ІНСТИТУТ ЧОРНОЇ МЕТАЛУРГІЇ ІМ. З.І. НЕКРАСОВА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

Гринько Анастасія Юріївна

УДК 669.02/09:669.162.2.083.133(043)

РОЗРОБКА ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ КРИТЕРІЇВ ДЛЯ ОЦІНКИ ПАРЦІАЛЬНИХ ТЕРМОДИНАМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ І РОЗПОДІЛУ ЕЛЕМЕНТІВ В СИСТЕМІ “ЧАВУН-ШЛАК”

Спеціальність 05.16.02

Металургія чорних металів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті чорної металургії ім. З.І. Некрасова

Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

ТОГОБИЦЬКА Дар'я Миколаївна,

Інститут чорної металургії

їм. З.І. Некрасова НАН України,

старший науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

КАМКІНА Людмила Володимирівна,

Національна металургійна академія

України, завідувач кафедри

теорії металургійних процесів

і фізичної хімії

кандидат технічних наук

ПЕТРЕНКО Віталій Олександрович,

ВАТ “Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського”, помічник генерального директора

Провідна установа: Дніпродзержинський державний

технічний університет Міністерства освіти та науки

України, кафедра руднотермічних процесів

Захист відбудеться “_19_” _січня__ 2007 р. о 1400 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.231.01 Інституту чорної

металургії ім. З.І. Некрасова НАН України за адресою: 49050,

м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України за адресою: 49050,

м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1

Автореферат розісланий “08” _грудня__ 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради К 08.231.01 Г.В. Левченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Пошук нових шляхів підвищення службових характеристик чавуну і техніко-економічних показників металургійного виробництва в значній мірі пов'язаний з вивченням фізико-хімічних властивостей металургійних розплавів. Для цього необхідне глибоке вивчення закономірностей формування структури, складу та властивостей багатокомпонентних металевих і шлакових розплавів у процесі їх взаємодії.

Незважаючи на велику кількість досліджень у цій галузі, проблема ще не вивчена в тій мірі, щоб загальні фізико-хімічні положення теорії рідкого стану можливо було б використати для прогнозування кінцевих результатів доменного процесу. У цьому зв'язку створення єдиної методичної основи й відповідних інструментальних засобів для моделювання реальних металургійних систем і процесів їх взаємодії є особливо актуальним. Використання фізико-хімічних моделей має ряд істотних переваг перед часто застосовуваним статистичним підходом. Фізико-хімічні моделі забезпечують можливість обліку розходжень кожної плавки по хімічному складу металу і шлаку, активностям компонентів чавуну, температурі та іншим технологічним особливостям.

Розробка ефективних методів прогнозування на основі створення сучасних інструментальних засобів, реалізованих у вигляді прикладного програмного забезпечення, істотно підвищить ефективність керування процесом доменної плавки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України. Дослідження проведені в рамках держбюджетних і хоздоговірних науково-дослідних робіт, №№ державної реєстрації: 0104U005554, 0105U002963, 0105U002966, 0102U004085, 0102U001520, 0102U001508, в яких автор брав участь у виконанні наукових досліджень, дослідно-промисловому і промисловому впровадженні розроблених фізико-хімічних критеріїв і моделей для оцінки парціальних термодинамічних властивостей і розподілу елементів у системі “чавун-шлак”.

Ціль роботи та задачі дослідження. Розробити методику визначення парціальних термодинамічних властивостей багатокомпонентних систем шляхом розвитку положень теорії направленого хімічного зв'язку, створеної Приходько Е. В. На основі розробленої методики створити моделі й програмні засоби для обчислення парціальних термодинамічних властивостей і розподілу елементів у системі “метал - шлак” при виплавці чавуну.

Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлено задачі:–

виконати аналіз існуючих підходів до визначення парціальних термодинамічних характеристик компонентів у розплаві;–

базуючись на експериментальних даних для добре вивчених бінарних систем виявити параметри, які визначають термодинамічний стан багатокомпонентних металургійних систем і розробити критерії, які характеризують активності елементів у системі “метал-шлак”;–

на основі теорії направленого хімічного зв'язку створити методику визначення парціальних характеристик компонентів металевого та шлакового розплавів по їх составам;–

розробити моделі, які дозволяють визначати сіркопоглинаючу здатність доменних шлаків, активності компонентів чавуну, рівноважний розподіл сірки між чавуном і шлаком;–

розробити базове прикладне та системне програмне забезпечення теоретичних досліджень термодинамічного стану розплавів, оперативного аналізу і контролю їх складу та властивостей у конкретних сировинних і технологічних умовах з використанням створених фізико-хімічних моделей.

Об'єкт дослідження – металургійний розплав, процеси розподілу елементів у системі “метал – шлак” при виплавці чавуну.

Предмет дослідження – фізико-хімічні параметри, критерії та моделі для оцінки термодинамічного стану розплавів і прогнозування парціальних термодинамічних властивостей компонентів чавуну і шлаку.

Методи дослідження – математичні і фізико-хімічні дослідження впливу модельних фізико-хімічних параметрів направленої міжатомної взаємодії на основні термодинамічні та електронні властивості речовин, розробка описових моделей, що включає створення алгоритму і реалізацію на ПЕОМ методики визначення часткових похідних від характеристик міжатомної взаємодії в багатокомпонентних розплавах.

