Міністерство промислової політики України

Державне підприємство“

Науково-виробнича корпорація

“Київський інститут автоматики””

Джавад Мохаммад Шарбатіан

УДК 669.184.244.66.001.57-52

РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ І СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ПРОЦЕСОМ ШЛАКОУТВОРЕННЯ У ВАННІ КОНВЕРТЕРА

05.13.07 - автоматизація технологічних процесів

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Богушевський Володимир Святославович,

професор кафедри фізико-хімічних основ

технології металів, ІФФ, НТУУ “КПІ”.

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор

Шумілов Кирило Андрійович,

головний науковий співробітник Науково-

виробничого підприємства “Київський

інститут автоматики”;

кандидат технічних наук, доцент

Кишенько Василь Дмитрович,

доцент кафедри автоматизації та комп’ютерно-

інтегрованих технологій Національного

університету харчових технологій.

Провідна установа Київський національний університет будівництва

та архітектури Міністерства освіти і науки України,

кафедра управління проектами.

Захист відбудеться 07.06.2006 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.26.818.01 ДП “НВК “Київський інститут авто-матики”” за адресою: 04107, Київ, вул. Нагірна, 22, корп. 1, к. 219

Відзиви на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи, просимо надсилати за адресою: 04107, Київ, вул. Нагірна, 22, ДП “НВК “КІА””, вченому секретарю.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДП “НВК “Київський інститут автоматики””.

Автореферат розісланий 05.05. 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук Л.П. Тронько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В теперішній час загальне виробництво сталі в Ірані становить 6,9 млн. т (22 місце в світовому виробництві). Третина цієї кіль-кості (2,01 млн. т) виробляється в конвертерах.

Серед способів виплавки сталі киснево-конвертер-ний є одним із най-більш складних за природою і методами керування, осо-б-ливо опе--ратив-ного. Керуван-ня здійснюється в умовах неповноти інформації, то-му що при сучасному рів-ні розвитку техніки неможливо здійс-ни-ти прямі виміри ос-но-в-них вихід-них коор-динат складу металу та його температу-ри. Серед ок-ре-мих складових техно-ло-гічного процесу особливе місце зай-має шла-ко-утво-рен-ня.

Відомі фізико-хімічні моделі описують процес шлакоутворення для вузь-ких діапазонів змінення температури і складу шлаку. Рівняння нелі-ній-ні від-но-с-но ма-сових часток домішок. Аналіз моделей, які ви-корис-то-вуються на прак-ти-ці, пока-зує, що задача керування в них зводить-ся до об-чис-лен--ня таких ке-рую-чих діянь, які переводили б оптималь-ним чином об’єкт із ви--хід-но-го ста-ну в заданий кінцевий. Такі моделі успіш-но пра-цю-ють тіль---ки при ретельній підго-товці шихто-вих матеріалів за хімскладом, тем-пера-ту-рою та на-си-п-ною масою.

Актуальність теми обумовлюється необхідністю вирішення проблем роз-роб---ки математичної моделі, що забезпечує можливість керування процесом шлако-ут-ворення з необхідною точністю, нових науково обґрунтованих і прак-тич--но реалізу-є-мих методів вимірювання окремих параметрів процесу, викорис-тан-ня яких підви-щує якість керування, і створення на цій базі системи керуван-ня шлакоутворен-ням в складі АСК ТП конвертерної плавки, що орієнту-ється на вітчиз-няні і зару-біж-ні металургійні підприємства.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота ви-ко-ну-валась згідно з тематичним планом Державного науково-виробничого під-при-єм-ства “Київський інститут авто-ма-ти-ки” (ДНВП “КІА”) Міністерства про-мис-ло-вої по-літики України, планом найважливіших робіт ВАТ “Мета-лургій-ний комбі-нат “Азовсталь”” ВАТ “МК “Азовсталь””).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є покращання якості керуван-ня процесом шлакоутворення за рахунок розробки відповідних способів, засо-бів кон-тролю параметрів процесу, моделей і алгоритмів та ство-рення на їх ос-но-ві системи контролю і керування з автоматичним вибором струк-тури мате-матич-ної моделі і настройкою її параметрів для безперервного функціону-вання в ре-жи--мі статично-го, динамічного і замкнутого керування1).

1) В роботі терміни статичне, динамічне і замкнуте керування відображають поняття, що прийняті у чорній металургії: статичне розрахунок керуючих діянь за початковими і задани-ми параметрами плавки; динамічне контроль основних параметрів процесу у ході продувки і розрахунок за результатами контролю рекомендацій по веденню процесу; замк-ну-те керування ходом процесу в режимі прямого цифрового керування (ПЦК).

У відповідності до цієї мети вирішувалися наступні задачі:

проведення порівняльного аналізу математичних моделей процесу шла-ко-ут-ворення в режимі статичного, динамічного і замкнутого керування;

визначення на основі теоретичного аналізу і експериментальних дослід-жень факторів, які впливають на критерій оптимального керування процесом шлако-ут-ворення;

наукове обґрунтування, дослідження, розробка і впровадження матема-тич-ної моделі процесу шлакоутворення, принципів і спо-собів контролю пара-мет-рів, алгоритму контролю і керування;

розробка і впровадження автоматизованої системи керування процесом шла-коутворення у складі АСК ТП конвертерної плавки.

Об’єктом дослідження є АСК ТП конвертерної плавки (КП).

Предмет дослідження система контролю і керування процесом шла-ко-утворення з метою розробки способів і засобів її удосконалення.

