Технология автоматизация литейных процессов - Металлургия - Скачать бесплатно
стали" (система определения температуры
стали и содержания углерода при помощи погружного термозонда) предназначен
для определения температуры расплавленного металла в конвертере,
концентрации в нем углерода и уровня расплава с использованием устройства
для замера параметров конвертерной плавки (зонда) без повалки конвертера
или определения температуры металла при провалке конвертера. При этом
формируются сигналы начала и конца замера, готовности цепи датчика или
обрыва, неправильности проведенного замера, контакта датчика с расплавом в
ванне. Цифровая индикация результатов измерения предусмотрена в посту
управления конвертером на крупномасштабном табло, установленном на рабочей
площадке и на выносном приборе.
Комплекс задач "Температура чугуна" (система определения температуры
чугуна) обеспечивает определение температуры чугуна в чугуновозном ковше
при автоматизированном погружении термопары в чугун. При этом выдаются
сигналы начала и конца замера, готовности цепи датчика и ее обрыва,
неправильности проведенного замера. Обеспечивается ввод номера ковша и
индикация результатов измерения в цифровом виде на табло, установленном на
площадке, видеоконтрольном устройстве и выносном приборе.
Комплекс задач "Отходящие газы" (система контроля расхода и состава
отходящих газов) обеспечивает контроль расхода и химического состава
отходящих от конвертера газов и скорости обезуглероживания ванны. Последняя
определяется расчетным путем. Предусматривается аналоговая индикация
результатов измерения на видеоконтрольном устройстве.
Комплекс задач "Вес-Доза" (система управления трактом подачи сыпучих
материалов в конвертер и ковш) предназначен для обеспечения автоматической
отработки программ сыпучих материалов в конвертер с высокой точностью и в
соответствие с заданным распределением отдельных доз во времени. Задания по
расходу формируются подсистемой статического управления (расчет
осуществляется до начала плавки) либо машинистом дистрибутора в диалоговом
режиме с помощью комплекса задач "Диалог-Т". Комплекс задач "Вес-Доза"
включает два типа связанных задач: опрос датчиков и выдачу управляющих
сигналов. Комплекс задач "Вес" обеспечивает дистрибуторщика информацией о
массе материала в каждой емкости тракта, а "Доза" – расчет команд для
цифрового управления трактом.
Комплекс задач "Ферросплавы" обеспечивает автоматическую обработку
программы подачи раскислителей и легирующих с высокой точностью и в
соответствие с заданной программой. Программа подачи формируется
подсистемой второго уровня либо машинистом дистрибутора в диалоговом режиме
с помощью комплекса задач "Диалог-Т". В основном "Ферросплавы" аналогичны
комплексу задач "Вес-Доза". Дополнительно предусматривается индикация массы
материала в каждом весовом бункере и сигнализация состояния механизмов
тракта на посту управления печами прокаливания ферросплавов.
Комплекс задач "Вес лома" (система определения массы лома)
предназначен для процесса подготовки лома, слежения за состоянием участка
подготовки лома, слежения за совками, подготовляемыми и отправляемыми на
каждую плавку, оперативного учета лома, поступающего в цех, представления
информации технологическому персоналу на видеотерминалы. При поступлении
лома в цех производится его взвешивание крановыми весами при съеме совка с
платформы и автоматический ввод информации о массе в систему. Вместе с этим
вводится и номер совка. Загрузка лома происходит завалочной машиной,
которая оборудована весами. Номера загружаемых в конвертер совков вводятся
вручную машинистом дистрибутора. Информация о массе лома поступает с
завалочной машины автоматически.
Комплекс задач "Вес чугуна" (система определения массы чугуна)
предназначен для взвешивания чугуна при наливе из миксера в заливочный
ковш, слежения за чугуновозными ковшами, определения массы чугуна,
заливаемого в конвертер на конкретную плавку из конвертерного
сталеразливочного ковша. При наливе чугуна из передвижного миксера
осуществляется дозирование чугуна на плавку с использованием весов,
встроенных в чугуновозную тележку. Одновременно осуществляется ввод номера
ковша, установленного под налив. При поступлении чугуна в конвертерное
отделение и заливке его с помощью крановых весов осуществляется повторное
взвешивание и определение массы фактически залитого чугуна. При сливе
чугуна в конвертер происходит ввод номера ковша.