Наукова новизна отриманих результатів пов'язана з розвитком і конкретизацією ряду положень теорії направленого хімічного зв'язку, розробленої Приходько Е. В., стосовно опису властивостей металургійних розплавів.–

Вперше розроблено аналітичний апарат, який описує в термінах теорії направленого хімічного зв'язку процедуру вирівнювання електронних щільностей на поверхнях взаємодіючих атомів;–

Запропонована нова методика обчислення парціальних термодинамічних характеристик компонентів металевого розплаву, заснована на чисельному диференціюванні функцій зарядового і структурного стану розплаву по компонентах складу;–

Підтверджена доцільність використання сполучення інтегральних і парціальних модельних параметрів міжатомної взаємодії в якості критерію для опису термодинамічних характеристик компонентів системи “метал-шлак”;–

Вперше отримані задовільні результати при переносі моделей для прогнозування термодинамічних властивостей елементів із трьохкомпонентних систем на багатокомпонентні. В результаті отримане підтвердження інваріантості відносно компонентності розплавів моделей, які описують парціальні термодинамічні властивості сірки, кремнію та вуглецю в залізовуглецевих розплавах, що є наслідком використання параметрів міжатомної взаємодії, обчислених при виконанні умови вирівнювання зарядових щільностей на поверхнях взаємодіючих атомів.

Практичну цінність роботи становлять:–

математичне забезпечення для розрахунку параметрів міжатомної взаємодії відповідно до розвинених положень теорії направленого хімічного зв'язку, реалізація даного забезпечення у вигляді прикладних комп'ютерних систем для використання в системах АСНД та АСУТП доменної плавки;–

фізико-хімічні моделі і математичне забезпечення для прогнозування парціальних термодинамічних характеристик компонентів чавуну та шлаку;–

прогнозні моделі для розрахунку коефіцієнту рівноважного розподілу сірки між чавуном і шлаком, сіркопоглинаючої здатності шлаку, граничної розчинності сірки в шлаку;–

система керування шлаковим режимом “Шлак”, реалізована як у вигляді інструменту прикладних досліджень для науковців, так і у вигляді засобу керування режимом доменної плавки в умовах діючих доменних печей №5, 6, 9 комбінату “Криворіжсталь”.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати роботи повідомлені на 8 конференціях і семінарах, у тому числі: II і III Всеукраїнських науково-технічних конференціях молодих учених і фахівців (м. Київ, 2003р., 2005р.), I Всеукраїнській науково-практичній конференції (м. Дніпропетровськ, 2003р.), Міжнародних науково-методичних конференціях (м. Дніпродзержинськ, 2002р., 2003р.), Науково-практичної конференції (м. Санкт-Петербург, 2004р.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 13 наукових статтях, з яких 11 – у наукових журналах і збірниках, 2 – у збірниках наукових праць конференцій.

Структура і об'єм роботи. Робота складається з вступу, п'яти розділів і висновків, викладена на 197 сторінках, включає 42 таблиці, 50 рисунків, 2 додатка і списку використованих джерел з 144 найменувань.

Особистий внесок автора. Узагальнення результатів досліджень, представлених у роботі і публікаціях, виконано особисто автором при консультаційній допомозі наукового керівника. У публікаціях в співавторстві [1,8,9] здобувачеві належать розрахункові та аналітичні дослідження математичних методів і розробка методики їх використання для прогнозування парціальних термодинамічних властивостей металевих розплавів. У публікації в співавторстві [2] на основі аналізу визначальної ролі параметра направленої зарядової щільності обґрунтоване його використання як критерію для визначення парціальних термодинамічних властивостей елементів металевих і шлакових систем. У публікації в співавторстві [7] і публікаціях [5-6] здобувачем розроблені моделі для визначення числового значення коефіцієнту активності вуглецю в системі “залізо – вуглець – легуючий компонент”, вуглецю та кремнію в чавуні, коефіцієнту рівноважного розподілу сірки між чавуном і шлаком, розвинені і конкретизовані положення теорії направленого хімічного зв'язку стосовно опису властивостей металургійних розплавів. У публікаціях в співавторстві [3-4, 10-11] здобувачем виконані, програмно реалізовані і освітлені результати впровадження у виробництво системних розробок створення інтегрованої системи інформаційного забезпечення задач контролю і керування шлаковим режимом доменної плавки. У публікаціях в співавторстві [12-13] - дослідження залежності складу, фізико-хімічних і теплофізичних властивостей чавуну від інтегральних параметрів міжатомної взаємодії.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обґрунтована актуальність, визначені ціль та задачі досліджень, освітлені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, відзначений особистий внесок автора, викладені результати апробації розробок, наведені структура та об'єм роботи.

