Wyniki modelowania procesu rafinacji stali w piecu kadziowym

9.5.1. Weryfikacja modelu

Wykorzystuj¹c stworzony algorytm weryfikacji opracowanego modelu hybrydo-wego, wykonano seriê symulacji dla grupy wytopów zarejestrowanych na stanowisku pieca kadziowego w hucie CMC Zawiercie. Weryfikacjê strumieni wymiany masy dla zmodyfikowanego modelu mieszania przeprowadzono analogicznie jak w przypadku argonowania przez lancê. Skoncentrowano siê g³ównie na wyznaczeniu poprawnych wartoœci strumienia wymiany masy pomiêdzy reaktorami I i II. W tym celu dla ka¿dego wytopu eksperymentalnego wykonano seriê symulacji, zmieniaj¹c wartoœæ wspó³czyn-nika obiegu dla reaktora II, definiowanego równaniem (51), w zakresie wspII 1–8.

Wymianê masy pomiêdzy reaktorami I i III powi¹zano z wartoœci¹ strumienia m za-₁₂ le¿noœci¹ liniow¹, któr¹ potwierdzaj¹ badania na modelach wodnych obiektu rzeczywi-stego [57]. Podczas weryfikacji modelu przyjêto wartoœæ strumienia wymiany masy

pomiêdzy reaktorami I i III jako 10% wartoœci strumienia m Za³o¿enia dotycz¹ce₁₂. wymiany masy pomiêdzy reaktorami II i III zachowa³y swoj¹ wa¿noœæ.

W algorytmie weryfikacyjnym zmieniono równie¿ kryterium wyboru wartoœci strumienia. Spoœród przeprowadzonych symulacji dla ró¿nych wartoœci wspó³czynni-ka obiegu masy w reaktorze II wybrano wartoœæ strumienia m dla którego w wyniku₁₂, symulacji uzyskano minimaln¹ wartoœæ œredniego b³êdu, obliczonego na podstawie b³êdów wzglêdnych: wêgla, manganu, krzemu i siarki. B³¹d wzglêdny poszczególnych pierwiastków obliczano na podstawie równania:

Œredni¹ wartoœæ b³êdu, przyjêt¹ jako kryterium weryfikacji, obliczano na podsta-wie równania:

4

C Mn Si S

Err σ + σ= + σ + σ (62)

W tabeli 23 przedstawiono zestawienie wyników przeprowadzonej weryfikacji.

Tabela 23

Zestawienie uzyskanych wyników dla weryfikacji wartoœci strumienia wymiany masy m12

Numer

Koñcow¹ wartoœæ strumienia wymiany masy pomiêdzy reaktorami I i II obliczono na podstawie œredniej wa¿onej. Wagi poszczególnych wartoœci strumieni obliczono jako odwrotnoœæ b³êdu œredniego, zamieszczonego w tabeli 23. Pozwoli³o to na wyeli-minowanie zbyt du¿ego wp³ywu na wynik koñcowy wartoœci strumieni, dla których obliczony œredni b³¹d Err by³ stosunkowo wysoki. Œredni¹ wartoœæ strumienia m ob-₁₂ liczono za pomoc¹ równania:

Na podstawie przeprowadzonej weryfikacji dla procesu rafinacji w piecu kadzio-wym przyjêto wartoœæ strumienia m₁₂= 10 321 kg/min. Dla takiej wartoœci strumienia wymiany masy pomiêdzy reaktorami I i II obliczono, na podstawie liniowych

zale¿no-œci, pozosta³e wartoœci strumieni wymiany masy wystêpuj¹ce w uk³adzie równañ (60), opisuj¹cym mieszanie ciek³ego metalu w kadzi.

Wynosi³y one odpowiednio:

– m₂₃=0, 4m₁₂= 4128,4 kg/min,

– m₁₃=0,1m₁₂=1032,1 kg/min.

Porównuj¹c wynik weryfikacji wartoœci strumieni masy z wynikiem dla modelu argonowania w ArcelorMittal, mo¿na stwierdziæ, ¿e zgodnie z oczekiwaniami argono-wanie przez kszta³tkê jest efektywniejsze ni¿ argonoargono-wanie przez lancê.

