Компьютерное моделирование металлургических процессов в программе AnyLogic

24. Heisterkamp F. Контроль качества сварных швов, выполненных под флюсом, при сварке ниобий содержащих сталей. - 1978.

25. Gray J.M. Свариваемость высокопрочных ниобий содержащих сталей. - 1976.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРОГРАММЕ ANYLOGIC

© Кудасов А.М.*

Выксунский филиал Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», г. Выкса

В докладе анализируется современное состояние технологии производства стали в мартеновском цехе ОАО «ВМЗ». На основе моделирования технологических процессов в программе AnyLogic, предлагается вариант замены мартеновского цеха, позволяющий избавиться от экологически «грязного», низкопроизводительного производства.

Современная концепция выплавки стали заключается в применении ряда технологических агрегатов, эффективном согласовании и перераспределением технологических операций, как в рамках агрегата, так и между ними. Продолжительность каждой технологической операции, их промежуточный и конечный результат невозможно организовать без согласования с логистическими параметрами сталелитейного комплекса. Данное обстоятельство определяет основной комплекс задач, которые требуют решения на этапе проектирования и реализации современной технологии выплавки стали. Обзор направлений научных исследований в области работы сталелитейных комплексов показал, что основная их часть фокусируется на обеспечении оптимальной производительности агрегатов, качества продукции, экологических проблем, а также вопросах энергосбережения. В ходе анализа современных методик расчета основных параметров металлургических агрегатов сталелитейного модуля установлено, что они базируются на принципе равенства продолжительности технологических операций в каждом из них. Однако современные металлургические процессы в каждом из агрегатов достаточно быстротечны, что существенно повышает значение логистических и вспомогательных операций в обеспечении требуемой производительности. Данное обстоятельство потребовало проведения дополнительных исследований.

* Студент.

Технология производства стали в мартеновском цехе ОАО «ВМЗ»

ОАО «Выксунский металлургический завод» является крупнейшим поставщиком железнодорожных колес в Российской Федерации и за рубежом. Сталь на заводе выплавляют в мартеновском цехе, здание которого состоит из четырех пролетов: шихтового, печного, разливочного и пролёта подготовки составов с изложницами. Производительность составляет около 450 тыс. тонн жидкой стали в год. Выплавляемая сталь разливается в слитки, предназначенные для колесопрокатного цеха завода.

Химический состав традиционных для мартеновского цеха марок стали указан в табл.1.

В состав мартеновского цеха ОАО «Выксунский металлургический завод» входят две основные мартеновские печи вместимостью 250 т, работающие скрап-процессом без применения кислорода. Печи отапливаются природным газом и мазутом.

Таблица 1

Марочный химический состав стали

НиТД Марка стали Массовая доля элементов в ковшовой пробе, %

не более

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

ГОСТ 10791 2 0,55-0,65 0,50-0,90 0,22-0,45 0,040 0,035 0,25 0,25 0,25 - -

ТУ14-15-160-87 2 0,55-0,65 0,55-0,90 0,22-0,45 0,033 0,030 0,25 0,25 0,25 Т1 = 0,005-0,025

сумма<0,060 сумма< 0,60

Стандарт ШС812-3 Я7Т реком. <0,50 0,49-0,52 <0,76 0,60-0,76 <0,37 0,22-0,40 0,030 0,030 0,030 0,020 0,25 0,25 0,25 |0,28 0.030 | 0.05

сумма<0,50 0,25 |0,28 | 0,030 | 0,05

сумма<0,50

Стандарт Ю4-96 реком. 0,57-0,67 0,60-0,85 >0,15 0,030 0,030 0,25 0,25 |0,28 | 0,050 | 0,06 сумма<0,50

0,62-0,66 0,73-0,82 0,22-0,45 0,020 0,012 0,25 0,25 |0,28 | 0,050 | 0,06

сумма<0,50

Длительность плавки в мартеновской печи составляет около 7 часов 30 мин. Масса плавки выпускаемой из печи - 250 т. Содержание углерода по расплавлении в зависимости от марки стали, согласно технологической инструкции, должно составлять 0,9-1,6 %. Для науглероживания применяют отходы электродного производства - 600-1000 кг/т. Расплавление ванны фиксируют при температуре 1500-1530 °С. Продолжительность рудного кипения составляет от 25 до 40 мин при величине скорости окисления углерода 0,33-0,50 %/ч.