У першому розділі виконаний аналіз існуючих підходів до моделювання термодинамічних властивостей металургійних розплавів. Можливості термодинамічних методів є досить обмеженими, тому що при їх використанні щодо опису реальних об'єктів термодинаміка оперує моделями: ідеальний розчин, регулярний, асоційований та ін.. З переходом до конкретного розчину висновки термодинаміки втрачають свою загальність і є строгими лише стосовно прийнятої моделі, але не стосовно розчинів взагалі. Існуючі теорії рідкого стану поки не в змозі охопити або врахувати вплив численних факторів, які виявляються важливими для металургів при визначенні різних властивостей розплавів. Тому для теорії металургійних процесів досить актуальна проблема залучення досягнень теорії хімічного зв'язку, фізичного матеріалознавства, сучасних математичних методів для розробки нових теоретичних і нестандартних напівемпіричних підходів, які дозволяють вирішувати нові класи прикладних і наукових задач, у тому числі, прогнозувати термодинамічні властивості компонентів реальних багатокомпонентних систем.

Експериментальне визначення термодинамічних і технологічних властивостей металургійних розплавів трудомістко і пов'язане з нагромадженням великої кількості похибок. У зв'язку з цим виникає некоректна задача моделювання при мінімумі апріорної інформації. У роботі запропонована методика оцінки параметрів моделей термодинамічних властивостей металургійних розплавів в умовах “зашумленості” апріорної інформації. Проведено порівняльний аналіз стійкості моделей, отриманих методом найменших квадратів і методом регулярізації по Тихонову, який показав перевагу методу регулярізації, що дозволило зменшити помилку апроксимації значень інтегральної енергії Гіббса бінарних розплавів в 8 разів.

У другому розділі наведені основні положення теорії направленого хімічного зв'язку, розробленої Приходько Е.В., аналітичний апарат якої використаний у даній роботі в якості теоретичної основи створення методології побудови моделей термодинамічних властивостей металургійних розплавів. Відповідно до даної теорії, металеві, оксидні та сольові розплави розглядаються як хімічно єдині системи, зміна складу яких позначається на всіх властивостях через зміну параметрів електронної структури. Електронна хмара атомів у сполуках і розчинах завжди деформується таким чином, щоб хвильова функція між партнерами всіх зв'язків була плавною і безперервною. Використання рівнянь СНІР (система неполяризованих іонних радіусів) дозволяє дати металохімічну інтерпретацію умови безперервності електронної щільності на поверхні контактуючих іонів, запровадивши уявлення про зарядову щільність ( ) на поверхні іонів і розраховувати цю величину для ізольованих і взаємодіючих атомів.

Результати проведених досліджень дозволили встановити, що при припущенні про направлений характер хімічного зв'язку і використанні для його кількісного опису направленої зарядової щільності () вдається одержати точні кореляції, які охоплюють увесь об'єм наявної експериментальної і розрахункової інформації про термодинамічні властивості іонів. Цей факт дозволив встановити перспективність застосування параметру зарядової щільності при визначенні парціальних термодинамічних величин металургійних розплавів, у зв'язку з чим гостро встало питання про коректність його обчислення.

Зарядові щільності на поверхні іонів взаємодіючих елементів та обчислюються відповідно до теорії направленого хімічного зв'язку – схема розрахунку наведена на рис. 1.

Рис. 1 Схема розрахунку параметрів зарядової щільності елементів і при утворенні зв'язку

У цих рівняннях величини , , , табульовані для всіх елементів періодичної системи Д. І. Менделєєва, параметри , , обчислюються виходячи з основних рівнянь теорії направленого хімічного зв'язку.

При описі схеми парної взаємодії особлива увага була приділена перевірці забезпечення умови вирівнювання зарядових щільностей на поверхнях взаємодіючих іонів. У наведеному алгоритмі (рис. 1) умова виконується приблизно в зв'язку з тим, що в якості другого доданка при визначенні ефективних зарядів іонів і використовується ділення на 2, тобто припускалося, що обидва взаємодіючих іона беруть однакову участь в утворенні зв'язуючої електронної хмари між реагентами. В результаті досліджень, описаних у другому розділі, був створений новий алгоритм розрахунку параметрів зарядової щільності, який показав, що повного вирівнювання по взаємодіючих компонентів можна досягти завдяки перерозподілу загального числа електронів між їхніми реагентами пропорційно їх , при якому частина , що відноситься до атома , визначається як

, а частина, що відноситься до атома – як:

.

Цими дослідженнями обґрунтоване використання параметру зарядової щільності у відповідності до нового запропонованого у роботі алгоритму розрахунку для опису парціальних термодинамічних властивостей елементів розплаву.

Використання параметрів електронної структури в якості “згортки” інформації про склад металевих та шлакових систем при описі закономірностей формування властивостей різних по складу систем підвищує ефективність застосування сучасних математичних методів обробки інформації. На ряді прикладів рішення фізико-хімічних задач на основі методики “згортки” інформації про склад металевих та шлакових систем, синтезу прикладних і математичних методів вирішена проблема одержання оптимального розв'язку системи нелінійних алгебраїчних рівнянь, яка описує механізм міжатомної взаємодії в багатокомпонентних металевих системах.

Для реалізації розрахунку параметрів відповідно до теорії направленого хімічного зв'язку створена інформаційно-аналітична система Metall. Особлива увага приділена реалізації переглянутих положень теорії направленого хімічного зв'язку відповідно до сучасних вимог щодо системного програмного і прикладного забезпечення.

