Расчет технологических параметров выплавки стали в конвертере с использованием различных охладителей

МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ

УДК 669.168

Колесников Ю.А., Бигеев В.А., Сергеев Д.С.

РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В КОНВЕРТЕРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ОХЛАДИТЕЛЕЙ

Аннтотация. В данной статье приведены результаты расчета охлаждающих эффектов различных шихтовых материалов (лома, известняка, сырого доломита и т.д.) в кислородном конвертере по технологии выплавки стали, проводимой без промежуточного спуска шлака. Особое внимание, вследствие дорожающего металлического лома, было уделено рассмотрению возможности применения сидеритовой железной руды Бакальского месторождения Челябинской области в качестве частичной замены металлического лома, а также в качестве шлакообразующего материала. Проведена количественная оценка влияния массы сидерита на технологические параметры выплавки стали в конвертере в условиях ККЦ ОАО ««ММК». Расчет проводился по модернизированной математической модели, созданной в среде Microsoft Excel, в основу которой была положена система балансовых уравнений, решаемых совместно методом итераций. Настройка модели проводилась с помощью промышленных паспортов плавок трубных сталей класса прочности К60 конвертерного цеха ОАО «ММК».

Ключевые слова: выплавка стали, моделирование, математическая модель, конвертер, кислородно-конвертерный процесс, охлаждающие эффекты, тепловые эффекты, шихтовые материалы, неметаллические материалы.

В связи с истощением запасов высококачественного железорудного сырья становится все более актуальной задача вовлечения в металлургический процесс руд, которые до настоящего времени не использовались или применялись в ограниченных объемах. Челябинская область располагает большими запасами (около 1 млрд т) сидеритовых руд (Бакальское месторождение). В настоящее время существуют различные варианты исследований свойств сидерита, методов его обогащения и применения в производстве чугуна, а также химической промышленности.

Известно, что при производстве стали железная руда служит и источником кислорода (в подовых агрегатах), и охладителем (в кислородных конвертерах). Последнее вновь приобретает значение из-за высокой цены металлического лома.

Сидеритовая руда представляет собой изоморфную смесь карбонатов железа, магния, кальция и марганца [1]. В среднем в руде содержится 30,25% Fe0бщ, 9,45% MgO, 8,11% SiO2, 3,43% CaO, 2,35% А^, 2,8% Fe2Oз, 1,23% MnO, 0,16% S, 0,012% Р и 36,07% пмпп. Качественная оценка сырой сидеритовой руды показывает возможность ее использования при выплавке стали в конвертерах для частичной замены металлического лома, а также в качестве шла-кообразующего материала, содержащего оксиды железа, магния, марганца и кальция при разложении карбонатов во время продувки. Привлекает и невысокая стоимость руды (около 800 руб./т), ее кускова-тость и прочность [2].

Экспериментальные производственные данные:

Оч,т;1ч,°С; Эл.т; состав чугуна, %; массы и состав неметаллических материалов; расход дутья; состав и температура металла в конце продувки.

Для количественной оценки влияния массы сидерита на технологические параметры выплавки стали в конвертере в условиях ККЦ ОАО «ММК» были проведены расчеты в электронных таблицах Microsoft Excel по модернизированной математической модели. Математическая модель по традиции составлена на основе системы балансовых уравнений, которые решаются совместно методом итераций [3]. Однако при расчете состава и количества шлака масса железа, участвующая в процессах шлакообразования, определена по балансу кислорода с учетом состава шлака по паспортным данным. Кроме того, расходы материалов на плавку и количества продуктов плавки использовались в реальных данных.

Математическая модель была адаптирована к условиям ККЦ ОАО «ММК» при производстве трубных сталей класса прочности К60 (Х70) (см. рисунок).

