МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СИНЯКОВ Руслан Валерійович

УДК 669.187 |

РОЗРОБКА ЕЛЕМЕНТІВ СИСТЕМИ АВТОМАТИЗОВАНОГО

ПРОЕКТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ВИПЛАВКИ

СТАЛІ У НАДПОТУЖНІЙ ДСП

Спеціальність: 05.16.02. - “Металургія чорних металів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2005

Дисертацією є рукопис.

Дисертаційна робота виконана на кафедрі “Електрометалургія” Донецького національного технічного університету

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професорПономаренко Олександр Георгійович,

Донецький національний технічний університет,

професор кафедри “Електрометалургія”, м. Донецьк |

Офіційні опоненти: | доктор технічних наукСоколов Владислав Михайлович,

Фізико-технологічний інститут металів і сплавів, Національна академія наук України, провідний науковий співробітник, м. Київ; |

кандидат технічних наук

Кодак Олександр Васильович,

Закрите акціонерне товариство “Мініметалургійний завод “ІСТІЛ (Україна)”,

головний фахівець, м. Донецьк.

Провідна установа:Приазовський державний технічний університет, кафедра “Теорія металургійних процесів”, Міністерство освіти і науки України, м. Маріуполь. |

Захист дисертації відбудеться “ 09 ” червня 2005р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.01 у Донецькому національному технічному університеті (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, ВАЗ І навчальний корпус).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2 навчальний корпус).

Автореферат розісланий “ 06 ” травня 2005р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Д 11.052.01, доктор технічних наук, професор |

В.І. Алімов | Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток обчислювальної техніки відкрило нові можливості підвищення ефективності керування виробництвом. Про масштаби комп'ютеризації й пов'язаних з нею очікуваннях можна судити по наступних цифрах: за десятиліття 1991 - 2000р. тільки в створення корпоративних інформаційних систем (КІС) підприємства в усьому світі вклали 300 млрд. доларів, зараз вже річні вкладення досягли 150 млрд., і в найближчі роки очікується збереження росту вкладень. Разом з тим, економічна віддача від комп'ютерних систем керування поки залишається низькою. Це плануванні робіт з автоматизації керування, у виборі завдань, критичних для кожного конкретного виробництва, а не в техніці їх рішення, як вважалося раніше.

Засоби автоматизації керування сталеплавильним виробництвом по виконуваним ними функціям можна розділити на три частини: базова автоматизація й механізація технології; автоматизація управлінської праці; автоматизація вироблення управлінських рішень. Згадувані КІС фактично виконують лише рутинну, технічну частину управлінської роботи, яка полягає в зборі і первинній обробці інформації, документуванню, діловодству та ін. Автоматизація цієї частини роботи щодо керування, при всій її важливості, не може дати значної віддачі. Нарощування обчислювальних потужностей й удосконалювання програмних продуктів після деякої межі тут веде до простого росту некомпенсованих витрат.

Автоматизація й механізація технологічних процесів докорінно змінили умови, продуктивність й якість фізичної праці, однак в умовах металургійного виробництва їхня економічна віддача так само обмежена.

Головні резерви підвищення ефективності роботи підприємства пов'язані з плануванням. Саме в плануванні, або виробленні рішень, зосереджена вся інтелектуальна, творча праця посадових осіб або особи, що приймає рішення (ОПР) з керування виробництвом на всіх рівнях, починаючи, наприклад, від сталевара до вищого керівництва. І саме тут повинні найбільшою мірою реалізуватися очікування, пов'язані з комп'ютерами. Автоматизовані системи керування, спрямовані на вироблення оптимальних для кожної даної ситуації управлінських рішень, називають інтелектуальними, або системами, заснованими на знаннях. Такі системи в цей час перебувають у стадії становлення.

До останнього часу розробка комп'ютерних систем керування стосувалася компетенції “інформаційних технологій” (ІТ), а фахівці з організації й керування виробництвом (включаючи технологів) залучалися додатково, в якості консультантів або експертів. Протилежна точка зору, що сформувалася в публікаціях останніх років, полягає в тому, що побудова й експлуатація систем керування, незалежно від ступеня (і навіть наявності) автоматизації, повинні залишатися в компетенції відповідних предметних областей знань. Їхньою основою повинні залишатися класичні принципи керування (облік, планування, спеціалізація, поділ праці), а “інформаційні технології” (прийом, перетворення й передача інформації) повинні служити одним з ефективних інструментів їхньої реалізації.

Система ОРАКУЛ і наступний її розвиток - система ГІББС, з розробкою яких пов'язана дана дисертація, ґрунтуються на такому підході. Зокрема, проект (повний розрахунок) керування технологічним процесом виконується фахівцями з області теорії й технології сталеплавильного виробництва, а завдання фахівців з області ІТ полягають в її комп'ютерній реалізації.