В третьому розділі описана створена в роботі методологічна основа обчислення парціальних термодинамічних характеристик шляхом чисельного диференціювання інтегральних параметрів структури і зарядового стану металевого розплаву по -тому компоненту. Трактування металевого розплаву з позицій теорії направленого хімічного зв'язку, як хімічно єдиної системи, надає можливість використання інтегральних фізико-хімічних параметрів в якості функцій стану системи, а виходячи з того, що в класичній термодинаміці парціальні термодинамічні властивості визначаються шляхом чисельного диференціювання функцій стану системи по -тому компоненту – представляється логічним використання параметрів і для визначення парціальних термодинамічних характеристик шляхом чисельного диференціювання по компоненту .

При рішенні задач чисельного диференціювання функцій стану встає питання про вибір методу знаходження похідних. У роботі були отримані значення парціальних термодинамічних величин при різних методах знаходження числових значень першої похідної (інтерполяційним поліномом Лагранжа, методом найменших квадратів, методом Рунге-Ромберга) і оцінена їх погрішність за експериментальними даними – в результаті обґрунтовано застосування методу Рунге-Ромберга, що забезпечує найкраще наближення розрахункових даних до експерименту. Ґрунтуючись на розробленій методологічній основі побудови моделей парціальних термодинамічних характеристик, були отримані моделі для визначення парціальної енергії Гіббса в бінарних системах , , , , ( ): |

(1)

і активностей компонентів у цих системах : |

(2)

Методика моделювання парціальних термодинамічних властивостей багатокомпонентних розплавів, основана на використанні в якості функції стану системи інтегральних фізико-хімічних параметрів, дозволяє не тільки знизити параметричність моделей, але й створити моделі, інваріантні відносно компонентності розплаву.

Ґрунтуючись на даних, наведених у літературі для систем , , , , у роботі отримана модель для обчислення числового значення логарифма активності вуглецю в такого роду сполуках ( ): |

(3)

де – параметр, який характеризує зміну електронної щільності при іонізації атома легуючого компонента. У рамках апробації побудованої моделі проводився порівняльний тест результатів розрахунку коефіцієнтів активностей вуглецю в системі “залізо – вуглець – легуючий компонент” по запропонованій моделі (3) (рис. 2) і по методу еквівалентних концентрацій (рис. 3).

Рис. 2 Співвідношення розрахованих по моделі (3) і експериментальних значень логарифма активності вуглецю

Рис. 3 Співвідношення розрахованих по методу еквівалентних концентрацій і експериментальних значень логарифма активності вуглецю

Приведеними в третьому розділі дослідженнями показана доцільність використання інтегральних параметрів структури і зарядового стану металевого розплаву в якості модельних параметрів, що описують парціальні термодинамічні властивості елементів багатокомпонентних систем.

В четвертому розділі описане використання інтегральних і парціальних параметрів теорії направленого хімічного зв'язку, обґрунтованих в розділах 2 і 3, для узагальнення різноманітних дослідних даних у формі, зручній для вирішення задач прогнозування парціальних термодинамічних властивостей чавуну та шлаку. Показано, що для опису парціальної термодинамічної властивості компоненту системи необхідне використання трьох видів параметрів:

- характеристика “чистого” елементу;

- стан елементу в розплаві, що залежить від його оточення;

- інтегральний параметр, що характеризує загальний стан багатокомпонентної системи.

Вперше на якісно новій основі, яка базується на здійсненні обліку всіх трьох вищеперерахованих факторів, отримана модель, що дозволяє визначати граничну розчинність сірки в шлаковому розплаві ( ): |

(4)

де – зарядовий стан сірки в розплаві чистого компоненту, – середня зарядова щільність сірки в шлаковому розплаві, – хімічний еквівалент, що сумує дані про ефективні заряди всіх компонентів шлакового розплаву.

Установлено залежність сіркопоглинаючої здатності доменних шлаків від граничної розчинності в них сірки, яка описується наступним рівнянням ( ): |

(5)

На прикладі побудови моделі для визначення сіркопоглинаючої здатності доменних шлаків показана можливість переносу моделей, отриманих на вузькому концентраційному діапазоні компонентів на більш широкий.

Розвинуті у даній роботі положення про необхідність врахування параметрів , та при моделюванні парціальних термодинамічних властивостей компонентів розплаву підтверджені встановленням наступної залежності, яка описує коефіцієнт активності кремнезему в шлаковому розплаві: |

(6)

На підставі доказу інваріантості моделей, побудованих на розвинутих в роботі засадах, відносно компонентності та концентраційного діапазону, модель (7) для обчислення коефіцієнтів активностей вуглецю в системі “залізо – вуглець – легуючий компонент”, була приведена до загального виду (8), що є придатним для прогнозування коефіцієнту активності сірки, кремнію та вуглецю в чавунах: |

(7)

(8)

де – логарифм коефіцієнту активності компонента , тобто сірки, кремнію або вуглецю в чавуні, , – відповідно зарядова щільність і стан до вступу в реакцію елемента . Проведено порівняльний аналіз розрахункових даних по запропонованій моделі (8) з експериментальними даними Кулікова по коефіцієнтам активності сірки, даними Вінцера по коефіцієнтам активності сірки та даними Клітцинга по коефіцієнтам активності кремнію в чавунах (рис. 4). Вперше отримані задовільні результати при переносі моделей для прогнозування термодинамічних властивостей елементів із трьохкомпонентних систем на багатокомпонентні, що представляється принципово важливим наслідком використання нової методики опису розплавів як хімічно єдиних систем з позицій теорії направленого хімічного зв'язку.