Методи досліджень. При побудові математичної моделі процесу шлакоут-во-рення використовувались основні положення теорії металургійних процесів, математичного і фізичного мо-де-лю--вання, теорії автоматичного керування та розпізнавання образів. Алго-ритм контро-лю та керування розроблено з вико-ри-станням теорії імовірності та мате-матичної статистики. Для ідентифікації мо-делі застосовувались результати плавок позитивної вибірки, стандартні ме-тоди випробувань та конт-ролю якості сталі, по-єднання прямих вимірів основ-них па-раметрів КП з контролем тісно зв’язаних з ними непря-мих по-казників. Оброб-ка експери-менталь-них даних виконувалась на персо-наль-них ЕОМ (ПЕОМ).

Наукова новизна отриманих результатів полягає у вирішенні актуальної проблеми розробки математичних моделей і си-стеми керування процесом шлакоутворення. До числа нових наукових результатів, що отримані в роботі, відносяться:

вперше встановлені функціональні зв’язки пульсаційних параметрів (час-тоти і амп-лі-ту-ди) га-зу, що відходить, а також зміни маси фурми в процесі про-дувки зі шла-ко--утворенням в плавці, що суттєво розширило сферу засто-су-вання ін-фор-мації газової фази, зокрема до-зволило здійснити безперервний конт--роль рівня ванни;

дослідження нового підходу до побудови моделі керуван-ня шлакоутво-ренням у кон-вертері, який базується на системному розгляді про-цесів знесір-кування до, при продувці, додувці і в агрегаті доводки сталі;

удосконалення підходу до проблеми побудови математичної моделі про-це-су шлакоутворення, заснованого на сукупному застосуванні детермінова-них, імо-вірних та евристичних методів з наступною ідентифікацією моделі в про-цесі екс-плуатації за плавками позитивного досвіду;

вперше вирішена проблема оптимізації процесу видалення сірки в кон-вер-терному виробництві;

подальший розвиток методів контролю рівня ванни і ходу шла--ко-утво-рення, що враховують параметри роботи водоохолоджуючого устат-ку-ван-ня, газу, що відходить, і фу-терівки.

На захист виносяться:

моделі керування шлакоутворенням в конвертері, побу-до--вані на базі де-термінованих, імовірних та евристичних методів, що викорис-то-ву-ють ме-тоди автоматичної класифікації і позитивний досвід попереднього керування;

методи контролю основних режимних параметрів процесу рівня ванни і хо-ду шлакоутворення шляхом включення у відповідні моделі параметрів ро-бо-ти водоохолоджуючого устаткування, пара-мет-рів газу, що відходить, футе-рів-ки і фурми;

методологію контролю і керування режимними параметрами конвертер-ної плавки з використанням результатів прогнозу основних технологічних пара-мет-рів за розробленими математичними моделями;

результати досліджень застосування моделей, алгоритмів, ме-то-дів конт-ро-лю і керування режимними параметрами і системи керування про-це-сом шла-ко-утворення.

Практичне значення отриманих результатів. Корис-ність про-ведених автором досліджень, розробок і впроваджень полягає в усу-нен-ні харак-терних недоліків попередньої практики створення математичних моделей і систем керування процесом шлакоутворення. Одержано наступні результати:

розроблені і випробувані у виробничих умовах моделі і алгоритми конт-ролю пара-метрів процесу шлакоутворення;

доведена можливість суттєвого підвищення точності керування за раху-нок уведення в модель зворотного зв’язку за непрямими параметрами процесу;

розроблена система керування процесом шлакоутворення в складі АСК ТП КП, яка реалізує статичне, динамічне і замкнуте керу-вання;

моделі, алгоритми контролю і керування, що отримані в процесі прове-ден-ня досліджень, реалізовані в АСК ТП КП, яка розроблена для ВАТ “МК “Азовсталь””.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і реко-мен-дацій підтверджується коректним використанням математичного апарату, а також ефективною перевіркою моделей і алгоритмів за виробничими даними.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обго-во-рювались на науково-технічних конференціях (НТК) та семінарах: міжна-род-ній науко-вій конференції “Сучасні проблеми теорії і практики виробництва які-сної сталі” (Маріуполь, 2004 р.); міжнародній НТК “Прогресивні технології в металургії сталі: ХХІ сторіччя” (Донецьк, 2004 р.); міжна-род-ній науково-прак-тичній конференції “Інтелектуальні системи прийняття рішень та інфор-маційні технології” (Чернівці, 2004 р.); міжнародній конференції з авто-матич-ного уп-равління “Автоматика-2005” (Харків, 2005 р.); XI міжна-род-ній НТК “Теорія і практика сталеплавильних процесів” (Дніпропетровськ, 2005 р.), доклади якої опубліковані в журналі “Металл и литье Украины”. – 2005. – № 3 – 4.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи надруковані в 9 ро-ботах, із них 4 статті в журналах, що затверджені ВАК як фахові видання з тех-нічних наук, та 4 тез доповідей на НТК.

Особистий внесок пошукувача. Основні наукові результати дисертацій-ної роботи належать ди-сертанту. В роботах, написаних у співавторстві, осо-бис-то дисертанту належать такі положення: розробка і дослідження нового під-хо-ду до проблеми створення математичної моделі процесу шлакоутворення в кон---вертері [2, 9]; системний розгляд процесів видалення шкідливих домішок перед і при продувці, додувці в конвертері, а також в агрегаті доведення сталі [1]; мо-дель керування процесом шлакоутворення [3, 5, 6]; розробка методів конт-ро-лю основних режимних пара-метрів процесу рівня ванни і ходу шла-коут-во-рення [4, 7, 8].

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з всту-пу, п’яти розділів, заключення (загальних висновків), списку використаних дже-рел з 90 найменувань та 2 додатків. Обсяг роботи становить 160 сторінок, з яких основ-ного тексту 152 сторінки, 5 таблиць, 41 рисунок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, визначено мету та задачі до-сліджень, викладені наукова новизна та практична цінність отриманих ре-зульта-тів, а також наведено їх апробацію, публікації та впровадження.

