Производство стали в конвертерах: Выплавка стали в кислородном конвертере

alexxlab | 18.04.1973 | 0 | Разное

Содержание

Производство стали в кислородных конвертерах

Производство стали в кислородных конвертерах. Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода (до 2,1 %), кремния (до 0,4 %), марганца (до 0,8 %), примесей серы (до 0,04 %) и фосфора (до 0,04 %). Исходными материалами для получения стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Сутью передела чугуна в сталь является уменьшение содержания углерода и других входящих в чугун элементов. В настоящее время сталь получают преимущественно в кислородных конвертерах, мартеновских и электрических печах. Кислородно-конвертерным и мартеновским способами выплавляют около 80 % всей стали.

Кислородно-конвертерный процесс заключается в продувке жидкого чугуна кислородом. Сталь, полученная этим способом, наиболее дешевая и не уступает по качеству мартеновской. Кислородный конвертер представляет собой стальной сосуд грушевидной формы, внутренняя поверхность которого облицована алюмосиликатным кирпичом (рис. 2.3). Конвертеры изготовляют емкостью на 100—350 т жидкого чугуна. Общий расход технического кислорода на получение 1 т стали составляет 50—60 м

3. Перед началом работы конвертер поворачивают на цапфах вокруг горизонтальной оси и с помощью завалочной машины загружают до 30 % объема металлоломом, затем заливают жидкий чугун, нагретый до температуры 1250—1400 °С, возвращают конвертер в исходное вертикальное положение, подают кислород и добавляют шлакообразующие материалы: известь, плавиковый шпат и железную руду, которая ускоряет процесс окисления. При продувке конвертера техническим кислородом углерод и другие примеси окисляются в процессе дутья и благодаря присутствию в руде оксида железа FeO. При этом образуется химически активный шлак с необходимым содержанием окиси кальция СаО, благодаря чему происходит удаление серы. В момент, когда содержание углерода достигает количества, заданного для выплавляемой стали определенной марки, подачу кислорода прекращают, конвертер поворачивают и выливают вначале сталь, а затем шлак.


Рис. 2.3. Кислородный конвертер 1 — горловина для загрузки; 2 — водоохлаждаемая фурма; 3 — выпускное отверстие

Для уменьшения содержания кислорода в стали при выпуске из конвертера ее раскисляют, т. е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к кислороду — Mn, Si, Al. Взаимодействуя с кислородом и оксидом железа FeO, забирая у него кислород, они образуют нерастворимые оксиды MnО, SiO

2, Al2O3, переходящие в шлак:
0,5O2 + Mn = MnO;       O2 + Si = SiO2;
1,5O2 + 2Al = Al2O3;       FeO + Mn = MnO + Fe;
2FeO + Si = SiO2 + 2Fe;   3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe.

По степени раскисления различают сталь кипящую (кп), спокойную (сп) и полуспокойную (пс). Кипящая сталь — наименее (слабо) раскисленная. В такой стали реакция образования окиси углерода C + O = СО не прекращается до ее полного отверждения: во время разливки металл продолжает «кипеть» из-за выделения пузырей СО. В слитке образуются газовые раковины, которые завариваются впоследствии при обработке стали давлением. Выход годного металла при производстве кипящей стали выше, чем при производстве других сталей, так как в этом случае не образуется усадочной раковины, а сама сталь обходится дешевле. Спокойная сталь получается при полном раскислении, когда выделение СО прекращается. Эта сталь наиболее качественная, но и наиболее дорогая. В верхней части слитка образуются большая усадочная раковина и рыхлота, что уменьшает выход годного металла. Полуспокойная сталь получается при неполном раскислении.

Производительность кислородного конвертера емкостью 300 т достигает 400—500 т/ч, в то время как производительность мартеновских и электрических печей не превышает 80 т/ч. Благодаря высокой производительности, простоте устройства, отсутствию необходимости в топливе и малой металлоемкости кислородно-конвертерный способ становится основным способом производства стали.

Кислородно конвертерный способ производства стали

Важно отметить, что кислородно-конвертерный способ производства стали имеет ряд особенностей, связанных с технологическими тонкостями, в процессе всего производства. Значительные затраты на конвертерное производство оправдывают окупаемость во время эксплуатации любых изделий, особенно из стали, выплавленной таким путем.

Основные нюансы процесса

Согласно технологическим особенностям, конвертерный способ подразделяется на две разновидности:

Кислородно-конверторный способ

При воздушном дутье, залитый в конвертерах чугун, продувают снизу воздухом. Благодаря тому, что частицы воздуха окисляют любые примеси чугуна, происходит повышение температуры стали вплоть до 1,6 тыс. градусов. Именно это тепло и превращает чугун в сталь.

Различия двух способов

Вышеупомянутое производство подразделяется на бессемеровский и томасовский процессы. Различия между ними в основных составляющих футеровках конвертеров.

Бессемеровский путь выплавки стали позволяет использовать низкое содержание фосфора и серы. При томасовском способе, наоборот, чугун переплавляется посредством высокого содержания фосфора.

Суть кислородно-конвертерного производства заключается в выплавке стали посредством футеровки и продувки кислородом из жидкой чугунной основы. В обязательном порядке для этого используется водоохлаждающая форма.

Водоохлаждающая форма

В агрегатах кислород подается снизу. Этот метод наиболее распространен в России. Хотя в зарубежных странах нередко применяется и комбинированный способ продувки. В металлургии кислородно-конвертерный метод выплавки признан практически одним из самых эффективных по нескольким параметрам:

  • Воспроизведение одного сталеплавильного агрегата превышает в мощности иные способы в несколько тон.
  • В большегрузных конвертерах воспроизведение достигает порядка 500 тонн за 1 час.
  • Затратные средства значительно ниже, чем при ином производстве.
  • Довольно экономное обустройство любого цеха, даже в независимости от мощности плавильных агрегатов.
  • Простота процесса состоит в автоматизации метода выплавки стали.

Благодаря тому, что используется чистый кислород, сталь, получаемая на выходе, не имеет высокого содержания азота. Это позволяет использовать материал в широких спектрах малой промышленности. Важно и то, что сравнительная безопасность для здоровья, позволяет задействовать специалистов среднего звена.

Возможность предоставить работу большему количеству населения

Особенности производства стали кислородно-конвертерным способом

Для создания стали подобным способом используется не только специальное оборудование.

В первую очередь необходимо учитывать технологические требования к подготовительным работам.

Неотъемлемой частью подобных работ является соблюдение техники безопасности. В обязательном порядке инженер по охране труда должен периодически инспектировать каждого занятого на производстве человека. При малейших изменениях условий труда необходимо проинструктировать каждого сотрудника.

Конвертерное производство посредством продувки кислородом происходит в несколько этапов:

  • в конвертер загружается металлолом;
  • заливается чугунное сырье;
  • включается продувка содержимого конвертера кислородом;
  • загружаются сливы стали, шлаки и шлакообразующие.

Процесс конвертерной выплавки стали

Каждый из этапов выполняется только в описанной последовательности с правильным учетом пропорций. В наклоненную конвертерную емкость лом любых видов металла загружается с помощью завалочных машин.

На следующем шаге специально установленные заливочные краны позволяют залить необходимое количество чугуна. После этого конвертер нужно установить вертикально и только затем начинать продувку кислородом. Частота которого не менее 99,5% О2.

Как только начинается продувка, важно загрузить часть шлаковых материалов. Весь объем которых, в том числе и железной руды, распределяется в несколько приемов. Важно соблюдать скорость их загрузки, но не позже чем через 5–7 минут после первого этапа выплавки.

Особенности и секреты процесса

От иных способов стального производства подобный метод отличается тем, что завязан на очень высоких скоростях. Весь метод, как правило, проходит буквально за 14–24 минуты. Высокие температуры позволяют задавать мгновенную скорость растворения извести в шлаковых содержимых.

Поэтому и выплавка стали в одном конвертере, включая весь процесс производства, не составляет более 30 минут. Важно отметить, что на качество основного процесса непосредственное влияние оказывает неравномерность окисления каждого из компонента, содержащегося в агрегате.

Ведущий принцип кислородно-конвертерного процесса обусловлен регулированием температурного режима и изменением количества продувок. Необходимое условие для эффективности выплавки – введение охладителей в качестве железной руды, металлолома, известняка.

Очистка пылевых отходов происходит при помощи котла-утилизатора. Все отходящие газы от процесса выплавки попадают в установку для их очистки. Все производство стали кислородным способом управляется мощными современными компьютерами.

Стоит отметить, что при донной продувке удельный объем готовой стали гораздо меньше, чем при верхней продувке. Именно при донном методе скорость получения готовой стали гораздо выше.

Технологии получения жидкой стали

К тому же что касается готового металла, то по окончании всех производственных работ результат эффективнее на 1–2%.

Дополнительно во время процесса сокращается длительность продувки, происходит ускорение плавления лома. Все это позволяет налаживать конкретный технологический процесс при меньшей высоте производственного здания.

Ведущие принципы выплавки качественной стали

Согласно статистическим показателям каждая десятая тонна выплавленной стали в мире получается в результате кислородно-конвертерного способа при донной продувке.

Весь процесс при низких производственных затратах и адекватных условиях для хода работ, способствует выплавки высококачественной стали. Уникальные технологические мощности конвертерных агрегатов позволяют использовать различные составы сплавов, кроме самого жидкого чугуна.

Определенный интерес в промышленности к этому способу вызван и широким его применением еще с 60-х годов прошлого столетия. Основной типовой ряд емкостей конвертерных агрегатов установлен еще при Советском Союзе. Огромные сосуды представлены в грушевидной форме и имеют объемный ряд от 50 до 400 тонн.

Необходимо отметить, на улучшение показателей готовой стали влияет именно размер конвертера. Оптимальный удельный объем кислородного конвертера способствует интенсивной подаче кислорода и предотвращению выбросов вспенивающихся шлаков и металлов.

Одним из ведущих принципов производства стали в кислородных конвертерах является их проектирование емкостью от 400 до 4,3 тыс. тонн и минимальной высотой 6–8 метров. Слишком низкие агрегаты провоцируют выбросы вспенивающегося металла через узкие горловины. Подобный факт негативно сказывается на всем процессе производства и на качестве самой стали на выходе.

Планирование процесса

Принципиально важно и перед каждой плавкой осуществлять детальное планирование всех оптимальных условий. Они включают в себя:

  • расход чугуна и лома;
  • уровень подачи кислорода в фурму;
  • приблизительные расчеты по концентрации фосфора, серы и шлаков;
  • анализ окончательной массы стали и заданных объемов отходов.

Удельная интенсивность выплавки стали кислородным способом в конвертерах позволяет производить высокие объемы сырья при минимальных нагрузках на ход процесса. Немаловажную роль здесь играет фактор проектирования и выбора сопутствующих условий, а также организации технологии производства.

Высококачественную сталь в стране получают не только на огромных заводах, но и на территории малых помещений, для эффективного производства требуется необходимая мощность агрегатов и квалифицированные специалисты.

Видео по теме: Основы кислородно конвертерного производства

Кислородный конвертер. Устройство кислородного конвертера. Конструкция и схема кислородного конвертера. Производство стали в кислородных конвертерах.

Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Первые опыты в 1933-1934 – Мозговой. В промышленных масштабах – в 1952-1953 на заводах в Линце и Донавице (Австрия) – получил название ЛД-процесс. В настоящее время способ является основным в массовом производстве стали.