Зв'язок роботи із планами наукових праць університету. Тема дисертаційної роботи пов'язана з науковими напрямками роботи кафедри “Електрометалургія” Донецького національного технічного університету: “Термодинамічне моделювання сталеплавильних процесів”, “Розробка й промислове впровадження інтелектуальних систем комп'ютерного проектування й керування сталеплавильними технологіями”. У роботі використані результати наступних науково-дослідних робіт: № 01-201 від 20.12.2000р. “Створення бази технологічних даних й алгоритмів для інтелектуальної системи керування сталеплавильним процесом”, № 02-201 від 28.01.2002р. “Інтеграція бази даних теплот і теплоємностей продуктів плавки сталеплавильного виробництва й матеріалів у систему ОРАКУЛ”, № 02-202 від 28.01.2002р. “Розробка рекомендацій з оптимізації режимів продувки металу киснем у шахтній печі стосовно до умов роботи ЕСПЦ ВАТ “Северсталь”, № 03-201 від 16.12.2002р. “Створення бази даних термодинамічних величин для пакета прикладних програм ГІББС стосовно до умов експлуатації на установці пічь-ківш РУП “Білоруський металургійний завод”, № 04-201 від 30.01.2004р. “Створення бази даних параметрів сталеплавильних технологій для пакета прикладних програм оперативного аналізу економічної ефективності сталеплавильного виробництва”. Автор був відповідальним виконавцем представлених робіт.

Мета й задачі дослідження. Метою даної роботи було створення системи автоматизованого проектування (САПР) технологічного процесу (ТП) виплавки сталі у надпотужній дуговій сталеплавильній печі (ДСП) у складі інтелектуальної системи керування плавкою ОРАКУЛ. Автоматизоване проектування являє собою повний розрахунок технологічного процесу одержання заданої марки сталі, виконаний за допомогою засобів обчислювальної техніки (ОТ). Існуючі методи розрахунку ТП плавки, традиційно орієнтовані на ручний розрахунок і ручне ведення плавки, включають безліч спрощень і вимагають істотної доробки для використання їх в автоматизованих системах керування.

Поставлені й вирішені наступні задачі:

- дати повний математичний опис динаміки зміни складу системи метал-шлак-газ у ході плавки у надпотужній ДСП, опираючись на термодинамічну модель системи ОРАКУЛ;

- розробити метод автоматизованого розрахунку (проектування) технологічного процесу плавки;

- розробити метод оперативної корекції проекту при автоматизованому керуванні плавкою у надпотужній ДСП;

- створити робочий варіант САПР технологічного процесу;

- провести промислові випробування й впровадити систему у виробництво.

Об'єктом дослідження є технологічний процес виплавки сталі у надпотужній ДСП.

Предметом дослідження є математичний опис фізико-хімічного поводження компонентів сталі в окисній плавці.

Методи дослідження. Термодинамічний аналіз, статистична обробка даних використані при опису динаміки фізико-хімічних процесів у сталеплавильній ванні. Машинні експерименти, дослідні плавки, зіставлення з існуючими лабораторними даними використані для підтвердження вірогідності теоретичних результатів щодо динаміки фізико-хімічних процесів. Теорія дослідження операцій використана при оптимізації окисного періоду плавки. Статистичний ретроспективний аналіз роботи конкретного сталеплавильного агрегату використаний при створенні САПР ТП плавки.

Наукова новизна отриманих результатів.

У дисертаційній роботі дістав подальший розвиток математичний опис динаміки фізико-хімічних процесів у сталеплавильній ванні надпотужної ДСП із метою створення на цій основі системи автоматизованого проектування технологічного процесу:

- на основі матеріального балансу і принципу рівноваги отримана модель окислювання вуглецю, що дозволяє описати наявні експериментальні і виробничі дані по кінетиці окислювання вуглецю без припущення про зміну ланок, що лімітують, в області “критичних концентрацій”. Вперше показано, що аналогічні особливості окислювання кремнію й марганцю також можуть бути описані шляхом термодинамічного аналізу;

- на основі відомих теоретичних уявлень про двостадійну схему окислювання домішок у сталеплавильній ванні, запропоновано новий метод обліку кінетичних зміщень окисних процесів для умов виплавки сталі у надпотужній ДСП, де як емпіричний критерій запізнювання використовуються частки металу й шлаку, які приходять у рівновагу за одиницю часу, що дозволило досягти 20% відн. точності прогнозу поточного хімічного складу металу й шлаку. Експериментально знайдені значення коефіцієнтів запізнювання (частки металу й шлаку) для умов виплавки сталі у надпотужній ДСП перебувають у діапазоні 0,10-0,12 хв-1;

- вперше отриманий кількісний опис “ефекту накачування” на основі спільного рішення рівняння Гіббса-Дюгема й закону простих кратних відносин, що дозволило розвити уявлення про механізм видалення азоту стосовно до умов роботи надпотужної ДСП. Показано, що умовою одержання низького і стабільного вмісту азоту в металі, необхідно підтримувати парціальний тиск кисню на границі шлак-газ не нижче 10-3 Па. Показано теоретичну можливість глибокої деазотації металу до рівняння концентрації азоту в 10-8 % мас.

Обґрунтованість і вірогідність наукових результатів і висновків дисертації підтверджується математичним обґрунтуванням очікуваних результатів, задовільною згодою теоретичних результатів з наявними в літературі лабораторними й промисловими даними, задовільною роботою створених на цій основі елементів автоматизованого проектування в складі промислової системи керування. Для одержання достовірних експериментальних даних у роботі використовувалися методи математичної статистики.