У першому розділі наведено основні задачі по керуванню КП. За літера-турними даними проведено огляд існуючих моделей контро-лю та керування процесом шлакоутворення, наведена їх класифікація. Роз-гля--нуто принципи ал-горитмічного забезпечення АСК шлакоутворенням, що об’єд-ну-ють за-дачі ста-тичних, динамічних та замкнутих моделей. Наведено по-становку задачі прове-ден-ня у рамках роботи досліджень, що забезпечують точ-ний та сво-єчасний контроль складу шихтових матеріалів, урахування неконтро-льованих збурю-ючих діянь, відтворення моделей шлакоутворення на кон-кретних плав-ках, ство---рення засобів та пристроїв їх контролю та керування про-цесом шла-коут-во-рення в складі АСК ТП КП.

У другому розділі наведені характеристики об’єкта досліджень, умови про-ве-дення експериментів, методика досліджень та обробки результатів, тех-ніч-ні ха-рактеристики засобів контролю, що викорис-тову-вались у досліджен-нях.

Проведено дослідження технологічних закономірно-с-тей для контролю й керування процесом шлакоутворення, включаючи контроль хі-міч-ного складу ча-ву-ну (перед виливом його у ківш і взяття проби на аналіз), в’яз-кісних харак-те-рис-тик чавуну, комплексних і режимних параметрів плавки.

Визначено вплив неконтрольованих збурюючих діянь (попадання піс-ку та окалини з брухтом, міксерного шлаку з чавуном, вологи при течі фур-ми й охо-лоджувача конвертерних газів (ОКГ)) на кінцеві параметри продувки, які до-сягають за основністю 0,2...0,6 від окремих складових.

Дослідження впливу параметрів режиму дуття та моментів введення ма-те-ріалів на процес шла-коутво-рен-ня показали, що зростання відстані кінце-ви-ка фурми до рівня спокійної ван-ни приводить до збільшення окисленості і ос-нов-ності ванни, що до-зволяє змен-ши-ти кількість шлакоутворюючих (вапна, плав-не-вого шпату), до зни-ження ма-со-вих часток мангану в металі і оксиду маг--нію у шлаку, в результаті чого збіль-шується кількість розкислювачів і змен-шу-ється кіль-кість вогнетривів. Збільшення питомої витрати кисню приводить до зни-жен-ня окисленості, ос-нов-ності і масо-вої частки оксиду магнію в шлаку і до збільшення частки мангану в металі. Зміщення моменту введення вап-на від по-чатку продув-ки екстремально по-зна-чається на основності шлаку і збіль-шує ма-со-ву частку ок-сиду магнію, зміщен-ня моменту введення вапняку змен-шує ос-нов--ність і збіль-шує масову частку ок-сиду магнію, а зміщення моменту вве-ден-ня плавневого шпату діє у протилежному напрямку.

Досліджені параметри теплової роботи водоохолоджуючого устаткування. Встановлено, що при низькій частці вуглецю барботаж ванни практично від-сут-ній. Фактором, що визначає теплове навантаження на фурму, є температура ван---ни, яка змінюється через окислення заліза:

tф.к = 29,4 + 0,22FeO к, (1)

де t ф.к температурний перепад охолоджуючої води на фурмі, 0С;

FeOк сумарна масова частка закису заліза. Тут і далі індекс “к” відно-си-ть-ся до значення параметра в кінці продувки.

Досліджено зв’язок між параметром FeOк і значенням температурного лі-нійного подовження екранних труб під’ємного газоходу lк:

lк = 5,28 + 0,21FeOк. (2)

Динаміка формування у конвертері реакційноспроможного гомогенного шла-ку в значному ступені залежить від його рідкорухомості (в’язкості), яка ре-гу-люєть-ся шихтовкою плавки і параметрами режиму дуття. В’язкі шлаки ус-кладню-ють барботаж розплаву і за час продувки в режимі заглибленого стру-ме-ня нашаро-вуються на стінку фурми. Отже, за товщиною шлакового шару на по-верхні фурми можна контролювати хід шлакоутворення.

Ефект нашарування шлакового розплаву на стінку фурми контролюють за ди-на-мікою змінення теплового навантаження останньої, тобто запізнюванню змі-нення температурного перепаду охолоджуючої води на різку зміну темпе-ра-тури в порожнині конвертера.

Встановлено зв’язок запізнювання реакції футерівки і фурми на різке тем-пературне збурення у ванні з хімічним складом шлаку, зокрема, з вмістом окис-лів заліза в ньому. Для ви-ключення впливу коефіцієнта температуро-про-від-но-сті тем--перату-ру виміряли у двох різновіддалених від границі точках і визна-ча-ли співвідношен-ня проміжків часу їх реакції на різке збурення темпе-ра-тури ван-ни. Надалі вимір температури у другій точці замінили на вимір елект-ро-опору футерівки, що суттєво спростило пристрій контролю.

У третьому розділі наведені результати дослідів вихідних параметрів, що можуть використовуватись для контролю режиму шлакоутворення в якості зво-рот-ного зв’язку. Встановлено, що еквівалентний вміст окисів заліза (FeO)е

(3)

де значення параметра з індексом “макс” є максимальним.