Кислородный конвертер – сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость конвертера – 130…350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360 0 для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит Al2O3 и плавиковый шпат CaF2 для разжижения шлака.

Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах

После очередной плавки стали выпускное отверстие заделывают огнеупорной массой и осматривают футеровку, ремонтируют.

Перед плавкой конвертер наклоняют, с помощью завалочных машин загружают скрап (рисунок, позиция а), заливают чугун при температуре 1250…1400 0C (рисунок, позиция б). После этого конвертер поворачивают в рабочее положение (рисунок, позиция в), внутрь вводят охлаждаемую фурму и через нее подают кислород под давлением 0,9…1,4 МПа. Одновременно с началом продувки загружают известь, боксит, железную руду. Кислород проникает в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Под фурмой развивается температура 2400 0C. В зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо. Оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Растворенный кислород окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и их содержание падает. Происходит разогрев металла теплотой, выделяющейся при окислении. Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рисунок, позиция г), где раскисляют осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, затем сливают шлак (рисунок, позиция д).

Фосфор удаляется в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура невысока (содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,15 %). При повышенном содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает производительность конвертера.

Сера удаляется в течение всей плавки (содержание серы в чугуне должно быть до 0,07 %).

В кислородных конвертерах выплавляют стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные, а также низколегированные стали. Легирующие элементы в расплавленном виде вводят в ковш перед выпуском в него стали.

Плавка в конвертерах вместимостью 130…300 т заканчивается через 25…30 минут.

7 Производство стали в конвертерах

1.7. Производство стали в конвертерах  /Кнорозов, с 41, Дальский, 77, с. 43/

Сущность кислородно-конверторного процесса за­ключается в том, что налитый в плавильный агрегат (конвертор) расплавленный чугун продувают струей кислорода сверху. Углерод, крем­ний и другие примеси окисляются и тем самым чугун переделывается в сталь.

Первые опыты по разработке этого способа осуществил в 1933— 1934 гг. А. И. Мозговой. В промышленности кислородно-конверторный передел впервые на­кали применять в 1952—1953 гг. на заводах Австрии в Линце и Донавице. Благодаря технико-экономическим преимуществам этот способ получил очень быстрое и ши­рокое распространение и является основным   направлением развития в массовом производстве стали. Доля кис­лородно-конверторной стали, составляла в 1960 г. около 4 %, в 1965 г. — около 25 %, в настоящее время — около 4 % мировой выплавки стали.

            Кислородно-конвертерный процесс. Это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму.

           

Кислородный конвертер.  Устройство кислородного конвертора показано на рис. 1.6.  Его грушевидный корпус (кожух) 3 сварен из лис­товой стали толщиной до 110 мм; внутри он футерован основными огнеупорными материалами  4 общей толщиной до 1000 мм, емкостью 130…350 т жидкого чугуна.

Рекомендуемые файлы

Техническое задание

Инженерия требований и спецификация программного обеспечения

FREE

Маран Программная инженерия

Программаня инженерия

-60%

Решенные все 35 билетов 2021 (теории + задач)

Физика

-13%

Ответы на теорию при поступлении в магистратуру МТ-11

Поступление в магистратуру

FREE

Учебный план для ИУ3, ИУ4, ИУ5, ИУ6, ИУ7, РК 6, РЛ6, МТ4, МТ8, МТ11, СМ13

Физика

FREE

Информатика и системы управления (бакалавриат)

Вспомогательные материалы для первокурсников

            В процессе  работы конвертер  можно поворачивать на цапфах 5 вокруг горизонтальной оси на 360°для завалки скрапа, заливки чугуна, слива стали, шлака и т.д. Во время продувки чугуна кислородом конвертер находится в вертикальном положении. Кислород в конвертер (9…14 ат) подают с помощью водоохлаждаемой фурмы 1, которую вводят в конвертер  через его горловину 2. Фурму устанавливают строго вертикально по оси конвертера. Ее поднимают специальным механизмом, сблокированным с механизмом вращения конвертера так, что конвертер нельзя повернуть, пока из него не удалена фурма.

Шихтовые материалы. Такими материалами для кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом, известь, железная руда , боксит, плавиковый шпат. Чугун для переработки в кислородных конвертерах должен содержать 3,7…4,4 % С; 0,7…1,1  % Mn; 0,4…0,8 % Si; 0,03…0,08 %  S; <0,15…0,3 % Р. Известь необходима для наводки шлака. Она должна содержать более 90 % СаО и минимальное количество SiO2  и серы. Боксит и плавиковый шпат применяют для разжижения шлака.

            Технология плавки. После выпуска очередной плавки конвертер  наклоняют  и через горловину с помощью завалочных машин загружают скрапом. Затем в конвертер заливают чугун при температуре 1250…1400 °С  из чугуновозных ковшей. После этого конвертер поворачивают в вертикальное положение, внутрь его вводят кислородную фурму и подают кислород. Одновременно с началом продувки  в конвертер загружают шлакооборазующиеся материалы (известь, боксит, железную руду).

Расстояние головки фурмы от уровня металла в конвертере 0,7…0,3 м, в зависимости от емкости конвертера. Струи кислорода, поступающие под большим давлением в конвертер, проникают в металл, вызывают его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Благодаря интенсивному окислению примесей чугуна при взаимодействии с кислородом в зоне под фурмой температура достигает 2400 °С.

 Окислительный период. В кислородном конвертере составляющие чугуна  окисляются газообразным кислородом закиси железа (FeO), растворяющимся в металле и шлаке при продувке. В зоне контакта кислородной струи с чугуном в первую очередь окисляется железо, так как его концентрация во много раз выше концентрации примесей:

Fe+1/2O2 =FeO.

            Закись железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом:                                FeO=Fe + O.

            Окисление примесей чугуна кислородом, растворенным в металле, происходит по реакциям

Si+2O=SiO2;

Mn+O=MnO;

C+O=CO.

Часть примесей  окисляется на границе металл- шлак окислами железа, содержащимися в шлаке:

Si+2FeO= SiO2+Fe;

Mn+Feo=MnO+Fe;

C+FeO=CO+Fe.

            В кислородном конвертере благодаря присутствию шлаков с большим содержанием CaO и  Fe, интенсивному перемешиванию металла и шлака легко удаляется из металла фосфор:

2P+5FeO+4CaO= (CaO)4P2O5+5Fe.

            Образовавшийся фосфат кальция удаляется в шлак. В чугунах перерабатываемых в конвертерах, должно быть не более 0,15 % Р. При повышенном (до 0,3 %) содержании фосфора необходимо для более полного его удаления производить промежуточный слив шлака и наводить новый, что снижает производительность конвертера.

Рис 1.7. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах: а - загрузка скрапа; б- заливка жидкого чугуна; в- продувка кислородом; г- выпуск стали в ковш; д- слив шлака в шлаковую чашу

           

            Удаление серы из металла происходит по реакции

FeS+CaO=CaS+FeO.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - Типы манипуляторов.

            Вместе с тем высокое содержание в шлаке (до 7…20 %) затрудняет протекание реакции удаления серы из металла. Поэтому для передела в сталь в кислородных конвертерах применяют чугун с ограниченным содержанием серы (до 0,07 %).

            Подачу кислорода заканчивают в момент, когда содержание углерода в металле соответствует заданному содержанию в стали. Для этого осуществляют автоматический контроль химического состава металл по ходу плавки с использованием ЭВМ. После этого конвертер поворачивают и производят выпуск стали в ковш.

            Раскиление стали. Прим выпуске стали из конвертера в ковш ее раскисляют вначале ферромарганцем, затем ферросилицием и алюминием. Затем из конвертера сливают шлак.

            В кислородных конвертерах трудно выплавлять легированные стали, содержащие легкоокисляющие легирующие элементы. Поэтому в кислородных конвертерах выплавляют низколегированные стали, содержащие до 2…3 % легирующих элементов. Легирующие элементы вводят в ковш, предварительно расплавив их в электропечи, или легирующие ферросплавы вводят в ковш перед выпуском в него стали. Окисление примесей чугуна в кислородном конвертере протекает очень быстро: плавка в конвертерах емкостью 130…300 т заканчивается через 20…25 мин. Поэтому кислородно - конвертерный процесс производительнее плавки стали в мартеновских печах: производительность конвертера емкостью 300 т достигает 400…500 т/ч стали, а мартеновских печей и электропечей- не более 80 т/ч. Вследствие этого производство стали в нашей стране в основном увеличивается за счет ввода в строй новых кислородно-конвертерных цехов.

Производство стали в конвертерах | Железная лаборатория

Производство стали в конвертерах

Автор Сварщик | 3 августа 2010

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода и неизбежных примесей — кремния, марганца, серы и фосфора. Она хорошо обрабатывается давлением, имеет более высокую прочность и пластичность, чем чугун. Основным сырьем для получения стали служат предельный чугун и металлический лом.
Сущность процесса переработки чугуна в сталь заключается в уменьшении содержания в чугуне примесей путем их окисления. В настоящее время сталь производится следующими основными способами: конвертерным, мартеновским и электросталеплавильным.
Производство стали в конвертерах. Конвертер для производства стали представляет собой сосуд грушевидной формы, вращающийся стали, вращающийся на полуосях (цапфах). Кожух конвертера изготовляется из листовой стали и выкладывается внутри огнеупорным кирпичом. Схема получения стали в конвертере приведена на рисунке.

а-заливка чугуна; 1-жидкий чугун; 2-конвертер; 3-полуоси; 4-днище конвертера; б-продувка; в-выпуск стали

Через горловину в конвертер 2 заливается жидкий чугун 1, для чего конвертер наклоняется (рис. 14, а) и его днище 4 с отверстиями (соплами) оказывается выше уровня чугуна. Затем через сопла пускается воздух, конвертеру поворотом на полуосях 3 сообщают вертикальное рабочее положение, при котором поступающий воздух проходит через залитый в конвертер под давлением 2—2,5 ати, что предохраняет сопла от заливания чугуном. Кислород продуваемого воздуха, перемешиваясь с жидким чугуном, окисляет содержащиеся в нем примеси. В процессе окисления примесей, особенно кремния, выделяется значительное количество тепла, благодаря чему температура жидкого металла поднимается от 1200° (точка плавления чугуна) до 1500° (точка плавления стали). Когда содержание примесей будет доведено до уровня требуемого техническими условиями на выплавляемую марку стали, подача воздуха прекращается и металл сливается в ковш (рис. 14, в), представляющий собой металлический сосуд, выложенный внутри огнеупорными материалами. Из ковша металл разливается в изложницы. Изложницей называется чугунная форма для получения слитка. В зависимости от назначения слитка изложницы имеют различные размеры и поперечные сечения.
Вместимость современного конвертера составляет 25—30 т жидкого чугуна. Процесс продувки длится 15—20 мин.
Конвертерный способ производства стали обладает ценными особенностями: устройство конвертера весьма несложно, процесс получения стали протекает быстро, отсутствует потребность в топливе. Вместе с тем этот способ имеет существенные недостатки, к которым относятся: большой угар металла, доходящий до 10—15%, невозможность точно регулировать химический состав стали вследствие быстроты процесса, повышенное содержание в стали вредных примесей. Последнее обстоятельство ограничивает возможности применения ее в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности.
Значительного улучшения качества стали при конвертерном производстве можно достигнуть применением кислородного дутья. Для этого в конвертер опускается фурма, охлаждаемая водой. По центральному каналу фурмы в конвертер вдувается струя кислорода. После окончания продувки сталь из конвертера через горловину выливается в ковш.