Практичне значення отриманих результатів. На основі результатів досліджень розроблено математичний опис динаміки фізико-хімічних процесів у сталеплавильній ванні надпотужної ДСП, що дозволяє прогнозувати хімічний склад металу в ході плавки з точністю достатньою для керування. Для умов роботи ДСП-1 Білоруського металургійного заводу (БМЗ) точність прогнозу склала 20% відн.

На основі результатів досліджень запропоновані технологічні прийоми що дозволяють знизити і стабілізувати вміст азоту в металі у надпотужній ДСП. В умовах роботи надпотужної ДСП-2 Молдавського металургійного заводу (ММЗ) зниження вмісту азоту в середньому склало 0,0021% і стабілізовано на рівні 0,005 – 0,006%.

Вперше розроблена методика автоматизованого проектування технологічного процесу виплавки сталі у надпотужній ДСП, яка дозволяє розраховувати технологічний процес до початку плавки. Розроблено методику оперативної корекції проекту технологічного процесу виплавки сталі, що дозволяє реалізувати принцип ситуаційного управління плавкою в автоматичному режимі.

На основі розроблених методів створена система автоматизованого проектування ТП плавки сталі в надпотужній ДСП, що успішно реалізована у складі системи керування реальною плавкою як у режимі “порадника” сталевара, так і в автоматичному режимі. Використання такої системи дозволяє більш строго підтримувати задані режими і стабілізувати процес виробництва від плавки до плавки в умовах інтенсивного ведення процесу, характерного для надпотужних ДСП. За рахунок цього досягаються більш високі техніко-економічні показники.

Створена САПР ТП і інструментальна база можуть бути використані в імітаційному режимі при оптимізації технології, при навчанні персоналу. САПР ТП може бути використана для автоматизації розробки технічної документації для виплавки сталей різного сортаменту.

Особистий внесок здобувача. Частина досліджень, що увійшли в дисертаційну роботу, виконана зі співробітниками кафедри "Електрометалургія". При цьому автору належить: аналітичні дослідження динаміки окислювання домішок й методів їхнього розрахунку; розробка математичних моделей; розробка методу розрахунку граничного вмісту азоту в металі, що може бути досягнутий шляхом ефекту “накачування”; розробка методів кінетичної корекції поведінки азоту й інших елементів не описуваних квазистатично; розробка методів попереднього проектування ТП та корегування проекту; розробка загальної схеми САПР ТП; ідеї і аналіз результатів експериментальних досліджень; участь у впровадженні результатів роботи у промисловість.

Реалізація роботи в промисловості. Створена САПР ТП впроваджена на ДСП-1 Республіканського унітарного підприємства “Білоруський металургійний завод” (РУП “БМЗ”) в 2001р., на ДСП-2 Молдавського металургійного заводу (АТ “ММЗ”) в 2001р. і на ДСП-2 БМЗ в 2002р. При веденні плавки в автоматичному режимі витрати електроенергії знизилися в середньому на 21,6 кВт-г/т шихти (-4,5 %), тривалість роботи під струмом знизилася в середньому на 2,4 хв (-4,4 %). Економічний ефект від впровадження склав 116499 доларів США в рік на ДСП-1 за даними БМЗ.

Апробація результатів дослідження. Основні матеріали й положення дисертаційної роботи повідомлені на п'ятому (Рибниця, 1998р.), шостому (Череповець, 2000р.), і сьомому (Магнітогорськ, 2002р.) міжнародних конгресах сталеплавильників; на науково-технічній конференції молодих фахівців “Азовсталь-99” (Маріуполь, 1999р.); на міжнародній конференції-диспуті “Металургія й металурги XXI століття” (Москва, 2000р.), на XI Міжнародній конференції “Сучасні проблеми електрометалургії сталі” (Челябінськ, 2001р.), конференції “Морозовські читання” до 90-річчю А.Н.Морозова (Челябінськ, 2002р.).

Публікації. Результати виконаних досліджень опубліковані в 9 статтях, в 2 тезах доповідей й одному патенті.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, трьох розділів, висновків і додатків. Обсяг роботи - 194 сторінки машинописного тексту - включає 38 рисунків, 18 таблиць, список використаних джерел з 148 найменувань на 15 сторінках й 4 додатки на 48 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обкреслене коло розв'язуваних у роботі завдань, визначені їхнє місце й значення в проблематиці розвитку металургійного виробництва, визначена мета роботи.

У першому розділі – "Стан питання", приводиться огляд розвитку й сучасного стану технології виплавки сталі в дугових печах, наведені відомості про розвиток засобів керування плавкою, проаналізований сучасний стан комп'ютерних систем керування технологічним процесом плавки, їхня економічна ефективність.

Інтенсифікація плавки й пов'язане з нею зростання негативного впливу “людського фактора” зробили автоматизацію необхідним елементом керування, як окремими частинами технологічного процесу, так і всією плавкою. Керування засноване на плануванні. Для керування виплавкою сталі в автоматичному режимі до початку плавки повинен бути розроблений проект технологічного процесу у вигляді детального тимчасового графіка всіх керуючих впливів, що забезпечують процес роботи всіх пристроїв, які реалізують ці впливи. Неминучі відхилення ходу реального процесу від первісного графіка вимагають його безперервної корекції.

