Founding Research Journal

Founding Research Journal

Non-linear Standard Model for Optimization of Charge Materials in Crucible and Induction Melting Furnaces

Document Type : Original Research Article

Authors
1 Assistant Professor, Department of Materials and Metallurgical Engineering, Amirkabir University of Technology
2 Under Graduated Student,, Department of Materials and Metallurgical Engineering, Amirkabir University of Technology
3 Under Graduated Student, Department of Materials and Metallurgical Engineering, Amirkabir University of Technology
10.22034/frj.2022.330310.1152
Abstract
محاسبه وزن مواد بار کوره‌های ذوب، با موازنه جرم عناصر آلیاژی مواد ورودی و خروجی انجام می‌شود. اما فرایند ذوب، پیچیدگی‌هایی دارد، که اغلب در محاسبات نادیده گرفته می‌شود، و باعث عدم اطمینان در وزن مواد بار، اصلاح چندباره ذوب، تأخیر در تخلیه، افزایش هزینه و کاهش کیفیت مذاب می‌شود. هدف پژوهش حاضر، توسعه مدلی است، که نه‌تنها وزن مواد اولیه برای ترکیب شیمیایی ذوب هدف را محاسبه و بهینه‌سازی کند، بلکه هدررفت ناهمگن عناصر آلیاژی، ناخالصی‌های غیرفلزی مواد بار، و اصلاح ذوب اولیه در کوره را نیز در نظر بگیرد. مقاله حاضر، فرمولاسیون یک مدل محاسبه بار کوره‌ی ذوب آلیاژ را ارایه می‌کند، که بر اساس موازنه جرم غیرخطی و بهینه‌سازی استاندارد توسعه‌یافته و همراه با یک الگوریتم حلقه‌ی تکرار برای حل عددی، ویژگی‌های موردنظر را برای ذوب تمام آلیاژها در برمی‌گیرد. برای ارزیابی مدل، یک مساله ذوب آلیاژ برنج با 7 عنصر آلیاژی و 8 نوع مواد بار در مقیاس صنعتی طرح و بررسی گردید. با حل مساله به کمک مدل توسعه یافته، کسر وزنی مواد اولیه، وزن و ترکیب شیمیایی ذوب اصلاح‌شده و کمترین هزینه مواد محاسبه گردید. مدل پیش‌بینی کرد که وزن کل مواد ورودی 9909 kg (همراه با ذوب اولیه)، هدررفت مواد معادل 262 kg، وزن نهایی مذاب اصلاح‌شده 9646 kg و بازدهی ذوب 97.3% باشد. تحلیل بهینه بودن جواب، تایید کرد که کمترین هزینه مواد به‌دست‌آمده است. مدل استاندارد غیرخطی، ابزاری سریع برای بهینه‌سازی هزینه و محاسبه بار کوره است که پتانسیل‌هایی برای کاهش هزینه و تسهیل اتوماسیون صنعتی فرایند ذوب ایجاد می‌کند.
Keywords
Subjects

