Модели металлургических процессов и систем
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Модели металлургических процессов и систем

02.08.2013 Смирнов А.Н.

20-23 мая 2013 г. в Хельсинки и Стокгольме состоялся 3-й международный симпозиум по современным методам компьютерного моделирования процессов затвердевания, литья и рафинирования ("The 3rd International Symposium on Cutting Edge of Computer Simulation of Solidification, Casting and Refining (CSSCR2013)"). Конференция была организована и проведена под патронажем Королевского технологического института (KTH), Стокгольм, Швеция и Aalto Университета, Хельсинки, Финляндия. Всего в конференции приняли участие более 120 ученых и исследователей из 21 страны мира. Наиболее многочисленные делегации были у Японии (24 чел.), КНР (18 чел.), Швеции (14 чел.) и Финляндии (10 чел.). Кроме представителей ряда стран ЕС в конференции приняли участие ученые их США, Канады, Бразилии, Южной Кореи, Австралии, Индии, Украины, России и пр. На конференции было представлено 50 голосовых и 50 стендовых докладов.

Основные секции, по которым проводилась конференция:

  • моделирование процессов литья (температурные поля, движение потоков, поведение неметаллических включений);
  • моделирование процессов затвердевания, макро- и микросегрегации, а также осевой ликвации;
  • методы моделирования процессов затвердевания (метод ячеек, метод фронтальных индикаций, метод Монте-Карло и пр.);
  • экспериментальные приемы и техника для моделирования;
  • моделирование процессов литья (микроструктура, карбидные включения).

В целом научная направленность конференции показала высокий уровень выполненных исследований. При этом большинство исследователей отдают свое предпочтение работе со стандартными прикладными пакетами, которые позволяют решать сложные теоретические и прикладные задачи. Между тем весьма важной проблемой, которая обсуждалась на конференции, является практика рационального выбора доминантных переменных в модели и разработка системных подходов, позволяющих отказаться от некоторых других переменных, которые загромождают модель. Собственно это подтвердило главный принцип моделирования – упрощение реально существующей задачи по сравнению с оригиналом и описание свойств модели, которые присущи моделируемому объекту. Таким образом, эффективность модели достигается в том случае, когда число переменных достаточно мало, что позволяет выделить основные параметры, влияющие на исследуемую систему.

С определенной степенью условности все представленные доклады можно разбить на несколько больших групп: доклады, направленные на описание физико-химических и термодинамических процессов, сопровождающих производство, разливку и затвердевания металла; доклады, направленные на моделирование и идентификацию факторов, влияющих на качество металла и его физико-механические свойства; доклады, посвященные разработке новых приемов и методов исследований; доклады, направленные на моделирование определенных технологических операций, что позволяет автоматизировать реальные технологические операции и агрегаты.

Применительно к процессам производства и разливки стали использование компьютерных технологий и продуктов в последние два десятилетия обеспечило существенный прогресс в части обеспечения повышения качества металлопродукции, а также ужесточения методов контроля соответствия продукции заданным техническим условиям. Это удается достигнуть как за счет совершенствования существующих технологий и оборудования, так и вследствие введения новых технологических операций и применения оборудования, которые в большей степени могут быть компьютеризированы. Это, прежде всего, касается процессов выплавки стали в конвертерах и дуговых печах, доводки стали в ковше и ее непрерывной разливки. Огромный прогресс достигнут также в теоретической сфере: химическая термодинамика материалов, фазовые превращения, развитие понимания кинетики и массопереноса, уточнение явлений теплопереноса и пр.

Большое внимание на конференции было уделено проблематике поведения неметаллических включений в жидкой стали и оценке возможностей различных технологических приемов рафинирования стали. Представленные доклады касались вопросов продувки и вакуумирования стали в ковше, поведения неметаллических включений в промежуточном ковше и кристаллизаторе МНЛЗ. Особое внимание в докладах было уделено явлениям, сопровождающим процессы технологических переливов стали из сталеразливочного ковша в промежуточный. Показано, что существенное загрязнение стали неметаллическими включениями может быть объяснено падением уровня металла в промежуточном ковше при замене сталеразливочного ковша. Падение уровня металла в промежуточном ковше приводит к трансформации движения конвективных потоков стали в жидкой ванне и может служить причиной захвата частиц шлака. Это было хорошо проиллюстрировано в ходе математического моделирования, представленного в нескольких докладах.

В отдельных докладах был подробно рассмотрен процесс подачи стали в кристаллизатор слябовой МНЛЗ через погружной стакан с боковыми выпускными отверстиями. С помощью математической и физической моделей показано, что весьма важным моментом с точки зрения загрязнения металла неметаллическими включениями может быть уровень заглубления погружного стакана и угол наклона его выходных отверстий. Установлено, что часть металла при выходе из погружного стакана направляется вверх и взаимодействует с жидким слоем шлакообразующей смеси, что может приводить к захвату частиц шлака потоками стали. Описание движения потоков стали в кристаллизаторе МНЛЗ (в том числе и при вдувании аргона через полость стопора) представляется возможным выполнить с помощью математического моделирования, что было хорошо проиллюстрировано в представленных на конференции докладах.

