Побудова кінетичного рівняння видалення вуглецю для керування виплавкою сталі в металургійній системі «вагранка – малий конвертер»

Автор(и)

  • Дмитро Миколайович Макаренко Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-4672-2880
  • Тетяна Віталіївна Селівьорстова Український державний університет науки і технологій, Україна https://orcid.org/0000-0002-2470-6986
  • Юрій Валерійович Доценко Український державний університет науки і технологій, Україна https://orcid.org/0000-0002-7734-7884
  • Ірина Олександрівна Осипенко Український державний університет науки і технологій, Україна https://orcid.org/0000-0002-7119-9278
  • Олександр Михайлович Дзевочко Національний технічний університет «Харківський політехнічний iнститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-1297-1045
  • Алевтина Миколаївна Переверзєва Національний технічний університет «Харківський політехнічний iнститут», Україна https://orcid.org/0000-0003-2072-2521
  • Альона Ігорівна Дзевочко Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0001-5988-5577

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2025.325695

Ключові слова:

ваграночна плавка, конвертер, продувка киснем, гостре дуття у вагранці, кінетичні рівняння

Анотація

Об’єктом дослідження у роботі є процес виплавки сталі в малому конвертері, який працює в парі з вагранкою.

Існуюча проблема полягає в тому, що керування процесом отримання сталі в кисневому конвертері ускладнюється через необхідність визначення в реальному часі поточного хімічного складу розплаву, зокрема вуглецю. Це пов’язане з тим, що швидкість видалення вуглецю надто велика, внаслідок чого процес видалення вуглецю швидкоплинний. Тому здійснити регулювання на основі зворотного зв’язку по неперервному вимірюванню надто складно.

Наявність зазначеної проблеми потребує рішень, що стосуються можливостей розробки чи покращення програмного керування процесом.

Показано, що на визначених ділянках процесу в межах кожної часової ділянки продувки киснем розплаву в конвертері кінетична крива має лінійний вигляд з постійним значенням коефіцієнта перед вхідною мінною. Але значення початкового коефіцієнта для кожного рівняння, яке описує процес у своїх межах, змінюється. Це дає змогу стверджувати, що в разі зміни початкової умови, кінетичні криві зсуються одна відносно одної паралельно. На основі цього побудовано систему рівнянь, що описують процес видалення вуглецю в малому кисневому конвертері, який отримує рідкий чавун з вагранки.

Показано, що для користування отриманою системою рівнянь необхідно знати початковий вміст вуглецю в розплаві, що видається з вагранки, і він залежить від способу подачі кисню у вагранку. На основі моделювання цього процесу по двох варіантах – використанням «гострого дуття» та подачею кисню в повітря, що вдувається в фурми, побудовано номограму. Вона дозволяє визначати початковий вміст вуглецю для практичного використання отриманої системи рівнянь.

Використання отриманої системи дає змогу визначати час, по завершенню якого має бути зроблена відсічка кисню. Це дозволить вирішити реалізувати програмне керування процесом продувки розплаву у конвертері.

Представлене дослідження буде корисним для машинобудівних підприємств, що мають у своїй структурі ливарні цехи, де виплавляють чавун для виготовлення виливків.

Біографії авторів

Дмитро Миколайович Макаренко, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»

Старший викладач

Кафедра екології та техногенної безпеки

Тетяна Віталіївна Селівьорстова, Український державний університет науки і технологій

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра інформаційних технологій і систем

Юрій Валерійович Доценко, Український державний університет науки і технологій

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра ливарного виробництва

Ірина Олександрівна Осипенко, Український державний університет науки і технологій

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра ливарного виробництва

Олександр Михайлович Дзевочко, Національний технічний університет «Харківський політехнічний iнститут»

Кандидат технічних наук, доцент, завідувач кафедри

Кафедра автоматизації технологічних систем та екологічного моніторингу

Алевтина Миколаївна Переверзєва, Національний технічний університет «Харківський політехнічний iнститут»