Існуючі системи керування плавкою використовують жорсткі проекти - маски, набір яких (для різних марок сталей і варіантів їхньої виплавки) зберігається в пам'яті машини. Їхнє використання вимагає дотримання стандартних умов виробництва. При відхиленні ходу плавки від заданого графіка керування в автоматичному режимі по жорсткій масці стає неможливим. Для подальшого ведення плавки необхідний перехід до ручного керування й прийняття тих або інших технологічних рішень щодо корекції. Системи, що включають функцію автоматизованого вироблення технологічних рішень щодо корекції з урахуванням ситуації, називають інтелектуальними. Найпростішими системами такого роду є так називані експертні системи. У металургії вони використовуються для керування процесами, що мають стаціонарний характер, наприклад, доменний. Для керування циклічними процесами вони малоефективні.

Оскільки САПР ТП плавки створювалася вперше, розглянутий досвід із суміжних областей, що застосовують такі системи. Сама процедура проектування технологічного процесу плавки подібна зі звичайними розрахунками, що виконуються при розробці сталеплавильної технології. Результатом звичайного проектування є технологічні карти й інструкції для персоналу. Однак інструкції регламентують лише загальні “контури” технологічного процесу, а виконання детальних розрахунків і прийняття конкретних рішень по керуванню плавкою входить до функцій технологів, що опираються на знання, досвід і професійну інтуїцію. Проект плавки для автоматичного керування повинен включати повний розрахунок всіх керуючих дій і режимів роботи всіх пристроїв, що забезпечують одержання кінцевого продукту. Методів такого розрахунку в цей час не існує, оскільки при ручному керуванні він не був потрібний, а головне - не міг бути здійснений без потужної обчислювальної техніки.

Загальний підхід до побудови інтелектуальних систем керування заснований на використанні моделей, здатних адекватно передбачати реакцію системи на ті або інші можливі керуючі впливи. Розробці моделей сталеплавильного процесу присвячена велика література, однак, промислові системи керування плавкою, побудовані на їхній основі, ще не створені. Основні труднощі їхньої розробки пов'язані з досить жорсткими вимогами до точності розрахунку з боку системи керування.

Огляд відомих моделей сталеплавильних процесів показав, що найбільш перспективною для побудови інтелектуальних систем є детермінована модель системи метал-шлак-газ (розроблена О.Г. Пономаренко). Однак, сама по собі термодинамічна модель недостатня для опису динаміки сталеплавильного процесу - його траєкторії в часі. Для рішення цього завдання зазвичай додатково залучають математичний апарат кінетики й термодинаміки необоротних процесів.

Завданням моделі є завбачення реакції системи на ті або інші задані керуючі впливи. При проектуванні технологічного процесу кінцевий склад виплавлюваного металу відомий, і необхідно визначити керуючі впливи, за допомогою яких він може бути отриманий, тобто вирішити так називане зворотне завдання. Особливість рішення зворотного завдання полягає в тому, що воно має безліч рішень - той самий метал може бути виплавлений багатьма різними способами. Загальне рішення зворотного завдання із вибором найкращого (оптимального) варіанта відкрив Л.В. Канторович (Нобелівська премія 1975р.).

Таким чином, у цей час є великий арсенал засобів теоретичної металургії, математики й обчислювальної техніки для безпосереднього рішення виробничих завдань по керуванню. Завдання полягає у відшуканні раціональних шляхів їхнього практичного використання.

Другий розділ – "Математичний опис динаміки фізико-хімічних процесів у сталеплавильній ванні", роботи присвячений обґрунтуванню прийнятого методу розрахунку поточного складу продуктів плавки й ілюстрації його застосування. Проводиться зіставлення розрахунку з дослідними даними, узятими з літератури, обговорюються результати.

Як основу динамічного опису процесу вибрали звичайну модель керування у вигляді системи диференціальних рівнянь:

,

де – вектор станів об'єкта; – вектор керувань; – вектор швидкостей зміни параметрів стану ; – час.

Використовуючи як вектор станів термодинамічних змінних, наприклад – температуру, тиск і маси утворюючу систему компонентів:

,

тобто розглядаючи фізико-хімічну систему метал-шлак-газ, що перебуває в сталеплавильному агрегаті, як об'єкт керування, ми одержуємо строгий опис динаміки реального процесу. Оскільки реальні процеси в тому або іншому ступені нерівноважні, при їхньому розрахунку потрібно враховувати кінетичні зсуви.

Чисельне інтегрування рівняння схематично полягає в наступному (рис. ). Кожен крок інтегрування рівняння у часі розпадається на дві частини. Спочатку термодинамічна система метал-шлак-газ вважається відкритою для зовнішніх впливів (керувань ), потім система закривається й мимовільно релаксірує до рівноваги. Якщо система, що перебувала в рівновазі , піддалася в деякий момент часу імпульсному впливу , то в ній почнеться мимовільний процес релаксації до нового стану рівноваги по одній із зображених на рис. траєкторій. Якщо інтенсивність керуючих потоків мала стосовно швидкості релаксації і за заданий час система встигає достатньо наблизитися до рівноваги (крива 3), то процес можна вважати квазістатичним, описуваним у термінах рівноважної термодинаміки. У противному випадку, необхідно вводити поправкові коефіцієнти кінетичного зсуву, обумовлені з досвіду. Такі коефіцієнти сугубо індивідуальні для кожного процесу й агрегату, і зазнають змін в часі, не можуть бути обчислені й оцінюються статистично. Таким чином, вираз являє собою узагальнене “кінетичне” рівняння, однак воно характеризує не приватну реакцію або ланку, як звичайно, а динаміку процесу в цілому, з огляду при цьому на вплив всіх інших компонентів, температури й тиску. У лівій його частині може стояти швидкість зміни кожного з термодинамічних параметрів стану, що цікавлять нас, наприклад, швидкість окислювання вуглецю або марганцю, зміни температури й т.п. Тому, шляхом прямого чисельного інтегрування рівняння можливе одержання всіляких, взаємопогоджуваних між собою кінетичних кривих, що характеризують процес у часі при будь-якому заданому графіку керуючих впливів, включаючи розривні, пульсуючі та ін.