Рис. 4 Відповідність розрахункових та експериментальних даних коефіцієнта активності сірки і кремнію в чавуні

Отримано модель рівноважного розподілу сірки між чавуном та шлаком з урахуванням коефіцієнту активності сірки в чавуні, обчисленого по моделі (8), і граничної розчинності сірки в шлаку, обчисленої по моделі (4): |

(9)

Проведено іспит моделі на реальних випусках ДП№5 комбінату “Криворіжсталь”. Запропоновані моделі для обчислення коефіцієнтів активностей компонентів чавуну, сіркопоглинаючої здатності шлаку і коефіцієнту рівноважного розподілу сірки доведені до практичної реалізації в системі АСУ доменної плавки для умов ДП№5 комбінату “Криворіжсталь”.

П'ятий розділ присвячений впровадженню в практичне використання теоретичних розробок даної роботи. Викладено принципи і досвід впровадження в практику металургійного виробництва розроблених фізико-хімічних моделей і критеріїв, алгоритмів і програм з метою створення ефективних інструментальних засобів для вирішення задач вивчення і прогнозування результатів доменного процесу.

В рамках створеної системи управління шлаковим режимом “Шлак” у даній роботі автором розроблене програмне забезпечення для наступного комплексу задач: контроль шлакового режиму по показниках технологічних властивостей шлаку за зазначений період (підсистема “Контроль”), прогноз складу та властивостей чавуну і шлаку при зміні параметрів плавки (шихтових і технологічних умов) (підсистема “Прогноз”), коректування базових і поточних показників завантаження шихти і технології для одержання кондиційного по сірці і кремнію чавуну на основі оптимізації шлакового режиму по фізико-хімічних і технологічних комплексних показниках, які характеризують властивості шлаку: в'язкість, ентальпія, сіркопоглинаюча здатність, міра наближення системи “метал-шлак” до рівноваги по сірці.

Впровадження системи “Шлак” в інформаційний простір уже існуючої інформаційної системи підприємства потребувало використання даних, які зберігаються на серверах різних служб під управлінням різних систем. У зв'язку з цим виникла проблема взаємозв'язку різних СУБД, яка в рамках даної роботи була вирішена шляхом створення і використання програмних серверів, що виконують роль “ланок” які зв'язують різні сервера. Використання цього підходу дозволило здійснити “інформаційну прив'язку” модулів системи “Шлак”, які знаходяться на робочих станціях доменних печей до серверів баз даних, розташованих у ЦАСПу, що дозволило технологам оперативно одержувати інформацію, необхідну для аналізу минулих випусків і прогнозу продуктів плавки.

Наглядна картина динаміки зміни показників, яка генерирується системою “Контроль”, дозволяє технологу оцінити рівність ходу печі, оцінити коливання і досліджувати викиди по показниках, які його цікавлять: хімічному складу чавуну і шлаку, вазі чавуну, основностям шлаку. Для обраного в якості аналізованого випуску генерується відеокадр з інформацією про склад чавуну і шлаку та набір властивостей, що містить визначення в'язкості та ентальпії по розробленим раніше моделям, сіркопоглинаючої здатності та мірі наближення системи “метал-шлак” до рівноваги по сірці по запропонованим у роботі моделям (5) і (9). Ситуації, при яких контрольовані параметри виходять за межі діапазонів критеріїв і , що забезпечують виплавку кондиційного по сірці і кремнію чавуну, оцінюються системою з видачею рекомендацій з відповідними заходами впливу.

З ціллю забезпечення стабільності показників якості чавуну розроблена та адаптована до умов роботи доменних печей комбінату “Криворіжсталь” автоматизована система “Прогноз”, яка забезпечує оперативний розрахунок складу і властивостей продуктів плавки по хімічному складу шихти, що завантажується та показникам технології, а також розрахунок складу і властивостей первинних шлаків. Використання системи “Прогноз” дозволяє ще на етапі завантаження скорегувати склад подачі або змінити параметри технології для запобігання виходу контрольованих параметрів за межі інтервалів якості.

Аналіз функціонування системи “Шлак” у досліджувані періоди показав значне зниження коливання випусків по сірці та кремнію в 2005 році (рис. 6) - після введення в експлуатацію системи “Шлак” на ДП№5 у порівнянні з 2004 роком (рис.5) – до початку експлуатації системи.

Рис. 5 Динаміка зміни сірки на ДП№5 комбінату “Криворіжсталь”до введення в експлуатацію системи “Шлак”

(аналізований період 19.09.2004 - 23.09.2004)

Рис. 6 Динаміка зміни сірки на ДП№5 комбінату “Криворіжсталь” після введення в експлуатацію системи “Шлак”

(аналізований період: 19.08.2005 - 23.08.2005)

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Використання методу регулярізації в якості методики оцінки параметрів моделей термодинамічних властивостей металургійних розплавів в умовах “зашумленості” апріорної інформації і порівняння його з методом найменших квадратів дозволило створити нові методологічні положення створення моделей, стійких до концентраційного діапазону та кількості компонентів складу.

