КОМПЬЮТЕРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ РАФИНИРОВАНИЯ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ

С началом использования технологии конвертерной выплавки с продувкой инертным газом и рафинированием существенно изменился процесс производства нержавеющей стали. Самым лучшим примером может служить триплекс процесс, разработанный фирмой Mannesmann Demag Huttentechnik (рис. 1). Он соединяет в себе преимущества двух общеизвестных дуплекспроцессов EAF—AOD (комбинированный процесс выплавки в электропечи и аргонно кисдородного обезуглероживания) и EAF—VOD (комбинированный процесс выплавки в элект родуговой печи и обезуглероживания кислородом в вакууме).

Преимущества думплекспроцесса (1—2, см. рис. 1): малое потребление Аг, малое потребление Fe—Si, низкое содержание газообразного углерода после обработки. Недостатки: ограниченная возможность регулировать соотношение железосодержащие сплавы — скрап.

Преимущества триплекспроцесса (1—3—2, см. рис. 1): малое потребление Аг, малое потребление Fe—Si, низкое содержание газообразного углерода после обработки: широкая возможность регулировать соотношение железосодержащие сплавы/скрап, высокая стойкость футеровки конвертера, болшой выход хрома. Недостатки: большая продолжительность операции по сравнению с кобминацией электродуговая печь— конвертер.

Преимущества дуплекспроцесса (1—4, см. рис. 1): малая продолжительность обработки, широкая возможность регулировать соотношение железосодержащие сплавы/скрап. Недостатки: большое потребление Аг, большое потребление FeSi, низкая стойкость футеровки конвертера. В результате этого производство нержавеющих сталей разных классов стадо дешевле, а сами стали приобрели ряд новых свойств [1]. Точно так же, как и методы вторичной металлургии открыли новые возможности для точного управления качеством производимой стали, использование автоматизации процесса производства стало объективной необходимостью.

Различия в технологии обработки и требования к оборудованию определили круг проблем, решение которых может быть осуществлено только с помощью современных систем управления технологическим процессом.

Компьютер осуществляет следующие важные функции: гарантированное получение заданного низкого остаточного содержания углерода; оптимальное потребление кислорода и инертного газа в промежуточном ковше и ва кууматоре ВОД; минимизация окисления хрома; выбор инертного газа (возможен азот); минимизация потребления кремния на раскисление; комбинированное раскисление и десульфурация; точный расчет затрат, позволяющий оптимизировать цену продукции за счет выбора легирующих элементов; точное управление температурным режимом для сохранения стойкости футеровки и при выпуске стали; уменьшение интервала между выпусками стали.

Оптимальная система управления и автоматизации технологии триплекспроцесса были разработаны фирмой "Mannesmann Demag HiittentechnikN для нержавеющей стали. Эта система включает в себя три основных уровня: измерения, управление технологическим процессом и планирование производства. Главные функции, а именно контролирование и управление процессом, равно как и технологический план, базируются на измеряемых переменных технологического процесса, которые анализируются динамической и статической моделями.

Металлургические аспекты

Металлургические приемы и их ограничения для различных технологических линий производства малоуглеродистой аустенитной и специальной ферритной нержавеющей стали в основном определены условиями термодинамического равновесия реакции обезуглероживания. Окисление высокохромистой стали при выплавке преследует цель предельно снизить содержание углерода и при этом минимизировать количество хромистого шлака. Окисление углерода и хрома, которое происходит по реакциям, описываемым уравнениями (2)—(3),

На рис. 2 показаны изменения положения кривой равновесия хром — углерод в зависимости от температуры и парциального давления окиси углерода. Можно видеть, что при содержании хрома порядка 18 % минимально достижимое содержание углерода возможно только при очень высоких температурах или низких парциальных давлениях окиси углерода. Очень высокая температура нагрева на практике не приемлема по экономическим соображениям, так как вызывает ускоренный износ футеровки. Обычно температура при выплавке специальных сталей находится на уровне 1720 °С. При такой температуре и при содержании хрома 18% уменьшить содержание углерода без снижения парциального давления возможно только до —0,2 % и не ниже. Бели требуется более низкое содержание углерода, то следует снижать парциальное давление окиси углерода.

Для снижения парциального давления существуют два основных способа: снижение общего давления над поверхностью металла в процессе вакуумной обработки; снижение концентрации оксида углерода продувкой инертным газом.