Асистент

Кафедра автоматизації технологічних систем та екологічного моніторингу

Альона Ігорівна Дзевочко, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра автоматизації технологічних систем та екологічного моніторингу

Посилання

  1. Ristiana, R., Nurjaman, F., Yunus, M. (2013). Fuzzy Temperature Control for Melting Metals of Mini Cupola Furnaces. Research on Precision Instrument and Machinery, 2 (2).
  2. Isnugroho, K., Birawidha, D. C. (2018). The production of pig iron from crushing plant waste using hot blast cupola. Alexandria Engineering Journal, 57 (1), 427–433. https://doi.org/10.1016/j.aej.2016.11.004
  3. Larsen, E. D., Clark, D. E., Moore, K. L., King, P. E. (1997). Intelligent control of Cupola Melting. Available at: https://pdfs.semanticscholar.org/56c2/96af1d56d5cd963a5bcc38635142e5fa1968.pdf
  4. Moore, K. L., Abdelrahman, M. A., Larsen, E., Clark, D., King, P. (1998). Experimental control of a cupola furnace. Proceedings of the 1998 American Control Conference. ACC (IEEE Cat. No.98CH36207), 6, 3816–3821. https://doi.org/10.1109/acc.1998.703360
  5. Mahmoud, W. H., Abdelrahman, M., Haggard, R. L. (2004). Field programmable gate arrays implementation of automated sensor self-validation system for cupola furnaces. Computers & Industrial Engineering, 46 (3), 553–569. https://doi.org/10.1016/j.cie.2004.02.001
  6. Nikolaiev, D. (2024). Construction of a cupola information profile for further modeling for the purpose of controlling melting processes. ScienceRise, 2, 3–14. https://doi.org/10.21303/2313-8416.2024.003674
  7. Demin, D., Frolova, L. (2024). Construction of a logical-probabilistic model of casting quality formation for managing technological operations in foundry production. EUREKA: Physics and Engineering, 6, 104–118. https://doi.org/10.21303/2461-4262.2024.003518
  8. Demin, D. (2012). Synthesis of optimal temperature regulator of electroarc holding furnace bath. Scientific Bulletin of National Mining University, 6, 52–58.
  9. Demin, D. (2014). Mathematical description typification in the problems of synthesis of optimal controller of foundry technological parameters. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (4 (67)), 43–56. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2014.21203
  10. Demin, D. (2014). Computer-integrated electric-arc melting process control system. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (9 (68)), 18–23. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2014.23512
  11. Demin, D. (2017). Synthesis of optimal control of technological processes based on a multialternative parametric description of the final state. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (4 (87)), 51–63. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.105294
  12. Demin, D. (2019). Development of «whole» evaluation algorithm of the control quality of “cupola – mixer” melting duplex process. Technology Audit and Production Reserves, 3 (1 (47)), 4–24. https://doi.org/10.15587/2312-8372.2019.174449
  13. Demin, D. (2023). Experimental and industrial method of synthesis of optimal control of the temperature region of cupola melting. EUREKA: Physics and Engineering, 2, 68–82. https://doi.org/10.21303/2461-4262.2023.002804
  14. Jopkiewicz, A., Podrzucki, C. (2007). Tendencies to the Improvement of the Cupola Process. Archives of foundry engineering, 13 (3), 61–70.
  15. Powell, W. L., Druschitz, A. P., Frost, J. (2008). Cupola Furnaces. Casting, 99–107. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v15.a0005197
  16. Aristizábal, R. E., Pérez, P. A., Katz, S., Bauer, M. E. (2014). Studies of a Quenched Cupola. International Journal of Metalcasting, 8 (3), 13–22. https://doi.org/10.1007/bf03355586
