Главная страница
Навигация по странице:

  • КУРСОВАЯ РАБОТА

    		•

    Работа. Антон работа по Столярову. Курсовая работа по дисциплине Моделирование и оптимизация технологических процессов на тему Математическое моделирование процесса окисления марганца в кислородноконвертерной плавке


    Скачать 75.09 Kb.
    НазваниеКурсовая работа по дисциплине Моделирование и оптимизация технологических процессов на тему Математическое моделирование процесса окисления марганца в кислородноконвертерной плавке
    АнкорРабота
    Дата19.01.2023
    Размер75.09 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаАнтон работа по Столярову.docx
    ТипКурсовая
    #894240

    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 5

    1 Математическое описание моделируемого процесса 7

    2 Алгоритм расчета 9

    3 Исходные данные 9

    4 Результаты расчета 10

    4.1 Результаты моделирования 10

    4.2 Результаты оптимизации 12

    5 Анализ полученных результатов 14

    Заключение 16

    Список использованных источников 17


    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 Мn2О3, 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 LMn 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 %; LMn = 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


    По полученным данными были построены графические зависимости остаточного содержание фосфора в металле от содержания марганца в чугуне и основности шлака, которые представлены на рисунках 4.1 и 4.2.


    Рисунок 4.1 – Зависимость остаточного содержания марганца в металле от

    основности шлака и содержания марганца в чугуне (Mnч)



    Рисунок 4.2 – Зависимость остаточного содержания марганца в металле от

    содержания марганца в чугуне и основности шлака (В)

    4.2 Результаты оптимизации


    Для определения оптимальных условий получения остаточного содержания марганца в металле в электронных таблицах Excel, необходимо использовать целевую ячейку.

    В Excel «поиск решений» для оптимизации технологического процесса была выбрана целевая ячейка, где указано минимальное значение остаточного содержания марганца в металле (0,07%). Для изменения целевой функции назначают ячейки, в которых изменяется основать шлака и содержание марганца в чугуне, что позволит найти оптимальное решение. Путем изменения содержания марганца в чугуне определили зависимость содержания марганца в чугуне от основности шлака, при остаточном содержании марганца в металле не менее 0,07%.

    После того, как все необходимые данные, система уравнений модели и целевая функция записаны, форма полностью подготовлена к расчету. Выполняем поиск «Найти решений», остаточное содержание марганца в металле равное значению 0,07%. Изменив параметры поиска решений для каждого содержания марганца в чугуне, определятся оптимальное значение основности шлака.

    Выполнив поиск для каждого содержания марганца в чугуне, получим оптимальные значения основности шлака. Полученные результаты сведены в таблицу 4.2.

    Таблица 4.2 – Оптимальные условия для получения остаточного содержания марганца в металле не менее 0,07 %

    Содержание марганца в чугуне, %
    0,2
    0,25
    0,3
    0,35
    0,4

    Основность шлака
    2,31
    2,87
    3,43
    3,99
    4,55


    Для получения остаточного содержания марганца в металле не менее 0,07 % необходимо, чтобы для каждого содержания марганца в чугуне основность шлака была меньше или равно расчетному значению. По полученным данным был построен график оптимальных условий для получения остаточного содержания марганца в металле не менее 0,07 % в кислородном конвертере представлено на рисунке 4.3.


    Рисунок 4.3 – Зависимость максимальной основности шлака от содержания

    марганца в чугуне для получения остаточного содержания

    марганца в металле не менее 0,07 %

    5 Анализ полученных результатов


    Из рисунка 4.1 видно, что при увеличении основности шлака остаточное содержание марганца в металле уменьшается.