Встано-влені функціональні зв’я-зки пульсаційних параметрів газу з ходом продувки, що суттєво розширило сферу застосу-вання інформації га-зової фази при дослідженні перехідних характеристик кон-вертера з метою ефек-тивного контролю і керування процесом. Математичне описання амплітуди ко-ливань тиску газу (р1, Па) засновано на викори-станні термодинамічних залеж-но-стей для квазістаціонарного процесу при допу-щенні ізохорності реакції пуль-су-ючо-го горіння. Для вільного об’єму по-рож-нини конвертера:

, (4)

де СО масова частка вуглецю ванни, що окислюється до СО;

, питомі теплові ефекти реакції горіння вуглецю з участю хо-лод--но-го кисню відповідно до СО і СО2, Дж/кг;

число коливальних ступенів свободи молекули відповідно окси-ду і діоксиду вуглецю;

f частота коливань тиску газів, Гц;

(Vк Vв) = Vсв вільний об’єм конвертера, м3. Тут Vк, Vв об’єми відповідно порожнини конвертера і ванни в се-реди-ні кампанії за футерівкою.

Вільний об’єм кон-вертера, тісно зв’язаний з рівнем ванни (h в.к, м):

, якщо ;

, якщо ,

де hк, hв висота порожнини і її верхньої частини в конвертері, м;

Rг, R відповідно радіус горловини і внутрішній радіус циліндричної частини конвертера за ходом кампанії фу-те-рівки, м.

Використання параметра hв.к, що знайдений на основі характеристичного рів-нян-ня стану газу в режимі коливань параметрів, для керування продувкою дозволило збільшити відносну кількість плавок, які попали з пер-шої повалки в задані межі за вуглецем і температурою метала, основністю кінцевого шлаку, на 10 %, що суттєво знизило собівартість виплавленої сталі.

Досліджені сили, що діють на кисневу фурму в процесі про-дув-ки кон-вер-терної ванни. Рівень ванни розраховують із балансу сил, що ді-ють на фурму, сила тяжіння якої компенсується реакцією її опор (Fр, Н), а в про-цесі про-дув- ки ще й архімедовою виштовхуючою, силою реактивної тяги кисню, що ви-тікає із сопел фурменого кінцевика. В процесі продувки зміню-єть-ся сила тя-жін-ня фурми внаслідок нашарування на її поверхні метало-шлакової емульсії

hв.к= (h + H)/{1 [m1 + m2 + 1(N 1)]g Fp

v/60]/0,252d2 }, (6)

де h рівень ванни в спокійному стані, м;

Н відстань торця фурменого кінцевика до рівня спокійного металу, м;

N, 1 час запізнювання зміни температури води, що охолоджує фур-му, при різкому зміненні температурного режиму в робочому просторі конвер-тера на N-й і першій плавці по кампанії фурми, с;

g = 9,81 прискорення сили тяжіння, м/с2 ;

, відповідно щільність кисню при нормальних умовах і перед фур-мою (визначена при продувці у вільний простір), кг/м3;

k показник адіабати;

Ry питома газова стала, Дж/(кг . К);

Tв температура води, що охолоджує фурму, К;

Р2, тиск кисню перед фурмою, який визначений при продувці відпо-від-но у конвертер і вільний про-стір, Па;

d зовнішній діаметр фурми, м;

1, 2 коефіцієнти.

Дослідження описаного методу контролю рівня емульгованої ванни на про--тязі продувки показало, що його використання в алгоритмах дина-мічно-го керування шлаковим режимом дозволяє підвищити точність прогнозу поточ-но-го ста-ну шлаку і ефективність застосування системи керування.

В четвертому розділі наведено розробку математичної моделі керування проце-сом шлакоутворення. Маючи вибірку траєкторій керува-ння вдало про-ве-дених плавок, можна виділити в реальній траєкторії дві складові: програмну частину і додаткове керуюче діяння, що пов’я-зано як з неточним визначенням по-чаткового стану, так і з дією пере-шкод. Стра-тегія керування не може зводи-тись до чисто детермінованої, а має детер-мі-новану частину діянь (ви-бір прог-рам-и) і стохастичну (знаходження додат-ко-вих керуючих діянь).

Дві траєкторії керування [] і [] для i-ї і j-ї плавок вибірки порів-ню-ються між собою за допомогою міри, що використовували для класифікації траєкторій керування на класи так, щоби кожному класу відпові-дали траєкторії керування, що представляють собою ре-алі-зацію однієї програми керування опт[] з різними додатковими керую-чи-ми діяннями []. Цю умову можна виконати шляхом ви-бору функції ваги так, щоб відстань між реальними траєк-торіями керування була меншою, ніж відповідна відстань для траєкторій, що реалізують різні програми.

Алгоритм роботи системи включає такі етапи:

1. Перевірка даних на достовірність за такими критеріями:

температура чавуну (tч, 0С) .................................................... 1200 1400;

маса брухту (mб, т) ................................................................. 40 100;

сумарні витрати кисню (V, м3) ............................................. 14000 20000;

маса чавуну (mч, т) ................................................................. 270 320;

тривалість продувки (пр, хв) ................................................... 12 16;

переривання продувки ............................................................. відсутнє;

випуск плавки, хв ...................................................................... 4 8;

сумарні витрати вапна (mв, т) .................................................... 13 40;

сумарні витрати вапняку (mвп, т) .............................................. 0 5;

сумарні витрати плавнего шпату (mш, т) ................................. 0 1,5 ;

додувки ....................................................................................... відсутні

2. На наступному етапі за базою даних, що складається із достовірної ін-формації, проводять вибірку масиву плавок позитивного досвіду за такими кри-теріями “близькості”: за номером плавки по футерівці конвертера (N) плавки поділяються на дві групи – плавки з N 15 і N > 15; за тривалістю простою кон-вертера (п, хв) на три групи – з п < 25, 25 п 60 і п > 60. Інші критерії наведені у таблиці.

