blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-9-698-705blackmet-1138Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESМОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В КИСЛОРОДНОМ КОНВЕРТЕРЕ НА БАЗЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВMODELING OF STEELMAKING IN BOF BASED ON PHYSICAL, CHEMICAL AND THERMAL PROCESSESКолесниковЮ. А.KolesnikovYu. A.

 кандидат ехнических наук, доцент кафедры технологий металлургии и литейных процессов.

 455000, Россия, Магнитогорск, пр. Ленина, 38.

 Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Technology of Metallurgy and Foundry Processes”. 

Magnitogorsk.

dixord@mail.ruБигеевВ. А.BigeevV. A.

 доктор технических наук, профессор кафедры технологий металлургии и литейных процессов. 

455000, Россия, Магнитогорск, пр. Ленина, 38.

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Technology of Metallurgy and Foundry Processes”. 

Magnitogorsk.

 

v.bigeev11@yandex.ruСергеевД. С.SergeevD. S.

аспирант кафедры технологий металлургии и литейных процессов. 

455000, Россия, Магнитогорск, пр. Ленина, 38.

 Postgraduate of the Chair “Technology of Metallurgy and Foundry Processes”.

Magnitogorsk.

 

dixord@mail.ruМагнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.РоссияMagnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov.Russian Federation201702102017609698705Copyright © Колесников Ю.А., Бигеев В.А., Сергеев Д.С., 20172017Колесников Ю.А., Бигеев В.А., Сергеев Д.С.Kolesnikov Y.A., Bigeev V.A., Sergeev D.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1138

. В данной статье приводится описание работы программы, реализующей метод расчета параметров выплавки стали в кислородном конвертере с верхней подачей дутья. Программа создана на основе системы балансовых уравнений, решаемых совместно методом  итераций. Для адаптации модели используется информация о составе и количестве материалов, продуктов плавки и продолжительности  операций, имеющаяся в базе паспортных данных плавок кислородно-конвертерного цеха. В этих условиях при определении состава и  количест  ва шлака, масса железа, принимающая участие в процессах шлакообразования, рассчитывается по балансу кислорода с учетом  общего расхода дутья, зафиксированного АСУ ТП в паспортах плавки. Программа позволяет прогнозировать параметры плавки при изменении ее начальных и конечных условий, а также определять значение неконтролируемых воздействий на процесс в структурированной  области базы данных. В программе на первом этапе составляются балансовые уравнения. Определяется расход кислорода на продувку,  идущего на шлакообразование. Затем определяется количество окислившихся элементов и рассчитывается потребность в кислороде на  окисление. Далее по разности общего отданного на продувку кислорода и пошедшего на окисление элементов определяется его количество, идущее на окисление железа, переходящего в шлак. Затем определяется количество шлака с учетом всех шлакообразующих материалов  и окислившегося железа за счет кислорода дутья. На втором этапе рассчитывается баланс образования газов и оксидов железа. На третьем  этапе рассчитывается количество шлака с учетом расхода каждого материала. На четвертом этапе рассчитывается количество получаемого  металла. На конечном этапе составляется материальный и тепловой баланс (сколько пришло тепла, сколько выделилось в процессе окисления элементов и сколько ушло с нагретым до температуры металла и шлака газом). Тепловой баланс считается относительно комнатной  температуры, что позволяет для химических реакций учитывать стандартные тепловые эффекты. Материальный и тепловой балансы  настраивались по температуре металла в конце продувки.

Description of the program realizing a computational method of  parameters of steel smelting in the oxygen converter with top feed of  blasting is provided in this article. This program was created on the  basis of system of the balance equations solved in unison by method of  iterations. For adaptation of the model the information on structure and  amount of materials, products of melting and duration of operations  which is available in passport data on heats of the BOF shop, is used.  In these conditions when determining structure and amount of slag, the mass of iron in scorification processes can be calculated on an oxygen balance taking into account the common expense of the blasting  recorded by industrial-control system in passports of heats. The program allows to predict melting parameters at change of its starting and  terminating conditions, and also to define value of uncontrollable impacts on process in structured part of the database. At the first stage the  program works out the balance equations. The oxygen consumption  on blasting going for scorification is defined. Then quantity of the oxidized elements is determined and the volume of oxygen for oxidation  is calculated. Further its quantity which went for oxidation of the iron  passing into slag is determined by a difference of the common amount  of oxygen given on blasting and which went for oxidation of elements.  Later the amount of slag is defined with all slag-forming materials and amount of the oxidized iron at the expense of blasting oxygen. At the  second stage the balance of formation of gases and oxides of iron is  calculated. At the third stage the amount of slag is determined taking  into account the consumption of each material. At the fourth stage the  amount of the received metal is calculated. At a terminating stage the  mass and heat balance is formed (how many heat came, how many it  was allocated in the course of elements oxidation and how many of it  was left with the gas heated to temperature of metal, slag). The heat  balance is considered according to ambient temperature that allows  considering reference heat effects for chemical reactions. The mass  and heat balance were adjusted on metal temperature at the end of  blasting.

