена возможность применения в качестве шихтового материала жидкого чугуна в количестве до 40 % от массы загружаемой металлической шихты. По контракту проектная производительность дуговой сталеплавильной печи составляет около 2 млн. т стали в год.
В процессе освоения нового оборудования и технологии были выявлены трудности, связанные с ухудшением технико-экономических показателей работы печи при использовании большого количества жидкого чугуна в шихте электроплавки, невозможностью заливки чугуна в печь с помощью робота-манипулятора в процессе плавления металлической шихты, увеличением продолжительности загрузки металлического лома в печь, высоким содержанием серы, хрома, никеля, меди и азота в выплавляемом полупродукте. Эти трудности не позволили на начальном этапе освоения достичь проектного уровня производительности дуговой сталеплавильной печи и приемлемого качества полупродукта.
Поэтому актуальной задачей для электросталеплавильного цеха ОАО «ММК» являлось совершенствование технологии выплавки полупродукта в дуговой сталеплавильной печи с применением жидкого чугуна.
Цель работы – повышение производительности дуговой сталеплавильной печи, работающей с использованием жидкого чугуна в металлической шихте, и улучшение качества выплавляемого полупродукта.
Для достижения этой цели потребовалось решить следующие основные задачи:
– определить рациональный расход жидкого чугуна при выплавке полупродукта в дуговой сталеплавильной печи;
– скорректировать технологию выплавки полупродукта в дуговой сталеплавильной печи с применением жидкого чугуна;
– произвести количественную оценку различных статей потерь железа при выплавке полупродукта в дуговой сталеплавильной печи;
– оценить экономическую эффективность внедрения усовершенствованной технологии производства полупродукта в дуговой сталеплавильной печи для условий ОАО «ММК».
Научная новизна работы заключается в следующем:
– установлены эмпирические зависимости, позволяющие определить производительность электродуговой печи, продолжительность всей плавки и работы печи под током, удельный расход электроэнергии, содержание основных химических элементов в выплавляемом полупродукте и расход ферросплавов в ковш при изменении расхода жидкого чугуна до 34 % (отн.);
– произведена количественная оценка степени влияния различных химических элементов на величину потерь металла при выплавке полупродукта;
– установлена возрастающая линейная зависимость потерь железа с выносами от продолжительности работы печи под током и выявлена средняя величина относительной доли железа, окисляющегося с образованием монооксида железа шлака;
– количественно оценены статьи потерь железа при выплавке полупродукта с выносами, с «корольками» шлака, на образование оксидов железа шлака.
Практическая значимость работы состоит в том, что в результате проведенных исследований производительность дуговой сталеплавильной печи увеличилась в среднем на 13,7 % (отн.), снижено содержание фосфора в полупродукте на 33 % (отн.), а также содержание хрома, никеля и меди. Усовершенствованная технология выплавки полупродукта в дуговой сталеплавильной печи вместимостью 180 т с одноковшовым вариантом заливки чугуна внедрена в производство в ЭСПЦ ОАО «ММК» с экономическим эффектом 10,3 млн. руб.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIII Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (Челябинск, 2007 г.), Х конгрессе сталеплавильщиков (г. Магнитогорск, 2008 г.), Международной научно-технической конференции молодых специалистов (ОАО «ММК», Магнитогорск, 2008 г.), Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование для производства стали» (Челябинск, 2009 г.), на ежегодных конференциях МГТУ по итогам научно-исследовательских работ в 2007…2008 годах.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 статей в журналах и сборниках, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Она изложена на 129 страницах машинописного текста, включая 15 таблиц, 24 рисунка и 102 источника.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложены актуальность темы диссертационной работы, ее цель, решаемые задачи, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе на основе анализа литературных данных рассмотрена выплавка стали в современных электродуговых печах.
В работе констатируется, что бóльшая часть электростали в настоящее время производится в трехфазных дуговых сталеплавильных печах переменного тока. Показано, что дуговая сталеплавильная печь большой вместимости в основном используется как агрегат для быстрого получения полупродукта с необходимым содержанием углерода и требуемой температурой. Процессы раскисления металла и его рафинирования вынесены из сталеплавильного агрегата и осуществляются в сталеразливочном ковше.