    Для выяснения величины изменения остаточного количества марганца в металле ∆[Mn]ост при увеличении основности и выяснения характера зависимости, произведены пошаговые вычисления изменения остаточного марганца в металле при содержании марганца в чугуне 0,2 – 0,4 %:

    ∆[Mn]ост = 0,058 – 0,056 = 0,002% при В = 3,1…3,2;

    ∆[Mn]ост = 0,056 – 0,055 = 0,001% при В = 3,2…3,3;

    ∆[Mn]ост = 0,055 – 0,054 = 0,001% при В = 3,3…3,4;

    ∆[Mn]ост = 0,054 – 0,053 = 0,001% при В = 3,4…3,5.

    Расчеты показали, что зависимость имеет криволинейно убывающий характер, так как величина изменения остаточного содержания марганца в металле в каждом последующем случае уменьшается.

    Проанализировав зависимость остаточного содержания марганца в металле от разного содержания марганца чугуна при основности 3,1 из рисунка 4.2 видно, что при изменении содержания марганца в чугуне 0,2…0,4% с шагом 0,5% остаточное содержание марганца увеличивается с 0,058 до 0,093 % постоянно на 0,035 %, т.е. зависимость остаточного содержания марганца в металле от содержания марганца в чугуне при постоянном расходе жидкого чугуна в металле прямолинейная.

    При рассмотрении рисунка 4.1 слева направо линии располагаются в виде сужающего пучка. В сторону увеличении основности шлака видно, что при содержании марганца чугуна 0,2% и увеличения основности с 3,1 до 3,5 с шагом 0,1%, остаточное содержание марганца в металле уменьшается с 0,058 до 0,053 %, изменение составит 0,005%, а при 0,4 – 0,008 %. Следовательно, при увеличении основности шлака влияние содержания марганца чугуна на остаточное содержание марганца в металле уменьшается.

    При рассмотрении рисунка 4.2 слева направо линии располагаются в виде расходящегося пучка. При основности шлака 3,1 и увеличения содержания марганца с 0,2 до 0,4%, с шагом 0,5 %, остаточное содержание марганца в металле уменьшается с 0,058 до 0,053 %, постоянно на 0,005%. Следовательно, при увеличении содержания марганца в чугуне влияние основности шлака на остаточное содержание марганца в металле ослабевает.

    При основности 3,3 и изменении содержания марганца в чугуне с 0,2 до 0,4%, с шагом 0,5% остаточное содержание марганца в металле увеличилось на 0,34 %, а при содержании марганца в чугуне 0,3% и изменении основности с 3,1 до 3,5, с шагом 0,1 оно уменьшилось на 0,006, таким образом содержание марганца в чугуне оказывает большее влияние на остаточное содержание марганца в металле.

    Для получения минимального содержания марганца в металле 0,07% основность шлака при содержании марганца в чугуне 0,2%; 0,25%; 0,3%; 0,35%; 0,4% не должна превышать 2,31; 2,87; 3,43; 3,99; 4,55 соответственно.


    Заключение


    В работе проводилось математическое моделирование процесса окисления марганца в кислородно-конвертерной плавке. Установлено, что зависимость остаточного содержания марганца в металле от основности при постоянном содержании марганца в чугуне, имеет криволинейно возрастающий характер, а при постоянной основности шлака содержание марганца в чугуне влияет на остаточное содержание марганца в металле прямолинейно. Причем, изменение содержания марганца в чугуне оказывает большее влияние, чем изменение основности шлака.

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


    Список использованных источников


    1. Бигеев A. M., Бигеев В.А. Металлургия стали,- Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 544с.

    2. Воскобойников В. Г., Кудрин В. А., Якушев A. M. Общая металлургия. -М.: Металлургия, 1985. - 480с.

    3. Бигеев A. M. Математическое описание и расчеты сталеплавильных процессов. - М.: Металлургия, 1982. - 160с.

    4. Колесников Ю. А., Столяров A. M. Расчет плавки стали в конвертере с комбинированной подачей дутья / Методические указания для выполнения кур­совой работы по дисциплине "Производство стали" для студентов специальнос­ти 110100. – Магнитогорск, изд. МГТУ, 2000. – 36 с.

    написать администратору сайта