Резкое снижение давления надежно гарантирует минимальный уровень содержания углерода при ВОДпроцессе. Отрегулировав режим работы в соответствии с кинетикой реакции обезуглероживания, можно обеспечить минимальное образование хромового шлака и, соответственно, снизить расход требуемых реагентов. Расход аргона очень мал. Однако из за медленной скорости реакции обезуглероживания в ВОДпроцессе возникают ограничения по исходному содержанию углерода, хотя на первоначальной стадии плавки используются дешевые высокоуглеродистые легирующие элементы. Практически все эти ограничения могут проявляться при глубоком обезуглероживании в конвертере. В аргоннокислородном конвертере негативным фактором такой технологии является требование высокой скорости продувки инертным газом для снижения парциального давления СО, вследствие чего снижается стойкость футеровки в донной части, поскольку интенсивная продувка осуществляется снизу через фурму. До достижения критического содержания углерода процесс окисления может осуществляться продувкой кислородом с высокой скоростью без снижения парциального давления СО. Высокая скорость продувки кислородом через кислородную фурму в виде трубки, применяемой в процессе MRP Lконвертер, обеспечивает высокую скорость обезуглероживания и укорачивает продолжительность обработки, даже если на стадии подготовки используются дешевые высокоуглеродистые легирующие в большом количестве. Для улучшения кинетических условий реакции обезуглероживания осуществляется перемешивание продувкой малым количеством инертного газа. Износ футеровки мал, и промежуток между заменами футеровки конвертера удлиняется, поскольку скорость кислородной продувки на стадии обезуглероживания уменьшается и регулируется в соответствии с кинетическими условиями протекания химической реакции. Это минимизирует количество образующегося хромового шлака, а также снижает потребность в других реагентах. Последующая обработка в конвертере заключается в глубоком обезуглероживании и дегазации данной плавки и при низких затратах на установку ВОД. Вследствие исходно низкой концентрации углерода продолжительность одного цикла работы установки ВОД составляет примерно 60 мин, что укладывается в условия работы установки непрерывной разливки, которая также может быть использована.

Компьютерная система

В структуре компьютерной системы имеется три основных уровня: первый — измерение, управление и обработка данных; второй— управление технологическим процессом; третий — процесс планирования производства (рис. 3). На уровне измерений и управления применяются программируемые логические системы управления системой. Этот уровень соединен с более высоким уровнем 2 посредством интерфейсов и общего компьютера связи. Для взаимодействия с операторами установки система управления технологическим процессом предоставляет: набор диалоговых экранов для изменения технологических параметров; в графической форме обобщенные данные с уровня 1, ожидаемые параметры, динамику изменения основных значений выбираемых технологических параметров; цифробуквенный экран для вывода количественной и технологической информации.

Каждые 10 с компьютер первого уровня направляет сообщение компьютеру второго уровня. Это сообщение содержит все величины, измеряемые в соответствии с технологией. Когда определенные изменения случаются при загрузке, то следующее сообщение несет информацию о дополнительных измерениях. По окончании выпуска полная информация по данной плавке сохраняется в памяти компьютера и может быть использована компьютерами других металлургических заводов. Немедленно по завершении лабораторного анализа проб данной плавки результаты автоматически передаются в лабораторный компьютер. В конце каждой плавки все зарегистрированные по ее ходу данные обобщаются, а результат печатается. В процессе проведения обработки на экране в хронологическом порядке непрерывно появляется информация о всех основных стадиях технологического процесса. Рис. 4 иллюстрирует ключевые функции и данные в структуре MSMмодели.

Динамическая модель

Динамическая модель технологического процесса обеспечивает исключительную помощь при выплавке и обработке выплавляемой стали [2, 3]. Такая модель позволяет следить и управлять всеми химическими реакциями в динамике процесса. Технологическая модель воспроизводит все металлургические и термодинамические условия с пренебрежимо малым запаздыванием по времени. Углерод, кислород и балансы энергии определяются и вычисляются с периодичностью 10 с. Исходя из начальных условий задаваемой плавки в процессе ее обработки рассчитываются концентрации углерода и хрома в жидкой ванне, температура жидкого металла. Баланс рассчитывается на основе данных спектрометрического анализа состава отходящего газа и скорости его потока с помощью газа регистрации.

Скорость обезуглероживания вычисляется через его количество в отходящем газе. Баланс плавки по кислороду принимается за основу для определения его количества, расходуемого на окисление металлических элементов. Далее это используется при вычислении скорости окисления хрома и его суммарных потерь. Температура жидкого металла определяется по энергетическому балансу. В рамках динамической модели управление расходом кислорода и инертного газа, или газа на перемешивание является главной задачей, так как это обеспечивает выполнение специфических термодинамических и химических условий реакции обезуглероживания в предельно короткое время и с минимальными потерями хрома.

Оптимальное обезуглероживание и минимальные потери хрома могут быть обеспечены только при достижении критического уровня концентрации углерода, вдуваемый кислород расходуется только на образование окиси углерода, а избыточное давление соответствует кинетическим условиям протекания реакции окисления вблизи критической точки. Целью динамического процесса управления является обеспечение максимально возможной скорости протекания реакции обезуглероживания. Эффективным средством понижения уровня равновесия углерода является снижение парциального давления окиси углерода. Особая конструкция системы продувки позволяет приблизить .условия продувки кислородом к оптимальным. Для управления технологическим газом в системе управления задаются следующие параметры: расход кислорода, инертный газ (MRPL) или газ на перемешивание (ВОД).

