ПО "Рафинирование" - повышение качества металла путем оптимизации технологии и мониторинга состояния стали при ковшевой обработке

MetLab ООО "МетЛаб" разработало эффективный инструмент для рещения следующих актуальных задач в области производства качественных сталей:
1) Обеспечение стабильного попадания в заданные допуски по легирующим элементам, примесям, а также получение требуемой чистоты стали по неметаллическим включениям и управление их составом.
2) Предотвращение нарушения стационарности разливки из-за образования отложений в каналах разливочных стаканов, в результате загрязненности металла тугоплавкими включениями.
3) Повышение и стабилизация качества литого металла, уменьшение отбраковки на последующих переделах, претензий потребителей, улучшение рыночных позиций.

Способ достижения целей

Способ достижения заявленных целей базируется на оптимизации и контроле технологии обработки стали в ковше, с использованием программного обеспечения для мониторинга рафинирования стали (далее – ПО «Рафинирование»).
ПО «Рафинирование» повышает эффективность решения следующих задач:
a) Оптимизация технологических операций обработки в ковше, с учетом конкретных производственных условий, при их изменении или освоении новых марок.
b) Анализ причин пониженного качества металла.
c) Мониторинг в режиме реального времени обработки стали в ковше на основе непрерывного расчета химического состава и температуры металла, а также массы и состава неметаллических включений.

Принципы построения ПО «Рафинирование»

В основе ПО «Рафинирование» лежат термодинамические и кинетические модели физико-химических процессов, протекающих в системе «металл–шлак–футеровка–неметаллические включения–газ», которые описывают:
• Химические реакции между всеми фазами.
• Изменение состава и температуры фаз в результате ввода добавок и внешних воздействий (нагрев, продувка инертным газом, вакуумирование).
• Эмульгирование шлака и удаление неметаллических включений, в зависимости от интенсивности и длительности перемешивания.

Входные данные для работы ПО «Рафинирование»

• Химический состав, масса и температура металла и шлака при поступлении ковша на обработку.
• График ввода энергии.
• График расхода инертного газа.
• Последовательность ввода, количество и состав: шлакообразующих, ферросплавов, раскислителей (в металл/ на шлак), модификаторов.
• График изменения давления (при вакуумировании).

Адаптация ПО «Рафинирование» к конкретным агрегатам

Особенностью ПО «Рафинирование» является система кинетических настроек для адаптирования его к конструктивным особенностям конкретных агрегатов.
Для такой адаптации достаточно нескольких плавок.

Как работает ПО «Рафинирование»

ПО «Рафинирование» рассчитывает ежеминутно, начиная от старта обработки ковша, до отправки его на разливку, следующие параметры:
• Химический состав и масса металла и шлака.
• Температура металла.
• Химический состав и удельная масса неметаллических включений.
Возможно два режима работы.
Первый – на основании проекта ковшевой обработки стали: режимов нагрева, перемешивания, раскисления, легирования и т. д., выполняется расчет изменений, происходящих с металлом, шлаком и неметаллическими включениями во времени: температура, количество и химический состав (1-я очередь внедрения). Этот режим работы предназначен для оптимизации технологии, выявления резервов для улучшения качества металла и показателей работы.
Второй – расчет текущих параметров металла, шлака и неметаллических включений в режиме реального времени по ходу реальной обработки металла (2-я очередь внедрения). Этот режим позволяет обеспечить попадание в заданные допуски по легирующим элементам, примесям, а также требуемый уровень чистоты стали по неметаллическим включениям и оптимальный их состав. Наиболее важным, с практической точки зрения, является информация о текущих параметрах неметаллических включений (их масса и химический состав) перед отправкой ковша на разливку, либо перед модифицированием Ca-содержащими материалами. Такая информация, при работе в режиме реального времени, позволит скорректировать плавку для обеспечения требуемых характеристик неметаллических включений – назначить дополнительное время для очистительной продувки, изменить количество модификатора и т. д.
Дополнительной функцией ПО «Рафинирование» является расчет трансформации включений при разливке и затвердевании сляба (сортовой заготовки).

