Троянський Олександр Анатолійович. Розвиток наукових і технологічних основ керування якістю електродугового й електрошлакового металу

Короткий опис

Троянський Олександр Анатолійович. Розвиток наукових і технологічних основ керування якістю електродугового й електрошлакового металу : Дис... д-ра наук: 05.16.02 2008

Троянський О. А.. «Розвиток наукових і технологічних основ керування якістю електродугового й електрошлакового металу». Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук по спеціальності 05.16.02 «Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів» Інститут електрозварювання ім. Е. О. Патона НАН України, м. Київ, 2008 р.
Дисертація присвячена розвитку наукових і технгологічних основ керування якістю металу на базі створення засобів і систем управління процесами виплавки стали в електропечах, розробки технології відливання плит і листових злитків із заданою структурою, теоретичних досліджень в області масопереносу і методів інтенсифікації рафінуючих процесів з метою отримання високоякісного металу.
Розроблена система моніторингу стану технологічного процесу за інформацією про форму сигналу миттєвої напруги дуги, отриманої за допомогою вейвлет-анализа і нейромережної обробки.
Кількісно оцінені і враховані в блоках динамічної АСУ ТП статті теплового балансу надпотужної ДСП.
Встановлені основні закономірності отримання горизонтальних злитків з металу відкритої виплавки і методом ЕШП. Дани рекомендації по управлінню їх якістю і організації промислового виробництва. Встановлено позитивний вплив механічних горизонтальних віброколивань в діапазоні 78-123 Гц на подрібнення грубої дендритної структури відливок. Показано високий рівень механічних властивостей металу горизонтальних злитків як в литому, так і деформованому станах. За допомогою фізичного моделювання встановлено явище розриву плівки електродного металу при ЕШП ще до стадії утворення краплі і швидкого її підйому по торцю електроду, що приводить до інтенсивного перемішування рідини.
Аналітичним шляхом з використанням моделі Хигбі отримані рівняння для коефіцієнтів массопередачи компонентів в системі «метал-шлак», а також розроблена методика і отримані рівняння для визначення ефективної енергії активації физико-хімічного процесу, що протікає в дифузійному режимі в двофазних системах.
Встановлено явище «самовібрації» електроду, що витрачається, при ЕШП під флюсами системив діапазоні вмісту металевого кальцію від 1-10%.
Показані нові можливості електрошлакового переплаву в печах камерного типу для утилізації відходів титанового виробництва.
Представлені в дисертації розробки апробовані в лабораторних і промислових умовах, а частина з них, що стосується систем оперативного управління, моніторингу технологічного процесу і адаптивних систем управління електричним режимом ДСП, упроваджені.

У результаті проведеного комплексу досліджень актуальної науково-практичної проблеми, пов’язаної із розвитком наукових і технологічних основ керування якістю металу, що полягає у встановленні залежностей значень непрямих параметрів електричного режиму від характеру технологічних подій у робочому просторі електрометалургійних агрегатів і створенні на їх основі системи моніторингу й керування технологічним процесом, а також в аналітичних рішеннях, які дозволили розробити методи керування якістю рафінування та кристалізацією, вирішено важливе народно-господарче завдання підвищення ефективності виробництва електродугового й електрошлакового металу.