Входные параметры:

_Xi_

Хп

Выходные параметры:

Yi -.Y 1расч

Yn

Блок сравне-

Математическая модель

ÎOOZgrEMOn

lOO-(XFeO) 100 [В ( ISi02 + ZP205 ) - SCaO (Ca0\,-B-(Si02\,

__. гувос OK y йот

— §мш + S Fe ~ <5Д[Я] _ S Fe ~ Fe

v t. .=

vs=vc

V,

О,

CO2 1 r н2о

-54,8-

, ^ У Щ '

1379-^

0,84-^ + 2,09-^

Критерий настройки:

IX

Параметры настройки

Схема адаптации математической модели по методу В.Н. Селиванова

Для настройки модели использовали паспортные данные 50 плавок, проведенных с ноября 2013 г. по январь 2014 г. Паспортные данные по этим сталям наиболее полные и, с высокой вероятностью, достоверные. Проведена минимизация отклонений фактических и расчетных значений контролируемых параметров плавки (количеств чугуна, лома, извести, доломита, кислорода и др. на плавку, составов металла и шлака и пр.) [4].

В табл. 1 и 2 представлены результаты расчетов по разработанной математической модели.

Материальный

На первом этапе исследований были определены охлаждающие эффекты различных материалов, которые использовались на плавку.

Результаты расчетов показали, что 1% лома (4 т) от массы металлошихты снижает температуру металла на 14°С, известняка - 28°С, сырого доломита -31°С, ожелезненного - 14°С, окатышей - 50°С и сидерита - 37°С. По охлаждающему эффекту 1 т сидерита заменяет 2,6 т металлического лома или 1,3 т известняка.

Таблица 1

баланс плавки

Приход Количество Расход Количество

т % т %

Чугун жидкий 322 80,04 Сталь 350,76 87,19

Лом металлический 80,30 19,96 Шлак 68,25 16,97

Металлошихта 402,30 100,00 СО 31,00 7,71

Известь 18,34 4,56 ТО2 10,66 2,65

Известняк 6,45 1,60 Корольки 6,83 1,70

Ож. доломит 8,50 2,11 Потери с пылью 7,43 1,85

Сыр. доломит 4,31 1,07 Потери дутья 0,71 0,18

ФМБУЖ 1,02 0,25 Потери Fe 8,05 2,00

Кислород 30,19 7,50 Невязка 0,09 0,02

Гарнисаж 12,07 3,00

Футеровка 0,60 0,15

Сумма 483,79 Сумма 483,79

Таблица 2

Тепловой баланс плавки

Приход Количество, % Расход Количество, %

Физическое тепло чугуна 51,03 Тепло на нагрев металла 63,55

Тепло окисления углерода 24,70 То же шлака 14,99

Тепло окисления кремния 8,61 >> газов 9,62

То же марганца 0,89 На разложение оксидов Fe 2,27

>> фосфора 0,57 То же карбонатов

2,18

>> хрома 0,18 Тепло на нагрев пыли

1,05

>> железа 9,07 То же выносов и выбросов

1,35

Тепло шлакообразования 4,33 Потери тепла

5,00

Тепло миксерного шлака 0,23

Тепло дожигания СО 0,41

Сумма 100,00 Сумма 100,00

Примечание. Температура металла по паспортным данным 1682°С (расчетная 1683°С). 46 - Теория и технология металлургического производства

МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ

Хотя содержание железа в руде в 3 раза меньше, чем в ломе, фактическая стоимость 1 т железа сидерита, составляя 2400 руб., выходит в 4 раза дешевле, чем стоимость 1 т железа лома, которая составляет в среднем 9500 руб.

Таким образом, проведена модернизация математической модели выплавки стали для условий конвертерного цеха ОАО «ММК» и расчетом определены охлаждающие эффекты различных материалов по технологии продувки без промежуточного спуска шлака. Ранее проведенные расчеты показали, что технологические параметры плавки практически не изменяются при расходе сидеритовой руды в количестве 6 т. Для годового производства стали в ККЦ ОАО «ММК» в этом случае потребуется примерно 170 000 т сырого сидерита.

Список литературы

1. Бигеев В.А., Колесников Ю.А., Сергеев Д.С. Состояние и перспективы использования сидиритовых руд Бакальского месторождения в черной металлургии // Теория и технология метал-

Сведения об авторах

лургического производства: межрегион. сб. науч. тр. 2013. Вып. 1(13). С. 6 - 8.