Таблиця. Критерії “близькості” плавок позитивного досвіду

Параметр на вході | Одиниця виміру | Межа зміни | Задане значення параметра | Одиниця виміру | Межа зміни

Силіцій у чавуні | % | 0,3 | Вуглецю у сталі | % | 0,01

Манган у чавуні | % | 0,3 | Основності шлаку | Одиниць | 0,2

Фосфор у чавуні | % | 0,05 | Фосфору в сталі | % | 0,005

Сірка у чавуні | % | 0,005 | Сірки в сталі | % | 0,005

Температура чавуну | оС | 25 | Температури металу | оС | 10

Маса чавуну | т | 5 | Витрат дуття | м3/хв | 50

Маса брухту | т | 5 | Положення фурми | калібр | 0,75

Отриманий масив плавок використовується в подальшому при реалізації стати-чної і динамічної моделі прогнозу. Для уточнення моделі прогнозу пла-вок, що відносяться за критерієм “близькості” до одного класу, враховували відхилення па-раметрів моделі від останніх значень у класі.

Рівняння розрахунку шлакоутворюючих (статична модель), що складені в прирощеннях па-ра--метрів з використанням досвіду кращих дистрибуторщиків (індекс “о”), ма-ють вигляд (тут і далі значення коефіцієнтів наведені для умов у 350-тонному конвертері):

твп = твп0 0,57(тб – тб0) К(тб + тч)(t* tм0) + 0,13(mч тч0) +

+ 0,062(tч tч0) + 13,7(Siч Siч0) + 3,35(Mnч Mnч0) 12,2[f2(C* Cм.0)]+

+ 0,15(mв тв0) + 0,6(тш тш0) [f(п) f(п0)] [f(N) f(N0)] +
+ 0,13(Hз H0) + m/вп; (7)

тв = тв0 0,1(тб тб0) + 0,08(тчSiч тчSiч0) + т/в;

тш = тш0 0,15(Mnч/Siч Mnч0/Siч0) 0,222(1/См.з 1/ См0) + т/ш ,

де Нз задана середньоінтегральна за продувку відстань торця фурменого кін-це-вика до рівня спокійного металу, калібр;

К коефіцієнт, що уточнюється періодичною корекцією;

т/вп, т/в, т/ш поправочні коефіцієнти за масою вапняку, вапна і шпа--ту, т, що дорівнюють за абсолютною величиною похибці розрахунку від-по-від-них компонентів на попередній плавці і протилежні їй за знаком.

В процесі продувки дистрибуторщик, оцінюючи за спостере-жен-ня-ми від-хилення ходу плавки від нормального, дослідним шляхом підбирає додатко-ве керування, найбільш ефективно діюче в кожному конкрет-но-му ви-па-дку. Цей досвід може бути зафіксований за допо-мо-гою мат-риці імовірностей вибору до-даткового керування при наяв-но-сті обу-мов-леного збурення. Оскіль-ки дистри-буторщик оцінює протікання плав-ки за не-прямими оз-нака-ми, то шля-хом опиту-вання встановлюємо пов-ний набір цих ознак. Але в дано-му ви-падку ставиться задача спо-чатку знайти співвідношення між ознака-ми, якими оперує дистри-бу-тор-щик, і не-пря-мими параметрами ходу плавки, що під-даються вимірю-ванню.

Алгоритм в динамічному режимі з елементами замк-ну-того керування скла--дений за керуючими каналами витрати кисню, положенню фурми і дозуван-ню сипких матеріалів.

Керування витратою кисню зводиться до визначення його фіксованих зна--чень на протязі продувки. В першому періоді з умов нормального шлако-утво-рен-ня і виключення пе-реокислення ванни при переході до періоду інтен-сив-ного зневуглецювання ви-зна-чається максимально можлива інтенсивність про-дувки за ін-форма-цією про фізичну і хімічну теплоту чавуну, а також кіль-кість теплоти, що відбира-ється на розплавлення брухту. Подальше керування витра-тою кисню здійснюється за швидкістю зневуглецювання.

Алгоритм керування положенням фурми складе-ний за періодами продув-ки. В першому періоді відстань торця фурми над рівнем спокійної ванни визна-ча-ється в залежності від насипної щільності брухту і витрати дуття. Тривалість першого періоду визначається за об’ємом продутого кисню, який порівнюється з заданим значенням. Хід шлакоутворення контролю-ється за сигналами акус-тичної харак-те-ристики продувки (рівень метало-шлако-газової емульсії) і на-ша-рування шла-ку на фурму (його консистенція).

У другому періоді відстань торця фурми до рівня спокійної ванни вста--новлюють таку, що дорівнює значенню в плавці позитивного досвіду. У ви-падку відхилення режиму шлакоутворення від плавки позитивного досвіду ко-ре-к--ту-єть-ся положення фурми, а при великих відхиленнях вводиться також пла-в-не-вий шпат (якщо шлак надмірно густий) або вапно (якщо шлак надмірно рід-кий).

Кінцеве значення положення торця фурми відносно рівня спокійної ванни установлюють таким, як у плавці позитивного досвіду.

Аналіз додувок показує, що найбільш прийнятним методом є розрахунок об’є-му дуття (тривалості додувки д) і маси охолоджуючого (шлакоутворюю-чого) мате-ріалу (твп. д, т) на додувку. Модель додувки металу має вигляд

Sм = 0,00423д, якщо д 1 хв; (8)

Sм = 0,005(1 е1,8716), якщо д > 1 хв;

твп. д = 2(д ), (9)

де Sм необхідна зміна вмісту сірки при додувці, %;

mвп.д коректуюча маса вапняку на охолодження при додувці, т.

Модель доводки металу в ковші передбачає за результатами хімічного ана-лізу металу керування складом сталі на основі математичного описання балан-су вуглецю, мангану, силіцію і сірки. Розраховують маси вуглецю, мангану, си-лі-цію, яких не вистачає, а також надмірну масу сірки, після чого визнача-ють ма-су моди-фі-каторів (для доводки за Mn і Si), ТШС (для доводки за S), навуг-лецю-ва-теля і порошкової проволоки, що містить кальцій.