 кислородно-конвертерный процесс выплавка стали программа математическая модель моделирование параметры плавки  шихтовые материалы сидеритовая рудаoxygen and converter process smelting of steel program  mathematical model model operation melting parameters charge  siderite oreReferencesБигеев В.А., Колесников Ю.А. Прогнозирование технологических параметров выплавки стали в конвертере с использованием сидерита // Теория и технология металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Колокольцева. – Магнитогорск: Изд-во МГТУ, 2011. Вып. 11. С. 30 – 36.Bigeev V.A., Kolesnikov Yu.A. Prediction of technological parameters of steel smelting in BOF with siderite use. In: Teoriya i tekhnologiya metallurgicheskogo proizvodstva: mezhregion. sb. nauch. tr. [Theory and technology of metallurgical production: interregion]. Kolokol’tsev V.M. ed. Magnitogorsk: MGTU, 2011, Issue 11,  pp.  30–36. (In Russ.).Бигеев В.А., Колесников Ю.А., Сергеев Д.С. Состояние и перспективы использования сидиритовых руд бакальского месторождения в черной металлургии // Теория и технология металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Колокольцева. – Магнитогорск: Изд-во МГТУ , 2013. Вып. 1(13). С. 6 – 8.Bigeev V.A., Kolesnikov Yu.A., Sergeev D.S. State and prospects  of the use of Bakalsky siderite ores in ferrous metallurgy. In: Teoriya i tekhnologiya metallurgicheskogo proizvodstva: mezhregion. sb. nauch. tr. [Theory and technology of metallurgical production:  interregion]. Kolokol’tsev V.M. ed. Magnitogorsk: MGTU, 2013,  Issue 1(13), pp. 6–8. (In Russ.).Колесников Ю.А., Бигеев В.А., Сергеев Д.С. Расчет технологических параметров выплавки стали в конвертере с использованием различных охладителей // Теория и технология металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Колокольцева. – Магнитогорск: Изд-во МГТУ , 2014. Вып. 2(15). С. 45 – 47.Kolesnikov Yu.A., Bigeev V.A., Sergeev D.S. Calculation of technological parameters of steel smelting in BOF using various coolers. In: Teoriya i tekhnologiya metallurgicheskogo proizvodstva: mezhregion. sb. nauch. tr. [Theory and technology of metallurgical production: Interregion reference book]. Kolokol’tsev V.M. ed.  Magnitogorsk: MGTU, 2014, Issue 2(15), pp. 45–47. (In Russ.).Явойский В.И., Рубенчик Ю.И., Окенко А.П. Неметаллические включения и свойства стали. – М.: Металлургия, 1980. – 162 с.Yavoiskii  V.I.,  Rubenchik  Yu.I.,  Okenko A.P.  Nemetallicheskie vklyu cheniya i svoistva stali [Nonmetallic inclusions and properties  of steel]. Moscow: Metallurgiya, 1980, 162 p. (In Russ.).Кудрин В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. – М.: Мир, ООО «Издательство АСТ», 2003. – 528 с.Kudrin V.A. Teoriya i tekhnologiya proizvodstva stali: uchebnik dlya vuzov [Theory and technology of steel production: Textbook  for universities]. Moscow: Mir, AST, 2003, 528 p. (In Russ.).Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. Производство стали. Внепечная металлургия стали. Т. 3. – М.: Теплотехник, 2010. – 424 с.Dyudkin  D.A.,  Kisilenko V.V.  Proizvodstvo stali. Vnepechnaya metallurgiya stali. T. 3 [Production of steel. Ladle metallurgy of  steel. Vol. 3]. Moscow: Teplotekhnik, 2010, 424 p. (In Russ.).Моделирование современных процессов внепечной обработки и непрерывной разливки / О.Б. Исаев, Е.А. Чичкарев, В.В. Кислица и др. – М.: Металлургиздат, 2008. – 243 с.Isaev O.B., Chichkarev E.A., Kislitsa V.V. etc. Modelirovanie sovremennykh protsessov vnepechnoi obrabotki i nepreryvnoi razlivki  [Modeling of the modern processes of ladle processing and continuous casting]. Moscow: Metallurgizdat, 2008, 243 p. (In Russ.).Казаков А.А., Ковалев П.В., Рябошук С.