Рассмотрены тенденции развития технологии выплавки полупродукта в современной электродуговой печи. Одной из основных тенденций является интенсификация процесса выплавки полупродукта в печи. Это достигается различными методами: применением топливо-кислородных горелок, подогревом металлического лома, использованием в металлической шихте жидкого чугуна, окислением дополнительно вводимого углерода газообразным кислородом, работой с «болотом» на вспененном шлаке, продувкой расплава инертным газом. Для металлургических предприятий с полным циклом производства доступным и эффективным способом интенсификации плавки является использование жидкого чугуна в качестве металлической шихты.
В условиях интенсификации электроплавки важной задачей является также сокращение продолжительности организационных периодов для повышения производительности агрегата. Качество выплавляемого в дуговой сталеплавильной печи полупродукта во многом зависит от состава применяемых шихтовых материалов и шлакового режима плавки.
Во второй главе приведена техническая характеристика дуговой сталеплавильной печи ОАО «ММК», рассмотрены различные проектные варианты работы электропечи и основные элементы технологии выплавки полупродукта, а также произведен расчет материального и теплового баланса электроплавки для трех базовых вариантов.
Из трех рассмотренных базовых вариантов шихтовки электроплавки наиболее предпочтительным является вариант с расходом жидкого чугуна 25 %. Данный вариант имеет существенное преимущество перед вариантом работы без жидкого чугуна вследствие экономии электроэнергии в 1,3 раза. В сравнении с вариантом применения в шихте 40 % жидкого чугуна вариант с 25 % чугуна выгодно отличается более высокой эффективностью использования тепла на нагрев металла и шлака. При использовании этого варианта шихтовки продолжительность плавки наименьшая – 42 мин.
Однако при сравнении трех базовых вариантов проведения плавки, различающихся между собой существенно – на 15, 25 и 40 % по доли используемого жидкого чугуна в шихте, не представляется возможным определение рационального расхода чугуна. Для этого необходимо проведение экспериментальных исследований в условиях ОАО «ММК» при бóльшем количестве значений доли чугуна в металлической шихте в диапазоне от 25 до 40 %.
В 2006 году в ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» введены в эксплуатацию две дуговые сталеплавильные печи (ДСП) вместимостью 180 т с трансформаторами мощностью 150 МВА. Печи оснащены комплексом современного оборудования, обеспечивающим проектную производительность каждого агрегата 2 млн. т металла в год. По контракту предусмотрены следующие способы интенсификации плавки: применение топливо-кислородных горелок, окисление газообразным кислородом дополнительно вводимого углерода, работа с «болотом» на вспененном шлаке, продувка ванны инертным газом, а также возможность применения в качестве шихтового материала жидкого чугуна в количестве до 40 % от массы загружаемой металлической шихты.
В третьей главе представлены результаты выплавки полупродукта в дуговой сталеплавильной печи с различным расходом жидкого чугуна.
Для решения поставленной задачи по определению рационального рас-
хода жидкого чугуна в шихте электроплавки произведена выплавка полупродукта в количестве 68 плавок для получения стали марки Ст.3сп при работе дуговой сталеплавильной печи с оставлением в агрегате «болота». На трёх плавках жидкий чугун в металлической шихте не использовался. При проведении основного количества – 60 плавок применен одноковшовый вариант заливки жидкого чугуна в печь, когда расход чугуна изменялся от 20 до 65 т, что соответствовало 10…34 % от массы загружаемой в печь металлической шихты. При этом максимальная величина расхода чугуна лимитировалось вместимостью заливочного ковша. На остальных пяти плавках использован двухковшовый вариант заливки чугуна в количестве 70…90 т или 35…41 % (отн.).
На первом этапе исследования решалась задача выбора рационального для условий электросталеплавильного цеха ОАО «ММК» расхода жидкого чугуна с целью обеспечения высоких технико-экономических показателей работы дуговой сталеплавильной печи и приемлемого качества выплавляемого полупродукта.