Учитывается также степень безопасности оборудования для оценки расхода газа. По данным динамического мониторинга процесса оказалось, что уменьшение скорости обезуглероживания происходит не ступенчато, а непрерывно, вызывая потребность непрерывного уменьшения подачи кислорода. При протекании реакции обезуглероживания наблюдаются две стадии: начальная стадия без изменения и вторая — после достижения критической концентрации углерода. Поскольку первая стадия характеризуется высокой скоростью обезуглероживания, обеспеченной в основном особыми условиями продувки, то некоторое замедление реакции вызвано фактическим уменьшением содержания углерода в плавке и удлинением времени его поступления в точку реакции. На первой стадии продувки практически только кислород вдувается в максимальном количестве. Вторая стадия продувки начинается с определения критической концентрации углерода. В зависимости от этого уменьшается количество вдуваемого кислорода. Желательный расход кислорода определяется из скоростей обезуглероживания и окисления хрома (рис. 5).

Статическая модель

Эти расчеты выполняются для определения производственной стратегии. Это относится ко всем процессам, начиная с определения температуры и анализа состава пробы, взятой из ковша перед началом обработки, и кончая завершением процесса. Предварительные вычисления определяют последовательность операций внепечной обработки и подтверждают возможность достижения заданного состава и температуры к моменту достижения ковшом позиции разливки, в соответствии с технологической последовательностью внепечной обработки расчет технологических параметров разделен на следующие стадии: подготовка, обезуглероживание, раскисление алюминием, начало продувки, основное обезуглероживание, динамическое обезуглероживание, вакуумная дегазация (ВОД), замедление, корректировка.

Исходными данными для таких расчетов являются требования к составу стали данного класса, существующие экспериментальные данные, схема работы; реальные значения температуры стали при последнем замере, данные последнего анализа химсостава, текущая стадия процесса, расход материалов.

Прогноз имеет отношение к металлургическим расчетам состава стали, веса стали, шлака, скорости обезуглероживания, скорости окисления хрома, остаточного содержания кислорода в расплаве для дальнейшего окисления, специальных переменных, таких как температура и содержание хрома и углерода в критической точке; вычислениям температуры и энергии на базе энергетического баланса, шлакообразования и энергетических потерь; задаваемым технологическим параметрам расходу кислорода на продувку, поглощению кислорода, глубине продувки, расходу Ar/N на продувку/перемешивание, положению донного клапана Ar/N для перемешивания, давлению в камере, добавкам, отбираемым пробам и измерениям температуры; времени ц продолжительности обработки процесса в целом и время, высвобожденное для выполнения анализа на соответствие задаваемому составу и температуре.

Самое первое прогнозное вычисление выполняется после прибытия ковша на площадку, если реальные состав стали и ее температура уже известны. Расчеты производятся на каждой стадии технологического процесса. В процессе осуществления обработки результаты предыдущей стадии учитываются в последующих расчетах. Поэтому спрогнозированные результаты на каждой последующей стадии пересчитываются. Каждый перерасчет стратегии обработки основан на результатах текущей операции обработки. Прогнозирование результатов начинается в момент прибытия металла на рабочую площадку, изменения порядка обработки, измерения кислорода, температуры, определения химического состава, необходимых добавок и запуска операции вручную. Исходя из данных по реальному составу стали, производится расчет необходимого легирования и определяется самая дешевая комбинация легирующих материалов для достижения заданного состава в режиме реального времени.

Результаты работы

Самое важное, что обеспечивает триплекс процесс ЕAFMRPLVOD — это достигаемая высокая экономическая эффективность в результате разделения процесса рафинирования на две металлургические операции, обеспеченные строгим анализом состава и температуры на входе каждой установки. Компьютерная система в этом случае играет чрезвычайно важную роль. Непрерывная обработка данных и управление технологическим процессом позволяют достичь оптимальных металлургических показателей за максимально короткое время. Также улучшаются следующие характеристики процесса.

По сравнению с АОД конвертером потребление аргона сокращается с 18 до 2,3 м3/т при триплекспроцессе [4], [5]. Потребление азота — порядка 5 м3/т, в 100тонном конвертере стойкость футеровки обеспечивает около 1000 плавок. Суммарное уменьшение расхода легирующих составляет около4 9 кг кремния на тонну произведенной малоуглеродистой аустенитной или ферритной стали. Поскольку продолжительность всех циклов обработки сокращена, то становится возможной последующая непрерывная разливки стали. Триплекспроцесс уже доказал свою хорошую адаптируемость к разным заводским условиям.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м I, Москва 1994