Примеры использования ПО «Рафинирование»

а. Рафинирование качественных высокоуглеродистых сталей с ограничением по Al
Известно, что при ковшевой обработке кордовой и канатной сталей ряд управляющих воздействий оказывает одновременно и положительное и отрицательное влияние на ключевые характеристики стали и неметаллических включений (табл. 1).
Оптимизация технологии ковшевой обработки в подобных случаях требует точной настройки управляющих воздействий, чтобы соблюсти определенный баланс, минимизируя отрицательное влияние этих воздействий на удельную массу и химический состав неметаллических включений.
Использование ПО «Рафинирование» повышает:
• эффективность такой оптимизации,
• эффективность контроля исполнения принятой технологии, в особенности при управлении в режиме реального времени.
Результатом является надежное обеспечение требуемой чистоты сталей данного класса и благоприятный, для волочения проволоки, химический состав остаточных неметаллических включений.

Таблица 1. Разнонаправленное влияние на качество кордовой стали управляющих воздействий при ковшевой обработке.

b. Рафинирование сталей, раскисленных алюминием

При ковшевой обработке сталей раскисленных алюминием использование ПО «Рафинирование» позволяет оптимизировать технологические параметры с целью обеспечения:
• надежного заданного состава и температуры металла к установленному времени передачи ковша на разливку,
• требуемого низкого уровня серы,
• чистоту по неметаллическим включениям.
На основании расчетных параметров металла перед модифицированием программа позволяет уточнить необходимое количество порошковой проволоки, с учетом:
• типа используемого модификатора,
• текущего состава и количества оксидных включений в металле,
• текущего содержания в металле серы.
Результатом является повышение качества металла, снижение отбраковки по причине повышенной загрязненности, а также сокращение случаев нарушения стационарности разливки.
Приведенные примеры не ограничивают область применения ПО «Рафинирование», но показывают реальные варианты ее эффективного использования для повышения качества стали различных групп марок.

Пример расчета характеристик металла и неметаллических включений по ходу обработки стали для железнодорожных колес на установке ковш-печь

Ниже приведен пример моделирования обработки стали для железнодорожных колес на установке ковш-печь (120 т) с помощью ПО «Рафинирование».

Исходные данные для моделирования взяты из реальной плавильной карты одного из металлургических заводов:
• Ввод энергии (рис. 1).
• Подача аргона для перемешивания (рис. 2).
• Ввод шлакообразующих и раскислителей на шлак (рис. 3).
• Ввод ферросплавов и науглероживателя (рис. 4).

Расчетные изменения характеристик металла, шлака, неметаллических включений и температуры представлены на рис. (5–9). Цвет шкалы для каждой из характеристик соответствует цвету ее шрифта. Символ “M” обозначает массу металла, шлака, или неметаллических включений.

На графиках помимо расчетных линий нанесены точки, соответствующие фактическим значениям параметров (того же цвета). Данные по химическому составу проб металла (рис. 5), шлака (рис. 6), и результаты замера температуры (рис. 9) взяты из карты плавки.
Для анализа неметаллических включений использовали ковшевые пробы, из которых были вырезаны образцы для исследования на растровом электронном микроскопе (РЭМ). В каждой пробе определяли химический состав не менее 10 неметаллических включений, выбранных случайным образом.

Относительно крупные включения (20–150 мкм) представляли собой эмульгированный шлак. Изменение массы и химического состава эмульгированного шлака программа рассчитывает с учетом интенсивности продувки инертным газом и текущего состава шлака в ковше (рис. 8).

Более мелкие (менее 10 мкм) включения имели состав близкий к равновесному, они являются продуктами раскисления и реакции частичек эмульгированного шлака с металлом. Расчетный химический состав включений этого типа хорошо согласуется с их фактическим составом, определенном на РЭМ (рис. 7).

Как было отмечено выше, адаптация ПО «Рафинирование» к конкретному оборудованию повышает точность расчета характеристик металла, шлака и неметаллических включений.


Рис. 1. График ввода энергии.


Рис. 2. График подачи аргона для перемешивания.


Рис. 3. График ввода шлакообразующих и раскислителей на шлак.


Рис. 4. График ввода ферросплавов и науглероживателя.


Рис. 5. Изменение химического состава и массы металла в ковше по ходу обработки.


Рис. 6. Изменение химического состава и массы шлака по ходу обработки.


Рис. 7. Изменение химического состава и массы эндогенных неметаллических включений по ходу обработки


Рис. 8. Изменение химического состава и массы эмульгированных неметаллических включений


Рис. 9. Изменение температуры металла в ковше по ходу обработки.