Н
а рисунке 1 приведены данные о средней продолжительности плавки полупродукта в электродуговой печи при различном расходе жидкого чугуна в шихте. Рисунок 1 – Зависимость средней продолжительности плавки
полупродукта с температурой около 1625 °С для
получения стали марки Ст. 3сп в ДСП вместимостью
180 т от расхода жидкого чугуна в шихте
Анализ представленных на рисунке данных показывает, что на поле графика имеется две обособленные группы опытных точек. Первая группа точек для 63 плавок характеризует изменение продолжительности плавки при изменении расхода жидкого чугуна от 0 до 34 % (отн.). В этой группа прослеживается чётко выраженная тенденция к уменьшению продолжительности плавки при росте расхода жидкого чугуна в металлической шихте. На таких плавках заливка чугуна в печь производилась из одного ковша. При заливке чугуна из практически полного ковша (31…34 % от массы металлической шихты) продолжительность плавки в дуговой сталеплавильной печи была минимальной и равнялась в среднем 44,2 мин. Вторая группа точек для 5 плавок на рисунке 1 получена при расходе чугуна 35…41 % (отн.). Для этой группы наблюдается резкое увеличение продолжительности плавки в электрической печи в среднем до 63 мин – более, чем на 40 % (отн.). Это объясняется возрастанием продолжительности заливки чугуна из-за необходимости использования двух чугуновозных ковшей и увеличением продолжительности окислительного периода электроплавки.
На втором этапе исследования был произведен анализ данных 63 плавок, проведённых с расходом жидкого чугуна от 0 до 34 % (отн.) при одноковшовом варианте заливки. В результате этого было установлено, что с увеличением доли жидкого чугуна в металлической шихте электроплавки (gчуг, % от массы металлической шихты) происходит возрастание производительности дуговой сталеплавильной печи (pдсп, т/ч) и уменьшение удельного расхода электрической энергии для выплавки полупродукта (gэл, кВт·ч/т) согласно прямолинейным зависимостям (рисунок 2):
(
1)(
2)Характер полученных зависимостей объясняется сокращением продолжительности работы печи под током и продолжительности всего цикла плавки в дуговой сталеплавильной печи с ростом доли жидкого чугуна в металлической шихте до 34 % (отн.). Это является следствием поступления в печь бóльшего количества тепла как в виде физического тепла жидкого расплава, так и в виде тепла экзотермических реакций окисления примесей чугуна. В результате этого появилась возможность снижения удельного расхода природного газа, использующегося для отопления электропечи. Увеличение объёма выделяющегося монооксида углерода способствует вспениванию шлака и сокращению удельного расхода углеродсодержащего материала, подаваемого в печь.
Рисунок 2 – Зависимости производительности дуговой сталеплавильной
печи (а) и удельного расхода электроэнергии (б) от расхода
жидкого чугуна в шихте до 34 % (отн.)
На основании выявленных зависимостей можно сделать вывод о том, что для достижения наиболее высокой производительности сталеплавильного агрегата следует вести электроплавку с расходом жидкого чугуна в металлической шихте дуговой сталеплавильной печи от 31 до 34 % (отн.). Однако в реальных условиях при дефиците жидкого чугуна вследствие снабжения электросталеплавильного цеха по остаточному принципу после удовлетворения потребностей высокопроизводительного кислородно-конвертерного цеха фактический расход чугуна составляет 21…25 % (отн.) или в среднем около 23 %.
Увеличение в металлической шихте дуговой сталеплавильной печи доли жидкого чугуна, содержащего меньшее количество примесей, ведёт к снижению содержания серы, никеля, меди и азота в выплавляемом полупродукте. На удаление серы и азота из расплава благоприятное влияние оказывает усиление барботажа ванны при окислении углерода, внесённого чугуном. Зависимости содержания никеля, меди и азота в полупродукте перед выпуском из дуговой сталеплавильной печи от расхода жидкого чугуна в металлической шихте приведены на рисунке 3.
Представленные на рисунке 3 зависимости описываются следующими уравнениями:
(
3)(
4)(
5)Из рисунка 3 а, б видно, что при увеличении доли жидкого чугуна в металлической шихте дуговой сталеплавильной печи происходит снижение содержания никеля и меди в полупродукте перед выпуском из печи. Диапазон
изменения содержания никеля и меди в полупродукте перед выпуском из печи составляет 0,045….0,144 и 0,085…0,262 % при среднем их содержании 0,086 и 0,156 %. Использование жидкого чугуна в металлической шихте способствует получению приемлемого уровня содержания азота в металле (рисунок 3 в), сопоставимого с его содержанием в кислородно-конвертерной стали. Диапазон изменения содержания азота в полупродукте перед выпуском из дуговой сталеплавильной печи составляет 0,003….0,007 % при среднем содержании 0,0044 %.