Комплекс задач "Вибрация" обеспечивает измерение косвенных параметров
состояния конвертерной ванны во время продувки (уровня шума, вибрации
корпуса конвертера, вибрации кислородной фурмы). Эти параметры
характеризуют в первом приближении состояние шлака в конвертере.
Комплекс задач "Торкретирование" обеспечивает определение положения
торкрет-фурмы, измерение расходов воздуха, кислорода и торкрет-массы через
торкрет-фурму и регулирование в соответствие с программой (уставками),
заданной машинистом дистрибутора в режиме диалога.
Комплекс задач "Крановые весы" обеспечивает прием и обработку
информации с крановых весов, установленных на 110-тонных кранах в шихтовом
пролете для взвешивания совков с ломом, с весов в конвертерном отделении,
установленных на 225-тонных заливочных кранах и на 110-тонных кранах для
транспортировки шлаковых ковшей. Информация включает данные о массе
объектов взвешивания и их номера (совков, ковшей). Сброс данных о массе
тары происходит автоматически микропроцессором, сопряженным с электронным
блоком крановых весов.
Комплекс задач "Вес стали" предназначен для определения массы жидкой
стали путем взвешивания на сталевозе при сливе металла в ковш и на
поворотном стенде перед разливкой на МНЛЗ, слежения за сталеразливочными
ковшами, определения количества разлитой стали, представления информации
персоналу. При установке ковша на сталеразливочную тележку происходит ввод
номера ковша и обнуление показаний для исключения влияния массы тары.
Системы сбора и подготовки информации включают программно-технические
комплексы, которые синхронизируют работу перечисленных выше комплексов,
выполняют функции контроля и управления режимами работы и обмена информации
со вторым уровнем, а также осуществляют документирование технологического
процесса. Сюда входят комплексы задач "Диалог-Т", "Диалог-С", "Информация",
"Протокол".
Комплекс задач "Диалог-Т" реализует человеко-машинный интерфейс и
включает задания режима работы системы, ввод (выбор) заданий программы в
автоматическом режиме, диагностику сообщений о работе систем первого
уровня, вывод рекомендаций, передачу информации, реализацию процедур
диалога.
Комплекс задач "Диалог-С" реализует функции централизованного контроля
работы технических средств АСУ ТП, включая микропроцессорные системы и
датчики, осуществляют диагностику и индикацию отказов для эксплуатационно-
ремонтного персонала с протоколированием, формирование и печать системного
журнала работы комплекса микропроцессорных систем.
Комплекс задач "Информация" обеспечивает хронометраж плавки и
определения моментов и продолжительности технологических операций на основе
информации, формирующейся в процессе функционирования рассмотренных выше
комплексов, а также сигналов от датчиков угла наклона конвертера; выполняет
привязку к конвертеру информации от комплексов, решающих задачи цехового
назначения; осуществляет подготовку и передачу информации для "Диалог-Т" и
на второй уровень, индикацию информации о чугуне, ломе и выполняемых
операциях на групповом цифровом табло на рабочей площадке конвертера.
Комплекс задач "Протокол" формирует и печатает протокол плавки
(технологические операции, управляющие воздействия, параметры плавки).
Второй уровень включает в себя подсистемы "Оценки", "Статическое
управление", "Динамическое управление".
Подсистема "Оценки" на основе математических моделей осуществляет
динамическое оценивание и прогнозирование значений важнейших
неконтролируемых параметров плавки (температуры и состава металла,
окисленности и основности шлака). Для расчетов используется информация о
параметрах металлошихты, шихтовых и сыпучих материалах, загруженных в
конвертер, о расходе и составе отходящих газов, о параметрах дутьевого
режима, о дискретных замерах температуры и результатах химического анализа
состава металла. В подсистеме реализуются функции оценки начального
состояния ванны (один раз за плавку), оценки промежуточного состояния ванны
(в середине плавки один раз), динамического оценивания переменных после
промежуточной оценки с интервалом в 6 сек, динамического прогнозирования
состояния ванны с интервалом в 6 сек. Результаты выводятся на
видеоконтрольном устройстве программно-технического комплекса этой
подсистемы.