Загальний алгоритм розрахунку динаміки процесу у квазістатичному наближенні полягає в наступному. Для кожного компонента (елемента) системи метал-шлак-газ записується рівняння матеріального балансу:

,

де – загальне число молів елемента в системі і фазах, відповідно, і умова рівноваги:,

де - значення хімічного потенціалу елемента в металі, шлаку та газі. Для k-компонентної системи можна записати 3k таких рівнянь. Їхнім спільним рішенням, по заданим температурі, тиску, масі й загальному складі системи можна обчислити невідомі 3k маси компонентів у фазах й, отже, їхній рівноважний склад.

Для опису зміни складу фаз при надходженні в систему кисню ( динаміки у квазістатичному наближенні) потрібно визначити вид функції – залежності зміни числа молей елемента в металі від числа молів кисню, що надійшов у систему. Спільним рішенням рівнянь матеріального балансу по кисню, записаних у диференціальній формі:

,

і тих же умов рівноваги можна одержати шукані функції для всіх компонентів (елементів) системи, наприклад, для вуглецю:

,

де , - мольні концентрації елемента відповідно в шлаку й металі; де - відношення чисел молей шлаку до числа молів металу, , ; та - коефіцієнт активності елемента в металі й шлаку.

На рис. наведені експериментальні дані С. І. Філіппова, що послужили основою для розвитку теорії “критичних концентрацій”, що пояснює “злами” на кривих зміною кінетичних ланок, що лімітують. Розрахункові криві (рис. ), отримані за допомогою формули з гарною точністю описують всі досвіди з допущенням про присутність до 3% мас. шлаку (масова кратність приблизно у два рази менше мольної). Досліди проводили в алундових тиглях, тому утворення деякої кількості оксидів (зокрема герциніту) у цих умовах неминуче.

Рис. . Кінетичні криві окислювання вуглецю (дані С.І. Філіппова). Крапки - експеримент, лінії - кінетичні залежності (включають по 2 емпірично визначаємих коефіцієнти кожна). | Рис. . Порівняння розрахункових (формула ) і фактичних (всі крапки рис. ) концентрацій вуглецю в металі. Криві відрізняються різними кратністями шлаку, прийнятими при розрахунку.Аналогічне вираження можна одержати для марганцю:

,

і для кремнію:

.

На рис. наведені дослідні дані тих же авторів по кінетиці окислювання вуглецю, кремнію й марганцю в дослідних конвертерах, а на рис. вони зіставлені з розрахунком по формулах - .

Рис. . Кінетичні криві роздільного окислювання вуглецю, марганцю й кремнію в дослідному конвертері (дані С.І. Філіппова). Крапки - експеримент, лінії - кінетичні залежності (включають по 2 емпірично підбираємих коефіцієнти кожна). | Рис. . Порівняння розрахункових значень й експериментальних даних по кінетиці окислювання домішок розплаву на основі заліза. Крапки – дослідні дані (рис. ), криві отримані розрахунком по рівняннях - , без використання емпіричних коефіцієнтів.

Зіставлення показує, що динаміка окислювання кремнію й марганцю також адекватно описується із застосуванням термодинаміки у всьому діапазоні досліджених концентрацій. Це означає, що процес лімітується тільки надходженням кисню в метал, і ніякі процеси в об'ємі металу не відображаються помітним образом на його швидкості.

На рис. великий масив досвідчених даних, які відносяться до продувки металу киснем в 900-тонній мартенівській печі, отриманий М.Я. Меджибожським (рис. ), представлений у координатах рівняння . П'ять крапок, видимо, помилкові, оскільки вони випадають на обох рисунках. Зіставлення показує, що й у цьому випадку при всіх режимах продувки процес залишається квазістатичним, тобто відповідає кривій 3 рис.

Рис. . Залежність швидкості окислювання вуглецю від його концентрації в металі при різній інтенсивності продувки ванни в 900-т мартенівської печі киснем (дані М. Я. Меджибожського). Числа у крапок - кількість плавок (інтенсивність див. на рис. ). | Рис. . Залежність кількості вуглецю, що окислився, віднесеного до кількості введеного кисню, від концентрації вуглецю в металі. Крапки – дослідні дані (рис. ).

Оцінки показують, що до квазістатичних близькі, зокрема, процеси в мартенівських печах, ДСП, що працюють по “класичній” технології, і конвертерах з донною продувкою.