При увеличении доли жидкого чугуна в металлической шихте плавки полупродукта в дуговой сталеплавильной печи происходит рост содержания углерода и марганца в металле перед выпуском из печи. Повышение содержание марганца объясняется использованием марганцовистого чугуна со средним содержанием этого элемента около 0,55 %. Всё это вызывает уменьшение окисленности выплавляемого полупродукта. Следствием снижения окисленности металла является уменьшение удельной массы марганца, вводимого в ферросплавах для раскисления полупродукта в ковше. Также установлено, что содержание серы снижается при увеличении доли жидкого чугуна в металлической шихте вследствие меньшего поступления этого элемента из металлической шихты.
Рисунок 3 – Зависимости содержания никеля (а), меди (б) и азота (в)
в полупродукте перед выпуском из печи от расхода
жидкого чугуна в шихте до 34 % (отн.)
В четвертой главе приведены результаты исследований различных вариантов совершенствования технологии выплавки полупродукта при одноковшовом варианте заливки чугуна в печь.
При исследовании разных вариантов загрузки металлического лома в дуговую сталеплавильную печь установлено (таблица 1), что загрузка лома с насыпной плотностью около 1 т/м3 одной бадьей при расходе жидкого чугуна в шихте около 30 % (отн.) позволяет уменьшить продолжительность всей плавки и работы печи под током в среднем на 3,3 и 2,1 мин соответственно.
Таблица 1 – Сравнение разных вариантов загрузки металлического лома в
дуговую сталеплавильную печь
| Параметр | Вариант загрузки | |
| одной бадьей | двумя бадьями | |
| Количество плавок, шт. | 24 | 68 |
| Насыпная плотность лома, т/м3 | 1,1 | 0,8 |
| Средняя продолжительность, мин: всей плавки работы печи под током | 46,9 30,0 | 50,2 32,1 |
| Удельный расход электроэнергии, кВт∙ч/т | 249 | 269 |
При этом экономия удельного расхода электроэнергии составляет около 20 кВт∙ч/т.
Исследование введения в металлическую шихту электроплавки различных добавочных материалов показало (таблица 2), что при добавке горячебрикетированного железа (вариант первый) или твердого чушкового чугуна (вариант второй), либо прокатной обрези (вариант третий) в количестве 8, 16 и 32 % (отн.) соответственно при расходе жидкого чугуна в шихте около 23 % (отн.) появляется возможность снижения содержания серы, хрома, никеля и
Таблица 2 – Сравнение различных вариантов состава шихты электроплавки
| Параметр | Вариант состава шихты | |||
| контрольный | первый | второй | третий | |
| Количество плавок, шт. | 26 | 18 | 5 | 16 |
| Среднее содержание в металле, %: серы хрома никеля меди | 0,036 0,039 0,088 0,170 | 0,032 0,036 0,081 0,136 | 0,032 0,035 0,070 0,119 | 0,032 0,031 0,065 0,100 |
| Средняя продолжительность, мин: всей плавки работы печи под током | 46,7 31,9 | 49,5 32,9 | 59,2 33,4 | 47,3 31,8 |
| Удельный расход электроэнергии, кВт∙ч/т | 274 | 270 | 291 | 271 |
меди в выплавляемом полупродукте по сравнению с контрольным вариантом без использования добавочных материалов.
Наиболее приемлемым является третий вариант шихтовки плавки с использованием прокатной обрези стали марок 08Ю и 08пс, выплавленной в кислородно-конвертерном цехе ОАО «ММК». Однако при работе по этому и другим опытным вариантам увеличивается продолжительность плавки полупродукта в печи.
Изучение разных вариантов заливки чугуна в печь показало, что при расходе жидкого чугуна в шихте около 23 % (отн.) заливка жидкого чугуна в печь через рабочее окно с помощью робота-манипулятора позволяет уменьшить продолжительность плавки и работы печи под током в среднем на 2,5 и 1,3 мин соответственно по сравнению со способом заливки жидкого чугуна в печь сверху при отведенном своде (таблица 3).
