Файл: Курсовая работа по дисциплине Моделирование и оптимизация технологических процессов на тему Математическое моделирование процесса окисления марганца в кислородноконвертерной плавке.docx

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И. Носова»


Кафедра металлургии и химических технологий
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине

«Моделирование и оптимизация технологических процессов»

на тему

«Математическое моделирование процесса окисления марганца в кислородно-конвертерной плавке»
Исполнитель: Волков А.М., обучающийся 2 курса, гр Ммткм-21

Руководитель: Столяров А. М. профессор каф., д.т.н. профессор

Работа допущена к защите «___» _____________ 2023 ___________________

Работа защищена «____» ___________ 2023 с оценкой _________ _________

Магнитогорск 2023

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И. Носова»
Кафедра металлургии и химических технологий


ЗАДАНИЕ
обучающемуся гр. Ммткм-21 Волкову А.М.

на выполнение курсовой работы по дисциплине

«Моделирование и оптимизация технологических процессов»


Тема курсовой работы:

Математическое моделирование процесса окисления марганца в кислородно-конвертерной плавке. Смоделировать зависимость остаточного содержания марганца в металле перед выпуском из конвертера вместимостью 370 т от содержания марганца в жидком чугуне и основности шлака. Определить оптимальные условия для получения остаточного содержания марганца в металле не менее 0,07 %.


Содержание работы:

- введение;

- математическое описание моделируемого процесса;

- алгоритм расчета;

- исходные данные;

- результаты расчета;

- анализ полученных результатов;

- заключение.

Руководитель работы: проф., д.т.н. А.М. Столяров

Аннотация

В данной работе проведено математическое моделирование процесса окисления марганца в кислородно-конвертерной плавке. Смоделирована зависимость остаточного содержания марганца в металле перед выпуском из конвертера вместимостью 370 т от содержания марганца в жидком чугуне и основности шлака. Расход чугуна составляет 80 % от массы металлической шихты.

---

Определены оптимальные условия для получения остаточного содержания марганца в металле не менее 0,07 %.

Содержание

Введение

Марганец по своим свойствам близок к железу, в железе он растворяется в любых соотношениях.

Марганец как раскислитель в количестве 0,25…0,50 % содержится в кипящей, полуспокойной и спокойной углеродистой стали почти всех марок, причем в кипящей стали марганец обычно является единственным раскислителем. Раскислительная способность марганца относительно невысока, но обычно бывает достаточной для раскисления кипящей стали.

Марганец как легирующий элемент является одним из самых дешевых и наиболее распространенных, поскольку в мире имеются значительные запасы марганцевых руд и относительно просто извлечение из них марганца.

Марганец - элемент, легко окисляющийся, особенно при сравнительно невысоких температурах; при этом могут образоваться следующие оксиды: МnO₂, Мn₂О₃. Мn₃O₄, МnО. Основная часть находящегося в шихте марганца поступает с чугуном. Определенное количество марганца может содержаться и в стальном ломе, загружаемом вместе с чугуном в сталеплавильные агрегаты. В зависимости от содержания марганца в чугуне и ломе и их соотношения содержание марганца в исходной шихте изменяется в широких пределах: от 0,3…0,35 до 1,0…1,5% и более. В сталеплавильной ванне марганец в основном окисляется до MnO. Одновременно образуется и некоторое количество Мn₂О_3, но это практического значения не имеет, поэтому в сталеплавильных процессах достаточно рассмотрение реакции образования MnO.

---

Окисление марганца в период окислительного рафинирования протекает по реакции [Mn] + (FeO) = (MnO) +(Fe). Характерно, что при раскислении металла только марганцем, как правильно, MnO выделяется в виде сплава MnO-FeO. Все эти реакции хорошо изучены. Константа равновесия – основная термодинамическая характеристика первой реакции – хорошо изучены в лабораторных и производственных условиях. Согласно этим исследованиям, константа равновесия, выраженная отношением массовых концентраций компонентов очень сильно зависит от основности шлака. Однако это отношение для кислых (а_(SiO2) - 1) и высокоосновных (B>2,5) шлаков главным образом зависит от температуры, т. е. оно в первом приближении может быть использовано в качестве выражения для константы равновесия при рассмотрении реакции окисления марганца как в кислых, так и в основных сталеплавильных процессах, по крайней мере, применительно к концу процесса, когда формируются шлаки.