Для прохождения процессов дефосфорации поддерживают высокую скорость окисления углерода. Период чистого кипения - наиболее ответствен-

ный этап плавки. Ход мартеновского процесса в этот период полностью определяется реакцией окисления углерода и от характера ее протекания зависит в основном подъем температуры ванны и свойства конечного продукта. Высокие показатели нагрева достигнуты за счет перемешивания ванны путем подовой продувки инертным газом, при этом величина нагрева на 0,01 % окисленного углерода расплава достаточно велика и составляет от 2 до 40С.

Дополнительное повышение скорости нагрева дает частичная замена твердого окислителя горячим атмосферным воздухом за счет увеличения окислительной способности печной атмосферы. За счет перемешивания, как показывает оценка, интенсивность поступления кислорода в металл составляет 2000-3500 кг/ч. Поэтому, использование кислорода печной атмосферы для окисления углерода, приводит к наибольшему, в сравнении с вдуванием холодного воздуха и даже с кислородным дутьем, повышению температуры ванны. При производстве колесной стали практикуется предварительное раскисление металла, цель которого - получить заданное содержание углерода в готовом металле (остановить кипение) и снизить загрязненность стали неметаллическими включениями. Выпуск плавки производится в два 120 тонных сталеразливочных ковша. Каждый сталеразливочный ковш оснащен двумя продувочными пробками. Интенсивность подачи аргона составляет от 250 до 400 л/мин и продолжается до появления печного шлака в ковше, т.е. около 5-8 мин.

По окончании выпуска плавки температура металла в ковше составляет 1555-1575 0С. Выдержка металла в ковшах после окончания выпуска до начала разливки в зависимости от температуры стали составляет от 5 до 30 минут. Сталь разливают сифоном в изложницы с теплоизоляцией зеркала металла перлитографитовой смесью, содержание углерода в которой составляет около 35-37 %, влажность от 0,8 до 1,3 %. Расход перлитографитовой смеси в среднем равен 3,5-4,0 кг/т. Развес слитка равен 3570 кг. Длительность разливки одного ковша составляет 55-75 мин.

Современная концепция производства стали для железнодорожных колес

С целью повышения эффективности производства цельнокатаных железнодорожных колес, обеспечения качества выплавляемой колесной стали в соответствии с требованиями российских и международных стандартов, освоения производства колес нового поколения для высокоскоростных магистралей, повышения конкурентоспособности выпускаемой продукции на рынках сбыта осуществляется замена мартеновского производства на электросталеплавильное производство.

Мартеновское производство является наиболее энергозатратным, низкопроизводительным и экологически «грязным» по сравнению с выплавкой стали в электродуговой печи. Кроме того важное место в техническом пере-

вооружении занимает непрерывная разливка стали, которая позволяет сократить расход металла, повысить его однородность по химическому составу и свойствам. МНРС позволяет отказаться от стрипперного отделения и парка изложниц и поддонов.

Организация производства стали для железнодорожных колес подразумевает понятие «мини-завод». «Мини-завод» включает в себя: минимальные затраты на производство, минимальные выбросы технологических отходов в окружающую среду, минимальные простои оборудования и агрегатов, минимальный производственный цикл при максимальной производительности, продажах и рентабельности. Мини-завод, как правило, включает в себя следующие технологические агрегаты: дуговая сталеплавильная печь -агрегат ковш-печь (гомогенизация, подогрев металла, а также его рафинирование) - вакууматор - машина непрерывной разливки стали.

Современная технология производства стали реализуется в две стадии -получение в электродуговой печи полупродукта с последующим его рафинированием в ковше на установках ковш - печь и вакууматор с получением стали заданного состава.

Планируется, что главное здание ЭСПЦ будет представлять собой трёх-пролётное здание в составе:

- печного пролёта;

- пролёта сыпучих материалов, обслуживания МНРС и ремонта пром-ковшей;

- пролёта внепечной обработки и непрерывной разливки стали.