Таблица 3 – Сравнение разных вариантов заливки чугуна в дуговую
сталеплавильную печь
| Параметр | Вариант заливки | |
| через рабочее окно печи | сверху при отведенном своде | |
| Количество плавок, шт. | 30 | 30 |
| Насыпная плотность лома, т/м3 | 1,1 | 0,8 |
| Средняя продолжительность, мин: всей плавки работы печи под током | 49,5 32,8 | 52,0 34,1 |
| Удельный расход электроэнергии, кВт∙ч/т | 274 | 287 |
Исследовано влияние расхода основного шлакообразующего материала – извести на содержание фосфора в полупродукте. Установлена линейная зависимость (рисунок 4) содержания фосфора в металле от удельного расхода извести (gCaO, кг/т)
(
6)Рекомендован удельный расход извести около 40 кг/т металлической шихты.
Опробованы различные варианты введения в печь извести (таблица 4): одной порцией с бадьей при завалке лома (первый вариант), несколькими порциями по ходу плавки (второй вариант) и половины от общей массы при завалке лома и остального количества – по ходу плавки (третий вариант). Расход жидкого чугуна на всех плавках был одинаковым и равнялся 24 % (отн.).
Самое низкое содержание фосфора и серы в металле получено при использовании третьего варианта введения извести в печь.
Рисунок 4 – Зависимость содержания фосфора в полупродукте перед
выпуском из печи от удельного расхода извести
Таблица 4 – Сравнение различных вариантов введения извести в печь
| Параметр | Вариант введения извести | ||
| первый | второй | третий | |
| Количество плавок, шт. | 24 | 26 | 26 |
| Средний расход извести, кг | 8000 | 7990 | 8060 |
| Средняя основность шлака | 2,2 | 2,5 | 2,6 |
| Среднее содержание в полупродукте, %: серы фосфора | 0,038 0,008 | 0,036 0,006 | 0,032 0,004 |
| Среднее значение коэффициента распределения между шлаком и металлом: серы фосфора | 2,1 91 | 2,5 135 | 3,2 144 |
В результате последующего опробования применения извести в количестве около 40 кг/т металлической шихты с введением половины от общей массы при завалке лома и остального количества – по ходу плавки достигнуто снижение содержания фосфора в полупродукте на 33 % (отн.).
На разработанную технологию выплавки полупродукта в дуговой сталеплавильной печи подана заявка на патент РФ «Способ выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи».
Усовершенствованная технология выплавки полупродукта в дуговой сталеплавильной печи вместимостью 180 т с одноковшовым вариантом заливки жидкого чугуна в печь внедрена в производство в электросталеплавильном цехе ОАО «ММК» с экономическим эффектом 10,3 млн. руб. вследствие увеличения производительности плавильного агрегата в среднем на 13,7 % (отн.).
В пятой главе приведены описание математической модели изучения изменения содержания основных химических элементов в процессе электроплавки, её настройки и результаты моделирования.
М
атематическая модель разработана на основе материального баланса химических элементов, находящихся в металле. В общем виде уравнение материального баланса для любого химического элемента металла может быть записано следующим образом:(7)
г
де – масса элемента E, находящегося в металле «болота» в начале и в конце плавки,
кг;– масса элемента E, поступившего в печь с
металлическим ломом, жидким чугуном, другими материалами, кг;
– масса элемента E в полупродукте, выпускаемом из печи, кг;– изменение массы элемента E по ходу плавки, кг.
Из уравнения (7) вычисляется величина изменения массы элемента по ходу плавки. Положительное значение этой величины свидетельствует об удалении элемента из металла, а отрицательное – о его поступлении в металл.
При изучении поведения железа в модели учитывается, что железо может теряться металлом в результате протекания нескольких процессов:
(
8)г
де – масса железа, потерянного металлом по ходу плавки, кг; – масса железа, потерянного с выносами из
металла, в виде «корольков» шлака и в виде
оксидов железа шлака, кг.
М
асса железа, теряемого с выносами из металла, определяется по задаваемой линейной функции в зависимости от продолжительности работы агрегата под током 
(9)г
де – настроечный коэффициент, кг/мин; – продолжительность работы печи под током, мин.
Масса железа «корольков» шлака в модели рассчитывается по принимаемым данным о содержании «корольков» в формируемом шлаке:
(10)г
де – содержание «корольков» в шлаке, % (отн. массы шлака);– масса сформированного шлака, кг.