Очевидно, що реальні процеси з інтенсивною продувкою киснем зверху завжди в тім або іншому ступені нерівноважні, тому квазістатичне наближення служить кістяком прийнятої моделі, що додатково включає апарат розрахунку кінетичних зсувів. Такий розрахунок є одним з елементів “прив'язки” моделі до конкретного процесу й схематично полягає в наступному. Спочатку процес описується квазістатично й шляхом зіставлення розрахункового складу продуктів плавки з фактичним перевіряється його адекватність. У випадку розбіжності з'ясовуються можливі його причини й вибирається спосіб корекції. Як ілюстрації в дисертації розглянуті розрахунок виправлення на нерівноважність при продувці зверху й урахування нерівноважності стосовно азоту у надпотужній ДСП.

У першому випадку розрахунок ґрунтується на “двостадийній” схемі В.Е. Грум-Гржимайло: спочатку кисень, що надходить, “тотально” окисляє метал до оксидів, які далі переходять у шлак, потім кисень, накопичений у такий спосіб у шлаку, окисляє домішки в решті металу. Оскільки масообмін між конденсованими фазами (металом і шлаком) відбувається досить повільно, процес окислювання домішок відбувається з кінетичним запізнюванням. У цьому випадку система релаксірує по кривій 1 або 2 (рис. ). Завдання полягає у визначенні виправлення на запізнювання. На рис. наведена схема розрахунку. Виділена в п. 3 цієї схеми частка і є емпірично обумовленим коефіцієнтом запізнювання (КЗ).

Чисельне значення коефіцієнта запізнювання визначається статистично, по вибірці даних про хімічний склад фаз у масиві останніх плавок, шляхом мінімізації сумарної різниці між розрахунковим й фактичним складом фаз по всіх аналізованих елементах. Для умов виплавки сталі в ДСП-1 БМЗ він склав 0,12 хв-1. Ефективність такого способу пояснюється тим (рис. ), що швидкість матеріального обміну між металом і шлаками лімітується турбулентною дифузією, при якій швидкість доставки всіх елементів практично однакова.

Особливий випадок кінетичного зсуву представляє поведінка азоту в сталеплавильних процесах. Вміст азоту в металі відкритих агрегатів завжди багато нижче рівноважного із грубною атмосферою й при витримці, як правило, продовжує віддалятися від рівноваги. Сам факт присутності азоту в газах, що виділяються з рідкої ванни, добре відомий. Незвичайність цього явища полягає в тому, що азот переноситься в напрямку більш високого його хімічного потенціалу (у системі метал-шлак-газ). Єдине можливе пояснення подібного переносу зв'язується із взаємодією потоків, розглянутим у термодинаміці необоротних процесів.

У даній роботі запропоноване пояснення такого поводження елементів у шлаковому розплаві, на основі спільного рішення двох рівнянь - закону простих кратних відносин:

,

та рівняння Гіббса-Дюгема:

.

Вважаючи, що система обмінюється із атмосферою тільки азотом і киснем, з одержимо:

.

З огляду на те, що й , знаходимо, що потік азоту повинен бути спрямований назустріч потоку кисню – від металу до грубної атмосфери:

.

Термодинамічна межа видалення азоту з металу “накачуванням” з рівняння Гіббса-Дюгема й закону простих кратних відносин буде виглядати:

или ,

де та - повний перепад хімічних потенціалів азоту й кисню в шарі шлаку. З можна одержати:

,

де - парціальний тиск кисню на границі шлак-газ; - парціальний тиск кисню на границі метал-шлак. На границі шлаку, що контактує з металом (у розрахунку приймемо 10-9), на границі шлак-газ . Рівноважний вміст азоту в металі при та 1600оС дорівнює 0,044% мас., при - . Отже

.

Із цього можна зазначити, що видалення азоту накачуванням повинне тривати до найнижчих його концентрацій.

На цій основі були розроблені технологічні прийоми, що дозволяють стабілізувати вміст азоту в металі на рівні 0,005 – 0,006 %. При проектуванні ТП виплавки сталей з регламентованим вмістом азоту система відповідним чином коректує технологічний процес. Статистичною обробкою даних знаходять коефіцієнт швидкості видалення азоту, що враховується при розрахунку поточного складу металу. Для умов ДСП-2 ММЗ коефіцієнт склав 1,17 10-2 %/год.

Строгий розрахунок за описаною схемою, реалізований у комп'ютерній програмі ОРАКУЛ, дозволяє прогнозувати поточний склад металу у виробничих системах по заданих керуваннях з погрішністю, порівнянною з розбіжністю аналізів у паралельних пробах 10 - 20% відн. Оскільки розрахунок для всіх елементів одноманітний, число компонентів системи ( ) не обмежено. У реалізованих програмах = 14, 20 і більше.

У третьому розділі – "Розробка системи автоматизованого проектування технологічного процесу виплавки сталі в ДСП", представлена розроблена САПР ТП, яка заснована на попередньому проектуванні ТП й оперативній корекції проекту у ході плавки.