загрузка...


Похожие сообщения

  • Нет связанных записей.
Получение чугуна и стали

Производство стали в электропечах (электрометаллургия) :: Технология металлов

Плавка в электропечах имеет ряд преимуществ перед плавкой в конверторах и мартеновских печах. Высокая температура позволяет применять сильноосновные шлаки, вводить большое количество флюсов и достигать максимального удаления из стали серы и фосфора. Для плавки в электропечи не требуется воздуха; окисляющая способность печи невысока, поэтому количество FeO в ванне незначительно, сталь получается достаточно раскисленная и плотная.

Плавка в электропечах имеет ряд преимуществ перед плавкой в конверторах и мартеновских печах. Высокая температура позволяет применять сильноосновные шлаки, вводить большое количество флюсов и достигать максимального удаления из стали серы и фосфора. Для плавки в электропечи не требуется воздуха; окисляющая способность печи невысока, поэтому количество FeO в ванне незначительно, сталь получается достаточно раскисленная и плотная. Благодаря высокой температуре в печи можно получить легированные стали с тугоплавкими элементами: вольфрамовые, молибденовые и др.

Все материалы, загружаемые в электрические печи, должны быть сухими, чтобы не произошло насыщения стали водородом от разложения влаги.

 

Рис. 1. Схема   дуговых   электропечей   с   разными   способами нагрева

 

Электрические печи для плавки металла делятся на три вида:  печи сопротивления,  дуговые и индукционные. Дуговые  печи наиболее распространены в промышленности, так как устройство и эксплуатация их несложны, коэффициент полезного действия высок и, кроме того, в них можно выплавлять самые разнообразные сорта стали и сплавов цветных металлов. В дуговых печах электроэнергия превращается в тепловую энергию дуги, которая передается плавящейся шихте посредством излучения. На рис. 6 показаны схемы трех основных типов дуговых электропечей, различающихся по способу нагрева: печи прямого действия (рис. 1, а), печи косвенного действия (рис. 1, б) и печи с закрытой дугой (рис. 1,в). Печи прямого действия с вертикальным расположением электродов в настоящее время применяются только для выплавки стали и имеют емкость от 0,5 до 180 т. Кладку электросталеплавильных печей делают либо основной— при выплавке главным образом высококачественных и легированных сталей для поизводства слитков, либо кислой — при выплавке углеродистых и низколегированных сталей для фасонного литья. В зависимости от емкости и конструкции печи загружаются различно: через завалочное окно вручную, лотками и завалочной машиной или сверху бадьей или корзиной после подъема и отвода в сторону свода или выкатывания печи. В первом  периоде  плавки примеси окисляются кислородом, находящимся в печи (главным образом кислородом железной руды). Образующаяся закись железа растворяется в металле и вступает в соединение с кремнием, марганцем, фосфором и углеродом. Образующиеся SiO2, MnO, FeO и создают шлак. В третьем  периоде плавки производят доводку с целью получения легированных сталей: вводят феррохром, ферротитан, феррованадий и другие ферросплавы. Индукционные  печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов с низким содержанием углерода, а также для производства тонкостенного фасонного литья специальными методами (по выплавляемым моделям, под давлением и т. п.). Принцип действия индукционной печи заключается в том, что под действием переменного тока, подводимого к первичной катушке (индуктору) 2 (рис. 2), во вторичном кольце (расплавляемый металл 1, находящийся в тигле 3 индуктируется ток, энергия которого создает высокую температуру. Благодаря этому шихта расплавляется быстро и процесс плавки ускоряется.Эти печи существуют двух видов: с железным сердечником и без сердечника  (высокочастотные печи). Печи с железным сердечником применяют в литейных цехах для получения сплавов цветных металлов. Большое распространение в производстве стали получили индукционные высокочастотные печи без железного сердечника. Они применяются для плавки стали и специальных высоколегированных сплавов. емкость высокочастотных печей от 10 кг до 10 т.

Тигель высокочастотной печи изготовляют либо из кислых, либо (реже) из основных материалов.

 

Рис 2. Индукционная электропечь

 

Электрошлаковый  переплав стали представляет собой совершенно новый метод получения высококачественных легированных сталей, в том числе и быстрорежущих. Он разработан Институтом электросварки им. Е. О. Патона Академии наук УССР. Сущность его состоит в том, что слитки из стали, полученной в обычных печах, перерабатываются на электроды для последующей переплавки их в электрошлаковой печи. плавление электродов происходит не за счет тепла электрической дуги, а за счет тепла, выделяющегося в слое расплавленного шлака, служащего сопротивлением при прохождении через него электрического тока. Принцип электрошлакового переплава очень прост. Электрод-слиток 1 (рис. 3) диаметром до 150 мм и длиной от 2 до б м вводят в медный  водоохлаждаемый  кристаллизатор 2, который представляет собой полый цилиндр. К дну кристаллизатора прикреплен поддон 5 с затравкой 4 — это шайба из переплавляемой стали. На затравку насыпают электропроводный флюс из порошка алюминия с магнием. В зазор   между слитком-электродом и стенкой кристаллизатора засыпают рабочий флюс 3, состоящий из Аl2O3, CaFe2 и СаО. Плавка происходит следующим образом. Электрод опускают до соприкосновения с флюсом, находящимся на затравке, и включают ток. В процессе плавления рабочий флюс превращается в шлак с температурой 2500° С. Под действием тепла электрод расплавляется, каждая капля его проходит через слой расплавленного шлака и очищается от вредных примесей и газов. Из этих капель формируется новый слиток. Содержание серы в слитке уменьшается в полтора-два раза. В стали почти нет неметаллических включений, что объясняется тем, что в печи нет огнеупорной кладки, соприкасающейся с металлом. Особенно ценным свойством этой стали является почти равномерное распределение в слитке остающихся после переплава включений, крупные скопления которых являются основной причиной разрушения изделий. Слитки не имеют пористости, усадочной рыхлости, мельчайших внутренних трещин, что очень важно при работе деталей в условиях ударных нагрузок. Электрошлаковый переплав с успехом применяют для получения шарикоподшипниковой, быстрорежущей, нержавеющей и некоторых других сталей.

 

 

 

 

История создания, становления и развития конвертерного производства стали

Стальной сосуд, изнутри футерованный огнеупорными материалами, формой своей напоминающий грушу, в 1856 году был назван конвертером (от англ. Converter – преобразователь). В этом сосуде, – конвертере, – согласно его изобретателю Генри Бессемеру, произойдет "преобразование" жидкого чугуна в сталь, если расплав продуть "паром или воздухом".

Потребовалось более 100 лет, чтобы это предложение приобрело те черты, которые сегодня, на стадии совершенных решений, определили производительность конвертера, качество выплавленной стали, безопасность эксплуатации агрегата, экологическую защиту окружающей среды. С тех пор на длинном пути его совершенствования отмечено много вех. Начнем с той, которая поставлена в Австрии.

В городах Линце и Доновице в 1952 и 1953 годах соответственно была проведена серия опытно-промышленных плавок стали с применением кислорода, который подавали в расплав через водоохлаждаемую фурму, установленную над ванной конвертера (продувка сверху). С тех пор этим способом выплавили более 15 млрд. т высококачественной конвертерной стали (процесс LD – от нем. Linz Dusenferfahren – фурменный процесс в Линце, или, что то же, ВОР – процесс от англ. Basic Oxygen Process – основной кислородный процесс).

Создание способа продувки ванны кислородом оказало революционное влияние на технологию производства стали. Началось почти спонтанное совершенствование выплавки стали в конвертере.

В 1967 году была поставлена следующая веха на пути совершенствования кислородно-конвертерного процесса: продувка расплава через подготовленное к тому днище конвертера струями кислорода, защищенного кольцевыми струями углеводородов (метан, пропан и др.). Вместе с кислородом в ванну вдували тонкоизмельченную известь. Этот процесс, ставший широко распространенным, получил название ОВМ (по первым буквам слов "Oxygen - Battom - Maxhütte" – кислород - днище - Максхютте).

Донная продувка конвертерной ванны была усовершенствована в 1971 году: молотую известь вводили в расплав кислородом в регулируемых количествах; для предупреждения затекания в донные фурмы расплава при остановке его продувки кислородом, её продолжали нейтральным газом.

Эта разновидность процесса донной продувки ванны конвертера получила название Q - ВОР, где индекс Q образован первой буквой трех английских слов - Quick, Quiet, Quality – быстрый, спокойный, качественный.

С развитием кислородно-конвертерного процесса на основе донной продувки ванны пришла идея совместить её с продувкой ванны верхней фурмой. Эта идея была реализована в 1977 году. Этот процесс был назван K - ОВМ (комбинированный процесс с верхней и нижней продувкой ванны кислородом). В том же году, в развитие автотермического процесса был разработан и внедрен в практику работы конвертерных цехов аллотермический процесс (т.е. процесс с вводом топлива в рабочее пространство конвертера). Процессы выплавки стали с нижней продувкой ванны конвертера кислородом и аллотермический процесс позволили увеличить почти вдвое долю скрапа в шихте, степень дожигания СО в СO2 с 8 - 12% до 15%; степень дожигания можно довести до 60%, если донную продувку вести кислородом, в верхнюю горячим – до 1200°С – воздухом (это одна из последних вех в развитии производства конвертерной стали).

Всё шире применяется продувка ванны снизу кислородом в защитной оболочке из нейтрального газа. В этом случае через донные фурмы подаётся до 20% кислорода (от общего объема, поданного на продувку ванны).

В том случае, когда через донные фурмы подают 25 - 30% общего расхода кислорода на продувку ванны, имеется возможность увеличить до 40% долю лома в шихте. При этом предусматривается ввод в конвертер топлива для предварительного подогрева лома или последующего сжигания в ходе продувки.

Применение комбинированной продувки жидкой стали кислородом обеспечивает высокую скорость её рафинирования без образования выбросов: за время интенсивного перемешивания системы металл - шлак быстро достигается практически полное состояние равновесия в реакциях рафинирования. В то же время предотвращается высокое содержание железа в шлаке и кислорода в жидком металле. Поэтому в конвертерах, на которых применена комбинированная продувка ванны, отмечены высокий выход качественной стали и низкий расход окислителей. Кроме того, возможность использовать кислород в качестве газа-носителя, – например – порошкообразной извести, – помогает раннему образованию высокоосновного шлака, который способствует десульфурации и дефосфорации. Комбинированная кислородная продувка ванны способствует эффективному подогреву лома до заливки в конвертер чугуна. Она способствует дожиганию газов в объеме конвертора, что позволяет увеличить расход лома до 500 кг на тонну стали. При этом применяют двухъярусные фурмы, с расстоянием между срезами сопел до 2 м. Схема соотношений трех способов продувки расплава в ванне кислородного конвертера представлена на рис. 1. Производство особо низкоуглеродистых тонких листов для автомобилестроения ведут преимущественно из стали, выплавленной в конвертере с комбинированной продувкой кислородом. В 2006 году автомобилестроение должно решить задачу уменьшения массы автомобиля. В соответствии с этим оно требует от металлургов сталь с временным сопротивлением более 350 МПа, а также с безупречной формуемостью. Марки автомобильной стали HSS, AHSS, DP, TRIP и др. войдут в сортамент кислородно - конвертерного цеха, станут в нем доминирующим. Необходимость повышения качества стали и освоения новых марок стали сохранится и впредь. Производство конвертерной стали достигло в 2005 году рекордной отметки – более 550 млн. т., что составило около 65% мирового производства стали.