Наиболее сложным и дискуссионным вопросом в части моделирования процессов разливки стали является вопрос поведения неметаллических включений в жидкой ванне промежуточного ковша и кристаллизатора. Известно, что неметаллические включения могут иметь размеры от нескольких сотен до нескольких микрометров. Они являются как продуктами раскисления и вторичного окисления стали, так и результатом захвата частиц шлака и огнеупоров при перемешивании металла в ходе внепечной обработки и технологических переливов. Безусловно, именно крупные неметаллические включения оказывают наибольшее влияние на возникновения дефектов в готовой продукции. Однако их количество в стали не так уж велико (несколько сотен или тысяч на килограмм стали), что затрудняет их обнаружение в отобранных образцах. Мелкие включения имеют более высокую концентрацию (например, 105-107 штук на килограмм стали и более). Однако по распределению этих включений в отобранных образцах нельзя судить о характере распределения крупных включений, которые не всегда попадают в исследуемое поле. Проблематика моделирования поведения неметаллических включений в жидкой ванне промежуточного ковша также требует учета плотности неметаллических включений, их конфигурации и уровня их смачиваемости жидкой сталью. Постановка задачи и ее решение в виде модели на таком уровне пока не представляется возможным. Поэтому модели поведения неметаллических включений в макрообъемах жидкой стали носят в большей степени иллюстративный и познавательный характер. Получаемые результаты могут представлять лишь информативный аспект. Между тем повышение требований к качеству стали и металлопродукции по чистоте будет стимулировать развитие эффективных методик прогнозирования поведения неметаллических включений в жидкой ванне, что позволяет ожидать появление математических моделей с новыми методическими подходами в части описания поведения неметаллических включений в стали.

Не менее широко и многогранно на конференции рассматривались и обсуждались методы и приемы моделирования процессов затвердевания металла. Известно, что моделирование процессов затвердевания металла осуществляется достаточно широко, что позволяет расширить наши представления о феноменологии процессов, сопровождающих затвердевание. Докладчики представили модели, которые обеспечивают получение новых научных представлений как при росте одного или двух столбчатых кристаллов, так и при затвердевании объема металла в виде отливки, слитка или непрерывнолитой заготовки. Значительным развитием математических моделей затвердевания слитков и заготовок является создание комплексных моделей, описывающих процессы формирования осевой пористости и ликвации. При этом модели, описывающие макроликвацию, включают, как правило, в себя уравнения теплопереноса, уравнения, имитирующие затвердевание жидкой фазы (превращение жидкого металла в твердый), уравнения течения жидкого металла, а также уравнения растворения ликвирующих элементов. Важнейшим результатом, полученным при математическом моделировании, следует считать получение адекватных результатов в части формирования осевой пористости и мостов. По мнению авторов, образование пористости и мостов способствует формированию пятен осевой ликвации.

Особое внимание в ряде докладов было уделено развитию представлений о механизмах формирования осевой ликвации в непрерывнолитых слябах и блюмах. Рассматривая механизмы формирования осевой ликвации, докладчики предложили разделять ее на два основных типа – ленточную и точечную. При этом формирование ленточной ликвации хорошо проработано в теоретическом плане и имеет достаточно адекватное модельное представление. Более сложной проблемой представляется описание процесса точечной ликвации, который носит в определенной степени вероятностный характер. В предложенной модели образование точечной модели связывается с особенностями наращивания твердой фазы, в том числе появлением участков твердой фазы, которые затем становятся так называемыми «мостами». В таком случае часть жидкой фазы, находящейся в этой области, может просачиваться в объемы, изолированные «мостами» и вызывать появление точечной положительной ликвации. Данные, полученные на математической модели, в целом хорошо согласуются с практическими результатами исследования развития ликвации в непрерывнолитой заготовке. Более того эффект подавления точечной ликвации удалось достигнуть при «мягком» обжатии заготовки, что подтверждает эффективность разработанной модели.

В целом работа конференции показала, что интерес исследователей к проблематике математического моделирования процессов и явлений в металлургии возрастает. В сферу моделирования вовлекаются все новые объекты. Благодаря тому, что программные продукты обеспечивают все более широкое развитие моделей, наблюдается стремление исследователей к созданию комплексных моделей, учитывающих взаимное влияние наиболее важных физико-химических и технологических сторон процессов, что представляется невозможным для методов физического моделирования. Вместе с тем следует ожидать, что развитие математических моделей будет не только способствовать развитию более глубокого понимания процессов в исследуемой области, но и позволит совершенствовать системы автоматизации и роботизации в металлургии. В дальнейшем комплексные математические модели позволят создавать новые технологические системы, которые будут применимы в промышленности вследствие достижения более высокого уровня качества металлопродукции при заметном снижении энергозатрат и уменьшении расхода невосстанавливаемых ресурсов.

Источник: Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков