С учетом выше описанного АСУ ТП выплавки стали в конвертере изображена на рис.2.
Рисунок 2 - АСУ ТП выплавки стали в конвертере
Повышение требований к качеству продукции, в частности, учитывая тему данного дипломного проекта, по содержанию легирующих элементов в стали, требует оптимизации проведения процесса раскисления и легирования стали. Получение металла с заданным химическим составом и требуемыми свойствами затруднительно из-за большого количества выплавляемых марок стали и используемых раскислителей и легирующих, высокой степени колебания заданного состава готовой стали от выпуска к выпуску, изменчивости свойств применяемых раскислителей, проведения раскисления и легирования в условиях неполноты информации, колебаний угара элементов, малого времени слива. Сменный мастер назначает требуемые массы ферросплавов зачастую по интуиции, что ведет к перерасходу раскислителей и легирующих, браку готовой продукции. Для повышения качества готовой продукции и экономии ферросплавов необходима АСУ процессом раскисления и легирования стали при сливе ее в ковш из конвертера.
Раскисление и легирование в ККЦ-1 ОАО "ЗСМК" производится при сливе металла в ковш и на УДМ; в данной же дипломном проекте производится расчет масс ферросплавов, отдаваемых при сливе металла в ковш. алгоритм расчета масс ферросплавов должен быть универсальным и легко перестраиваемым на все стадии раскисления и легирования. Если металл не обрабатывается на УДМ, то удовлетворительная точность должна достигаться при расчете материалов, подаваемых в ковш при сливе металла. Поэтому в рамках дипломного проекта ставится задача отработать алгоритм для стадии слива металла в ковш на данных о работе ККЦ-1 ОАО "ЗСМК".
Жидкая нераскисленная сталь содержит значительное количество растворенного кислорода. Снижение температуры металла во время разливки и при кристаллизации сопровождается уменьшением растворимости кислорода, что приводит к образованию и выделению оксида углерода, к получению пузыристых отливок и неплотных слитков. Первой задачей раскисления является снижение содержания растворенного в стали кислорода и связывания его в прочные соединения, не дающие газообразных выделений при затвердевании металла. В случае получения спокойно затвердевающих сталей содержание растворенного кислорода должно быть как можно меньше; при получении сталей кипящих сортов содержание кислорода должно быть снижено до заданной величины, обеспечивающей нормальное кипение стали в изложницах. Другой задачей раскисления является максимальное удаление из жидкой стали образующихся продуктов раскисления – неметаллических включений. Наиболее распространенными раскислителями стали являются кремний Si, марганец Mnи алюминий Al. В некоторых случаях применяют кальций Ca, хром Cr, ванадий V, церий Zr, титан Ti. Эти элементы, вводимые порознь или совместно, уменьшают количество растворенного в жидкой стали кислорода до определенного уровня, зависящего от их сродства к кислороду. Оставшиеся в твердом растворе элементы-раскислители действуют как легирующие примеси, соответственно изменяющие свойства стали.
Раскисляющая способность элемента, вводимого в сталь, измеряется содержанием растворенного кислорода, остающегося в равновесии с оставшимися в жидкой стали молекулами элемента-раскислителя и образовавшимися продуктами раскисления. Химический состав и свойства продуктов раскисления могут сильно меняться, раскисляющее действие одного и того же элемента различно и зависит от состава и свойств получающихся продуктов раскисления. Раскисляющая способность каждого элемента, растворенного в жидкой стали, зависит от свойств данного элемента, концентрации элемента в жидкой стали, активности его окислов в продуктах окисления, температуры. Чем выше раскисляющая способность элемента, тем меньше содержание растворенного в стали кислорода, находящегося с ним в равновесии при заданной температуре. Раскисляющая способность элементов в зависимости от их концентрации в жидкой стали и активности продуктов раскисления выражается уравнениями химической термодинамики.
Эти уравнения устанавливают количественную зависимость между содержанием растворенного в жидкой стали кислорода, содержанием в стали данного химического элемента, активности окисла этого элемента в продуктах раскисления, находящихся в равновесии с жидкой сталью, и температурой жидкой стали; дают точные сведения о количестве остающихся в стали после раскисления растворенного кислорода, неметаллических включений, выделяющихся в момент затвердевания стали; дают сведения о химическом составе неметаллических включений. Наиболее важные термодинамические уравнения сталеплавильных процессов, в частности, раскисления, приведены в табл.2.