Рис. 1 Три способа продувки расплава в ванне конвертера
а продувка сверху; б донная продувка; в комбинированная продувка; 1 хороший контроль шлака; 2 выбросы; 3 неоднородный состав ванны; 4 высокая температура шлака; 5 слабое развитие реакций шлак металл; 6 недостаточное перемешивание ванны ; 7 ускорение  реакций шлак металл; 8 хорошее перемешивание ванны; 9 - введение углеводородов; 10 введение смеси O2 + порошок СаО; 11 низкая температура шлака; 14 дополнительное перемешивание ванны; 15 введение инертного и охлаждающего газа, а также порошка СaО

Ожидается дальнейшее увеличение производства кислородно-конвертерной стали – до 700 млн. т. в 2010 г.

Высокая производительность конвертеров инициирует строительство крупных доменных печей и скоростных машин непрерывной разливки, способных соответствовать притязательному ритму выплавки стали. Благоприятствует этому высокое качество стали, неизменно соответствующее заданным параметрам.

Конвертерное производство стали - ScienceDirect

Конвертерное производство стали является основным этапом производства стали из руды с использованием доменного чугуна и стального лома в качестве основного сырья. Около 70% стали в настоящее время производится с помощью различных вариантов основных кислородных конвертеров.

Конвертерный процесс был разработан в середине девятнадцатого века с использованием воздуха, продуваемого снизу, для окисления. Преобразование кислорода было разработано примерно столетие спустя, в 1950-х годах, сначала с применением продувки кислородом сверху через фурму, а немного позже - за счет продувки кислородом снизу через форсунки.К концу прошлого века было разработано несколько новых конвертерных технологий, сочетающих верхнюю и нижнюю продувку кислорода и инертного газа, аргона или азота. Технология выдувания конвертера, методология управления технологическим процессом, конструкция печи и долговечная футеровка играют ключевую роль в оптимальном производстве сырой стали в различных конвертерных процессах, включая оптимальное достижение желаемого конечного состава и температуры стали.

В этой главе представлены и обсуждаются основные явления, происходящие в преобразователе и управляющие процессом.Эти явления включают химические реакции в жидкометаллической, шлаковой и газовой фазах и на их границах раздела, тепловые эффекты, а также явления потока жидкости и массопереноса в различных реакционных зонах, а также во всей системе. Окисление углерода и других примесей в расплаве железа контролируется в основном переносом массы от струи кислорода к расплаву железа в конвертере. Другими ограничениями являются термодинамическое сродство отдельных реакций окисления, контролирующих распределение кислорода между конкурирующими реакциями окисления в окислительной среде, на поверхности расплава железа, шлаке и поверхностных слоях расплава.

Преобразование нержавеющей стали отличается от конверсии углеродистой стали, поскольку расплав сырой стали богат хромом. Чтобы свести к минимуму окисление хрома, необходимо контролировать окислительный потенциал и уменьшать его по мере снижения содержания углерода. Это можно сделать, разбавив кислород инертным газом, Ar / N 2 , как это делается в процессе AOD, или уменьшив общее давление за счет вакуума. Вскоре будут рассмотрены основы обработки нержавеющей стали.

Converter Process - обзор

1.4.5 Конвертерные процессы для производства нержавеющей стали

Влияние хрома на коррозионную стойкость сталей впервые было обнаружено в начале 1800-х годов [1]. Первые испытания по производству нержавеющей стали были проведены вскоре после 1900 года. Считается, что «эра нержавеющей стали» началась в 1912 году, когда компания Krupp запатентовала аустенитную хромоникелевую нержавеющую сталь. Вскоре после этого другими изобретателями были разработаны ферритные и мартенситные нержавеющие стали [1]. Кислотостойкие нержавеющие стали, содержащие Мо, были представлены позже, в 20-х годах прошлого века.Основы основных типов нержавеющих сталей и их свойства были должным образом изучены, но производство росло медленно из-за слишком высокого содержания углерода. Сегодня самоочевидно, что в большинстве нержавеющих сталей содержание углерода должно быть очень низким (обычно ниже 0,05%), иначе он может связать часть Cr в карбидах и, таким образом, ухудшить коррозионную стойкость. Это явление называется «сенсибилизацией» (тип коррозии границ зерен).

В процессе выплавки стали проблема углерода связана с хромом: когда углерод окисляется также в конвертере или другом процессе, например.г., электрическая печь, Cr начинает окисляться. Это означает, что в прежние времена производство нержавеющей стали не могло производиться в конвертере, а для плавки лома нержавеющей и углеродистой стали использовалась электрическая печь. Затем расплав можно обезуглероживать продувкой кислородом ниже 0,08% C при уровне Cr обычно 10–14%. В результате экзотермических реакций окисления углерода и хрома температура поднялась до 1750–1800 ᵒC (2023–2073 K). Эта очень высокая температура была термодинамически благоприятной, поскольку склонность углерода к окислению увеличивалась, тогда как склонность Cr ослаблялась.Так или иначе, часть Cr окислилась в шлак в виде Cr 2 O 3 , который затем был восстановлен добавлением Si (в конечном итоге Al). Наконец, содержание Cr было увеличено до целевого значения за счет добавления низкоуглеродистого FeCr. Высокоуглеродистый FeCr, который был намного дешевле, использовать нельзя. Низкоуглеродистый FeCr также имеет более высокое соотношение Cr: Fe, чтобы минимизировать необходимое количество легирования (обычно 65–75% Cr), тогда как в настоящее время обычный сплав FeCr, «загружаемый хром», обычно содержит 50–55% Cr. Поэтому для производства низкоуглеродистого FeCr предпочтительны руды с высоким содержанием хрома.Были разработаны специальные процессы обезуглероживания FeCr, например, однократная или двукратная обработка шлаком для получения «аффинных» (<4% C) и «сверхаффинных» (<0,5% C) марок FeCr. Как следствие, производство нержавеющей стали росло довольно медленно и превысило 1 млн т в год в 1950 году. Рост производства нержавеющей стали был достигнут с изобретением процесса AOD, введенного в эксплуатацию в 1960-х годах. Это позволило использовать высокоуглеродистый FeCr и обезуглерожить расплав за счет разбавления кислорода газообразным аргоном и, таким образом, за счет снижения парциального давления образующегося CO [11].В 1976 году мировое производство нержавеющих сталей превысило 5 млн тонн, достигнув 10 млн тонн в 1988 году, затем 20 млн тонн в 2002 году и 30 млн тонн в 2010 году [25].

1.4.5.1 Процесс AOD

Конвертерный процесс AOD в настоящее время является основным методом производства нержавеющей стали. Процесс был разработан в начале 1950-х годов в подразделении Union Carbide Corporation Lindé. Схематическое изображение преобразователя AOD с возможностью продувки сверху показано на рисунке 1.4.18. Конвертер АОП снабжен несколькими соплами на боковых стенках.Принцип кольцевых сопел заключается в том, что окружающий газ аргон выдувается через промежуточную щель между двумя трубами, а газ O 2 выдувается через внутреннюю трубу. Ближе к концу продувки газообразный аргон также добавляется во внутренний поток трубы для разбавления газообразного кислорода. Чтобы ускорить процесс обезуглероживания по сравнению с окислением хрома, необходимо снизить парциальное давление газообразного продукта реакции CO. Это достигается за счет уменьшения содержания кислорода в продувочной смеси к концу продувки, чтобы минимизировать окисление хрома и попадание в шлак.Реакции, термодинамически регулирующие как AOD, так и другие процессы производства нержавеющей стали, основанные на разбавлении или вакууме, следующие.

Рисунок 1.4.18. Схема конвертера AOD.

(1.4.7) C + O = COg

(1.4.8) 2Cr + 3O = Cr2O3

путем объединения

(1.4.9) 3C + Cr2O3 = 2Cr + 3COg

Константа равновесия для реакции ( 1.4.9) составляет:

(1.4.10) K10.4.9 = aCr2⋅pCO3aC3⋅aCr2O3

Уравнение константы равновесия показывает, что если мы хотим сохранить постоянное содержание хрома в стали [Cr] и в то же время уменьшить углерод содержание [C] мы должны уменьшить парциальное давление газа CO.Это можно сделать, как уже упоминалось, путем разбавления газа, как в процессах типа AOD, или путем снижения общего давления путем вакуумной обработки (VOD, VODC).

Связь хром-углерод, определенная в уравнении (1.4.10), изображена на рисунке 1.4.19 при трех температурах: 1700, 1750 и 1800 ᵒC (1973, 2023 и 2073 K) в диапазоне 10–25%. Cr и парциальное давление CO = 1 бар и активность Cr 2 O 3 = 1. Расчеты были выполнены в режиме равновесия программы FactSage 6.2 с использованием баз данных FToxid и FactSage.Видно, что при повышенных температурах несколько легче получить низкое содержание углерода и поддерживать умеренное окисление Cr. Однако достичь «сверхнизкого содержания углерода» [% C] ≤ 0,03% невозможно. На том же рисунке также было рассчитано влияние p CO на равновесие Cr – C при 1700 ᵒC (1973 K) с p CO = 1, 0,2 и 0,05, соответственно. Можно увидеть сильное влияние уменьшения p CO и легко распознать термодинамическую идею AOD и вакуумных процессов.

Рисунок 1.4.19. Влияние температуры и парциального давления CO на соотношение равновесия [% Cr] - [% C]. Расчеты выполнены для расплава Fe – Cr – C – 8% Ni, равновесного с Cr 2 O 3 .

В настоящее время производство нержавеющей стали начинается с плавки лома (обычно смеси переработанной углеродистой стали и нержавеющей стали) и феррохрома в электродуговой печи. Высокоуглеродистая «шихта» FeCr используется для увеличения содержания Cr в расплаве до конечного целевого значения. Соотношение различного сырья зависит от наличия и цены.При плавлении в ЭДП может проводиться некоторое окисление для снижения содержания Si (которое является высоким, если доля FeCr высока). Затем расплавленную смесь переносят в емкость AOD. Состав первичного расплава зависит от условий. При производстве классической стали 18/8 (18% Cr, 8% Ni) типичный анализ может проводиться до процесса AOD: 16–18% Cr, 5–8% Ni, 1–2% C, 0,1–0,5% Si. . Таким образом, большая часть Cr добавляется перед преобразователем AOD. Никель практически не окисляется в сталеплавильных условиях. Это подходящий материал для охлаждения в AOD.Можно добавить FeNi или даже оксид Ni (NiO). То же самое касается молибдена, который используется в кислотоупорных нержавеющих сталях; он также добавляется в виде FeMo или оксида.