Модель оптимізації собівартості сталі побудована за комплексним підхо-дом до видалення сірки у ковші з чавуном перед плавкою, в період конвертер-ної плавки й при наступній обробці готового металу у сталерозливному ковші.

Модель має вигляд

I = (0 +fi (xi)/(0 +1x1 + 2x2 + 3x3 + 4x4 + 5x8 + 6x12) ; (10)

x2 = 10 + 11(x1 + 12)2 ; (11)

0 20 + 21x1 + 22x2 + 23x4 + 24x5 + 25x12 0,5 ; (12)

x4 30 + 31x1 + 32x2 ; (13)

0 x5 1,5 ; (14)

x9 40 + 41x1 + 42(x2 43)x2 43+ 44x2 + 45x12 + 46x3 + 47; (15)

50 x12 51 ; (16)

60 x13 61 ; (17)

x15 0,5x18 ; (18)

x16 0,5x17 ; (19)

70 x13 71 ; (20)

х7 = 80(х1 + х2) ; (21)

x18 = x9/x13 ; (22)

90 x10 ; (23)

100х1 + 101х2 + 102х3 + 103х4 + 104х5 105 +106+107х12 +108+109х13 +

+ (110х15 + 111+ 112х16 + 113х17)/х18 + f1(х6) + f2(х7) + f3 (х8) + f4 (х19), (24)

де f1(х6), f2(х7), f3(х8), f4(х18) функціональні залежності;

0, ... , 113 коефіцієнти.

Тут x1 = mб, x2 = mч, x3 = mвп, x4 = mв, x5 = mш, x6 = mтшс, x7 =mSiСа, x8 = mMg, x9 = V, x10 = VAr, x11 = Vгн, x12 = H, x13 = v, x14 = vAr, x15 = вп, x16 = в, x17 = ш, x18 = пр, x19 = д; ттшс, mSiСа, mMg відповідно маса ТШС, силікокальцію і маг-нію на плавку; V, VAr, Vгн витрати відповідно кисню, аргону і газу-носія, вп, в, ш моменти введення відповідних сипких матеріалів.

Оптимальні значення керуючих діянь визначали методом найбистрішого спускання на ПЕОМ. На плавках, в яких виконані рекомен-да-ції за зміною керу-ючих діянь, отримані у порівнянні з плавками ва-ло-вого виробництва такі ре-зуль-тати: збільшена переро-б-ка брухту на 3 %, стійкість футерівки на 1,5 %, ви-хід корисного на 0,3 %, зменшені зверхнормативні простої аг-ре-гату і трива-ло-сті про-дув--ки відповідно на 5,8 і 3,1 %, витрати ТШС на 5,7 %, плавневого шпа--ту на 3,2 %. При цьому собівартість сталі зменшена на 0,9 %.

В п’ятому розділі наведені результати розробки АСК шлакоутворенням. Роз-роб-лені пропозиції по модернізації у час-тині керування процесом шлакоут-во-рення раніш розробленої багаторівневої ієрархі-чної системи керування КП ста-лі, у рамках якої реалізуються функції АСК ТП і АСКВ, що суміщені за ці-льо-вим критерієм і процедурами обробки інформації.

Система керування реалізована у вигляді трирівневої ієрархі-чної техніч-ної структури. Нижній рівень інформаційно-вимірювальні пристрої (да-тчики, пе-ретворювачі та ін.) реалізуються на уніфікованих се-рійних засобах анало-гової гілки державної системи приладів. Цей рі-вень автономний, що дозволяє про-довжити керування конвертером у ручному режимі у випадку виходу із ладу середнього і верхнього рівней.

Середній рівень функціонально і територіально розподілені локальні під--системи контролю (АРМи) і керування, що з’єднані єдиним колом з верх-нім рів-нем і виконані на ПЕОМ. Передбачена автономна робота підсистем керуван-ня витратою дуття, положенням фурми, дозуванням сипких мате-ріалів і феро-сплавів як в режимі стабілізації вихідних пара-метрів, так і в режимі про-г-рам-ного керу-вання у випадку виходу із ладу верх-нього рівня.

Верхня ланка ієрархії включає багатомашинний УВК на ПЕОМ з великою номенклатурою периферійного устаткування для збирання, об-ро-бки і представ-лення інформації, у тому числі настройки і видання завда-нь у нижні рівні сис-те-ми. Ке-рування може реалізовуватись у супервізорному режимі і в режимі ПЦК.

Автоматизоване керування включає прогнозуючий статичний розраху-нок шихти на задані параметри металу і контроль дина-мі--ки ванни на протязі про-дування.

Для успішної роботи системи замкненого керування вперше в цехах заво-дів України передбачено використання зондової установки на базі системи Quik-Tap. Датчик системи вводиться через спеціальний отвір в газоході і дозво-ляє визначити температуру і окисленість металу за температурою його криста-лізації (“солідус”) без перер-ви продування конвертера. Хоча витрати на виго-тов-лення, монтаж і експлуа-та-цію сис--теми великі, вони окупаються за рахунок збільшення точності за-безпе-чення заданих кінцевих параметрів металу.

Розрахунки за запропонованими математичними моде-лями на реальних плавках пока-зують, що при виконанні рекомендацій по масі чавуну і брухту в межах 2 %, відносній масі вапна і плавневого шпату відповідно до 10 і 1 кг/т сталі, відносному об’єму кисню до 5 м3/т сталі забезпечуються попада-ння з першої повалки в задані межі основності кінцевого шлаку і отримання вмісту сірки і фосфору не вище тих, що визначаються маркою сталі.