Таблица 2 - Термодинамические уравнения раскисления и легирования
| Уравнение реакции | Константа равновесия К | Зависимость логарифма константы равновесия lg К от температуры | Изменение свободной энергии реакции DF |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| [Fe] + [O] = [FeO] | aFeO/[%O] | 6320/T – 2.734 | - 28900 + 12.51 * T |
| [Mn] + [O] = [MnO] | aMnO/([%Mn] * [%O]) | 12760/T – 5.68 | - 58400 + 26 * T |
| [Si] + 2 * [O] = [SiO2] | aSiO2/([%Si] * [%O2]) | 31000/T – 12 | - 142000 + 55 * T |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 2 * [Al] + 3 * [O] = [Al2O3] | aAl2O3/([%Al2] * [%O3]) | 57460/T – 20.48 | - 262800 + 93.7 * T |
| Для шлака из FeO + MnO: [Mn] + [FeO] = [MnO] + [Fe] | MnO/([%Mn] * [%FeO] | 6440/T – 2.95 | - 29500 + 13.5 * T |
Неметаллические включения, присутствующие в стали, обладают отличительными от основного металла физическими свойствами. Нарушая сплошность металла, включения вызывают местные концентрации напряжений, которые особо опасны на рабочей шлифовальной поверхности изделий. Неметаллические включения размером 20 мкм и более резко влияют на контактную усталость металлов. Сильное влияние неметаллические включения оказывают на износостойкость стали, являются причиной разрушения и выхода из строя подшипников качения, являются причиной возникновения межкристаллического излома металла. В некоторых случаях неметаллические включения придают металлу полезные свойства: сульфидные и фосфидные включения придают металлу хрупкость, и стружка легко обламывается. Для получения стали высокого качества содержание неметаллических включений должно быть не более 0.005-0.006% и даже меньше.
Марганец – сравнительно слабый раскислитель и не обеспечивает снижение окисленности металла до требуемых пределов, однако большее или меньшее количество марганца вводят в металла при выплавке стали многих марок. Это объясняется рядом достоинств марганца: положительная роль в борьбе с вредным действием серы, положительное влияние на прокаливаемость стали и ее прочность, малое значение межфазного натяжения на границе металл - образующееся включение оксид марганца (MnO), в результате чего облегчаются условия выделения включений и возрастает скорость раскисления. При введении марганца в чистое, но содержащее кислород железо образуется MnO, который создает с закисью железа (FeO) непрерывный ряд растворов mFeO * nMnO. В сталях наряду с марганцем всегда содержится углерод, при этом окисленность металла определяется или марганцем (при низких содержаниях углерода), или углеродом (при высоких содержаниях углерода), или марганцем и углеродом одновременно. Марганец вводят в металл в конце плавки (часто в ковш) в виде сплава марганца с железом (ферромарганца). Различные сорта ферромарганца содержат различное количество углерода (1-7%), приблизительно 75% марганца и некоторое количество кремния. В тех случаях когда необходимо выплавить сталь с очень низким содержанием углерода, используют металлический марганец. Применение его ограничено высокой стоимостью. Реакция раскисления стали марганцем представлена в табл. 2.
Кремний применяют в качестве раскислителя при производстве спокойных марок сталей, что обусловлено его высокой раскислительной способностью и благотворным влиянием на характер неметаллических включений. При введении в жидкий металл кремния образуются или жидкие силикаты железа, ил кремнезем. Кремний гораздо более сильный раскислитель, чем марганец: при 0.02% кремния в металле содержится не более 0.01% кислорода. При наличии в агрегате основного шлака, образующийся при введении кремния, кремнезем взаимодействует с основными оксидами шлака, и активность оксида кремния становится очень малой, соответственно, растет раскислительная способность кремния. Однако образующиеся силикаты хорошо смачивают железо, поэтому удаление силикатных включений из металла связано с определенными трудностями. Если металл, раскисляемый кремнием, содержит некоторое количество марганца, то в составе образующихся силикатов будут также и оксиды марганца. Кремний в металл вводится в виде сплава кремния с железом (ферросилиция). Совместно с марганцем кремний вводят в сталь в виде силикомарганца.
Алюминий – более сильный раскислитель, чем кремний. При введении алюминия металле остается ничтожно малое количество растворенного кислорода. Алюминий, введенный в избытке, может взаимодействовать не только с растворами более слабых раскислителей (с оксидом марганца, кремния). При введении алюминия в железо, содержащее кислород, может образовываться либо чистый глинозем (при большом содержании оксида алюминия), либо гипшель FeO * Al2O3 (герцинит), температура плавления которого составляет 2050°С. Высокие значения межфазного натяжения на границе металл – включение глинозема, то есть малая смачиваемость таких включений металлом, облегчают процесс отделения этих включений от металла. Образование в стали при раскислении алюминием мелких включений глинозема и нитрида алюминия влияют на протекание процесса кристаллизации, в частности, на размер зерна: чем больше введено алюминия, тем мельче зерно. Введенный в металл алюминий взаимодействует с серой (при большом расходе алюминия) и азотом. Образование в процессе кристаллизации нитрида алюминия способствует снижению вредного влияния азота и уменьшению эффекта старения стали. Алюминий вводят в металл в виде брусков (чушек) алюминия или в виде сплавов.