Процесс AOD обычно делится на три основных этапа: обезуглероживание, восстановление и десульфуризация. На Рисунке 1.4.20 представлен пример прогресса процесса AOD. В начале процесса AOD чистый кислород продувается, а кремний и углерод окисляются. По мере продвижения стадии обезуглероживания продувка чистым кислородом частично заменяется инертным газом (азотом или аргоном), чтобы достичь более низкого уровня углерода и минимизировать окисление хрома.В исходном процессе AOD разбавление инертным газом производилось аргоном (добавлением Ar в центральный основной газовый поток O 2 через сопла). Поскольку цена аргона высока по сравнению с азотом или воздухом, в настоящее время обычной практикой в ​​процессе AOD является минимизация использования аргона и использование вместо него воздуха. Ближе к концу продувки часто необходимо перейти с азота на аргон, чтобы сохранить конечное содержание азота в стали на приемлемом уровне. С другой стороны, в некоторых марках стали азот используется в качестве легирующего элемента (как заменитель Ni), и в этом случае продувка азотом преднамеренно используется для повышения содержания азота.Типичные аустенитные нержавеющие стали с азотом содержат 0,1–0,25% N, но возможно растворение еще большего количества азота, поскольку Cr сильно увеличивает растворимость азота. С другой стороны, во многих марках нержавеющей стали содержание азота ограничено до довольно низкого уровня (0,03% N или ниже). В таких случаях важно переключиться с азота на аргон в оптимальной точке удара.

Рисунок 1.4.20. Ход процесса AOD. На стадиях окончательного восстановления и обессеривания продувка осуществляется чистым аргоном через сопла с боковыми стенками.

Взято из Ref. [26].

На заключительной стадии процесса восстановление хрома из шлака осуществляется с использованием ферросилиция или алюминия. Реакция восстановления с кремнием:

(1.4.11) 3Si + 2 (Cr2O3) = 4Cr + 3 (SiO2)

Чтобы сделать основной шлак для десульфурации, в шлак добавляют немного оксида кальция и плавиковый шпат и интенсивно контакт металла со шлаком достигается продувкой чистым аргоном. На этом этапе происходит очень эффективное обессеривание.

Подобно тому, как в производстве углеродистой стали появились гибридные процессы с комбинированной продувкой сверху и снизу, аналогичный прогресс произошел в производстве нержавеющей стали.Конвертеры с боковой продувкой оснащены верхней фурмой для продувки кислородом, кислородно-азотной и кислородно-аргоновой смесями. Конвертер AOD был разработан как конвертер с боковой продувкой, но можно также использовать и нижнюю продувку. K-OBM-S является таким примером применения продувки снизу в производстве нержавеющей стали (см. Таблицу 1.4.1). Другой вариант производства нержавеющей стали - конвертер CLU (таблица 1.4.1), который был разработан для минимизации потребности в аргоне. В этом процессе форсунки расположены внизу, но водяной пар используется в качестве защитного газа для кислородных форсунок и как разбавляющий газ для CO.Первый CLU был построен в Дегерфорсе, Швеция, в начале 1970-х годов. Несколько других установок были в эксплуатации. Использование водяного пара имеет определенный охлаждающий эффект, снижающий плавкость металлолома. Это вызывает скопление H и образование газа H 2 , что также необходимо учитывать при вождении.

1.4.5.2 Вакуумные процессы

Все процессы, описанные выше, были основаны на «принципе разбавления». Другая возможность - использовать низкое давление, то есть вакуумную обработку. Процесс вакуумного кислородного обезуглероживания (VOD) происходит в ковше, содержащем расплавленную сырую шихту из нержавеющей стали.Ковш устанавливают в вакуумную камеру, затем проводят вакуумную обработку при перемешивании аргона снизу и продувку кислорода сверху через фурму. Реакция обезуглероживания происходит в поверхностной зоне расплава, который циркулирует в ковше за счет перемешивания аргона снизу. Из-за интенсивного выделения газа (в основном CO, некоторое количество H 2 и N 2 ) сталь имеет тенденцию к пузырькам и пенообразованию. Поскольку надводный борт в ковше довольно мал по сравнению, например, с судном AOD, скорость обезуглероживания должна быть ограничена.Следовательно, процесс VOD не очень подходит для высокоуглеродистой сырой стали ([C] ≥ 2%), а скорее начинается с гораздо более низкого содержания углерода ([C] 1%). Напротив, VOD более эффективен при стремлении к сверхнизкому содержанию, он может снизить содержание углерода, водорода и азота, чем AOD, - благодаря вакууму. Наблюдается растущая тенденция к последовательному размещению AOD и VOD. Сначала расплав обезуглероживается до ≤ 0,20% C в AOD, а затем ковш переносится на станцию ​​VOD для продолжения процесса вакуумным кислородом. Хотя вакуумные процессы имеют более высокие капиталовложения и эксплуатационные расходы по сравнению с атмосферными процессами, они имеют некоторые достоинства: меньшее потребление аргона, меньше кремния для восстановления и раскисления шлака, более низкий уровень примесей и «более чистая» сталь в целом.

VODC работает так, что расплав стали обрабатывают в конвертере с использованием как вакуума, так и продувки аргоном. Типичная процедура выглядит следующим образом. Сначала сталь плавится в электрической печи и легируется почти до конечного количества Cr, Ni, Mo и т. Д. Затем расплав загружается в конвертер, и начинается обезуглероживание путем вдувания кислорода в расплавленную сталь через верхнюю фурму, поддерживая давление внутри. преобразователь несколько ниже атмосферного давления. В то же время газ аргон нагнетается снизу конвертера.Некоторое количество хрома и железа может окисляться и попадать в покрывающий шлак в виде оксидов. Первая стадия очень похожа на AOD, за исключением того, что требуется меньше аргона благодаря более низкому общему давлению и более интенсивному перемешивающему эффекту.

Вторая стадия процесса - окончательное обезуглероживание и дегазация. Конвертер засасывает глубокий вакуум (1–5 мбар), и легкое барботирование аргона продолжается, чтобы обеспечить эффективную циркуляцию стали и тесный контакт между сталью и шлаком.Кислород, «сохраненный» в шлаке в виде оксидов хрома и железа в течение первого периода, теперь восстанавливается углеродом в расплаве стали. Получается довольно эффективное обезуглероживание. Благодаря низкому давлению, барботированию газа и благоприятным условиям перемешивания газообразные примеси, водород и азот также эффективно удаляются. Интенсивное перемешивание и хорошо контролируемые условия (без возможного вредного воздействия атмосферы) в процессе VODC в течение последнего периода обезуглероживания и последующего периода восстановления дают прекрасные возможности для достижения низкого общего содержания кислорода и серы в конечном продукте.Первое судно VODC было построено на сталелитейном заводе Lokomo Steel Foundry в Тампере, Финляндия, в 1982 году. С тех пор было построено еще несколько установок.

Производство стали

Новое «золото»

Самый часто используемый строительный материал в мире
Ежегодно производится около 1,1 миллиарда тонн стали, и эта цифра быстро растет. Мы можем найти этот увлекательный материал повсюду: в многоэтажных домах, мостах, поездах, станках и в повседневных предметах, таких как винты, скрепки, горшки и ножи.

Производство стали - актуальная тема

Различные процедуры, используемые при производстве стали из стали , также интересны. Наиболее известным из них является процесс Линца-Донавица (или процесс LD), также известный как основной процесс производства стали в кислородной среде.

В конвертер LD подается жидкий чугун и металлолом, а также добавляется флюс для получения шлака. Кислород попадает в гипс через копье. Элементы, наносящие вред стали, такие как сера, фосфор и углерод, сгорают и превращаются в дымовой газ или шлак.Лом плавится из-за большого количества выделяемого тепла.
Электросталеплавильные заводы с электродуговыми печами также очень распространены. Дуга, идущая от трех графитовых электродов к отливке, создает температуру до 3500 ° C и вызывает плавление материала. Процесс плавления занимает около 30-45 минут.

Типичный объем партии для обеих процедур составляет 100–150 тонн. Есть еще стальные формы, которые могут выдержать до 350 тонн.

Дальнейшая обработка: Неочищенная сталь разливается в сталелитейный ковш, расположенный под конвертерной / электрической печью.Этот ковш находится на переправе ковшей. После заливки паром выезжает из-под конвертера и передает материал на крановые весы для транспортировки.

Пневматическая конвейерная технология может использоваться для нагнетания углерода и угля в доменные печи, чтобы снизить зависимость от металлургического кокса и снизить производственные затраты.

RotoFeed можно использовать в качестве дозирующего устройства подачи с регулируемой скоростью вращения, а благодаря интеграции технологии взвешивания в систему создается гравиметрическая версия, которая может достигать точности более ± 1% и диапазона изменения 10: 1.

Альтернативный процесс производства чугуна
Schenck Process работает с рядом признанных лидеров отрасли, включая Siemens VAI, POSCO и Hismelt, чтобы предоставить сырье и системы подачи, которые сочетают в себе точность и надежность, чтобы помочь в стабильном производстве неизменно высокого качества металла.

Задача оптимального управления производственным процессом конвертерного производства стали на основе метода оптимизации работы

Оптимизация работы в динамическом режиме была использована для решения задачи оптимального управления конвертером.Показатель оптимального управления определяется текущим состоянием производственного процесса конвертерной плавки, а заданные значения рабочей переменной будут управлять производством конвертера. Взаимосвязь между различными рабочими параметрами, текущей температурой и содержанием углерода строится на основе рабочего анализа большого количества фактических производственных данных; затем динамический индикатор оптимального управления выводится из исторических данных об отличной плавке; наконец, модель оптимизации динамической работы строится на основе минимального отклонения между текущими данными - температурой жидкой стали и содержанием углерода - и оптимальными данными, которые определяются индикатором оптимального управления в качестве целевой функции.DE (дифференциальная эволюция) с улучшенной стратегией используется для решения предложенной модели для получения заданных значений каждой рабочей переменной, что полезно для дальнейшего управления. Моделирование реальных производственных данных показывает осуществимость и эффективность предложенного метода. Тем самым доказано, что предложенный метод решает и задачу оптимального управления процессом конвертерной выплавки стали.

1. Введение

Оптимальный контроль конвертерного производства стали играет важную роль в обеспечении качества стали.

Рассматривается задача оптимального управления в динамической системе или в процессе движения. Индикатор оптимального управления должен быть получен, когда движение переходит из исходного состояния в заданное целевое состояние.

Общий вид конвертера показан на Рисунке 1. Конвертерное плавильное производство и основная стадия управления показаны на Рисунке 2. Определенное количество твердого скрапа и жидкого чугуна после десульфуризации заливается в печь. Затем кислород (F011) вдувается в печь через фурму, которая вводится сверху печи.Добавляются вспомогательные материалы, такие как известняк и доломит (F001 – F007). В то же время смесь азота и аргона (F012) продувается снизу для перемешивания расплавленного железа. Поверхность горячего металла, контактирующая с кислородом, образует ванну расплава. Элементы, такие как углерод, кремний и марганец, должны быть удалены, когда они достигнут 85% цикла выдувания, а температура расплавленной стали и информация о компонентах будут взяты с помощью субланца. По значениям отклонения между информацией и целевой конечной точкой можно было оценить количество вспомогательных материалов и кислорода.Начнется этап динамического обдува. В конце этапа субланс снова брал образец. Если требования к температуре и составу достигли наших предварительных значений, воспользуйтесь легированием стали или сталью для выпускаемой стали. В противном случае он должен продолжать дуть, пока не будет соответствовать требованиям.



Одна из проблем оптимального управления в процессе выплавки стали в кислородной печи (кислородной печи) заключается в том, как установить значения управляющих переменных и сделать индикатор оптимального динамического управления наилучшим.Для решения этой задачи оптимального управления в систему управления процессом выплавки стали в кислородно-конвертерной печи введен метод оптимизации динамических операций.