Разработка методики расчета основных параметров технологических агрегатов

Принимаем производительность цеха 450 тыс. т непрерывнолитой заготовки в год. В качестве исходных данных приняты следующие параметры МНРС: производительность 450 тыс. т непрерывнолитой заготовки в год, сечение заготовки - круг диаметром 455 мм. Годовой фонд рабочего времени электропечи принят 320 суток в год (7680 ч/год) за вычетом продолжительности ремонтов и простоев печи и коэффициента использования оборудования согласно зарубежным аналогам.

На основании применения традиционной методики расчета МНРС получены данные, которые выражены в виде графика зависимости массы плавки от времени разливки (рис. 1).

Выбираем продолжительность разливки равную 51 мин на основании опыта работы современной блюмовой МНРС. Согласно предварительной оценки для разливки стали принимаем трехручьевую машину непрерывной разливки стали (МНРС).

Выплавка стали в печи и её разливка на МНРС принимаются сериями по 12 плавок.

20 10 0

30 35 40 45 50 55 60 65 70

Время разливки, мин

Рис. 1. Зависимость массы плавки от времени разливки

Таким образом, исходя из принципа равенства продолжительности выплавки и разливки: тт = траз, продолжительность плавки составит 51 мин, а масса плавки 70 т [1].

Таким образом предварительные параметры дуговой печи выглядят следующим образом. Для выполнения заданного производства к установке в цехе принимается одна дуговая электросталеплавильная печь массой стали по выпуску 70 т и печным трансформатором мощностью 70 МВА + 20 %, работающая по технологии с жидким стартом и наведением пенистого шлака.

Наличие в печи расплавленного остатка металла и раскисленного шлака создает оптимальные условия для раннего шлакообразования и удаления фосфора. Кроме того, жидкий остаток защищает огнеупорную футеровку печи при завалке первой порции металлошихты.

Процесс плавления и нагрева интенсифицируются кислородно-топливными горелками с вдуванием пылеугольного топлива, обеспечивая ввод дополнительной энергии за счет реакции окисления углерода и примесей в металле, а также за счет дожигания монооксида углерода.

Внепечная обработка стали на УПК обеспечивает функции раскисления, легирования, десульфурации, гомогенизации и нагрева стали.

Присадка раскислителей и шлакообразующих материалов для наведения высокоосновного шлака обеспечивают эффективноераскисление металла.

Продувка инертным газом через пробку в днище ковша или погружную в металл фурму способствует реакциям между металлом и шлаком и удалению неметаллических включений. В результате перемешивания металла инертным газом создаются благоприятные условия для усреднения температуры и химсостава металла в ковше после присадки ферросплавов.

Колебание температуры металла в сталеразливочном ковше не превышает ± 5 °С.

Во время нагрева добавляются шлакообразующие материалы, наводится шлак, усредняется химсостав и температура металла. После этого осуществляется отбор проб.

По результатам анализа производится присадка ферросплавов для корректировки химсостава металла и шлакообразующих для корректировки состава шлака.

Длительность выплавки стали в ДСП не должна превышать длительность обработки на установки КП.

Основная функция внепечной обработки стали на установке вакууми-рования заключается в повышении степени чистоты стали за счёт снижении содержания растворённых в ней газов и вредных неметаллических включений, таких как кислород, азот, водород и сера, удаление которых происходит в зависимости от состояния расплава на различных стадиях процесса.

Вакуумной обработке подвергаются вся выплавляемая в ЭСПЦ колёсная сталь.

Согласно расчету для удаления азота до содержания ниже 60 ррт продолжительность продувки металла под вакуумом составляет 19 мин.

Перед вакуумированием осуществляется замер температуры и отбор пробы металла для определения химического состава; при этом температура металла в ковше должна превышать верхний предел температуры разливки стали на 30-35 оС.

Далее ковш с металлом отправляют на поворотный стенд МНРС. Температура жидкой стали должна быть в узком диапазоне колебаний - в пределах ± 5+/-С от заданной температуры перед разливкой. Разливка стали на МНРС осуществляется серийно (12 плавок в серии).

Промежуточный ковш позволяет осуществлять замену сталеразливоч-ных ковшей при разливке методом «плавка на плавку» без значительного снижения скорости разливки.

После прохождения зоны вторичного охлаждения мерные заготовки отправляются на склад заготовок ЭСПЦ или в КПЦ для дальнейшей порезки и обработки.

Оценка продолжительности вспомогательных операций и транспортировки ковша.

