Как показали многочисленные расчеты, неидеальность фаз не является определяющим фактором, поскольку изменение способа расчета активности компонентов только незначительно сдвигает равновесное состояние, не изменяя общего хода кривых. Аналогичная ситуация и с величинами констант равновесия - их изменение влияет только на равновесный состав и не изменяет принципиально вид зависимостей. Кроме того, результаты численного анализа показывают, что наибольшее влияние на поведение системы оказывает меньшая величина из скоростей перемешивания фаз, а увеличение большей скорости сверх определенного предела практически не влияет на ход кривых.
Практическая ценность учета подобного поведения примесей может быть весьма существенной. Например, если в момент максимального содержания марганца в металле произвести отлив шлака из ковша, то можно существенно повысить усвоение марганца из ферросплавов.
Аналогичным образом может быть учтен массоперенос при вычислении распределения температуры по глубине ванны. Аналитическое решение при постоянных скоростях перемешивания и нагрева металла дает для перегрева поверхности ванны над температурой металла на подине зависимости вида:
где - параметры, определяемые из геометрии ванны и интенсивности перемешивания.
Например, расчетом получено, что в условиях дуговой сталеплавильной печи ДСП-100 перегрев может достигать и более (в зависимости от условий), что подтверждается экспериментами.
Важный элемент предлагаемой модели - учет гидродинамики сталеплавильной ванны, а именно, расчет интенсивности перемешивания (т.е. скоростей потоков металла и шлака). С нашей точки зрения этот расчет должен основываться на уравнении изменения кинетической энергии металла [4]:
где - время, с; - скорость потоков металла, м/c; - масса металла, кг; , - мощность сил трения и перемешивающих сил (пузыри оксидов углерода; струя вдуваемого кислорода, инертный газ, вдуваемый через донные фурмы и т.д.), Вт.
Такой расчет позволил численно предсказать наблюдаемые особенности протекания процесса пульсирующего окисления углерода при кипении сталеплавильной ванны [4].
Рассмотренный подход позволяет провести декомпозицию протекающих в ванне процессов и описать изменение химического состава металла и шлака практически в любом металлургическом агрегате (ДСП, конвертер, сталеразливочный ковш, установка «печь-ковш», вакууматор, промежуточный ковш и т.д.).
На основе разработанной модели построена компьютерная система моделирования «АСУТП- ОРАКУЛ» для автоматического проектирования и управления технологическими процессами выплавки и внепечной обработки стали [11]. Система реализована на Молдавском (г. Рыбница) и Белорусском (г. Жлобин) металлургических заводах, прошла промышленное опробование, внедрена и дала существенный экономический эффект, выражающийся в стабилизации режима, снижении продолжительности плавки, расхода электроэнергии и металлолома на тонну годного.
Таким образом, проведенные расчеты траектории перехода системы в равновесное состояние показывают принципиальную возможность временного изменения содержания элементов в сторону, противоположную конечному равновесному состоянию под действием потока другого элемента, что можно назвать взаимодействием потоков. Предложенная модель позволяет адекватно описать изменение химического состава металла и шлака в металлургических агрегатах и построить эффективные автоматизированные системы управления технологическими процессами.
Библиографический список
1. Меджибожский М.Я. Основы термодинамики и кинетики сталеплавильных процессов. Киев; Донецк: Вища школа, 1986.- 280 с.
2. Развитие теории и математической модели кислородно-конвертерной плавки. Капустин Е.А., Сущенко А.В. Вопросы теории и практики сталеплавильного производства: Науч. тр. /ММИ.- М.: Металлургия, 1991.- С. 57-73.
3. Математическое моделирование влияния процессов массообмена на критическую концентрацию углерода при его окислении в сталеплавильной ванне. Яковлев Ю.Н., Величко А.Г., Камкина Л.В. Тепло- и массообменные процессы в металлургических системах. Материалы VI Международной научно-технической конференции. Мариуполь, ПГТУ, 2000. С. 41-44.
4. Термодинамика и кинетика взаимодействия фаз при внепечной обработке. Храпко С.А. Металлургическая и горнорудная промышленность, 2002.- ¦10, С. 121-123.
5. Кожеуров В.А. Термодинамика металлургических шлаков.- Свердловск: Металлургиздат, 1955.- 164 с.
6. Михайлов Г.Г. Термодинамические принципы оптимизации процессов раскисления стали и модифицирования неметаллических включений. Дисс. докт. техн. наук. Москва, 1987.
7. Корректное использование параметров Вагнера при описании металлических растворов в широкой области составов. Храпко С.А., Пономаренко А.Г. Изв. вузов. Черная металлургия,1991.- ¦ 12.- С. 49-52.
8. Григорян В.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов.- М.: Металлургия, 1987. - 272 с.
9. Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов: Пер. с англ.- М.: Металлургия, 1969.; 252 с.
10. Храпко С.А. Термодинамическая модель системы металл-шлак для АСУ и машинных экспериментов по оптимизации технологии сталеплавильного процесса. Дисс. канд. техн. наук. Донецк, 1990.
11. О построении автоматизированных систем управления технологическими процессами в металлургии. Старосоцкий А.В., Храпко С.А., Скрябин В.Г., Самборский М.В. Автоматизация в промышленности, 2003.- ¦6, С .32-35.