В. Исследование термовременной природы неметаллических включений с целью повышения металлургического качества высокопрочных трубных сталей // Черные металлы. 2009. № 12. С. 4 – 11.Kazakov A.A., Kovalev P.V., Ryaboshuk S.V . Research of the thermotemporary nature of nonmetallic inclusions to increase in metallurgical quality high-strength pipe steels. Chernye metally. 2009,  no.  12, pp. 4–11. (In Russ.).Столяров А.М., Селиванов В.Н. Технологические расчеты по непрерывной разливке стали: Учебное пособие. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2011. – 64 с.Stolyarov A.M.,  Selivanov V.N.  Tekhnologicheskie raschety po nepreryvnoi razlivke stali: uchebnoe posobie [Technological calculations  on  steel  continuous  casting:  Manual].  Magnitogorsk:  MGTU, 2011, 64 p. (In Russ.).Бигеев В.А., Колесников Ю.А., Сергеев Д.С. Модель управления конвертерной плавкой стали // Приложение математики в экономических и технических исследованиях: Сб. науч. тр. / Под. ред. В.С. Мхитаряна. – Магнитогорск: Изд-во МГТУ , 2016. С. 283 – 294.Bigeev V.A., Kolesnikov Yu.A., Sergeev D.S. Model of control  of BOF steel production. In: Prilozhenie matematiki v ekonomicheskikh i tekhnicheskikh issledovaniyakh: sb. nauch. tr. [Application of mathematics in economic and technical researches: Coll.  of sci. papers]. Mkhitaryan V.S. ed. Magnitogorsk: MGTU, 2016,  pp.  283–294. (In Russ.).Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. Производство стали. Т. 1. Процессы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки. – М.: Теплотехник, 2008. – 487 с.Dyudkin D.A., Kisilenko V.V. Proizvodstvo stali. T. 1. Protsessy vyplavki, vnepechnoi obrabotki i nepreryvnoi razlivki [Production of  steel. Vol. 1. Processes of smelting, ladle processing and continuous  casting]. Moscow: Teplotekhnik, 2008, 487 p. (In Russ.).Угрюмов С.А., Боровский А.Б. Реализация программного управления на базе персонального компьютера // Изв. Южного федерального университета. Технические науки. 2005. Т. 45. № 1. С. 131 – 147.Ugryumov S.A., Borovskii A.B. Realization of program control on  the basis of personal computer. Izv. Yuzhnogo federal’nogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. 2005, vol. 45, no. 1, pp. 131–147. (In Russ.).Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. – М.: Наука, 1981. – 614 с.Bronshtein I.N., Semendyaev K.A. Spravochnik po matematike dlya inzhenerov i uchashchikhsya vuzov [Reference book on mathematics for engineers and students of universities]. Moscow: Nauka,  Glavnaya redaktsiya fiziko-matematicheskoi literatury, 1981, 614 p.  (In Russ.).Dyubanov V.G., Leontiev L.I About the problem of recycling of zinc-containing metallurgical slimes // Rare Metals. 2009. Vol. 28. Spec. Issue. Oct. P. 752 – 770.Dyubanov V.G., Leontiev L.I About the problem of recycling of  zinc-containing metallurgical slimes. Rare Metals. 2009, vol. 28.  Spec. Issue. Oct., pp. 752–770.Окороков Б.Н., Явойский В.И. Некоторые закономерности кислородно-конвертерного процесса // Теория и технология новых процессов производства стали. Сб. № 48. – М.: Металлургия (МИСиС), 1983. С. 166 – 175.Okorokov B.N., Yavoiskii V.I. Some regularities of BOF process. In:  Teoriya i tekhnologiya novykh protsessov proizvodstva stali. Sb. no. 48 [Theory and technology of new processes of steel production].  Moscow: Metallurgiya (MISiS), 1983, pp. 166–175. (In Russ.).Окороков Б.Н., Коминов С.В., Ронков Л.