До складу запропонованої САПР ТП входять дев'ять блоків (рис.): модуль ретроспективного статистичного аналізу роботи сталеплавильного агрегату (блок 1); модуль динамічної адаптації моделей системи керування (блок 2); модуль спостереження за ходом технологічного процесу, що забезпечує одержання інформації про кількість матеріалів й енергоносіїв що фактично надійшли й вийшли на даному часовому інтервалі для всієї системи проектування (блок 3); модулі прогнозу хімічного складу металу, шлаку, їхніх мас і температури й модуль розрахунку легуючих і розкислюючих добавок (матеріальний і тепловий баланси по всіх елементах; термодинамічний розрахунок поточного складу металу, шлаку і газу, що виділився, з урахуванням кінетичних запізнювань) (блоки 4-6). Спільну роботу модулів, використовуваних при рішенні завдання керування або імітаційного моделювання, організують за допомогою блоку проектування технологічного процесу, у якому здійснюють розрахунок проекту плавки; економічний розрахунок очікуваних показників (включаючи цільову функцію) (блок 7), вироблення (прийняття) оптимального рішення, видачу інформації на монітор (блок 8) і команд на виконавчі механізми (блок 9). Кожна з обчислювальних операцій, що входять у цей перелік, виконується на підставі певної математичної інтерпретації модулів, орієнтованих на рішення технологічних завдань, які зібрані у взаємопогоджуваний пакет прикладних програм, що одержав робочу назву ОРАКУЛ.

Розроблено метод автоматизованого попереднього проектування технологічного процесу плавки сталі для надпотужної ДСП (рис. ), заснований на ретроспективному статистичному аналізі роботи конкретного сталеплавильного агрегату й технологічних розрахунків, описаних у другому розділі й полягає в наступному:

- створення статистичного прототипу проекту технологічного процесу на основі аналізу досвіду роботи ДСП, що включає параметри існуючої технології, а також вид і стан обладнання, специфіку й можливості служб, що забезпечують, кваліфікацію персоналу і т.д. На підставі інформації про хід середньостатистичної плавки становлять структурну схему процесу по двох напрямках: технологічні операції й робота обладнання, що забезпечує хід процесу плавки. Основним структурним кістяком проекту конкретної плавки є кількість кошиків, що завалюють. Плавленню чергового кошика передує неенергетичний період (завалка або підвалка). При кількості кошиків рівній число періодів , з урахуванням періодів доведення й випуску, дорівнює: ;

- розподіл речовинних й енергетичних потоків плавки по виконавчих механізмах і пристроях, які забезпечують введення того або іншого потоку й розбивка циклу плавки на тимчасові відрізки, у яких відбуваються зміни режимів роботи виконавчих механізмів або пристроїв. Для кожного пристрою на основі динаміки витрати матеріалів й енергоносіїв у ході плавки (рис. ) формують середньостатистичний графік роботи в періоді , що відображає інтенсивність введення й витрату матеріалу або енергоносія від початку плавки. У якості контрольних крапок закінчення одного й початку наступного інтервалу роботи пристрою в даному періоді приймають моменти зміни режиму введення матеріалу або енергоносія, які характеризуються температурою системи й часом від початку плавки . Таким чином, одержуємо набір часових проміжків з параметрами , , і , що характеризують роботу технологічного обладнання печі як у відповідному періоді, так і по ходу всієї плавки, тобто середньостатистичний графік роботи кожного пристрою (введення матеріалу або енергоносія);

- узагальнення інформації із можливих режимів роботи всіх виконавчих механізмів ДСП у різні періоди плавки й формування таблиці припустимих режимів, обладнання ДСП яке використовується, протягом усього циклу плавки. На основі даних про кожен період і про роботу кожного пристрою останні збирають у єдину послідовно-часову структуру (рис. ), яка відображає хід технологічного процесу: погоджують часові режими роботи використаних виконавчих механізмів і розбивають періоди плавки на підперіоди. У результаті одержують середньостатистичний погоджений, але незбалансований графік ведення технологічного процесу;

- розрахунок матеріального й енергетичного балансів, розрахунок динамічної траєкторії майбутньої плавки з використанням описаної в розділі 2 математичної моделі. Попереднє проектування закінчують покроковим розрахунком плавки (рис. ) з керуваннями, що відповідають середньостатистичній плавці. Для цього встановлюють регламенти по температурі й хімічному складу по закінченні плавки (із завдання на плавку) і по оціненим середньостатистичним інтенсивностям введення матеріалів й енергоносіїв, масам завалки, тривалості підготовчих періодів, з урахуванням повного матеріального й енергетичного балансів, термодинамічного розрахунку й кінетичної корекції виконують імітацію плавки із заздалегідь заданим (досить малим) кроком за часом (рис. ). При цьому координатою, по якій визначають моменти переходів від одного технологічного періоду до іншого, є не час або витрата енергоносія, як звичайно, а розрахункова температура, при визначенні якої враховуються не тільки час і витрата енергії, але й можливі технологічні затримки й інші відхилення від проектного графіка. Одиничний крок імітації виглядає в такий спосіб (рис. блоки 5-11). У момент часу хімічний склад металу й шлаку, а також середня температура системи відповідно рівні й . За інтервал часу пристроєм буде введено матеріалів й енергоносіїв . На основі цього виконують прогноз зміни хімічного складу металу й шлаку, їхніх мас і середньої температури системи до моменту часу (рис. ). Потім беруть наступний інтервал часу й повторюють розрахунок;

- закінченням процесу проектування є досягнення параметрів завдання на плавку – часу циклу плавки, температури металу і його хімічного складу. Результатом проектування є графік майбутньої плавки (рис. ) з детальним проробленням режимів роботи всіх виконавчих механізмів і повною калькуляцією витрат по переділу. Крім цього, проект плавки включає моменти підвалки чергових кошиків, динаміку зміни складу і мас металу й шлаку, а також середньої температури системи в ході плавки.