Gruboœæ warstwy metalu, dla jakiej w ka¿dym kroku obliczeniowym wyznaczany jest stan równowagi, zosta³a obliczona na podstawie równania (49).

W tabeli 24 przedstawiono wyniki symulacji przeprowadzonych dla grupy wyto-pów eksperymentalnych, zrealizowanych na stanowisku pieca kadziowego. Tabela 25 zawiera porównanie koñcowej zawartoœci g³ównych sk³adników ¿u¿la, zmierzonych po zakoñczeniu procesu rzeczywistego, oraz wartoœci obliczonych przez model.

Tabela 24

Porównanie koñcowego procentowego sk³adu chemicznego metalu obliczonego przez model z wynikami analizy laboratoryjnej

Tabela 25

Porównanie koñcowego procentowego sk³adu chemicznego ¿u¿la wyznaczonego przez model z wartoœci¹ uzyskan¹ z analizy laboratoryjnej

C Mn Si S

Numer

wytopu analiza model analiza model analiza model analiza model 1 0,21 0,20 0,75 0,74 0,21 0,21 0,035 0,034

wytopu analiza model analiza model analiza model 1 13,60 13,20 23,56 25,79 50,61 47,86

Rysunki 61–67 przedstawiaj¹ porównanie obliczeñ modelu z koñcow¹ analiz¹ chemiczn¹ próbek metalu i ¿elaza, pobranych po zakoñczeniu procesu rafinacji.

Rys. 61. Porównanie koñcowej zawartoœci wêgla, obliczonej przez model oraz zmierzonej w procesie rzeczywistym

Rys. 62. Porównanie koñcowej zawartoœci manganu, obliczonej przez model oraz zmierzonej w procesie rzeczywistym

C, %

Rys. 63. Porównanie koñcowej zawartoœci siarki, obliczonej przez model oraz zmierzonej w procesie  rzeczywistym

Rys. 64. Porównanie koñcowej zawartoœci krzemu, obliczonej przez model oraz zmierzonej w procesie rzeczywistym

Rys. 65. Porównanie koñcowej zawartoœci tlenku glinu w fazie ¿u¿lowej, obliczonej przez model oraz zmierzonej w procesie rzeczywistym

Rys. 66. Porównanie koñcowej zawartoœci tlenku wapnia w fazie ¿u¿lowej, obliczonej przez model oraz zmierzonej w procesie rzeczywistym

Rys. 67. Porównanie koñcowej zawartoœci tlenku krzemu w fazie ¿u¿lowej, obliczonej przez model oraz zmierzonej w procesie rzeczywistym

9.5.2. Wirtualne eksperymenty

W ramach modelowania procesu rafinacji w piecu kadziowym wykonano seriê wirtualnych symulacji, których celem by³o zbadanie czynników wp³ywaj¹cych na pro-ces odsiarczania k¹pieli metalowej. Podniesiona zawartoœæ siarki w metalu pogarsza w³aœciwoœci mechaniczne i plastyczne stali oraz jest g³ówn¹ przyczyn¹ powstawania pêkniêæ przy podwy¿szonych temperaturach. Podstawowymi Ÿród³ami siarki w k¹pieli metalowej s¹:

– siarka zawarta we wsadzie metalicznym, g³ównie w surówce,

– siarka pochodz¹ca z paliw stosowanych do intensyfikacji roztapiania z³omu.

Zawartoœæ siarki w k¹pieli metalowej po zakoñczeniu procesu w piecu elektrycz-nym wynosi oko³o 0,01–0,02%. W stalach jakoœciowych o specjalelektrycz-nym przeznaczeniu zawartoœæ siarki musi zostaæ zredukowana podczas rafinacji pozapiecowej do poziomu 0,001%. Zapewnia to bowiem uzyskanie najlepszej kombinacji w³asnoœci materia³u, takich jak: wytrzyma³oœæ, ci¹gliwoœæ, odkszta³calnoœæ oraz spawalnoœæ. Poza kilkoma wyj¹tkami, do których nale¿¹ gatunki stali automatowych, przeznaczonych na

materia-³y do obróbki skrawaniem, siarka uwa¿ana jest za szkodliwy sk³adnik k¹pieli metalo-wej, wp³ywaj¹cy na pogorszenie w³asnoœci stali.