[1]  Naranjo R. D., Kwon J. Y., Majumdar R., Choate W. T., Advanced Melting Technologies: Energy Saving Concepts and Opportunities for the Metal Casting Industry, BCS, Incorporated, USA, 2005.
[2]  K. He and L. Wang, A review of energy use and energy-efficient technologies for the iron and steel industry, Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2017, 70, 1022-1039.
[3]  Stefana E., Cocca P., Marciano F., Rossi D., Tomasoni G., A Review of Energy and Environmental Management Practices in Cast Iron Foundries to Increase Sustainability, Sustainability, 2019, 11, 1-18.
[4]  فردوسی ع.، صدرنژاد س. خ. ا.، فخرنبوی ه.، پرویزی س.، موازنه جرم و انرژی در کوره‌های قوس الکتریکی فولاد سازی، تهران، پژوهشگاه مواد و انرژی، 1387.
[5]  Kungurtsev A. B., Senkevich Y. I., Zinovatnaya H. O., Novikova N. O., The algorithms for automated calculation of the furnace charge in smelting and refining metal, Odes'yi Politechnichnyi Universytet Pratsi 1, 2017, 61-71
[6]  Stankevich Y., Timoshpolskii V., Pavlyukevich N., German M., Grinchuk P., Mathematical modeling of the heating and melting of the metal charge in an electric-arc steel-making furnace, Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2009, 82.
[7]  Seidu S. O., Onigbajumo A., Development of charge calculation program for target steel in induction furnace, Leonardo Electronic Journal of Practices and Technologies, 2015, 81-97.
[8]  Seidu S., Adetunji O., Olagunju S., Development of Scrap Charge Maximization Program Capable of Melt Prediction and Modification in Crucible Furnace, European Journal of Applied engineering & Scienctific Research, 2018, 6, 1-9.
[9]  جعفری ا.، میرباقری م. ح.، ایزدی م.، زارعی ج.، محاسبه عددی وزن شارژ برای ذوب گیری فولاد در کوره القایی، انجمن آهن و فولاد ایران، کیش، 1396.
[10] Ekmekci E., Yetisken Y., Camdali U., Mass Balance Modeling for Electric Arc Furnace and Ladle Furnace System in Steelmaking Facility in Turkey, Journal of Iron and Steel Research International, 2007, 14, 1-6.
[11] Morris A. E., Geiger G., Fine H. A., Handbook On Material And Energy Balance Calculations In Materials Processing, TMS, Wiley, 2011.
[12] Arora J. S., Introduction to optimum design, Academic Press, UK, 2017.
[13] Beeley B., Foundry Technology, Butterworth-Heinemann, India, 2001.
[14] Worrell E., Reuter M. A., Handbook of Recycling, iii, Elsevier, Boston, 2014.
[15] Boin U. M. J., Bertram M., Melting standardized aluminum scrap: A mass balance model for Europe, JOM 2005, 57, 26-33.
[16] Bassett W. H., Zinc Losses, Journal of Industrial & Engineering Chemistry 4, 1912, 164-167
[17] Onyekwere O. S., Orji C. I., Uyanga K. A., Determination of percentage zinc loss during melting of zinc scrap in a crucible furnace, Global Journal of Engineering and Technology Advances, 2019 1, 22-26.
[18] Collur M. M., Paul A., Debroy T., Mechanism of alloying element vaporization during laser welding, Metallurgical and Materials Transactions B, 1987, 18, 733-740.
[19] Hasegawa M., Chapter 3.3 - Ellingham Diagram, Treatise on Process Metallurgy, p. 507-516, Elsevier, Place Published, 2014.
[20] Omole S., Oluyori R., Study of carbon and silicon loss through oxidation in cast iron base metal using rotary furnace for melting, Leonardo Electronic Journal of Practices and Technologies, 2015, 14, 59-64.
[21] جعفری ا.، یوسفی د.، مدل محاسباتی شارژ کوره با هدررفت عناصر و مواد برای ذوب‌گیری آلیاژها، موردمطالعه: ذوب‌گیری فولاد منگنزدار، انجمن آهن و فولاد ایران، کیش، 1398.
[22] حجازی ج.، انجماد و اصول متالورژیکی ریخته گری، انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، 1387.
[23] Brown J. R., Foseco Non-Ferrous Foundryman's Handbook, 1-22, Butterworth-Heinemann, Oxford, 1999.
[24] Ziółkowski E., Algorithms of furnace charge burden optimisation in foundries, Archives of Metallurgy and Materials, 2007, 52, 487-495.
[25] Ziółkowski E., Algorithm for Burden Calculation for Foundry Furnaces Using Charge Materials with an Uncertain Composition, Archives of Metallurgy and Materials, 2013, 58, 887-889.
[26] Ziółkowski E., Burden Optimization of Lump Charge Materials for Foundry Furnaces, Archives of Metallurgy and Materials, 2017, 62.
[27] Capuzzi S., Timelli G., Preparation and Melting of Scrap in Aluminum Recycling: A Review, Metals 8, 2018.
[28] Li J., Provatas N., Brooks G., Kinetics of scrap melting in liquid steel, Metallurgical and Materials Transactions B, 2005, 36, 293-302.
[29] Ziółkowski E., Optimisation of correction of the chemical composition of molten metal using charge materials with fuzzy composition, Archives of Foundry Engineering, 2008, 8, 129-132.
[30] Jafari-Ramiani A., Yousefi D., Mohajeri M., Iterative Standard Strategy for Non-Linear Optimization in Melting Furnace Charge Calculations, International Journal of Metalcasting, 2021.
[31] Kovacic M., Stopar K., Vertnik R., Sarler B., Comprehensive electric arc furnace electric energy consumption modeling: A pilot study, Energies 12, 2142, 2019.
[32] Davis J. R., ASM Specialty Handbook Copper and copper alloys, ASM international, 2001.
[33] Larsen R. W., Engineering with Excel, Excel Master Series, 4th ed., Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, Place Published, 2013.
Volume 5, Issue 2 - Serial Number 17
Summer 2021
Pages 107-118

  • Receive Date 18 February 2022
  • Revise Date 03 March 2022
  • Accept Date 05 March 2022