Операционная оптимизация процесса выплавки чугуна и стали заключается в проведении углубленного исследования производственного процесса на основе математических и физических статистических данных. Он мог бы выяснить отношения затрат-выпуска путем анализа и обобщения взаимосвязи между рабочими параметрами и показателями контроля продукта и оптимизировать производственный процесс в соответствии с этими отношениями затрат-выпуска.Другими словами, стремясь улучшить технологию и производительность с помощью существующего технологического процесса и производственного оборудования, оптимизация работы процесса выплавки чугуна и стали заключается в поддержании производственного процесса в оптимальном рабочем состоянии путем установки или корректировки параметров производственного процесса при любых изменениях. происходят с переменными среды или индикаторами контроля продукта, указанными системой мониторинга информации в реальном времени. Следовательно, внутреннее качество будет улучшено, а стоимость и потребление энергии уменьшены.Оптимизация процесса конвертерной плавки имеет большое теоретическое и практическое значение для улучшения управления производственными операциями.

Концепция оптимизации работы в реальном времени была предложена в 1950-х годах и впервые была использована при производстве этилена в 1980-х годах. Усовершенствованный метод оптимизации работы в реальном времени предложен Марлином и Хримаком [1]. И Ип, и Марлин [2] использовали этот метод для повышения общей эффективности производства. Peters et al. [3] представили метод управления оптимизацией работы в режиме реального времени в процессе управления партиями химического производства; этот метод применим и к нелинейным системам.Адетола и Гуай [4] предложили смешанный метод оптимизации работы в реальном времени и прогнозирующего управления для решения нелинейной химической системы. Альварес и Одлоак [5] предложили улучшенный метод, основанный на методе Адетола, для усиления стабильности и уменьшения неопределенности. de Souza et al. [6] использовали метод оптимизации в реальном времени для направленного прогнозирующего управления моделью для обеспечения точности управления. Процесс реакции этаноламина был оптимизирован с использованием концепции оптимизации работы [7]. Wellons et al. [8] предложили автономную операционную систему нелинейной оптимизации, применяемую в Mobil Oil Corp.в Бомонте и Техасском НПЗ. Eliceche et al. [9] предложили метод оптимизации работы для оптимизации ввода материала при производстве этилена. Petracci et al. [10] предложили оптимальный метод работы для улучшения коммунальной системы этиленового завода. Shao et al. [11] применили оптимизацию работы для повышения эффективности производства и стабильности процесса производства ацетальдегида. Лу [12] предложил схему оптимизации динамических операций для повышения общей эффективности производства, в которой рабочие переменные могут быть определены из конкретной точки прогноза во временной области, и эта точка не будет устойчивой точкой.Бонвин и Сринивасан [13] сосредоточили бы внимание на проблеме оптимизации динамических операций от неопределенных факторов до неопределенности параметров модели, что снизило вычислительную сложность модели. Биглер [14] представил новую модель динамической оптимизации работы для обогащения средств контроля в нефтехимической области, и это достижение вызвало большую озабоченность в отраслях промышленности. Tang et al. [15] изучили комплексную задачу выбора загрузки и выбора ширины разливки, возникающую в процессе непрерывной разливки в сталеплавильном процессе, и разработали подход к решению по отраслям и ценам, основанный на создании колонн, для получения оптимальных решений.Tang et al. В [16] представлена ​​математическая модель, основанная на идее «точно в срок», для решения конфликтов между машинами при планировании производства стали и непрерывной разливки в среде компьютерной интегрированной производственной системы. Tang et al. [17] построили новую формулировку целочисленного программирования с разделяемой структурой и разработали методологию решения, сочетающую лагранжевую релаксацию, динамическое программирование и эвристику.

В производственном процессе выплавки чугуна и стали методы анализа данных также играли ключевую роль.Wu et al. [18] предложили модель обнаружения в реальном времени, основанную на термодинамическом равновесии и улучшении модели газового анализа, чтобы дать онлайн-прогноз температуры в преобразователях. Wen et al. [19] предложили модель нейронной сети для прогнозирования конечной станции преобразователя на основе информации об излучении и информации об изображении. Xu et al. [20] предложили модель прогнозирования конечной точки кислородной печи (BOF) на основе информации о спектре пламени печи с опорным вектором для прогнозирования конечной температуры BOF-сталеплавильного производства и значения содержания углерода.Han et al. [21] использовал алгоритм опорной векторной машины для прогнозирования количества необходимого кислорода для производства конвертера, обеспечивая управление плавкой конвертера.

Операторы накопили значительный опыт в управлении производством преобразователей и добились больших успехов. Однако из-за многих факторов, таких как различные ограничения производственного процесса, характеристики высокой температуры, короткий цикл в процессе плавки, а также скорость и сложность физических и химических реакций, информацию обнаружения в реальном времени трудно получить точно.Таким образом, установить оптимальную модель управления сложно.

Для решения указанной выше задачи оптимального управления предлагается метод оптимизации работы конвертерного сталеплавильного производства. В этом методе время и вес добавления известняка, доломита и других вспомогательных материалов, количество продувочного кислорода, газа донной продувки в каждый момент и режим управления кислородной фурмой рассматриваются как управляющие переменные. Во-первых, собирается большое количество фактических данных о производстве стали, которые будут использоваться для создания репозитория динамических эталонных данных фазы.С помощью метода анализа данных создана модель прогнозирования температуры печи и содержания углерода в жидкой стали. Затем выполняется кластерный анализ на базе справочной информации о печи. Определите контрольные перемещения контрольных значений, определив температуру в печи и содержание углерода в расплавленной стали. Кроме того, на основе требований к ограничениям производственного процесса плавки строится оптимизационная модель, чтобы минимизировать отклонение между фактическими данными (температура печи и содержание углерода в расплавленной стали) и справочными данными, которые составлены на основе динамических значений.Наконец, интеллектуальный алгоритм оптимизации используется для решения модели и получения наилучшего значения управляющего параметра. Метод, описанный в этой статье, позволяет интуитивно и всесторонне понять ситуацию с процессом производства стали в конвертерном конвертере. На рис. 3 показан метод оптимизации работы сталеплавильного конвертера.


Остальная часть статьи организована следующим образом. Во-первых, в разделе 2 кратко описан метод анализа данных. Затем в разделе 3 был представлен метод прогнозирования в реальном времени.Модель оптимизации динамических операций, основанная на аналитике данных, представлена ​​в разделе 4. Затем, в разделе 5, предлагается усовершенствованный алгоритм DE для решения модели оптимизации динамических операций. Кроме того, чтобы продемонстрировать эффективность предложенного алгоритма в реальной задаче, было проведено множество экспериментов. Результаты, сопоставимые с другими методами, показаны в Разделе 6. Наконец, выводы работы и будущей работы представлены в Разделе 7.

2. Получение данных и создание набора данных по элитной печи

В этой статье данные собираются из настоящий металлургический комбинат.Анализатор пламени и анализатор дымовых газов необходимо установить на сталеплавильном конвертере. Измеряются температура пламени и состав дымовых газов. Зонд для метания используется для определения температуры и содержания углерода в расплавленной стали. Временной интервал измерения - 15 секунд. Оператор может судить о лучшем результате на основании своего опыта, начиная от фактической температуры печи, которая измеряется анализатором пламени, до температуры анализатора дымовых газов. За три месяца проведено 1200 экспериментов, данные получены с 380 печей.Мы удалили некоторые аномальные данные из полученных данных.

Значение температуры и содержания углерода будет распознано и записано в набор данных, а затем наиболее подходящая информация преобразователя будет выбрана в качестве целевого значения, включая входные условия, фактическую температуру выпуска и содержание углерода в жидкости. стали. По этим данным будет установлена ​​дата установки элитной печи.

3. Модель прогнозирования в реальном времени
3.1. Алгоритм прогнозирования

Чтобы проверить цель проблемы, будет использоваться алгоритм PSO (оптимизация роя частиц) для оптимизации параметров, а среднеквадратичная ошибка будет показателем статистической оценки.Процесс оптимизации параметров LSSVM (машина векторов поддержки наименьших квадратов) [22] с помощью IPSO (улучшенная оптимизация роя частиц) описывается следующим образом.

Шаг 1. Подготовка данных: обучающие наборы и тестовые наборы, соответственно, представлены как данные поезда и данные тестирования.

Шаг 2. Инициализация: произвольно генерирует начальное положение и скорость каждой частицы (и являются параметрами для LSSVM). Установите соответствующие параметры метода IPSO, а затем выполните процесс обучения с шагов 3 по 7.

Шаг 3. Определите количество итераций.

Шаг 4. Оценка пригодности: в этом документе функция пригодности использовалась для оценки качества каждой частицы, и ее необходимо вычислить перед поиском оптимальных значений параметров LSSVM.

Шаг 5. Проверка условия завершения: если критерий остановки удовлетворяет максимальному количеству итераций, перейдите к Шагу 7. В противном случае перейдите к Шагу 6. ​​

Шаг 6. Обновление частиц: обновите значение скорости и положения каждого частица согласно 1, а затем генерировать новые частицы; перейти к шагу 3:

Шаг 7. Остановить процедуру обучения: получить оптимизированные параметры и.

3.2. Модель прогнозирования и формула коррекции

Поскольку температура и содержание углерода на выходе изменяются в динамическом процессе, входные данные рассматриваются как динамическая переменная. Кроме того, входные переменные включают вес жидкой стали (), добавляемый вес лома (), содержание продувочного кислорода в процессе реакции (), содержание газа донной продувки в процессе реакции (), содержание углерода. жидкой стали в предыдущий момент времени (), высоту кислородной фурмы в текущий момент (), высоту ванны расплава в текущий момент, поток дымовых газов в процессе реакции (), уровень окиси углерода в процесс реакции (), уровень углекислого газа в процессе реакции (), температура жидкой стали в предыдущий раз () и дополнительные семь видов дополнительных материалов ().Количество входных переменных - семьдесят, а количество выходных переменных - только одна.

Модель прогнозирования температуры жидкой стали имеет следующий вид:

Прогнозная модель содержания углерода в жидкой стали задается следующим образом:

Текущая модель оценки температуры представлена ​​следующим образом:

Текущая модель оценки содержания углерода представлена ​​следующим образом: где - температура жидкой стали во времени; - содержание углерода в жидкой стали во времени; ,,, и, соответственно, - количество выдувного кислорода, режим фурмы, количество газа донной продувки и режим донной продувки в определенный момент времени.,, и представляют собой, соответственно, количество потока дымового газа и содержание CO и CO 2 в дымовом газе в данный момент. - соответствующий параметр коррекции задержки по времени.

Путем сравнения расходов дымовых газов, CO и CO 2 дымовых газов со значениями определяются индикатором управления оптимизацией. Если относительная ошибка меньше, пропустите исправление ошибок; в противном случае запустите коррекцию ошибок: значение коррекции температуры жидкой стали задается как. Величина поправки на содержание углерода в жидкой стали задается как, где и - два случайных числа в.

4. Модель оптимизации динамической работы
4.1. Значение индикатора динамического оптимального контроля

Оптимальным показателем температуры является оптимальная скорость нагрева при текущей температуре жидкой стали. Текущий динамический индикатор оптимального обезуглероживания - это оптимальная скорость обезуглероживания.