2. Бигеев В.А., Колесников Ю.А. Прогнозирование технологических параметров выплавки стали в конвертере с использованием сидерита // Теория и технология металлургического производства: межрегион. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Колоколь-цева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. Вып. 11. С. 30 - 36.

3. Колесников Ю.А. Расчет расхода лома на плавку стали в конвертере с использованием электронных таблиц // Теория и технология металлургического производства: межрегион. сб. научн. трудов / под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2006. Вып. 6. С. 34 - 39.

4. Современные возможности развития расчетов плавки стали на персональных компьютерах / В.Н. Селиванов, Ю.А. Колесников, Б.А. Буданов и др. // Теория и технология металлургического производства: межрегион. сб. научн. трудов / под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2003. Вып. 3. С. 51 - 58.

Колесников Юрий Алексеевич - канд. техн. наук, доц., ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: (3519) 29-84-64, 29-84-49.

Бигеев Вахит Абдрашитович - д-р техн. наук, проф., директор института металлургии, машиностроения и материало-обработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: (3519) 29-85-59. E-mail: v.bigeev11@yandex.ru

Сергеев Дмитрий Станиславович - аспирант, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел. (3519) 30-75-19. E-mail: dixord@mail.ru

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

CALCULATION OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF SMELTING BECAME IN THE CONVERTER WITH USE OF VARIOUS COOLERS

Kolesnikov Yury Alekseevich - Ph. D. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 8 (3519) 29-84-64, 29-84-49.

Bigeev Vakhit Abdrashitovich - D. Sc. (Eng.), Professor, Director of institute of metallurgy, mechanical engineering and a ma-terialoobrabotka, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 8(3519) 29-85-59. E-mail: v.bigeev11@yandex.ru

Sergeyev Dmitry Stanislavovich - Postgraduate student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 8 (3519) 3075-19. E-mail: dixord@mail.ru

Abstract. This article presents the results of the calculation of the cooling effects of different charge materials (scrap, limestone, raw dolomite, etc.) in the oxygen converter steelmaking technology pursued without intermediate descent slag. The special attention, owing to rising in price metal scrap, was given to consideration ofpossibility of use of sideritic iron ore of a bakalsky field of Chelyabinsk region ass partial replacement of metal sscrap, and also as a slag-forming material. The quantitative assessment of influence of mass of siderite on technological parameters of smelting of .steel in the converter in the conditions of JSC MMK is carried out. Calculation was carried out on the modernized mathematical model created in the environment of Microsoft Excel which basis the system of the balance equations solved in common by a method of iterations was. Control of model was carried out by means of industrial passports of swimming trunks pipe staly a class of strength ofK60 of converter shop JSC MMK.

Keywords: steel smelting, modeling, mathematical model, the converter, the oxygen and converter process, cooling effects, thermal effects, shikhtovy materials, nonmetallic materials

References

1. Bigeev V.A., Kolesnikov Y.A., Sergeyev D.S. State and prospects of use of sideritic ores of a bakalsky field in ferrous metallurgy. Teoriya i tekhnologiya metallurgicheskogo proizvodstva: mezhregion. sb. nauch. tr. [Theory and technology of metallurgical production: interregion works. Ed. V.M. Kolokoltsev]. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk state technical university. 2013, iss. 1 (13), pp. 6 - 8.

2. Bigeev V.A. Kolesnikov Y.A. Forecasting of technological parameters of smelting there were in the converter with siderite use. Teoriya i tekhnologiya metallurgicheskogo proizvodstva: mezhregion. sb. nauch. tr. [Theory and technology of metallurgical production: interregion works. Ed. V.M. Kolokoltsev]. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2011, iss. 11, pp. 30 - 36.

3. Kolesnikov Y.A. Calculation of an expense of scrap on steel melting in the converter with use of spreadsheets. Teoriya i tekhnologiya metallurgicheskogo proizvodstva: mezhregion. sb. nauch. tr. [Theory and technology of metallurgical production: interregional works. Ed. V.M. Kolokoltsev]. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2006, iss. 6, pp. 34-39.