В. и др. Динамическая модель конвертерного процесса, отражающая его физико-химические потоки и их взаимодействие. – В кн.: Исследование процессов производства стали и их влияния на конечные свойства продукции. – М.: Металлургия (МИСиС), 1990. C. 5 – 23.Okorokov B.N., Kominov S.V., Ronkov L.V . etc. Dynamic model  of converter process reflecting its physical and chemical streams  and their interaction. In: Issledovanie protsessov proizvodstva stali i ikh vliyaniya na konechnye svoistva produktsii [Research of steelmaking processes and their influence on terminating properties of  production]. Moscow: Metallurgiya (MISiS), 1990, pp. 5–23. (In  Russ.).Нам В.В., Ронков Л.В., Окороков Б.Н. и др. Система динамического контроля и управления конвертерным процессом шлакообразования // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация». 1988. № 9. С. 41 – 42.Nam V.V., Ronkov L.V., Okorokov B.N. etc. System of dynamic  monitoring and management of converter process of scorification.  Chernaya metallurgiya. Byul. in-ta “Chermetinformatsiya”. 1988,  no. 9, pp. 41–42. (In Russ.).Горкуша Д.В., Комолова О.А., Григорович К.В. Анализ причин повышенного содержания углерода и азота в стали класса IF для условий ОАО «ММК» // Теория и технология металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. / Под ред. В.А. Бигеева. – Магнитогорск: Изд-во МГТУ , 2015. Вып. 1 (16). С. 60 – 64.Gorkusha D.V., Komolova O.A., Grigorovich K.V . Analysis of the  reasons of increased content of carbon and nitrogen in IF steels in  conditions of JSC “MMK”. In: Teoriya i tekhnologiya metallurgicheskogo proizvodstva: mezhregion. sb. nauch. tr. [Theory and  technology of metallurgical production: Interregion coll. of sci. papers]. Bigeev V.A. ed. Magnitogorsk: MGTU, 2015, Issue 1 (16),  pp. 60–64. (In Russ.).Горкуша Д.В., Комолова О.А., Григорович К.В.Анализ технологии выплавки и внепечной обработки стали класса IF для условий ОАО «ММК» // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. – Магнитогорск: Изд-во МГТУ , 2015. Т. 1. № 1. С. 67 – 70.Gorkusha D.V., Komolova O.A., Grigorovich K.V . Analysis of the  technology of smelting and ladle processing of IF steels in conditions of JSC “MMK”. In: Aktual’nye problemy sovremennoi nauki, tekhniki i obrazovaniya [Urgent problems of the modern science,  technique  and  education].  Magnitogorsk:  MGTU,  2015,  vol.  1,  no.  1, pp. 67–70. (In Russ.).Комолова О.А., Горкуша Д.В., Григорович К.В. Физико-химические модели технологии рафинирования стали в вакууматоре // V Междунар. конф.-школа по химической технологии: Сб. тез. докл. сателлитной конф. ХХ Менделеевского съезда по общей и прикладной химии: В 3-х томах. – Волгоград: Изд-во Волгоградский гос. техн. ун-та, 2016. С. 240 – 242.Komolova O.A., Gorkusha D.V., Grigorovich K.V . Physical and  chemical models of steel refinement in a vacuum vessel. In: V mezhdunarodnaya konferentsiya-shkola po khim. tekhnologii: sb. tezisov dokladov satellitnoi konferentsii XX Mendeleevskogo s”ezda po obshchei i prikladnoi khimii: v 3kh tomakh [5th Int. Conf.-School on  Chemical Technology: Theses of Reports of a Satellite Conf. of the  20th Mendeleevsky Congress in Basic and Applied Chemistry: in  3 vols.]. Volgograd: Izd-vo Volgogradskii gos. tekhn. un-ta, 2016,  pp.  240–242. (In Russ.).Колокольцев В.М., Клочковский С.П., Смирнов А.Н., Савченко И.А. Разработка принципиальных основ технологии комплексной переработки высокомагнезиальных сидеритов // Физикохимическая геотехнология. Матер. науч. конф. – М.: 2013. Т. 2. С. 41 – 44.Kolokol’tsev V.M., Klochkovskii S.P., Smirnov A.N., Savchenko  I.A. Development of principal bases of technology of complex  processing of high-magnesian siderites. In: Fiziko-khimicheskaya geotekhnologiya. Materialy nauchnoi konferentsii [Physical  and  chemical geotechnology. Materials of a scientific conference]. Moscow: 2013, vol. 2, pp. 41–44. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.