2. Відповідно до ідей теорії поляризації та концепції электронегативності, обов'язковою для будь-якого типу хімічного зв'язку є умова вирівнювання електронної щільності () на поверхні контактуючих іонів. Однак в іонній кристалохімії та напівемпіричних теоріях міжатомної взаємодії, що використовують її подання, це питання конкретно не обговорюється у зв'язку з відсутністю методу визначення електронної щільності на поверхні іонів. Використання теорії направленого хімічного зв'язку дозволяє дати металохімічну інтерпретацію умови неперервності , ввівши уявлення про зарядову щільність () на поверхні іонів.

3. У процедурі розрахунку параметрів взаємодії на основі використовуваної теорії направленого хімічного зв'язку в неявному виді реалізується процедура вирівнювання , яка супроводжується зменшенням абсолютних значень суми цих параметрів для іонів в порівнянні з вихідним станом компонентів у вигляді атомів. Досягнута умова вирівнювання зарядових щільностей на поверхнях взаємодіючих атомів шляхом створення нового алгоритму розрахунку, що знаходиться в більшій відповідності з ідеями теорії поляризації і концепції електронегативності.

4. На основі методики “згортки” інформації про склад металевих і шлакових систем, синтезу прикладних і математичних методів, використання сучасних можливостей обчислювальної техніки, розв'язана задача одержання оптимального рішення системи нелінійних алгебраїчних рівнянь, яка описує механізм взаємодії елементів багатокомпонентних систем.

5. Для реалізації методики розрахунку параметрів міжатомної взаємодії відповідно до теорії направленого хімічного зв'язку створена інформаційно-аналітична система Metall. Особлива увага приділена реалізації переглянутих у роботі положень теорії направленого хімічного зв'язку відповідно сучасним вимогам до системного програмного і прикладного забезпечення.

6. Використання інтегральних параметрів структурного та зарядового стану для металевого розплаву в якості функцій стану системи дозволило реалізувати нову методологічну основу обчислення парціальних термодинамічних характеристик шляхом чисельного диференціювання зазначених функцій по компоненту . Інформаційно-аналітична система Metall доповнена новою процедурою, яка реалізує алгоритм визначення часткових похідних від характеристик міжатомної взаємодії.

7. Отримані моделі, які забезпечують обчислення коефіцієнту активності вуглецю в системі “залізо – вуглець – легуючий компонент” із задовільною для практичного використання точністю. Порівняльний аналіз отриманих результатів з традиційно використовуваними методами розрахунку активностей компонентів багатокомпонентних систем підтвердив коректність запропонованої методики визначення парціальних термодинамічних властивостей компонентів на основі чисельного диференціювання параметрів структурного та зарядового стану і перспективність даного підходу в порівнянні з іншими методами аналізу активностей компонентів у металургійних розплавах.

8. Вперше на якісно новому підході отримані моделі, які дозволяють визначати граничну розчинність сірки та активність кремнезему в шлаковому розплаві. Установлена залежність сіркопоглинаючої здатності доменних шлаків від граничної розчинності в них сірки. На прикладі побудови моделі для визначення сіркопоглинаючої здатності доменних шлаків показана стійкість моделей, отриманих на вузькому концентраційному діапазоні при перенесенні на більш широкий, чим докладно доведена інваріантість моделей, побудованих на основі параметрів міжатомної взаємодії, щодо концентраційного діапазону описуваних составів.

9. Вперше отримані задовільні результати при перенесенні моделей для прогнозування термодинамічних властивостей елементів з трьохкомпонентних систем на багатокомпонентні. Одержане підтвердження інваріантості відносно компонентності розплавів моделей, отриманих на основі параметрів міжатомної взаємодії.

10. Одержана модель рівноважного розподілу сірки між чавуном та шлаком з урахуванням коефіцієнту активності сірки в чавуні та граничної розчинності сірки в шлаку. Проведений її іспит на реальних випусках ДП№5 комбінату “Криворіжсталь”. Запропоновані моделі для обчислення коефіцієнтів активностей компонентів чавуну, сіркопоглинаючої здатності шлаку та коефіцієнту рівноважного розподілу сірки доведені до практичної реалізації в системі АСУ доменної плавки для умов ДП№5 комбінату “Криворіжсталь”.

11. В процесі введення в експлуатацію системи “Шлак” здійснена “інформаційна прив'язка” виконуючих модулів, які розташовані на робочих станціях доменних печей, до серверів баз даних, які знаходяться у ЦАСПу, що дозволило технологам оперативно одержувати інформацію, необхідну для аналізу минулих випусків і прогнозу продуктів плавки. Впровадження системи “Шлак” у реальні умови доменного виробництва забезпечило промислову апробацію розроблених у роботі моделей та підтвердило їх коректність.

12. Наданий технологам інструмент вивчення і прогнозування результатів доменного процесу у вигляді системи “Шлак”, складовою якого є комплекс створених у даній роботі моделей дозволяє вирішувати задачі економії сировинних і енергетичних ресурсів, зниження матеріалоємності виробництва чавуну, підвищення продуктивності і якості продукції доменного виробництва.

Основний зміст дисертації опубліковано у роботах:

1. Тогобицкая Д.Н., Гринько А.Ю. Разработка методики прогнозирования парциальных термодинамических свойств металлических расплавов на основе численного дифференцирования параметров зарядового состояния // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. – Днепропетровск, 2002. – Вып. 5. – С. 223-229.