Siarka usuwana jest z metalu w wyniku reakcji zachodz¹cej pomiêdzy ciek³ym

¿u¿lem a metalem, podczas której siarka z metalu jest transportowana przez granicê miêdzyfazow¹ do ¿u¿la. Proces ten przebiega zgodnie z reakcj¹:

[S] + (O^2–) = (S^2–) + [O] (65)

SiO2, %

Odsiarczanie k¹pieli metalowej jest procesem wymiany anionów siarki i tlenu po-miêdzy metalem i ¿u¿lem. Efektywnoœæ odsiarczania zale¿y od iloœci wolnych anionów tlenu w ¿u¿lu. Wolne aniony tlenu wystêpuj¹ wy³¹cznie w ¿u¿lach o wysokiej zasado-woœci i dlatego podczas procesu rafinacji w piecu kadziowym czêstym zjawiskiem jest dodawanie w trakcie procesu wapna, które powoduje wzrost zasadowoœci ¿u¿la, a tym samym zwiêkszenie iloœci wolnych anionów tlenowych w ¿u¿lu. Sta³a równowagi re-akcji (65) ma postaæ:

Dla wyznaczenia stanu równowagi reakcji odsiarczania w sta³ej temperaturze konieczna jest znajomoœæ aktywnoœci siarki i tlenu – zarówno w fazie ¿u¿lowej, jak i w ciek³ym metalu. W praktyce proces odsiarczania czêsto ocenia siê, wykorzystuj¹c tak zwany stopieñ podzia³u siarki pomiêdzy ¿u¿el a metal, zapisywany jako [40]:

[O]

L_S – wspó³czynnik podzia³u siarki, (S) – sumaryczna zawartoœæ siarki w ¿u¿lu, [S] – sumaryczna zawartoœæ siarki w metalu,

C_S – pojemnoœæ siarczkowa ¿u¿la, a_[O] – aktywnoœæ tlenu w metalu.

Z równia (67) wynika, ¿e im wiêksz¹ wartoœæ przyjmuje L_S, tym proces odsiarcza-nia metalu zachodzi efektywniej. Wspó³czynnik podzia³u siarki pomiêdzy ¿u¿el a me-tal zale¿y równie¿ od aktywnoœci tlenu w k¹pieli meme-talowej. Im wiêksza aktywnoœæ tlenu, tym wspó³czynnik L_s, bêdzie mniejszy, a tym samym iloœæ siarki przechodz¹cej z metalu do ¿u¿la bêdzie ograniczona.

Wp³yw masy dodawanego tlenku wapnia na przebieg procesu odsiarczania W ramach wirtualnych symulacji procesu odsiarczania k¹pieli metalowej wykona-no symulacje dla jednego z wytopów zamieszczonych w bazie danych z rzeczywistego procesu rafinacji stali w piecu kadziowym. Poniewa¿ g³ównym sk³adnikiem odsiarcza-j¹cym jest wapno, celem symulacji by³o wykazanie silnego oddzia³ywania tlenku wap-nia na proces odsiarczawap-nia. Reakcja odsiarczawap-nia metalu za pomoc¹ wapna, w zapisie cz¹steczkowym, przebiega zgodnie z równaniem:

3(CaO) + 2[Al] + 3[S] = 3(CaS) + (Al₂O₃) (68) Pocz¹tkowy sk³ad chemiczny metalu i ¿u¿la przyjêty w symulacji, zamieszczono w tabelach 26 i 27.