Содержание марганца в металле по ходу плавки изменяется, подчиняясь следующим общим закономерностям.

В периоды плавки, когда реакция окисления марганца не находится в состоянии равновесия, а протекает в сторону образования оксида, содержание марганца в металле только уменьшается, но с разной скоростью в зависимости от конкретных условий – интенсивности поступления кислорода в ванну, концентрации марганца и других окисляющихся примесей в металле, температуры, содержания оксидов железа в шлаке и т.п.

После достижения равновесия содержания марганца в металле по ходу процесса может оставаться неизменным при постоянстве внешних условий или изменяться в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от характера изменения внешних условий – температуры, окисленности ванны, количества шлака.

В конце плавки температура ванны повышается, а количество шлака увеличивается незначительно, поэтому в случаях незначительного изменения содержания FeO в шлаке концетрация марганца в металле в конце плавки повышается.

Целью работы является моделирование остаточного содержания марганца в металле.

1 Математическое описание моделируемого процесса

Необходимо определить остаточное содержание марганца в металле перед выпуском из конвертера в зависимости от содержания марганца в жидком чугуне и основности шлака в условиях ПАО «ММК».

Для решения поставленной задачи необходимо определить, сколько марганца содержится в металлошихте и основность шлака.

---

В зависимости от содержания марганца в чугуне и ломе и их соотношения содержание марганца в исходной шихте изменяется в широких пределах: от 0,3-0,5 до 1,0-1,5% [1]. Мы будем изменять содержание марганца в чугуне в ходе моделирования в пределах: 0,4-1,2%.

Остаточное содержание марганца в металле можно определить из выражения [1]:

, (1)

где - количество марганца в исходной шихте, %;

- выход жидкого металла, %;

- коэффициент распределения марганца между металлом и шлаком;

- количество шлака, %.

Содержание марганца в металлошихте ( ) определяется по формуле:
, (2)

где , – содержание марганца в чугуне и ломе соответственно, %;

, – расход чугуна и лома соответственно, %.

Количество шлака определяется по формуле:
, (3)

где В – основность шлака;

, - содержание кремния в ломе и чугуне соответственно, %;

- количество кремнезема, поступающего в шлак из всех источников, кроме металлической шихты, %.

Коэффициент распределения L_Mn может изменяться в широких пределах при изменении температуры и содержания FeO в шлаке: от 10 до 60, для расчета используем значение, лежащее в середине интервала 35. Количество кремнезема

---

и основность шлака для одношлаковых процессов составляет 0,5…1,0 кг и 2,5…3,0 соответственно [1].

2 Алгоритм расчета

Для решения поставленной задачи необходимо выполнить следующие операции:

- определяем интервалы расхода жидкого чугуна и содержание FeO в шлаке;

- рассчитываем (принимаем) коэффициент распределения марганца между шлаком и металлом;

- принимаем содержание марганца в чугуне и ломе;

- принимаем выход металла;

- выбираем количество кремния в чугуне и ломе, а также количество поступающего кремнезема;

- рассчитываем остаточное содержание марганца в металле по формуле (1);

* для других значений основности шлака и содержания марганца в чугуне снова выполняем все операции.

3 Исходные данные

Для расчета приняты следующие данные: = 80 %; = 20 %;
= 0,2 - 0,4 %; = 0,5 %; L_Mn = 45; В = 3,1…3,5; = 1 кг/100(%); = 90 %; = 0,25 %; = 0,6 %.

4 Результаты расчета

По приведенным выше алгоритму и исходным данным в электронных таблицах Excel проведен расчет остаточного содержания марганца в металле.

4.1 Результаты моделирования

Результаты расчета представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Зависимость остаточного содержания марганца в металле (%) от основности шлака и содержания марганца в чугуне

B	Основность шлака
	0,20	0,25	0,30	0,35	0,40
3,1	0,058	0,066	0,075	0,084	0,093
3,2	0,056	0,065	0,074	0,082	0,091
3,3	0,055	0,064	0,072	0,081	0,089
3,4	0,054	0,062	0,071	0,079	0,087
3,5	0,053	0,061	0,069	0,077	0,085

---