Подсистема "Статическое управление" осуществляет расчет рекомендаций
по массам шихтовых материалах, по интегральным расходам кислорода и
природного газа на подогрев лома, по интегральному расходу кислорода на
продувку, по программе управляющих воздействий. Необходимая информация
вводится машинистом дистрибутора в режиме диалога, а также хранится в виде
предысторий результатов предыдущих плавок. Результаты работы выводятся на
видеоконтрольные устройства и после подтверждения машинистом дистрибутора
служат заданиями (уставками) для систем нижнего уровня.
Подсистема "Динамическое управление" осуществляет расчет
корректирующих управляющих воздействий в процессе продувки на основе
косвенной информации о состоянии плавки и результатов дискретных замеров
параметров ванны, уточняет момент повалки для скачивания шлака,
рассчитывает управления на периоды додувки и доводки, массы раскислителей и
легирующих, формирует паспорт плавки. В системе используется информация о
вибрации корпуса конвертера и фурмы, интенсивности шума, данные газового
анализа, дутьевого режима и режима присадок, результаты замера температуры
и анализа стали. Результаты работы выводятся на видеоконтрольные устройства
в виде рекомендаций и передаются в системы первого уровня (в виде уставок и
программ).
С учетом выше описанного АСУ ТП выплавки стали в конвертере изображена
на рис.2.
Рисунок 2 - АСУ ТП выплавки стали в конвертере
1.5.2 Постановка задачи
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".
2 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
2.1 Содержательная модель физико-химического механизма процесса
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 Mn и
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 |Зависимость |Изменение |
| |равновесия К |логарифма |свободной |
| | |константы |энергии реакции |
| | |равновесия lg К |(F |
| | |от температуры | |
|1 |2 |3 |4 |
|[Fe] + [O] = |aFeO/[%O] |6320/T – 2.734 |- 28900 + 12.51 |
|[FeO] | | |* T |
|[Mn] + [O] = |aMnO/([%Mn] * [%O])|12760/T – 5.68 |- 58400 + 26 * T|
|[MnO] | | | |
|[Si] + 2 * [O] = |aSiO2/([%Si] * |31000/T – 12 |- 142000 + 55 * |
|[SiO2] |[%O2]) | |T |
|1 |2 |3 |4 |
|2 * [Al] + 3 * |aAl2O3/([%Al2] * |57460/T – 20.48 |- 262800 + 93.7 |
|[O] = [Al2O3] |[%O3]) | |* T |
|Для шлака из FeO |MnO/([%Mn] * [%FeO]|6440/T – 2.95 |- 29500 + 13.5 *|
|+ MnO: | | |T |
|[Mn] + [FeO] = | | | |
|[MnO] + [Fe] | | | |
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.
2.1.1 Раскисление марганцем
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.
2.1.2 Раскисление кремнием
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.
2.1.3 Раскисление алюминием
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.
Учитывая выше написанное, можно сделать вывод о сложности трудности
проведения процесса раскисления и легирования, который заключается в выборе
вида раскислителя, его массы, а также условий и времени подави раскислителя
в металл. Даже небольшие отклонения процесса выплавки стали могут вызвать
сильное окисление легирующего элемента-раскислителя (угар) либо чрезмерно
высокое его содержание в готовой стали, что плохо для свойств стали.
2.2 Разработка математической модели для целей исследования технологии
В качестве модели процесса раскисления и легирования возьмем модель
расчета масс ферросплавов, подаваемых на предстоящую плавку, с учетом
прогнозирования угоревших масс элементов в них по данным предыдущих плавок.
Полученные в результате массы ферросплавов подаются на текущею плавку и
обеспечивают заданный химический состав готовой стали. Модель можно
представит в следующем виде (рис.3).
[pic]
Рисунок 3 - Блок-схема модели расчета масс ферросплавов
Изображенная блок-схема модели расчета масс определяет те массы
ферросплавов, которые и являются рекомендацией на предстоящую плавку.
Для каждой марки стали определена базовая угоревшая масса элементов
(марганца, кремния), то есть средняя величина угара элемента в условиях
раскисления металла в данном цехе. Марки стали, имеющие близкие значения
базовых угоревших масс элемента, объединены в группы. Различие угоревших
масс элементов по группам сталей свидетельствует о том, что предыстория
плавки может быть непрерывной только внутри групп, а при переходах от одной
группы сталей к другой она прерывается. Для сохранения непрерывности
предыстории плавки с целью максимального извлечения информации из
предыдущих плавок используется понятие эквивалентной окисленности плавки,
которая рассчитывается по формуле:
[pic]
|