Tabela 26

Przyjêty w symulacjach pocz¹tkowy procentowy sk³ad chemiczny metalu

Tabela 27

Przyjêty w symulacjach pocz¹tkowy procentowy sk³ad chemiczny ¿u¿la

Podczas symulacji do reaktora rafinacyjnego, zawieraj¹cego fazê ¿u¿low¹, wprowa-dzano ró¿ne masy tlenku wapnia z zakresu 100–500 kg. Przyjêto, ¿e czas wprowadzania wapna wynosi 30 s. Symulacjê przeprowadzono w zakresie temperatur 1574–1588^oC.

Na rysunku 68 przedstawiono przebieg zmian zawartoœci sumarycznej siarki w k¹pieli metalowej w funkcji dodanego podczas procesu wapna. W przeprowadzonych symula-cjach wykorzystano wartoœci strumieni wymiany masy pomiêdzy reaktorami, ustalone na etapie weryfikacji modelu rafinacji stali w piecu kadziowym.

Rys. 68. Przebieg zmian zawartoœci sumarycznej siarki w k¹pieli metalowej dla ró¿nej masy wprowadzanego tlenku wapnia

Wyniki symulacji potwierdzaj¹ silny wp³yw tlenku wapnia na przebieg procesu odsiarczania k¹pieli metalowej. W pocz¹tkowej fazie symulacji zawartoœæ sumaryczna siarki spada jednakowo we wszystkich trzech przypadkach; po wprowadzeniu tlenku

C Mn Si S Al O,

[ppm] Al2O3

0,14 0,66 0,13 0,066 0,002 41,9 0,001889

MgO Al₂O₃ SiO₂ CaO MnO S FeO 6,38 14,26 25,48 44,13 5,05 0,32 1,62

wapnia w dziesi¹tej minucie symulacji widaæ wyraŸn¹ ró¿nicê w przebiegu procesu odsiarczania. Koñcowa zawartoœæ siarki, obliczona przez program dla dwóch skraj-nych przypadków, wynosi odpowiednio: 0,05% dla dodatku 100 kg tlenku wapnia, 0,02% dla dodatku 500 kg tlenku wapnia.

Wprowadzony tlenek wapnia zmienia zasadowoœæ obecnego w uk³adzie ¿u¿la.

Zwiêksza siê zatem iloœæ siarki, która przechodzi z k¹pieli metalowej do fazy ¿u¿la w postaci siarczku wapnia.

Wp³yw masy ¿u¿la kadziowego na przebieg procesu odsiarczania

Na proces odsiarczania ma wp³yw zarówno sk³ad chemiczny ¿u¿la, jak równie¿

jego masa. W przypadku rafinacji stali w piecu kadziowym, w pocz¹tkowym etapie procesu kszta³tuj¹ siê w³aœciwoœci ¿u¿la, które decyduj¹ o dalszym przebiegu proce-sów rafinacyjnych. W wypadku du¿ej zawartoœci tlenku ¿elaza w ¿u¿lu kadziowym pocz¹tkowo wprowadza siê materia³y odtleniaj¹ce ¿u¿el, w celu polepszenia

w³aœciwo-œci rafinacyjnych. Wa¿nym parametrem w procesie odsiarczania k¹pieli metalowej jest pojemnoœæ siarczkowa ¿u¿la [73, 74]. Parametr ten decyduje bowiem o iloœci siarki, która w danych warunkach mo¿e zostaæ usuniêta z metalu do ¿u¿la.

Za pomoc¹ opracowanego modelu matematycznego wykonano seriê symulacji, anali-zuj¹c przebieg procesu odsiarczania dla ró¿nej masy ¿u¿la kadziowego. G³ównym celem przeprowadzonych symulacji by³o zbadanie wp³ywu masy ¿u¿la. W przeprowadzonych symulacjach masa ¿u¿la kadziowego waha³a siê w przedziale 1,6–5,6 Mg, jednak war-toœæ wspó³czynnika β w modelu termodynamicznym mia³a warwar-toœæ sta³¹ równ¹ 13,4%

przyjêtej w obliczeniach masy ¿u¿la. Na rysunku 69 przedstawiono uzyskane wyniki przebiegu zmian siarki w k¹pieli metalowej dla zmiennej masy utworzonego ¿u¿la.