ВИСНОВКИ

1. Дослідження параметрів, що впливають на процес шлакоутворення, до-зволили встановити:

збільшення кількості кисню, що витрачається на шлакоутворення, у при-сутності поверхнево активних речовин;

зв’язок неконтрольованих збурюючих діянь з основністю шла-ку, враху-вання яких в рівняннях статики і дина-мі-ки дозволяє збільшити частку плавок, що ви-пускаються з першої повалки на 7 %;

підвищення положення фурми над рівнем спо-кійної ванни приводить до збільшення окисленості і основності (змінюють кількість шлакоутво-рю--ючих вапна, плавневого шпату), до зниження масових часток ман-гану в металі і оксиду магнію в шлаку (змінюють кількість розкислювачів і вогне-тривів);

підвищення питомої витрати кисню при-водить до зниження окис-лен-ос-ті, основності і масової частки оксиду маг-нію в шлаку і до збільшення масо-вої частки мангану в металі;

зміщення моменту введення вапна від початку продувки екстремально впливає на основність шлаку і збільшує масову частку оксиду маг-нію, зміщен-ня моменту введення вапняку зменшує основність і збільшує масову частку оксиду маг-нію, зміщення моменту введення пла-вневого шпату від початку про-дувки збільшує ос-новність і зменшує масову частку оксиду маг-нію в шлаку.

2. Розроблені методи контролю режиму шлакоутворення, що засновані на:

характеристиках пограничних шарів футерівки (застосування до-зволило збільшити кількість контрольованих плавок, зменши-ти число пла-вок, що су-про-воджуються викидами, знизити витрати шлакоутворюю-чих і во-г-нетривів);

пульсаційних параметрах газу, що відходить (суттєво розширило сферу застосування інформації про газову фазу, зокрема дозволило здійснити безпе-рервний контроль рівня ванни);

силах, що діють на кисневу фурму в процесі продувки, які вимірюються за зміною реакції опор (дозволило здійснити контроль рівня ванни).

3. Запропоновано і досліджено новий підхід до побудови моделі керування шлакоутворенням у конвертері, який базується на системному розгляді про-це-сів перед і при продувці, додувці і в агрегаті доведення сталі. Розроблено ці-льо-ву функцію крите-рію оптиміза-ції процесу виведення сірки, отримані спів-відно-шен-ня між окреми-ми ке-руючими діяннями і ходом процесу виведен-ня сір-ки. Керування за цим кри-те-рієм дозволить зни-зити питому собівартість ста-лі в середньому на 0,9 %.

4. Удосконалено підхід до побудування математичної моделі шла-коутво-рення, що заснований на сукупному застосуванні детерміно-ва-них, імо-вірних та евристичних методів з наступною ідентифікацією моделі в процесі експлуа-тації за плавками позитивного досвіду. З використанням цього підходу роз-роблені:

статична модель керування, що включає розрахунок маси і ре-жи-му вве-дення охолоджуючих і шлакоутворюючих матеріалів;

динамічна модель керування, що включає розрахунок параметрів режи-му дуття, а також коректуючих присадок шлакоутворюючих ма-теріалів за без-перервною інформацією про шлакоутворення в ванні конвертера;

модель доводки плавки в конвертері, що передбачає розрахунок пара-мет--рів режиму дуття, охолоджуючих і шлакоутворюючих матеріалів для вида-лення небажаних домішок;

модель доводки плавки в ковші, що передбачає розрахунок маси модифі-ка-торів (для доводки за манганом і силіцієм) і навуглецювателя, ТШС, що за-без-печує отри-мання шлаку потрібної основності і видалення надлишкової сір-ки, порошкової проволоки, яка містить кальцій, необхідної для утворення рід-ких алю-мінатів, а також охолоджуючих матеріалів при необхідності охоло-дити плавку.

5. Розроблені моделі і алгоритми пройшли промислове опробу-ва-ння за даними конвертерного це--ху ВАТ “МК “Азовсталь”” і передані НВП “КІА”. Про-мислова експлуатація АСК ТП, що реалізує розроблені моделі і алгоритми, до-зволить суттєво покращити якість управління і ТЕП процесу: скоротити три-ва-лість продув-ки на 1,5 хв, вигар заліза на 0,5 %, брак до 1 %; підвищити стій-кість футерівки конвертерів, що зменшить витрату вогнетривів на 3 %; знизити витрату феросплавів на 25 кг на плавку; збільшити частку контрольованих пла-вок на 10 %, а частку пла-вок, що випускаються без корекції, на 18 %.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Богушевский В.С., Грабовский Г.Г., Шарбатиан М.Д. Управление про-цессом удаления серы в конвертере//Металл и литье Украины. 2004. № 6. С. 10 20.

2. Богушевский В.С., Шарбатиан М.Д. Математическая модель управления процессом шлакообразования//Автоматизація виробничих процесів. 2004. №1(18). С. 116 121.

3. Управление процессом шлакообразования в ванне конвертера/В.С.Бо-гу--

шев-ский, Г.Г.Грабовский, Н.С.Церковницкий, М.Д.Шарбатиан//Металл и литье Украины. 2005. № 3 4. С. 36 37.

4. Богушевський В.С., Шарбатіан М.Д. Контроль шлакоутворення у ванні конвертера//Наукові вісті НТУУ “КПІ”. 2005. №5. С. 32 38.

5. Компьютерная модель расчета шихтовки и продувки конвертерной плавки/В.С.Богушевский, Г.Г.Грабовский, В.М.Михайлов, Н.С.Церковницкий, М.Д.Шарбатиан//Сталь. 2006. № 1. С. 18 21.