Для узгодження швидкості окислювання домішок і нагрівання металу до методу проектування введені елементи оптимального керування. Змінюючи витрату альтернативних джерел тепла, ступінь напруги трансформатора, маси й типи шлаковідтворюючих і добавок, що спінюють, можна визначити набір шихтових матеріалів й енергоносіїв, що володіють мінімальною вартістю й задовольняють обмеженнями - хімічний склад металу, шлаку і температура. До перерахованих обмежень додають організаційні й технологічні обмеження: до діапазону робочих ступенів напруги трансформатора й загальної кількості електроенергії; до інтенсивності введення й загальної кількості кисню й газоподібних джерел тепла; до інтенсивності подачі й масі шихтових матеріалів; час закінчення розрахункового періоду. Функціональні залежності зміни температури й хімічного складу металу й шлаку від кількості енергоносіїв і матеріалів одержали шляхом адаптації відповідних модулів (рис. , блок 4-5) до рішення зворотного завдання.

Рис. . Фрагмент проекту (початок плавки) ТП виплавки сталі у надпотужній ДСП (умови ДСП-2 БМЗ).

Розроблено метод оперативної корекції проекту, що дозволяє вести плавку у надпотужній ДСП в автоматичному режимі. Метод корекції первісного проекту полягає в повторенні процедури попереднього проектування (рис. ) із урахуванням поточного фактичного стану процесу (рис. , блок 3) з інтервалом 5-40 секунд протягом всієї плавки. Визначення поточного стану ґрунтується на інформації про введені кількості матеріалів й енергоносіїв, на прогнозі хімічного складу металу, шлаку і їхніх мас, а також розрахунковій температурі системи. При роботі системи в масштабі реального часу є можливість коректування вихідних даних, на виниклі зміни система оперативно відреагує.

Створена САПР ТП у складі системи керування ОРАКУЛ впроваджена на 100т ДСП-1,2 БМЗ й 120т ДСП-2 ММЗ. Економічний ефект від впровадження склав 116499 доларів США на рік на одній ДСП по даним БМЗ (рис. ,).

Рис. . Показники роботи ДСП-1 БМЗ до (1999р.) і після впровадження САПР ТП (2000р.).Рис. . Порівняльний аналіз роботи ДСП-1 БМЗ у ручному й автоматичному (САПР ТП) режимах.ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі дістав подальший розвиток математичний опис динаміки фізико-хімічних процесів у сталеплавильній ванні надпотужній ДСП із метою створення на цій основі системи автоматизованого проектування технологічного процесу.

1. Виконано порівняльний аналіз літературних й розрахункових даних динаміки окислювання домішок. Показано, що багато фізико-хімічних особливостей реального процесу, що раніше зв'язувалися з кінетикою, можуть бути адекватно описані у квазістатичному наближенні. Зокрема, характерний злам на кривій окислювання вуглецю й інших елементів, що одержав назву “критичної концентрації”, не зв'язаний зі зміною ланок, що лімітують, або іншими кінетичними явищами. Його положення не залежить від інтенсивності уведення кисню й майже не залежить від температури, але може залежати від зовнішніх факторів, що впливають на засвоєння кисню металом - конструкції фурми, фізичні властивості шлаку та ін. Під час відсутності шлаку “злам” спостерігається в крапці рівних мольних концентрацій вуглецю й кисню в металі.

2. Запропоновано метод урахування кінетичних зсувів, що дозволяє адекватно описувати динаміку процесів, хід яких істотно відхиляється від рівноважного (наприклад, при продувці металу зверху). Визначено коефіцієнти розробленого методу для умов виплавки сталі у надпотужній ДСП. Для ДСП-1 Білоруського металургійного заводу коефіцієнт кінетичного зсуву перебуває в діапазоні 0,10-0,12 хв-1. Проведені промислові випробування показали точність прогнозу основних контрольованих елементів не нижче 20% відн.

3. Проведено дослідження з кінетики видалення азоту плавки у надпотужній ДСП. Показано, що вміст азоту в металі завжди багато нижче рівноважного із пічною атмосферою й при витримці, як правило, продовжує віддалятися від рівноваги. Подібні явища звичайно зв'язують із взаємодією потоків, розглянутих у термодинаміці необоротних процесів. У дійсній роботі запропоновано математичний опис цього явища на основі термодинамічного рівняння Гіббса-Дюгема й закону простих кратних відносин. Вперше показано, що для забезпечення зниженого вмісту азоту в металі, необхідно підтримувати парціальний тиск кисню на границі шлак-газ не нижче 10-3 Па. Показано теоретичну можливість глибокої деазотації металу до вмісту азоту до 10-8 % мас.

4. Розроблено технологічні прийоми, що дозволяють стабілізувати вміст азоту в металі на рівні 0,005 – 0,006%. При проектуванні ТП виплавки сталей з регламентованим вмістом азоту система відповідним чином коректує технологічний процес. Статистичною