Розроблені основні принципи динамічної моделі сталеплавильного процесу в ДСП, що дозволили реалізувати оперативне керування плавкою шляхом автоматичної (з інтервалом 5-15 с) корекції заданого режиму. Ефективність такої системи керування підтверджена в промислових умовах Білоруського і Молдавського металургійних заводів.
У роботі запропоновано та реалізовано схему одержання непрямих параметрів про стан дугового розряду (сигнал про миттєву напругу дуги, постійна складова напруги дуги) й алгоритм їх цифрової обробки за допомогою перетворень Фур’є, вейвлет-аналізу, штучних нейронних мереж, що дозволило отримати образи сигналів, які характеризують динаміку розвитку технологічних подій у ДСП.
На базі розроблених алгоритмів обробки та класифікації сигналу про стан процесу в печі й пакета прикладних програм створено систему моніторингу технологічного процесу в ДСП, включену модулем до системи оперативного керування електроплавкою. Заводські випробування системи моніторингу ходу технологічного процесу за параметрами дугового розряду показали її ефективність у визначенні глобальних і швидкозмінних подій у печі (закінчення розплавки, момент підвалювання, «схід» шлаку, відкриття дуг і т. п.), що дозволяє істотно підвищити ефективність керування надпотужними ДСП.
Кількісно оцінені та враховані у відповідних блоках динамічної АСК ТП статті теплового балансу надпотужної ДСП, пов’язані з просмоктуванням атмосферного повітря й випаровуванням металу в області горіння електричних дуг. Шляхом обробки великих масивів промислових електроплавок показано, що при збільшенні витрат повітря від 100 до 170 тис. м3/год втрати електроенергії знижуються в середньому на 20 кВтгод на плавку за рахунок допалювання СО й окислення парів заліза в робочому просторі печі.
На основі встановлених за допомогою математичного моделювання закономірностей формування горизонтальних злитків розроблено параметри оснащення й порядок утеплення дзеркала металу, які забезпечують переважно однонаправлену кристалізацію. Розрахунковим шляхом і експериментами показано, що вертикальну направленість структури виливок масою 18 т забезпечує вогнетривке утеплення виливниці та зниження коефіцієнта тепловіддачі із дзеркала металу до рівня 5 Вт/(м2К) за рахунок двошарового утеплення головної частини злитків.
Експериментальними дослідженнями показано позитивний вплив механічних горизонтальних віброколивань із частотою 78-123 Гц на подрібнення грубою дендритною структурою горизонтальних злитків.
Показані можливості електрошлакового переплаву в одержанні гомогенних і гетерогенних горизонтальних злитків із високим рівнем чистоти й механічних властивостей. Дослідженнями з виплавки та термообробки встановлено, що гомогенизувальний відпал позитивно впливає на усунення хімічної та структурної мікронеоднорідності гомогенних і тришарових горизонтальних злитків із високоміцної хромонікельмолібденової сталі, підвищує рівень механічних властивостей та тріщиностійкість литого металу.
Розроблені рекомендації щодо технології відливки й термообробки горизонтальних злитків з металу відкритої виплавки та ЕШП запропоновані для використання у промисловому виробництві литих плит і широкоформатного товстого листа спеціального призначення.
Методом фізичного моделювання встановлено особливості механізму крапельного переносу при ЕШП, який полягає в тому, що при оплавленні витраченого електрода ще до моменту формування краплі відбувається розрив плівки електродного металу та швидкий підйом частини її вгору поверхнею електрода, що призводить до інтенсивного перемішування рідини у плівці. Показано, що тривалість формування металевої плівки на торці сталевого електрода і власне зародження й відриву краплі складає відповідно 80% і 20 % від часу загального циклу краплеутворення.
Вперше аналітичним шляхом із використанням дифузійної моделі оновлення Хігбі отримані рівняння для визначення коефіцієнтів масопередачі компонентів у системі «плівка електродного металу-шлак», знайдено залежність інтенсивності масопередачі від швидкості оплавлення електрода, визначено частку окремих стадій у загальному рафінувальному процесі та подано рекомендації щодо їх прискорення.
На базі теоретичних досліджень розроблено методику й отримано рівняння для визначення ефективної енергії активації фізико-хімічного процесу, який протікає в дифузійному режимі у двофазних системах, що дозволяє уточнювати механізм протікання рафінувальних процесів, визначати лімітувальні стадії та розробляти науково обґрунтовані заходи для їх прискорення.
На підставі вивчення характеру оплавлення витратних електродів малого перетину в шлаках різної електропровідності встановлено явище «самовібрації» при ЕШП під флюсами системи, яке призводить до інтенсифікації масообмінних процесів, що підтверджено дослідженнями якості сталі 03Х16Н15МЗ КЕШП.
Експериментальним шляхом встановлено залежність гармонійного складу струму переплаву від вмісту металевого кальцію в шлаках системи. Модернізовано інформаційно-вимірювальну систему процесу КЕШП, що дозволяє використовувати гармонійний склад струму як непрямий інформаційний параметр у системах автоматичного керування камерною електрошлаковою плавкою для контролю й коригування вмісту металевого кальцію протягом всього процесу переплаву.
Показано можливість використання камерного електрошлакового переплаву як для отримання злитків із титанової губки, так і для утилізації відходів титанового виробництва (стружки та обрізі титанових труб). На Констянтинівському заводі металургійного устаткування (КЗМУ) на базі установки Р-951У створено дільницю електрошлакової виплавки злитків із різних металів і сплавів, включаючи титанові.
Розроблено систему моніторингу технологічного процесу виплавки сталі, включену як модуль автоматизованих систем керування ОРАКУЛ і ГІББСR, у період з 1999 по 2007 рр. було впроваджено на: АСК ТП ДСП-1, АСК ТП ДСП-2 і АСК ТП дільниці позапічної обробки Білоруського металургійного заводу, а також АСК ТП ДСП-1 і АСК ТП дільниці позапічної обробки заводу «Амурметал».