Данная масса железа вычисляется итерационным способом, так как на момент определения значения этого параметра масса сформированного шлака ещё неизвестна.
М
асса железа в оксидах шлака FeO и Fe2O3 рассчитывается по формуле(11)
М
асса железа в монооксиде железа шлака FeO рассчитывается по уравнению(
12)г
де – масса железа, окисляющегося с образованием FeO шлака, кг;– настроечный коэффициент, характеризующий долю железа,
окисляющегося до FeO шлака, % (отн. массы железа,
участвующего в образовании оксидов шлака).
М
асса железа, окисляющегося с образованием другого оксида шлака – Fe2O3, определяется следующим образом:
(13)где – масса железа, окисляющегося с образованием Fe2O3 шлака, кг.
Для успешного функционирования модели необходимо осуществление процедуры её настройки. В модели используются настроечные коэффициенты k1 и k2. Перед началом расчёта этим коэффициентам присваиваются любые начальные значения. Настройка модели заключается в подборе значений настроечных коэффициентов таким образом, чтобы обеспечивалось минимальное расхождение результатов расчёта с опытными данными 35 плавок. Подбор значений настроечных коэффициентов производится при помощи сервисной функции поиска решений в электронных таблицах «Excel-2000». При этом в целевой ячейке электронных таблиц должно находиться минимальное значение суммы квадратов отклонений содержания компонентов в шлаке всех опытных плавок.
О качестве настройки модели можно судить по результатам сравнения прогнозируемого содержания компонентов в шлаке с данными второй группы опытных плавок из 33 штук, используемых для проверки разработанной модели на адекватность. При расчётах на модели среднее значение основности шлака равнялось 2,26, а по опытным данным оно составило 2,34. Отношение значений расчётного содержания FeO к аналогичному содержанию Fe2O3 составляло 1,9, а отношение опытных значений – 2,0. Близкие значения сравниваемых параметров позволяют сделать вывод о возможности использования модели для описания реального процесса.
В процессе настройки модели установлена зависимость массы железа, теряемой с выносами из металла и измеряемой в килограммах, от продолжительности работы печи под током в минутах
при Feкор = 8 % (отн.), (14) 
при Feкор = 10 % (отн.), (15) при Feкор = 12 % (отн.). (16)
П
осле пересчёта массы железа, теряемой с выносами, из абсолютных величин (кг) в относительные величины (% относительно массы металла) получены зависимости, представленные на рисунке 5. Рисунок 5 – Зависимость относительной массы железа, теряемого с
выносами из металла, от продолжительности работы
ДСП под током при различном содержании железа
в «корольках» шлака (цифры у линий)
Уравнения линейных зависимостей выглядят следующим образом:
при Feкор = 8 % (отн.), (17) при Feкор = 10 % (отн.), (18)
при Feкор = 12 % (отн.), (19)Коэффициент парной корреляции для каждой из полученных зависимостей равен 0,786, что превышает его критическое значение r0,001=0,533.
Количество потерь железа с выносами колеблется от 0,45 до 0,97 % от массы металла и в среднем имеет значение, равное 0,67 % (отн.).
При настройке модели также выявлено среднее значение доли железа, окисляющегося до монооксида железа шлака FeO, которое равняется 67 % относительно массы железа, участвующего в образовании всех оксидов шлака. Остальная часть железа окисляется с образованием другого оксида железа шлака – Fe2O3 .
Анализ составляющих общих потерь металла за всю плавку показывает, что вклад различных химических элементов в эти потери существенно различается. На рисунке 6 приведены данные, позволяющие оценить вклад основных элементов в общие потери металла.
Рисунок 6 – Относительная масса химических элементов,
удалившихся из металла в процессе плавки
Из этих данных следует, что основную долю общих потерь металла составляют потери железа – около 81 % (отн.). Доля других элементов значительно меньше: углерода – 11 % (отн.), кремния и марганца – около 3 и 4 % (отн.) соответственно. Количество окислившегося фосфора – 0,2 % (отн.) на порядок выше, чем масса удалившейся из металла серы, что объясняется высокой окисленностью сформированного шлака.
Расчёты, выполненные на модели, позволили сделать количественную оценку различных статей потерь самого важного элемента – железа. На рисунке 7 представлены данные о потерях железа с выносами из металла, в виде «корольков» шлака, в виде монооксида железа шлака FeO и оксида шлака Fe2O3.