Базируясь на принципе равенства продолжительности технологических операций в каждом агрегате была составлена математическая модель работы цеха с учетом времени транспортировки сталеразливочного ковша между агрегатами и вспомогательной операции.

Компьютерное моделирование проводили на базе системы AnyLogic [2], которая разработана компанией XJTechnologies (Россия).

Для моделирования были выбраны следующие условия: продолжительность транспортировки сталеразливочного ковша после выпуска на АКП -

6 мин., от АКП в камеру вакууматора - 4 мин., от камерного вакууматора до начала разливки на МНРС - 8 мин. Операция скачивания шлака - 6 мин.

Рис. 2. Пример вывода расчета в Anylogic

Согласно результату моделирования такие условия приводят к необходимости накопления металла перед началом разливки на МНРС [2]. Из этого следует, что современные металлургические процессы в каждом из агрегатов достаточно быстротечны и продолжительность передачи ковша от одного агрегата к другому требует учета при расчете производительности цеха. Поэтому в дальнейших расчетах воспользовались формулой [3]:

7пл + ~ 7акп + 72 ~ 7VD + 73 ~ 7разл

где 71 - продолжительность транспортировки сталеразливочного ковша и вспомогательных операций от ДСП до АКП. г2 - продолжительность транспортировки сталеразливочного ковша

и вспомогательных операций от АКП до VD. 73 - продолжительность транспортировки сталеразливочного ковша и вспомогательных операций от VD до МНРС.

Для заданных условий оценивали производительность ДСП, АКП и VD. В качестве примера приведен расчет окончательных параметров ДСП.

Продолжительность плавки - 45 мин, мощность печного трансформатора составит 80 МВА.

Для решения данной задачи возможен и другой подход - увеличение массы плавки. По графику 1 определяем массу плавки для тпл + 71. В этом

случае массу плавки необходимо увеличить до 79 т.

* * *

1. Предложен вариант замены мартеновского цеха по выплавке стали для железнодорожных колес, который позволит избавиться от экологически

«грязного», низкопроизводительного производства. Модернизация производства на основе передовых достижений научно-технического прогресса в части новых форматов технологического построения производства позволит существенно повысить эффективность, качество и экологическую безопасность металлургических предприятий. Данная реконструкция позволит выйти предприятию на новый уровень и закрепить свои позиции на мировом рынке производства железнодорожных колес. Проведена оценка основных параметров технологических агрегатов (дуговая сталеплавильная печь, ковш-печь, машина непрерывной разливки стали) нового сталелитейного комплекса производительностью 450 тыс. т в год.

2. Математическое моделирование с использованием пакета прикладных программ AnyLogic позволило оценить влияние продолжительности транспортных и вспомогательных операций на обеспечение заданной производительности. Установлено, что транспортные операции «удлиняют», в частности, продолжительность плавки в ДСП, это переводит работу сталелитейного модуля в режим накопления ковшей перед разливкой для обеспечения заданной серийности МНРС, что в свою очередь ведет к дополнительным потерям тепла и износу огнеупорной футеровки.

С помощью моделирования в программе Anylogic была произведена оценка производительности комплекса и получены оптимальные показатели серийности для данного производства.

3. Для обеспечения ритмичной, «конвейерной» работы современного сталелитейного модуля необходимо соблюдать условие:

7пл + ~ 7акп + 72 ~ 7VD + 73 ~ 7разл

где 7 - продолжительность транспортировки сталеразливочного ковша и вспомогательных операций от ДСП до АКП. т2 - продолжительность транспортировки сталеразливочного ковша

и вспомогательных операций от АКП до VD. г3 - продолжительность транспортировки сталеразливочного ковша и вспомогательных операций от VD до МНРС.

Список литературы:

1. Егоров А.В. Расчет мощности и параметров электроплавильных печей. - М.: МИСиС, 2000. - 272 с.

2. Боев В.Д., Кирик Д.И., Сыпченко Р.П. Компьютерное моделирование: Пособие для курсового и дипломного проектирования. - СПб.: ВАС, 2011. -348 с.

3. Смирнов А.Н., Сафонов В.М., Дорохова Л.В., Цупрун А.Ю. - Донецк: Норд-Пресс, 2005. - 469 с.