RAZVOJ ALGORITMA ZA SELEKCIJU ADEKVATNOG MODELA PROCESA
Praktični primeri M1 pristupa modelovanju
Samo istraživanje je sprovedeno kao deo prijekta “Project of Reconstruction and Modernization
of Cast house and Slag Granulation at Blast Furnace No.4 at Mittal Steel, Zenica – Cast house
reconstruction“, koji je finansiran od strane kompanije Mittal Steel, Zenica (Bosna i
Hercegovina). Projekat se odnosio na izgradnju i rekonstrukciju linije za livenje čeličnih ingota
uz prethodnu vakuum degazaciju, sa ciljem dobijanja čelika visokog kvaliteta koji se može
svrstati u kategoriju materijala naprednih karakteristika.
Cilj istraživanja, koje je rezultovalo razvojem numeričkog modela, bio je određivanje optimalnih
uslova procesa vakuum degazacije čelika, kao prethodne faze operaciji livenja ingota. Prema
tome, razvijena je jednačina matematičkog modela transfera toplote i mase u procesu vanpećne
degazacije rastopa metala uz uduvavanje inertnog gasa. Na osnovu rezultata numeričkog modela,
bilo je moguće izračunati potrebno vreme za uklanjanje vodonika iz rastopljenog čelika u
različitim uslovima odvijanja procesa i na osnovu toga dizajnirati potrebnu opremu. Naime,
obzirom da se proces odvija u rastopu čelika, vreme degazacije je od suštinskog značaja jer usled
predugog trajanja može doći do neželjenog hlađenja rastopa.
Inače, sam proces degazacije čelika se odvija smeštanjem lonca sa rastopom u vakuum komoru
sa niskim pritiskom, koja je hermetički zatvorena i spojena sa pumpnim sistemom. Vakuum
pospešuje izdvajanje rastvorenih gasova iz rastopa. Ova procedura se primenjuje kod
proizvodnje niskougljeničnih, mikro legiranih, vatrostalnih i drugih klasa čelika sa naprednim
karakteristikama. Uklanjanje gasova može se pospešiti uvođenjem inertnog gasa, najčešće
argona, u rastop čelika. Argon, koji se uvodi kroz otvor na dnu lonca, na svom putu ka površini
rastopa sa sobom odnosi deo rastvorenih neželjenih gasova. Kada se određeni podpritisak ostvari
u sistemu, rastop počinje da „ključa“. Ovo označava početak degazacije. Ukoliko se ne
primenjuje argon, već samo vakuum, degazacija uključuje samo površinske slojeve rastopa u
loncu (otprilike 1.2 m dubine) (Gilchrist, 1989; Gojić, 2006).
Kako je već rečeno u prethodnom poglavlju, za primenu M1 načina modelovanja, potrebno je
poznavati fizički zakon kojem se razmatrani sistem pokorava. U ovom slučaju u pitanju je bio
dobro poznati zakon fizičke hemije: Sieverts – ov zakon (1929), koji daje osnovu za predikciju
rastvorljivosti gasova u metalu. Takođe, za konstrukciju jednačine modela, potrebno je
poznavanje termodinamike rastopa čelika kao i dinamiku fluida - brzine mehurova gasa u
rastopu (Batchelor, 1967), koji se ponašaju prema Stokes-ovom zakonu (Stokes, George Gabriel,
A Cambridge Alumni Database).
Postupak degazacije primenom vakuuma i uduvavanja inertnog gasa odvija se tako što sniženjem
pritiska iznad rastopa, primenom vakuuma, dolazi do smanjenja i parcijalnog pritiska koji dovodi
do izdvajanja rastvorenog vodonika u rastopu. Takođe, degazacija se odvija i nukleacijom i
transferom mase unutar mehurova argona dispergovanih u rastopu. Polazni parametri
tehnološkog procesa, definisani od strane naručioca projekta, značajni za modelovanje samog
sistema bili su:
Sadržaj ugljenika u čeliku C ……………………………….…………….. 0.47 maseni%
Sadržaj sumpora u čeliku S …………………………….…….….………. 0.020 maseni%
Sadržaj fosfora u čeliku P …………………………………..…………… 0.012 maseni%
Polazni sadržaj vodonika u čeliku ……………………….…..…….…….. 7 ppm
Konačna koncentracija vodonika u čeliku …………………..……….….. 1 ppm
Kapacitet livnog lonca ……………………………………..…...….….…. 110 t
Temperatura na početku degazacije ………………………….………..…. 1670 OC
Temperatura na kraju degazacije …………….…..………………………. 1630 OC
Prvi nivo vakuumiranja ………………….……………………………..…. 250 mbar
Najviši nivo vakuuma ……………………..……………….……………… 1 mbar
https://m.imgur.com/cVqzqDX
Matematički model, koji je trebalo razviti se odnosi na slučaj kontinualnog uduvavanja argona u
rastop, kroz porozne elemente na dnu posude, što daje najbolje rezultate u nukleatskom protoku
inertnog gasa u rastopu. Osnovne pretpostavke (ograničenja) koja je trebalo uzeti u obzir pre
definisanja matematičkog modela transfera mase u vanpećnoj degazaciji rastopa metala su
(Zakharov, 2005):
(a) Usled efekta mešanja mehurova gasa, koncentracija uklonjenog gasa je homogena u celoj
zapremini metala (osim za slojeve na difuzionoj granici na površini gas-metal, koji ne
učestvuju u mešanju);
(b) Temperature metala se posmatra konstantnom po čitavoj zapremini u datom momentu
vremena;
(c) Na kontaktnoj površini gas-metal postignuta je termodinamička ravnoteža;
(d) Mešanje gasova u mehurovima argona je idealno;
(e) Uduvavanje argona u rastop se koristi da intenzivira agitaciju rastopa i za sakupljanje
mehurova vodonika pomoću znatno većih mehurova argona. Argon se uduvava u rastop
sa dovoljno visokim pritiskom da se anulira pritisak stuba metala, ipak, suviše visok
pritisak može dovesti do kipenja rastopa;
(f) Ne postoji dodatni (povratni) transfer gasa iz atmosfere u metal