2. Приходько Э.В., Тогобицкая Д.Н., Гринько А.Ю. Теоретические основы методики определения химических потенциалов ионов в соединениях и растворах // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. – Днепропетровск, 2003 – Вып. 6. – С. 226-237.

3. Тогобицкая Д.Н., Оторвин П.И., Белькова А.И., Гринько А.Ю. Автоматизированная система контроля и управления шлаковым режимом доменной плавки // Металлург. – Москва, 2004 – №4. – С. 43-46.

4. Оторвин П.И., Кекух А.В., Тогобицкая Д.Н., Белькова А.И., Гринько А.Ю., Можаренко Н.М. Совершенствование шлакового режима доменной плавки в условиях сырьевого обеспечения комбината “Криворожсталь” // Сталь. – Москва, 2004 – №6. – С. 24-28.

5. Гринько А.Ю. Определение численного значения активности углерода в системе “железо-углерод-легирующий компонент” // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. – Днепропетровск, 2004 – Вып. 7. – С. 331-336.

6. Гринько А.Ю. К вопросу расчета зарядовой плотности в теории направленной химической связи // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. – Днепропетровск, 2004 – Вып. 9 – С. 255-261.

7. Гринько А.Ю., Тогобицкая Д.Н. Прогнозирование термодинамических свойств расплавов при выплавке чугуна // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. – Днепропетровск, 2005. – Вып.11. –С. 185-193.

Додаткові результати опубліковані в роботах:

8. Тогобицька Д.М., Бойко Л.Т., Гринько А.Ю. Про два методи розв’язування однієї нелінійної прикладної задачі // Питання прикладної математики і математичного моделювання. – Дніпропетровськ, 2001. – С. 98-103.

9. Бойко Л.Т., Тогобицька Д.М., Гринько А.Ю. Зменшення похибки розв’язку задачі обчислення термодинамічних характеристик багатокомпонентних металевих систем // Питання прикладної математики і математичного моделювання. – Дніпропетровськ, 2002. – С. 27-31.

10. Тогобицкая Д.Н., Белькова А.И., Гринько А.Ю., Евглевский В.С, Васюченко П.А. Влияние шихтовых и технологических условий на межфазное распределение элементов при выплавке чугуна в условиях КГГМК “Криворожсталь” // Теория и практика производства чугуна, посвященной 70-летию КГГМК “Криворожсталь”: Тр. МНТК. – Кривой Рог, 2004. – С. 320- 324.

11. Тогобицкая Д.Н., Белькова А.И., Хамхотько А.Ф., Оторвин П.И., Гринько А.Ю. Выбор рационального состава доменной шихты на основе физико-химического моделирования свойств расплавов // Металлургия России на рубеже XXI века: Сб. науч. тр. МНПК. – Новокузнецк, 2005. – С. 92-99.

12. Приходько Э.В., Мороз В.Ф., Тогобицкая Д.Н., Гринько А.Ю. Физико-химическое моделирование теплофизических свойств жидкого чугуна // Металлургия России на рубеже XXI века: Сб. науч. тр. МНПК – Новокузнецк, 2005. – С. 55-59.

13. Тогобицкая Д.Н.. Мороз В.Ф., Гринько А.Ю. Физико-химическое моделирование теплофизических свойств жидкого чугуна // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. МНПК – Днепропетровск, 2005. – Вып.11. – С. 180-184.

АНОТАЦІЯ

Гринько А.Ю. Розробка фізико-хімічних критеріїв для оцінки парціальних термодинамічних властивостей і розподілу елементів в системі “чавун-шлак” - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.02 - “Металургія чорних металів”. - Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, м. Дніпропетровськ, 2006.

Дисертаційна робота присвячена актуальним питанням розв'язання задач управління процесом виплавки якісного чавуну та створенню із цією ціллю фізико-хімічних моделей, які дозволяють визначати парціальні термодинамічні властивості компонентів чавуну, оцінювати рафіновачні властивості шлаку і прогнозувати розподіл елементів у системі “метал-шлак” при виплавці чавуну.

На основі теорії фізико-хімічного моделювання металургійних розплавів, розробленої Приходько Е.В., у роботі розвинена методика прогнозування парціальних термодинамічних властивостей бінарних, трикомпонентних і складних багатокомпонентних систем.

Уточнено механізм розрахунку параметра зарядової щільності, наведене обґрунтування його використання як модельного параметру для опису термодинамічних властивостей елементів реальних металургійних багатокомпонентних систем.

У роботі описані, досліджені й доведені до комп'ютерної реалізації методики моделювання парціальних термодинамічних властивостей елементів багатокомпонентних систем: метод регулярізації параметрів Тихонова, методи розв'язання систем нелінійних рівнянь (метод базового рівняння й метод Ньютона), методи чисельного диференціювання.

Розроблено моделі для прогнозування парціальних термодинамічних властивостей бінарних і потрійних систем. Уперше отриманий задовільний результат перенесення моделі, побудованої на потрійних системах на багатокомпонентні - у результаті отримані моделі визначення активностей компонентів чавуну доведені до практичної реалізації. На основі розвинених у роботі представлень про розрахунок параметра зарядової щільності отримані моделі визначення чисельного значення граничної розчинності сірки в шлаку, сіркопоглинаючої властивості шлакових розплавів, рівноважного коефіцієнта розподілу сірки між чавуном і шлаком.

Всі розроблені моделі покладені в основу автоматизованої системи “Шлак”, що функціонує в системах АСУТП ДП комбінату “Криворіжсталь”. У результаті проведення порівняльного аналізу коливання вмісту сірки та кремнію в чавуні до й після введення в експлуатацію системи “Шлак” виявлене істотне зменшення коливання контрольованих показників.

Ключові слова: термодинамічні властивості, розподіл елементів, чавун, шлак, фізико-хімічне моделювання, автоматизована система.

АННОТАЦИЯ

Гринько А.Ю. Разработка физико-химических критериев для оценки парциальных термодинамических свойств и распределения элементов в системе “чугун–шлак” – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 – “Металлургия черных металлов”. - Институт черной металлургии им. З.И. Некрасова НАН Украины, г. Днепропетровск, 2006.

Диссертационная работа посвящена актуальным вопросам решения задач управления процессом выплавки качественного чугуна и создания с этой целью физико-химических моделей, позволяющих определять парциальные термодинамические свойства компонентов чугуна, оценивать рафинирующие свойства шлака и прогнозировать распределение элементов в системе “металл-шлак” при выплавке чугуна.

На основе теории физико-химического моделирования металлургических расплавов, разработанной Приходько Э.В., в работе развита методика прогнозирования парциальных термодинамических свойств бинарных, трехкомпонентных и сложных многокомпонентных систем.

Уточнен механизм расчета параметра зарядовой плотности, приведено обоснование его использования в качестве модельного параметра для описания термодинамических свойств элементов реальных металлургических многокомпонентных систем.

В работе описаны, исследованы и доведены до компьютерной реализации методики моделирования парциальных термодинамических свойств элементов многокомпонентных систем: метод регуляризации параметров Тихонова, методы решения систем нелинейных уравнений (метод базового уравнения и метод Ньютона), методы численного дифференцирования.

Разработаны модели для прогнозирования парциальных термодинамических свойств бинарных и тройных систем. Впервые получен удовлетворительный результат переноса модели, построенной на тройных системах на многокомпонентные – в результате полученные модели определения активностей компонентов чугуна доведены до практической реализации. На основе развитых в работе представлений о расчете параметра зарядовой плотности получены модели определения численного значения предельной растворимости серы в шлаке, серопоглотительной способности шлаковых расплавов, равновесного коэффициента распределения серы между чугуном и шлаком.

Все разработанные модели положены в основу автоматизированной системы “Шлак”, функционирующей в системах АСУТП ДП комбината “Криворожсталь”. В результате проведения сравнительного анализа колеблемости содержания серы и кремния в чугуне до и после ввода в эксплуатацию системы “Шлак” выявлено существенное уменьшение колеблемости контролируемых показателей.

Ключевые слова: термодинамические свойства, распределение элементов, чугун, шлак, физико-химическое моделирование, автоматизированная система.

THE SUMMARY

Grinko A. Yu. The development of physical-chemical criteria for an estimation of the partial thermodynamic properties and for an distribution of elements in system "cast iron - slag" - the Manuscript.

The dissertation on a competition of a scientific degree of candidate of technical sciences on a specialty 05.16.02 - “ Metallurgy of ferrous metals ”. - Institute of ferrous metallurgy by Z.I. Nekrasov NAS by Ukraine, Dnepropetrovsk, 2006.

The dissertational work is devoted to the actual questions of the decision of the tasks of management by process of smelting the qualitative cast iron and creation with this purpose of the physical-chemical models, allowing to determine the partial thermodynamic properties of components of cast iron, to estimate the refiner properties of slag and to predict the distribution of elements in system "metal - slag" at the smelting the cast iron.

On the basis of the theory of physical-chemical modeling metallurgical melts, which developed by Prihodko E.V., in the work advances a method of forecasting the partial thermodynamic properties of the binary, three-componental and complex multicomponent systems.

The mechanism of calculation of charging density parameter is specified, the substantiation of its use is resulted as modeling parameter for the description of thermodynamic properties of elements of real metallurgical multicomponent systems.

In the work are described, investigated and finished with computer realization the technique of modeling partial thermodynamic properties of elements of multicomponent systems: a method of the normalization by Tikhonov parameters, methods of the decision of systems of the nonlinear equations (a method of the base equation and a method of Newton), methods of numerical differentiation.

Models for forecasting partial thermodynamic properties of binary and threefold systems are developed. For the first time the satisfactory result of carry of the model constructed on threefold systems on multicomponent is received - in result the received models of definition activities components of cast iron are finished with practical realization. On the basis of the representations advanced in work about calculation of parameter of charging density models of definition of numerical value of limiting solubility of sulfur in slag, of sulfur absorption abilities of slag, equilibrium factor of distribution of sulfur between cast iron and slag are received.

All developed models are based the automated system " Slag" functioning in automated control system of engineering process of blast furnace of combine "Krivoroghstal". As a result of carrying out of the comparative analysis of variability the contents of sulfur and silicon in cast iron before commissioning system " Slag " essential reduction variability controllable parameters is revealed.

Key words: thermodynamic properties, distribution of elements, cast iron, slag, physical-chemical modeling, automated system.