4. Century N., Selivanov, Y.A. Kolesnikov, B.A. Budanov, etc. Modern possibilities of development of calculations of melting became on personal computers. Teoriya i tekhnologiya metallurgicheskogo proizvodstva: mezhregion. sb. nauch. tr. [Theory and technology of metallurgical production: interregional works. Ed. V.M. Kolokoltsev]. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2003, iss. 3, pp. 51 - 58.

♦ ♦ ♦

УДК 621.746.5.047

Коротки А.В., Лозовский Е.П., Дюльдина Э.В., Селиванов В.Н.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ШЛАКООБРАЗРВАНИЯ В ПРОМЕЖУТОЧНОМ КОВШЕ С МАГНЕЗИАЛЬНОЙ ФУТЕРОВКОЙ

Аннтотация. Проведено экспериментальное исследование шлакообразования в промежуточном ковше МНЛЗ с футеровкой из магнезиальной торкрет-массы. Установлено, что в процессе разливки серии плавок химический состав шлака существенно меняется вследствие растворения в нем огнеупорных материалов и поступления оксидных неметаллических включений из разливаемой стали. С использованием метода синтеза экспериментальных данных и математической модели процесса шлакообразования установлено, что доля растворившихся огнеупорных материалов составляет около 15%, а доля всплывших неметаллических включений - около 30% от массы конечного шлака. Сравнение полученных данных с материалами проведенного ранее экспериментального исследования шлакообразования в промежуточном ковше с футеровкой из шамотного кирпича показало, что доля растворившейся магнезиальной футеровки в 3-4 раза больше, чем футеровки шамотной. Более интенсивный переход в шлак магнезиальной футеровки объясняется заполнением её пор шлаковым расплавом и протеканием химической реакции с образованием относительно легкоплавкой фазы - энстатита, переходящей затем в шлак.

Ключевые слова: сталь, непрерывная разливка, промежуточный ковш, магнезиальная футеровка, шлакообразование, растворение футеровки, всплывание неметаллических включений.

Непрерывная разливка стали в кислородно-конвертерном цехе ОАО «ММК» производится с наведением в промежуточном ковше шлака, выполняющего функции изоляции поверхности жидкого металла и ассимиляции всплывающих неметаллических включений. Для этого в промежуточный ковш периодически вводятся шлакообразующие смеси (ШОС). В процессе разливки химический состав шлака существенно меняется, что оказывает влияние на свойства и выполнение им своих функций.

Ранее было проведено исследование шлакообразования в промежуточном ковше с футеровкой из шамотного кирпича [1-3]. В настоящее время в цехе широко применяются промежуточные ковши с футеровкой из магнезиальной торкрет-массы. Существенно изменился и сортамент выплавляемой стали, включающий, например, трубные стали повышенной прочности для нефте- и газопроводов в северном исполнении. Изменение технологии разливки потребовало провести исследование шлакообразования в промежуточном ковше МНЛЗ в новых условиях.

Экспериментальная часть исследования состояла в разливке двух серий опытных плавок (по 365 т каж-

дая) с использованием промежуточных ковшей, имеющих номинальную вместимость 45 т, с футеровкой из магнезиальной торкрет-массы. Разливка плавок первой серии производилась на четырехручьевой МНЛЗ на слябы, имеющие поперечное сечение 1320x250 мм. Промежуточный ковш был разделен двумя перегородками на одну приемную и две распределительные камеры, каждая их которых была предназначена для подачи металла в два ручья. Плавки второй серии разливали на одноручьевой МНЛЗ на слябы сечением 2720x300 мм. Промежуточный ковш был разделен одной перегородкой на приемную и распределительную камеры. Основные данные, характеризующие обе серии опытов, представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Основные параметры разливки опытных плавок

Номер Сталь Количест- Масса Длительность Расход ШОС,

серии во плавок в стали, т разливки, ч кг/т стали

серии

1 SAE1006, 8 3722 8,6 0,25

DCO-1 2

2 Х80 4 1447 5,0 0,15

48

Теория и технология металлургического производства