6. Богушевский В.С., Шарбатиан М.Д. Модель управления процессом шла-кообразования//Матеріали міжнародної НТК “Інтелектуальні системи прий-нят-тя рішень та інформаційні технології”: Чернівці, 19 21 травня 2004: Черні-вець-кий державний університет, 2004. С. 188.

7. Богушевский В.С., Шарбатиан М.Д., Миски-Оглу А.Г. Влияние режима ввода присадок на процесс шлакообразования в конвертере//Материалы между-народной НТК “Современные проблемы теории и практики производства ка-чественной стали”: Мариуполь, 8 10 сентября 2004: Мариупольский государ-ственный технический университет, 2004. С. 113 115.

8. Богушевский В.С., Шарбатиан М.Д. Влияние параметров дутьевого ре-жима на процесс шлакообразования в конвертере//Материалы международной НТК “Прогрессивные технологии в металлургии стали”: Донецк, 21 23 сен-тября 2004: Донецкий национальный технический университет, 2004. С. 43.

9. Богушевский В.С., Грабовский Г.Г. Шарбатиан М.Д. Модель доводки конвертерной плавки// Матеріали 12-ї міжнародної конференції з автоматич-ного управління “Автоматика-2005”: Харків, 28 травня 2 червня 2005: Хар-ківський національний технічний університет, 2005. Т.2. С. 16.

АНОТАЦІЇ

Шарбатіан М.Д. Розробка математичної моделі і системи керування про-цесом шла-ко-ут-ворен-ня у ванні конвертера. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спе-ці-альністю 05.13.07 автоматизація технологічних процесів. ДП “Науко-во-вироб-нича корпорація “Київський ін-с-титут автоматики””, Київ, 2006.

Дисертація присвячена питанням удосконалення АСК ТП конвертерної плав-ки шляхом розробки математичних моделей, алгоритмів, способів і засобів конт-ролю параметрів шлакоутворення. Розроблено критерій оптимізації про-цесу ви-ведення сірки, що вклю-чає виведення її у ковші з чавуном перед плав-кою, під час продувки, до-дувки в кон-вер-тері й обробки металу в агрега-ті до-ве-дення сталі, отримані співвідношення між окремими ке-руючими па-ра-метра-ми і ходом процесу шлакоутворення. У відповідності з критерієм одер-жа-ні ма-тема-тич-ні моделі керування виробництвом конвертерної сталі. Наве-дені резуль-та-ти до-слі-джень процесу шлакоут-ворен-ня, визначені пара-мет-ри контро-лю і керува-н-ня. Розроблена система керування шла-коутворенням в конвер-тері. Роз-роблені моделі й алгоритми пройшли промислове опробу-ва-ння за да-ни-ми кон-вертер-ного це--ху ВАТ “МК “Азовсталь””.

Ключові слова: автоматизація, конвертерна плавка, математична модель, ал-го-ритм, контроль, керування, критерій, шлакоутворення.

Шарбатиан М.Д. Разработка математической модели и системы управ-ле-ния процессом шла-ко-обра-зования в ванне конвертера. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по спе-циальности 05.13.07 автоматизация технологических процессов. ДП “Науч-но-производственная корпорация “Ки-евский институт автоматики””, Киев, 2006.

Диссертация посвящена вопросам совершенствования АСУ ТП конвертер-ной плавки путем разработки математических моделей, алгоритмов, способов и средств контроля параметров шлакообразования.

В работе предложен и исследован новый подход к построению модели шла---ко-образования в конвертере, который базируется на системном подходе к рассмот-рению процессов до, при продувке, додувке и в агрегате доводки стали.

Проведено исследование технологических закономерно-с-тей для контроля и управления процессом шлакообразования, в том числе контроль хи-мичес-кого сос-та-ва чу-гуна (перед сливом его в ковш и взятия пробы на анализ), вязкос-т-ных ха-рак-те-рис-тик чугуна, комплексных и режимных параметров плавки. Установ-лено влия-ние неконтролируемых возмущающих параметров (попадание песка и окалины с ло-мом, миксерного шлака с чугуном, влаги при прорывах фурмы и ох-ладителя кон-вертер-ных газов) на конечные параметры продувки, кото-рые вы-зывают разброс по основ-ности 0,2...0,6 от каждой составляющей.

Исследования влияния параметров дутьевого режима на процесс шлакооб-разования показали, что увеличение положения фурмы над уров-нем спо-кой-ной ванны приводит к повышению окисленности и основности ванны, по-зво-ляю-щим уменьшить ко-ли-чест-во шлакообразующих (извести, плавикового шпата) и к сни-жению массовых долей марганца в металле и оксида магния в шла--ке, при-водя-щим к увеличению количе-ства раскисли-телей и уменьшению ко-личества огне-у-поров. Увеличение удельного расхода кислорода при-водит к сни-жению окислен-ности, основности и массовой доли оксида маг-ния шлака и к увели-че-нию массо-вой доли марганца в металле.

Исследование влияния моментов ввода в ванну шлакообразующих и ох-лаж-да-ющих материалов позволило установить, что смещение момента ввода извести от начала продувки экстремально сказывается на основности и увели-чи-ва-ет мас---совую долю оксида маг-ния в шлаке, смещение момента ввода извес-тняка уме-нь--шает основность и увеличивает массовую долю оксида маг-ния, а смещение момента ввода плавикового шпата действует противоположно.

Разработаны методы контроля режима шлакообразования, основанные на из-мерении характеристик пограничных слоев футеровки, пульсационных пара-метров отходящего газа, сил, действующих на кислородную фурму в процес-се про-дувки, изме-ря-е-мых по изменению реакции опор фурмы. Эти методы уве-личивают ко-ли-че-ство плавок, по-па-дающих в заданные пределы, на 5 %.

Разработан критерий