Rys. 69. Przebieg zmian zawartoœci siarki w metalu w czasie symulacji ró¿ni¹cych siê mas¹ ¿u¿la

Wyniki przedstawione na rysunku 69 potwierdzaj¹ istotnoœæ wskaŸnika, którym jest masa ¿u¿la kadziowego w procesie usuwania siarki z metalu.

Wp³yw pocz¹tkowej zawartoœci tlenu w metalu na proces odsiarczania Jak wspomniano, reakcja odsiarczania zale¿y równie¿ od aktywnoœci tlenu roz-puszczonego w metalu. Wspó³czynnik podzia³u siarki pomiêdzy metal a ¿u¿el, przy podwy¿szonej zawartoœci tlenu rozpuszczonego w metalu, przyjmuje ma³e wartoœci, co oznacza, ¿e proces odsiarczania zachodzi mniej efektywnie. Maj¹c na celu okreœle-nie wp³ywu pocz¹tkowej zawartoœci tlenu w metalu na przebieg procesu odsiarcza-nia, wykonano seriê symulacji, w których zmieniano pocz¹tkow¹ zawartoœæ tlenu w k¹pieli metalowej. W symulacjach wykorzystano sk³ad równowagowy metalu i ¿u¿-la, uwzglêdniaj¹c jedynie zmierzon¹ w rzeczywistym procesie zawartoœæ siarki w obu fazach.

Uzyskane wyniki przedstawiono na rysunku 70, na którym naniesiono krzywe zmian zawartoœci siarki w symulacjach, w których zawartoœæ tlenu w metalu ró¿nico-wano w zakresie 7–22 ppm.

Rys. 70. Przebieg zmian zawartoœci siarki w metalu w czasie symulacji ró¿ni¹cych siê pocz¹tkow¹ zawartoœci¹ tlenu w ¿u¿lu

Analizuj¹c uzyskane wyniki, mo¿na zauwa¿yæ, ¿e wy¿sza zawartoœæ tlenu w k¹-pieli metalowej wp³ywa negatywnie na przebieg procesu odsiarczania. W rozpatrywa-nym uk³adzie, dla zawartoœci tlenu równej 14 ppm, nie zaobserwowano zmian w za-wartoœci siarki w czasie symulacji, co oznacza, ¿e przy pewnej granicznej zaza-wartoœci tlenu proces usuwania siarki z metalu nie zachodzi. W przeprowadzonych symulacjach

20 ppm

dalsze zwiêkszanie zawartoœci tlenu w metalu powoduje niewielki wzrost zawartoœci siarki. Uzyskane wyniki œwiadcz¹ o koniecznoœci dobrego odtlenienia k¹pieli metalo-wej, co pozwala na osi¹gniêcie warunków sprzyjaj¹cych procesowi odsiarczania.

9.6. Podsumowanie

Na podstawie wyników uzyskanych podczas weryfikacji modelu hybrydowego, przystosowanego do symulacji procesu rafinacji stali w piecu kadziowym, mo¿na stwierdziæ, ¿e dok³adnoœæ wyznaczenia koñcowej zawartoœci kluczowych dla danego gatunku stali sk³adników jest zadawalaj¹ca. Wyniki symulacji uzyskane w ramach wir-tualnych eksperymentów pozwalaj¹ sformu³owaæ nastêpuj¹ce wnioski dotycz¹ce pro-cesu odsiarczania k¹pieli metalowej:

– koñcow¹ zawartoœæ siarki mo¿na obni¿yæ w trakcie procesu rafinacji w piecu ka-dziowym do po¿¹danego poziomu, zwiêkszaj¹c zasadowoœæ ¿u¿la za pomoc¹ do-datku tlenku wapnia;

– zwiêkszenie masy ¿u¿la nie zmienia wspó³czynnika podzia³u siarki pomiêdzy

¿u-¿el i metal, ale zapewnia obni¿enie koñcowego poziomu siarki w metalu;

– pocz¹tkowy poziom tlenu rozpuszczonego w metalu jest czynnikiem decyduj¹cym o mo¿liwoœci przebiegu procesu odsiarczania.