Hybrydowy model procesów pozapiecowej rafinacji stali

W monografii przedstawiono koncepcję nowego modelu matematycznego, który wykorzystano do symulacji procesu argonowania stali w kadzi oraz procesu rafinacji w piecu kadziowym. W wyniku połączenia dwóch modeli opisujących różne zjawiska oddziałujące na przebieg rafinacji opracowano uniwersalny model hybrydowy, uwzględniający zarówno procesy mieszania metalu, jak i termodynamiczny opis reakcji przebiegających w układzie. Połączenie na drodze numerycznej modelu mieszania oraz modelu termodynamicznego pozwoliło na identyfikację głównych czynników decydujących o efektywności rozpatrywanych procesów rafinacji stali. Model mieszania został zaimplementowany w strukturze modelu hybrydowego na podstawie teorii reaktorów elementarnych, którą dostosowano do warunków rozpatrywanych procesów. Model termodynamiczny, uzupełniający podstawowe równania modelu mieszania, wykorzystano w celu wyznaczenia lokalnej równowagi pomiędzy graniczną warstwą metalu i żużla. Połączenie wymienionych modeli było możliwe dzięki pakietowi SimuSage, który został wykorzystany do stworzenia własnej aplikacji symulacyjnej ARGON. Opracowany program, bazujący na modelu hybrydowym, pozwala na przeprowadzenie symulacji procesu argonowania stali oraz procesu rafinacji w piecu kadziowym w czasie krótszym niż średni czas procesu rzeczywistego. Ważną cechą stworzonego modelu jest możliwość przeprowadzenia wirtualnych symulacji pozwalających na ocenę wpływu wybranych parametrów technologicznych na przebieg rozpatrywanych procesów rafinacji stali. W monografii przedstawiono między innymi wyniki wirtualnych symulacji, ukazujące wpływ początkowej zawartości tlenku żelaza w żużlu na efektywność końcowego odtleniania kąpieli metalowej glinem dla procesu argonowania stali w kadzi za pomocą lancy. W monografii zmieszczono również wyniki symulacji procesu odsiarczania kąpieli metalowej w piecu kadziowym, pokazujące wpływ dodatku tlenku wapnia na końcową zawartość siarki w kąpieli metalowej, jak również wpływ zawartości tlenu rozpuszczonego w kąpieli metalowej na efektywność usuwania siarki. W monografii przedstawiono wyniki weryfikacji modelu na podstawie danych zebranych w ramach wytopów badawczych, przeprowadzonych w ArcelorMittal Oddział Kraków oraz CMC Zawiercie. Dokładność prognozy modelu w zakresie skład chemicznego kąpieli metalowej jest zadawalająca, co pośrednio świadczy o poprawności sformułowanego w pracy modelu hybrydowego Uzyskane wyniki pozwalają stwierdzić, że opracowany program symulacyjny może być cennym narzędziem stosowanym przy wspomaganiu sterowaniem wybranych procesów rafinacji pozapiecowej stali. This monograph presents the concept of a new mathematical model which was elaborated to simulate the process of argon blowing through lance and steel refining in ladle furnace. By combining two different models describing main phenomena affecting the steel refining process, a new universal hybrid model was developed which takes into account both the process of mixing of metal in the ladle as well as the thermodynamic description of the reaction occurring in the system. Numerical connection of mixing processes and thermodynamic model allowed the identification of the main factors determining the efficiency of the analyzed steel refining processes. Mixing model has been implemented in the structure of the hybrid model based on the theory of elementary reactors, which is adapted to conditions of the analyzed processes. Thermodynamic model, supplementing the basic equations of the mixing model, was used to determine the local equilibrium boundary layer between the metal and slag. The combination of these models was made possible by SimuSage software, which was used to create application named ARGON. Developed program ARGON is based on the hybrid model and allows the simulation of the argon blowing process through the top lance and the process of steel refining in ladle furnace in less than the average time of real processes. An important feature of the hybrid model is the function of virtual simulations which can be used to assess the influence of selected technological parameters on the course of refining steel processes. The paper presents the results of virtual simulations showing the effect of the initial iron oxide content in the slag on the effectiveness of the final deoxidation process of steel by aluminum. It also presents the simulation results of desulfurization of steel in ladle furnace showing the influence of CaO addition on the final sulfur content in steel and the effect of dissolved oxygen content in the metal bath on the efficiency of sulfur removal process. The results of model verification based on data gathered from the research heats conducted in Krakow Branch of ArcelorMittal and CMC Zawiercie were presented. The accuracy of model predictions of the final chemical composition of the metal bath is satisfactory, which indirectly confirms correctness of the hybrid model formulated in the work. The obtained results allow to conclude that the developed simulation program can be a valuable tool to help control some steel refining processes.