Путем сравнения текущей температуры и содержания углерода в жидкой стали, добавляемого чугуна и лома, целевой температуры и содержания углерода в жидкой стали, наиболее похожая печь, установленная в качестве эталонной, будет выбрана из набора данных элитной печи.Текущая температура жидкой стали оптимальная скорость нагрева эталонной печи. Оптимальная скорость обезуглероживания составляет. И справочные данные

4.2. Модель оптимизации динамической работы для задачи оптимального управления

Чтобы минимизировать отклонение между текущей температурой жидкой стали и эталонным значением, определенным индикатором управления оптимизацией, и минимизировать отклонение между текущим содержанием углерода и эталонными данными, мы устанавливаем многокритериальную задачу. модель оптимизации работы в реальном времени.

Цель оптимизации: Ограничения следующие: где модель оптимизации динамической работы построена путем принятия минимального отклонения между фактическими данными (температура печи и содержание углерода в расплавленной стали) и справочными данными по индикатору оптимального управления в качестве целевой функции 7. Когда, если нет. В ограничении 13 содержание углерода не должно превышать значение строгого требования; , соответственно, представляют минимальную и максимальную скорость подачи вспомогательного материала и допустимое значение; и, соответственно; в ограничении 12 поток газа нижней продувки не должен превышать значение строгого требования, скорость потока газа нижней продувки и минимальное определенное значение максимального определенного значения; в ограничении 14 и являются минимально допустимым значением потока кислорода в фурме и максимально допустимым расходом; в ограничении 15 режим копья не должен превышать значение строгого требования; ограничение 10 показывает значение поправки температуры и содержания углерода в жидкой стали; в ограничениях 8 и 9 - текущее значение температуры жидкой стали и - текущее значение содержания углерода в жидкой стали, определенное с помощью показателей управления динамической оптимизацией; ограничения 16 и 17 показывают взаимосвязь между переменными состояния; ограничения 18 и 19 представляют собой текущее уравнение для оценки температуры и содержания углерода.Время и вес добавления известняка, доломита и других вспомогательных материалов, количество продувочного кислорода, газа донной продувки в каждый момент времени и режим управления кислородной фурмой рассматриваются как управляющие переменные.

5. Предлагаемый алгоритм оптимизации
5.1. Дифференциальная эволюция (DE)

Существует несколько версий алгоритма DE [23]. Основываясь на разнице в показателях физической подготовки людей, Tang et al. [24] предложили новый алгоритм IDE с индивидуально-зависимым механизмом для установки параметров управления и выбора операторов мутации для каждого человека на разных этапах процесса поиска.Tang et al. [25] предложили улучшенный алгоритм дифференциальной эволюции с представлением матрицы в реальном коде для каждой особи популяции, двухэтапный метод создания начальной популяции и новую стратегию мутации. Алгоритм, предложенный в этой статье, основан на версии DE / best / 2 / bin. Алгоритм представлен следующим образом.

В каждом поколении DE поддерживается совокупность возможных решений, где каждое решение можно рассматривать как вектор управления в -мерном пространстве непрерывного поиска.Население развивается и улучшается поколение за поколением. В поколении мы обозначаем th особь популяции как,. С помощью оператора мутации и оператора кроссовера создается новая популяция, особь которой называется пробным вектором. Оператор выбора используется, чтобы решить, какое из них перейти в следующее поколение, родителей или потомков. Процесс развития продолжается до тех пор, пока не будет выполнен критерий завершения. Подробности представлены следующим образом.

Мутация .В версии DE / best / 2 / bin операцию мутации можно описать следующим образом: два взвешенных дифференциальных вектора, полученные из текущей популяции, добавляются к третьему вектору, который является лучшим индивидуумом, имеющим наилучшее значение приспособленности. При генерации, посредством возмущения четырех случайным образом выбранных индивидуумов и лучшего индивидуума, индивидуум с мутацией генерируется следующим образом: где и случайно выбранные индексы`` и принадлежат целочисленному набору и удовлетворяют выражению.Кроме того, это масштабный коэффициент и.

Кроссовер . После операции мутации экспериментальный индивидуум создается из индивидуума-мишени и индивидуума с мутацией посредством операции кроссовера, описанной следующим образом: где, - индекс случайного вектора, а. Кроме того, скорость кроссовера находится в интервале.

Выбор . Соревновательно, полагаясь на ценность пригодности, мы выбираем одного из целевых и трейлеров, которые выживут и перейдут в следующее поколение.Для задачи минимизации правило выбора выражается следующим образом: где и - управляющие параметры и в значительной степени влияют на производительность алгоритма.

5.2. Modified Differential Evolution

Для увеличения разнообразия популяции мы модифицируем схему мутаций. В нашем модифицированном DE мы добавляем случайный фактор, подлежащий равномерному распределению, чтобы увеличить разнообразие, и, таким образом, индивидуум с мутацией может быть переписан следующим образом: Шаги даны следующим образом.

Шаг 0 . Задавать .

Шаг 1 . Создайте начальную популяцию.

Шаг 2 . Инициализация параметров: установить текущее количество итераций.

Инициализировать коэффициент вариации и кросс-фактор. Установите максимальное количество итераций как. Установите текущий номер итерации как.

Шаг 3 . Оценка исходной популяции дается следующим образом.

Лучшее решение для фитнеса - это лучшее на данный момент решение.

Шаг 4 . Мутация и кроссовер демонстрируются следующим образом.

Используйте оператор мутации, чтобы получить тестовые векторы: где - случайное число в.

Шаг 5 . Сгенерируйте новую популяцию, используя оценку популяции.

Обновлять :

Сравните новое решение с лучшим решением; если, то обнови.

Шаг 6 . Если, вернитесь к шагу 4 и установите; в противном случае остановите итерацию и выведите оптимальное решение.

Шаг 7 . Если, вернитесь к шагу 1 и установите; в противном случае остановитесь.

6. Моделирование и обсуждение

Чтобы проиллюстрировать предложенный метод, реальные промышленные данные используются для оценки производительности модели оптимизации динамической работы, и они, соответственно, получены из экспериментов и инженерных приложений. В этой статье эксперимент заключается в динамической установке значения каждой рабочей переменной для динамического управления температурой и содержанием углерода в расплавленной стали.Метод написан на C ++ и запускается на ПК с процессором 2,83 ГГц (Core 2) и 3,25 ГБ памяти с использованием операционной системы Windows XP (32-разрядная версия).

6.1. Результат динамического предсказания

Эксперименты по температуре и содержанию углерода проводятся после кластеризации. В таблице 1 показаны обучающий набор и набор для тестирования моделей температуры и содержания углерода. Созданы динамические модели температуры и содержания углерода по конечным выходным параметрам,,,, IPSO-LSSVM. После создания модели температуры и содержания углерода новые 10 данных печи считаются набором данных динамических испытаний.Хотя динамические модели температуры и содержания углерода имеют некоторые трудности с точностью для всей печи, модель зависит только от данных, а не от времени. Модель по-прежнему демонстрирует адаптивные возможности. Чтобы продемонстрировать превосходство, в этой статье IPSO-LSSVM сравнивается с KPSO-LSSVM и SPSO-LSSVM [26, 27]. Таблицы 2 и 3, соответственно, показывают сопоставимые результаты для трех видов показателей эффективности. Мы можем обнаружить, что прогнозируемая ошибка IPSO-LSSVM ниже, чем у двух других методов, и результаты показывают, что IPSO-LSSVM имеет лучшую производительность.

9018 9018

Температура Содержание углерода
Ступень / ° C Обучающий набор Испытательный набор Ступень /% Обучающий набор

1540–1560 100 10 0,30–0,20 100 10
1560–1580 100.20–0,10 100 10
1580–1600 100 10 0,11–0,10 100 10
1600–1620 200 0,09 100 10
1620–1640 200 20 0,09-0,08 100 10
1640–1660 100.08-0.07 100 10
1660–1680 100 10 0,07-0,06 100 10
1680–1700 100 0,05 100 10
1700 - конечный 40 10 0,05-0,04 100 10

004 – финал 60 10

903 9018 9018 9018 9018 9018 903 7,29 9018 9018 9018 9018 903 7,29 0,010

Номер печи RMSE IPSO-LSSVM KPSO-LSSVM SPSO-LSSVM IPSO-LSSVM KPSO-LSSVM SPSO-LSSVM IPSO-LSSVM IPSO-LSSVM IPSO-LSSVM
1 3.77 5,19 5,08 0,0072 0,0082 0,0080 6,46 7,25 7,28 9,28
903 18 0,0082 0,0082 6,41 6,73 6,98
3 4,45 7.54 7,36 0,0079 0,0097 0,0095 7,43 7,25 7,28
4 3 2,43

8,1

0,0103 6,96 7,29 7,32
5 1,82 8,59 8,85 0.0068 0,0105 0,0105 6,15 8,46 7,77
6 7,37 8,02 0,018 9018 9018 9018 903 9018 903 0,018 7,2 9 5,13 6,15
7 0,79 3,25 3,24 0,0057 0.0066 0,0066 6,50 8,18 9,21
8 0,43 2,56 3,01 0,0060 9 905 8,59
9 2,51 6,09 6,16 0,0066 0,0084 0,0085 5.87 7,37 7,39
10 4,35 8,82 9,76 0,0084 0,0110
LOPS LOPS5 9018 9018 9048 0,1507

Номер печи RMSE /% ARE МАКС /% MAX /% SO318
Макс. / IPSO-LSSVM KPSO-LSSVM SPSO-LSSVM IPSO-LSSVM KPSO-LSSVM / SPSO-LSSVM
9018
0661 0,0727 0,0713 0,1492 0,1695 0,1716 0,0872 0,0894 0,0889 0,089 0,089 0,0894 0,0889
9018 9018 903 903 903 903 903 0,0712 0,1372 0,0601 0,0949 0,0972
3 0.0995 0,1013 0,0997 0,3133 0,3224 0,3228 0,1370 0,1487 0,1405 0,1487 0,1405 9018 903 9018 4184 0,2412 0,2476 0,1716 0,1708 0,1712
5 0.0912 0,0933 0,0925 0,0899 0,0888 0,0872 0,1039 0,1150 0,1250 9018 9018 9018
0,1493 0,1479 0,1055 0,1112 0,1094
7 0.0384 0,0413 0,0399 0,0722 0,0731 0,0727 0,0878 0,0840 840 0,0918 9018 9018 9018 9018 0,1172 0,1155 0,1150 0,11775 0,1387
9 0.0647 0,0678 0,0666 0,1603 0,1686 0,1676 0,0910 0,0943 0,0919 0,0943 0,0919 9018 903 903 9018 903 9018 903 0,1718 0,1706 0,1144 0,1257 0,1170

6.2. Результат задачи оптимального управления

В этом разделе предложенный DE / best / 2 / bin сравнивается с некоторыми эволюционными алгоритмами в литературе, например, в [28] и в [29]. Размер популяции двух других алгоритмов установлен на 400 для in и.

Окончательные значения сходимости этих трех алгоритмов для динамической задачи оптимального управления процессом производства стали в кислородном конвертере приведены в таблице 4. Сравнив значение сходимости с двумя другими методами, мы можем обнаружить, что ошибка сравнительно близка между и.Ошибка меньше, чем в двух других методах, и результаты показывают, что у этого метода лучшая производительность.