Рисунок 7 – Масса железа, потерянного металлом в процессе плавки,
по различным статьям при следующем содержании
железа в «корольках» шлака (% отн. массы шлака):8 %; 10 %; 12 %
Из рисунка 7 видно, что основная часть железа – от 89 до 93 % (отн.) теряется со шлаком. При этом около 63…69 % (отн.) железа участвует в образовании различных оксидов железа шлака. Потери железа на образование монооксида железа FeO примерно вдвое больше, чем на образование другого оксида – Fe2O3. В виде «корольков» шлака теряется от 20 до 30 % (отн.) железа. Потери железа с выносами из металла оцениваются от 7 до 11 % (отн.) железа, в среднем равняются 9 % (отн.).
При моделировании появилась возможность количественной оценки массы шлака, образующегося в процессе плавки. Количество образовавшегося шлака на опытных плавках с одноковшовым вариантом заливки жидкого чугуна в среднем равнялось 17 % (отн. массы металла). Статистически значимого влияния расхода чугуна на массу образовавшегося шлака выявлено не было.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Максимальная производительность 245…250 т/ч дуговой сталеплавильной печи вместимостью 180 т достигается при рациональном расходе жидкого чугуна в металлической шихте 31…34 % (отн.), реализуемом при одноковшовом варианте заливки чугуна.
2. Установлены эмпирические зависимости, позволяющие определить производительность электродуговой печи, продолжительность плавки и работы печи под током, удельный расход электроэнергии, содержание основных химических элементов в выплавляемом полупродукте, расход ферросплавов в ковш при изменении количества жидкого чугуна до 34 % (отн.).
3. При среднем расходе жидкого чугуна в шихте около 30 % (отн.) использование металлического лома с насыпной плотностью около 1 т/м3 позволяет уменьшить продолжительность плавки в дуговой сталеплавильной печи и продолжительность работы печи под током в среднем на 3,3 и 2,1 мин соответственно.
4. Установлено, что при среднем расходе жидкого чугуна в шихте около 23 % (отн.) введение в твердую металлическую шихту горячебрикетированного железа или твердого чушкового чугуна, либо прокатной обрези в количестве 8, 16 и 32 % (отн.) соответственно улучшает качество выплавляемого полупродукта вследствие снижения содержания серы, хрома, никеля и меди. Заливка жидкого чугуна в печь через рабочее окно с помощью робота-манипулятора позволяет уменьшить продолжительность плавки и работы печи под током в среднем на 2,5 и 1,3 мин соответственно по сравнению со способом заливки жидкого чугуна в печь сверху при отведенном своде.
5. Использование извести в количестве около 40 кг/т металлической шихты при введении половины извести в печь в процессе завалки металлической шихты и остальной части извести – порциями в течение плавки позволяет уменьшить содержание фосфора в полупродукте на 33 % (отн.).
6. При моделировании изменения содержания химических элементов в процессе электроплавки произведена количественная оценка степени влияния различных химических элементов на величину потерь металла при выплавке полупродукта, установлена возрастающая линейная зависимость потерь железа с выносами из металла от продолжительности работы печи под током, а также средняя величина доли железа, окисляющегося с образованием монооксида железа шлака, равная 67 % относительно массы железа, участвующего в образовании всех оксидов шлака.
7. Количественно оценены различные статьи потерь железа при выплавке полупродукта в дуговой сталеплавильной печи, которые для рассмотренного диапазона содержания «корольков» в шлаке 8…12 % (отн.) составляют: со шлаком – 89…93 % (отн.) и остальное – с выносами из металла. Потери со шлаком складываются из потерь железа в виде FeO – 42…46 % (отн.), в виде Fe2O3 – 21…23 % (отн.) и 20…30 % (отн.) – в виде «корольков» шлака.
8. Усовершенствованная технология выплавки полупродукта в дуговой сталеплавильной печи вместимостью 180 т с применением жидкого чугуна в металлической шихте внедрена в производство в электросталеплавильном цехе ОАО «ММК» с долевым экономическим эффектом 10,3 млн. руб. вследствие увеличения производительности дуговой сталеплавильной печи в среднем на 13,7 % (отн.).
Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:
1. Особенности работы дуговых сталеплавильных печей с применением жидкого чугуна (ОАО «ММК») / Ю.А. Ивин, А.Б. Великий, Н.В. Саранчук, А.Х. Валиахметов, Л.В. Алексеев // Сталь. – 2008. – № 7. – С. 49 – 50.
2. Совершенствование шлакового режима выплавки стали в электропечи ЭСПЦ ОАО ММК / А.В. Сарычев, С.Н. Ушаков, Ю.А. Ивин, Л.В. Алексеев, А.Х. Валиахметов // Металлург. – 2008. – № 8. – С. 37 – 38.
3. Совершенствование технологии выплавки стали в ДСП ЭСПЦ ОАО «ММК» / А.В. Сарычев, Ю.А. Ивин, Л.В. Алексеев, В.А. Бигеев // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». – 2008. – № 1 (21). – С. 71 – 73.
4. Алексеев Л.В., Столяров А.М. Особенности выплавки полупродукта в сверхмощной дуговой сталеплавильной печи с различным расходом жидкого чугуна // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». – 2008. – № 4 (24). – С. 69 – 72.
5. Изучение поведения химических элементов при выплавке полупродукта в сверхмощной дуговой сталеплавильной печи с различным расходом жидкого чугуна / Л.В. Алексеев, А.М. Столяров, В.А. Бигеев, А.Е. Малофеев // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». – 2009. – № 1 (25). – С. 38 – 41.
6. Алексеев Л.В., Столяров А.М. Анализ работы дуговой сталеплавильной печи с различным расходом жидкого чугуна // Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование для производства стали». Сталь. – 2009. – № 3. – С. 85.
7. Алексеев Л.В., Валиахметов А.Х. Совершенствование технологии выплавки стали в ДСП ЭСПЦ ОАО «ММК» // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции молодых специалистов /ОАО «ММК». – Магнитогорск, 2008. – С. 27.
8. Реконструкция мартеновского цеха в электросталеплавильный – следующий этап повышения эффективности сталеплавильного производства ОАО «ММК» / А.В. Сарычев, И.М. Захаров, А.Б. Великий, Ю.А. Ивин, Н.В. Саранчук, Л.В. Алексеев // Современные проблемы электрометаллургии стали. Материалы XIII Международной конференции / Под ред. В.Е. Рощина. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. – Ч. 2. – С. 148 – 152.
9. Отработка технологии десульфурации металла при выплавке стали в дуговой электросталеплавильной печи ОАО «ММК» / А.Б. Великий, П.А. Насос, О.А. Николаев, Н.В. Саранчук, Л.В. Алексеев, В.В. Павлов // Современные проблемы электрометаллургии стали. Материалы XIII Международной конференции / Под ред. В.Е. Рощина. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. – Ч. 2. – С. 19 – 23.
10. Совершенствование способа заливки жидкого чугуна при выплавке стали в ДСП ОАО «ММК» / С.Н. Ушаков, К.Е. Борзенков, Ю.А. Ивин, В.В. Павлов, А.Х. Валиахметов, К.В. Казятин, Г.А. Алтухов, Л.В. Алексеев // Совершенствование технологии в ОАО «ММК»: Сб. тр. Центральной лаб. ОАО «ММК». – Вып.12. – Магнитогорск, 2008. – С. 106 – 108.
11. Использование различного вида лома при выплавки стали в ДСП ОАО «ММК» / И.М. Захаров, А.Б. Великий, Ю.А. Ивин, Н.В. Саранчук, В.В. Павлов, К.В. Казятин, Л.В. Алексеев // Совершенствование технологии в ОАО «ММК»: Сб. тр. Центральной лаб. ОАО «ММК». – Вып.12. – Магнитогорск, 2008.– С. 99 – 105.
12. Алексеев Л.В., Валиахметов А.Х., Павлов В.В. Технология заливки жидкого чугуна в сверхмощную дуговую сталеплавильную печь // Теория и технология металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Колокольцева. – Вып. 8. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». – 2008. – С. 73 – 77.
13. Алексеев Л.В., Валиахметов А.Х., Ивин Ю.А. Применение жидкого чугуна в шихте дуговой сталеплавильной печи ОАО «ММК» // Теория и технология металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Колокольцева. – Вып. 8. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». – 2008. – С. 83 – 87.