  17. Ajah, S. A., Idorenyin, D., Nwokenkwo, U. C., Nwigwe, U. S., Ezurike, B. O. (2021). Thermal Analysis of a Conventional Cupola Furnace with Effects of Excess Air on the Flue Gases Specific Heat. Journal of Materials and Environmental Science, 12 (2), 192–204.
  18. Demin, D., Domin, O. (2021). Adaptive technology for constructing the kinetic equations of reduction reactions under conditions of a priori uncertainty. EUREKA: Physics and Engineering, 4, 14–29. https://doi.org/10.21303/2461-4262.2021.001959
  19. Demin, D. (2013). Adaptive modeling in problems of optimal control search termovremennoy cast iron. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (4 (66)), 31–37. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2013.19453
  20. Luis, C. J., Álvarez, L., Ugalde, M. J., Puertas, I. (2002). A technical note cupola efficiency improvement by increasing air blast temperature. Journal of Materials Processing Technology, 120 (1-3), 281–289. https://doi.org/10.1016/s0924-0136(01)01053-6
  21. Jezierski, J., Janerka, K. (2011). Selected Aspects of Metallurgical and Foundry Furnace Dust Utilization. Polish Journal of Environmental Studies, 20 (1), 101–105.
  22. Nikolaiev, D., Selivorstov, V., Dotsenko, Y., Dzevochko, O., Pereverzieva, A., Dzevochko, A. (2025). Identification of temperature in cupola furnace based on the construction of the “slag composition – slag viscosity” model. Technology Audit and Production Reserves, 1 (1 (81)), 29–33. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2025.322458
  23. Penziev, P., Lavryk, Y. (2023). Diagnostics of the temperature condition of cast iron melting in induction furnaces by the content of SiO2 and CaO in slag. ScienceRise, 1, 14–20. https://doi.org/10.21303/2313-8416.2024.003558
  24. Demin, D. (2020). Constructing the parametric failure function of the temperature control system of induction crucible furnaces. EUREKA: Physics and Engineering, 6, 19–32. https://doi.org/10.21303/2461-4262.2020.001489
  25. Stanovska, I., Duhanets, V., Prokopovych, L., Yakhin, S. (2021). Classification rule for determining the temperature regime of induction gray cast iron. EUREKA: Physics and Engineering, 1, 60–66. https://doi.org/10.21303/2461-4262.2021.001604
  26. Demin, D. (2025). Optimization of parameters of the cupola melting by the criterion of the maximum cast iron temperature. EUREKA: Physics and Engineering, 2, 00–00. https://doi.org/10.21303/2461-4262.2025.003712
  27. Tang, Y., Fabritius, T., Härkki, J. (2005). Mathematical modeling of the argon oxygen decarburization converter exhaust gas system at the reduction stage. Applied Mathematical Modelling, 29 (5), 497–514. https://doi.org/10.1016/j.apm.2004.09.011
  28. Park, J., Kwon, S.-K., Lee, J.-E., Kang, Y., Park, J. H. (2023). Effect of oxygen blowing on the competitive removal rate of silicon and iron from molten copper. Journal of Materials Research and Technology, 23, 4634–4641. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.02.106
Construction of a kinetic equation of carbon removal for controlling steel melting in the metallurgical system “cupola furnace – small converter”

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-04-04

Як цитувати

Макаренко, Д. М., Селівьорстова, Т. В., Доценко, Ю. В., Осипенко, І. О., Дзевочко, О. М., Переверзєва, А. М., & Дзевочко, А. І. (2025). Побудова кінетичного рівняння видалення вуглецю для керування виплавкою сталі в металургійній системі «вагранка – малий конвертер». Technology Audit and Production Reserves, 2(1(82), 19–23. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2025.325695

Номер

Том 2 № 1(82) (2025): Виробничо-технологічні системи

Розділ

Металургія

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Dmytro Makarenko, Tetiana Selivorstova, Yuriy Dotsenko, Iryna Osypenko, Oleksandr Dzevochko, Alevtyna Pereverzieva, Alona Dzevochko

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.