0,0047

Модель DE / лучший / 2 / бункер jDE SaDE

903 905 903 0,0053
2 0,0135 0.0136 0,0138
3 0,0174 0,0175 0,0176
4 0,0080 0,0080 9018 9018 9018 0,0073 0,0073
6 0,0082 0,0083 0,0083
7 0.0083 0,0084 0,0084
8 0,0093 0,0093 0,0096
9 3 9019 905

Информация о текущем практическом производстве приведена в Таблице 5, из которой мы можем узнать, что температура жидкой стали должна быть увеличена с 1610 ° C до 1666 ° C.Содержание углерода в жидкой стали следует снизить с 0,054% до 0,03%.

903

Переменные состояния Значение

Вес горячего чугуна 152460 кг
1610 ° C
Субстратное содержание углерода 0,054%
Целевая температура 1666 ° C
Целевое содержание углерода (продукт) 0.11%
Целевое содержание углерода (фактическое) 0,03%
Расход отходящих газов 39 Нм 3 / мин
Содержание CO в отходящих газах 33,8%
CO 2 содержание отходящего газа 56,4%

Результаты сравнения значений рабочих переменных с заданным значением можно увидеть на рисунках 6–8 и в таблице 6.На рисунке 4 показаны заданная температура и фактическое значение, определяемое значениями рабочих переменных. На рис. 5 показано целевое содержание углерода и фактическое значение, определяемое значениями рабочих переменных. -Ось - время обдува; 0 представляет начальный момент динамического управления, то есть время получения результатов измерения от sublance. На Рисунке 9 показано сравнение фактического потока отходящих газов при обнаружении и эталонного значения дымового газа. На Рисунке 10 показано сравнение фактического содержания CO и CO 2 в дымовых газах, полученного при обнаружении, и эталонного значения.В таблице 7 показаны результаты для ARE, RMSE и MAX температуры и содержания углерода. В таблице 8 показаны конечные значения температуры и содержания углерода. Эксперимент показывает, что производительность метода динамической оптимизации работы имеет хорошую адаптивность.

6 9018 9018 9018 9018 9018 9018 9018 903 0

Время (секунды) Вспомогательный материал 1 Вспомогательный материал 2 Вспомогательный материал 3 Вспомогательный материал 4 Вспомогательный материал 5 7

0.6 0 0 0 0 0 0 0
1,8 0 0 0 0 0
28,2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
31.8 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0


903

АР 0.4629 0,001127
RMSE 0,5330 0,008361
MAX 0,8423 0,002470
903 903 903 903 903 903 903 903 903 903 903 903 903 903 903 901 Температура Содержание углерода

Целевая конечная точка 1666 ° C 0,03%
Фактическая конечная точка 1666.047 ° C 0,0074%








0 Операционный преобразователь



0 7. Заключение. для решения задачи оптимального управления. В статье используется метод классификации, основанный на кластеризации, и метод LSSVM. Модель оптимизации работы в режиме реального времени для нескольких целей строится путем принятия минимального отклонения между фактическими данными (температура печи и содержание углерода в жидкой стали) и справочными данными с помощью индикатора оптимального управления в качестве целевой функции.Предлагается эффективный алгоритм для многоцелевой модели оптимизации работы для реализации задачи оптимального управления конвертером, напрямую повышая частоту попадания в конечную точку и улучшая качество стали, а также помогая повысить общую производительность.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов относительно публикации данной статьи.

Выражение признательности

Это исследование частично поддержано Государственной ключевой лабораторией синтетической автоматизации для фондов фундаментальных исследований перерабатывающих производств (грант №2013ZCX04-01).

Доменная печь, коксовый газ и конвертерный газ для производства электроэнергии

Высокие требования к мощности и рост затрат на электроэнергию представляют собой серьезную проблему для сталелитейной промышленности. Газы, образующиеся в качестве «бесплатного» побочного продукта в процессах производства стали, служат привлекательным вариантом источника энергии для эффективного производства электроэнергии. Помимо экономической выгоды, использование этих газов в качестве моторного топлива снизило промышленные выбросы CO 2 и сэкономило природные источники энергии.

Различные газы в процессах производства стали

В процессах производства стали обычно утилизируются большие объемы специальных газов. Три различных этапа процесса - от угля до стали - обеспечивают три разных типа газа: коксовый газ, доменный газ и конвертерный газ.

Состав коксового газа, доменного газа и конвертерного газа

Газ для производства стали Коксовый газ Доменный газ Конвертер газа
Источник Коксовая батарея Доменная печь Преобразователь
Ввод Уголь Кокс и железная руда Чугун
Выход Кокс Чугун Сталь
Водород% 50-70% 5%
Метан% 25-30%
Окись углерода% 20% 60% +
Нижняя теплота сгорания кВтч / Нм 3 ~ 5.0 ~ 0,9 ~ 3

Коксовый газ

Коксовый газ является побочным продуктом промышленного производства кокса из карьерного угля, коксовый газ создается путем высокотемпературной сухой перегонки коксующихся углей в отсутствие кислорода. Газ в основном состоит из водорода (50-60%), метана (15-50%) и небольшого процента окиси углерода, углерода и азота. Коксовый газ с теплотворной способностью 5 кВт · ч / Нм 3 представляет собой ценное топливо для эффективного производства энергии с помощью газовых двигателей Jenbacher.

Доменный газ

Доменный газ является побочным продуктом доменных печей, в которых железная руда восстанавливается с помощью кокса до металлического (чушкового) чугуна. Газ имеет очень низкую теплотворную способность около 0,9 кВтч / Нм 3 , что само по себе обычно недостаточно для сгорания в газовом двигателе. Существует возможность смешивать этот газ с другими отходящими газами, и вам следует связаться с вашим местным офисом Clarke Energy для более подробного обсуждения.

Конвертерный газ

Конвертерный газ создается из чугуна в процессе производства стали.Технологии производства стали можно разделить на два разных процесса: выдувное формование и мартеновское производство. В процессе выдувного формования чугун очищается кислородом или воздухом, что снижает долю углерода и обеспечивает технологическое тепло, достаточное для поддержания стали в жидком состоянии. Процесс Линца-Донавица (LD), который классифицируется как процесс выдувного формования, составляет 60% мирового производства необработанной стали, является наиболее распространенным методом производства необработанной стали. С другой стороны, мартеновский процесс извлекает кислород из добавленного лома и руды, что требует дополнительного тепла для процесса выплавки стали.Одним из наиболее распространенных мартеновских процессов является процесс электроплавки. Конвертерный газ из процессов LD и электроплавки может использоваться в газовых двигателях Jenbacher. Газ состоит примерно из 65% окиси углерода, 15% двуокиси углерода, 15% азота и небольших количеств водорода и метана.

Концепция утилизации стального газа

Различные составы, а также теплотворная способность и характеристики горения Газовые двигатели Jenbacher, которые эффективно используют эти газы для комбинированного производства тепла и электроэнергии.В целом стабильный состав коксового газа делает его выгодным в качестве моторного топлива. Однако высокое содержание водорода в коксовом газе означает, что процесс сгорания происходит очень быстро, что увеличивает опасность детонации или обратного воспламенения двигателя. Чтобы избежать этого риска, Jenbacher создал систему управления двигателем, которая может заправлять двигатель очень бедной смесью и в то же время очень быстро реагировать на изменения нагрузки двигателя. Конвертерный газ с высоким содержанием окиси углерода имеет низкую скорость сгорания и очень вреден.Jenbacher разработал специальную систему сгорания для газового двигателя, которая позволяет сжигать газ эффективно и надежно. Кроме того, Jenbacher предлагает пакет технологий безопасности, который позволяет надежно работать с вредными газами, такими как окись углерода. Оба газа можно использовать для создания горячей воды, пара и электричества. Горячая вода и выхлопные газы двигателей поступают в котлы. Полученный пар можно использовать в процессах производства стали. Электроэнергия, вырабатываемая двигателями Jenbacher, может использоваться на месте или продаваться в общую сеть.Может быть достигнут электрический КПД конвертерного газа до 37%, а КПД по коксовому газу еще выше.

Преимущества использования стального газа в газовых двигателях

  • Автономный источник питания
  • Снижение затрат на электроэнергию, большую предсказуемость и стабильность
  • Эффективное и экономичное комбинированное теплоснабжение и электроснабжение
  • Высокий электрический КПД по сравнению с другими технологиями производства электроэнергии (например, паровыми или газовыми турбинами)
  • Лучше всего подходит для диапазона электрической мощности от нескольких сотен кВт до 20-30 МВт
  • Требуется значительно низкое давление газа
  • Альтернативная утилизация проблемного газа с одновременным использованием его в качестве источника энергии
  • Заменитель традиционного топлива
  • Экологические выгоды от сокращения выбросов парниковых газов

Ключевые показатели по утилизации стального газа

На произведенную тонну кокса приходится примерно 470 нм 3 коксового газа.60% этого объема обычно требуется для внутренних процессов; оставшаяся часть может использоваться для выработки электроэнергии с помощью газовых двигателей GE Jenbacher, что дает примерно 400 кВт / ч. На тонну стали, произведенной с помощью процесса LD, выделяется примерно 50 нм 3 конвертерного газа, который может сгореть в газовых двигателях GE Jenbacher, что приводит к выработке электроэнергии примерно 50 кВт / ч. мощность.

Конкуренция с использованием стального газа

В отношении этого приложения было проведено серьезное исследование.Jenbacher установила свои первые коммерческие газовые двигатели для коксового газа в 1995 году и для конвертерного газа LD в 2004 году. Около 30 газовых двигателей Jenbacher GE в настоящее время работают либо на коксовом газе, либо на конвертерном газе LD. Благодаря техническому опыту GE, эти подразделения недавно наработали в общей сложности более 1 миллиона часов. Кроме того, за счет использования этих «бесплатных» отходящих газов по сравнению с использованием природного газа для выработки электроэнергии на оборудованных технологиями Jenbacher предприятиях GE удалось сэкономить около 2 миллионов тонн CO 2 с момента ввода в эксплуатацию.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Бессемеровский процесс и современное производство стали

Это середина 1800-х годов, и Соединенные Штаты начали делать свое имя в сталелитейной промышленности. Рост железных дорог в 19 веке как в Европе, так и в Америке заставил металлургическую промышленность производить больше, но сталелитейная промышленность все еще боролась с неэффективными производственными процессами. Сталь еще не доказала, что она является конструкционным металлом, и ее производство было медленным и дорогостоящим. Ситуация изменилась в 1856 году, когда Генри Бессемер открыл процесс, позволяющий эффективно добавлять кислород к расплавленному железу, уменьшая содержание углерода.В том же году была основана Sabel Steel.

Теперь формально известный как Бессемеровский процесс, Бессемер изобрел сосуд грушевидной формы, называемый «конвертером», в котором железо можно было нагревать, а кислород мог продуваться через расплавленный металл. Когда кислород проходит через расплавленный металл, он реагирует с углеродом, выделяя углекислый газ и создавая более чистое железо.

Этот процесс был недорогим и быстрым, он удалял углерод и кремний из железа всего за несколько минут, но оставался эффективным.Однако проблема все еще оставалась. К концу процесса было удалено слишком много углерода, а в конечном продукте осталось слишком много кислорода. В конце концов Бессемер обнаружил, что если он добавит нужное количество марганца, это даст решение, поэтому он начал добавлять его в свой процесс конверсии с большим успехом.

Осталась только одна проблема: Бессемеру не удалось найти способ удалить фосфор из своего конечного продукта, что сделало сталь хрупкой.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *