МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ЖАДАНОС Олександр Володимирович

УДК 669.046.562.4:620.9(0.43)

РОЗРОБКА ЕНЕРГОЕКОНОМІЧНОГО РЕЖИМУ РОБОТИ

УСТАНОВКИ КІВШ-ПІЧ З УРАХУВАННЯМ ВПЛИВУ

СУМІЖНИХ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОПЕРАЦІЙ

Спеціальність 05.16.02 – Металургія чорних і кольорових металів та

спеціальних сплавів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2008

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Національній металургійній академії України (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор

Заслужений діяч науки і техніки України,

КУКУШКІН ОЛЕГ МИКОЛАЙОВИЧ,

Національна металургійна академія України

Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ

професор кафедри автоматизації виробничих процесів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Заслужений діяч науки і техніки України,

ОГУРЦОВ АНАТОЛІЙ ПАВЛОВИЧ,

Дніпродзержинський державний технічний університет

Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри металургії сталі і ливарного виробництва

доктор технічних наук, професор

ТОГОБИЦЬКА ДАР’Я МИКОЛАЇВНА,

Інститут Чорної металургії ім. академіка З.І. Некрасова

Національної Академії наук України, м. Дніпропетровськ,

старший науковий співробітник відділу фізико-хімічних проблем

металургійних процесів

Захист відбудеться « 17 » червня 2008 р. в 12.30 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Факс: +38 (0562) 47-44-61. E-mail: lydmila_kamkina@ukr.net

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

Автореферат розісланий « 12 » травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 08.084.03

доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Одним з інноваційних напрямків у сучасній металургії є позапічна обробка сталевих розплавів на електродуговій установці ківш-піч (УКП). На українських металургійних підприємствах у поточний час функціонує 10 УКП. Відповідно до “Державної програми розвитку й реформування гірничо-металургійного комплексу України до 2011 року” планується додатково ввести в експлуатацію ще 11 таких установок.

Однією з найважливіших задач позапічної обробки сталі на УКП є забезпечення перед розливкою стабільної регламентованої технологічними вимогами температури металу, що необхідно для забезпечення сприятливих умов формування якісної структури зливку. При цьому необхідно мінімізувати витрати електричної енергії. Складність рішення цієї задачі пов’язана з особливостями контролю температури металу в процесі позапічної обробки сталі - тільки шляхом періодичних вимірів.

Існуючі математичні моделі динаміки теплового стану розплаву не в повній мірі забезпечують необхідної точності прогнозу температури. Побудова математичної моделі, яка дозволить з достатньою точністю прогнозувати температуру металу, коректного математичного алгоритму енергетичного режиму на кожному етапі нагрівання металу на УКП надасть можливість розробити технологічні рекомендації щодо ведення процесу позапічної обробки сталі.

Закордонні системи автоматизованого управління УКП, які використовуються в Україні, виконують в основному інформаційні функції, але не видають рекомендацій з ведення процесу обробки металу і не забезпечують оперативного контролю температури сталі. Тому під час обробки розплаву складно досягти енергоекономічного режиму роботи УКП і гарантувати регламентовану технологічними вимогами температуру металу перед розливкою. Таким чином, інтеграція розроблених моделей в АСУ ТП дозволить реалізувати нові функції – прогнозування температури металу і видача оператору технологічних рекомендацій щодо ведення процесу нагрівання металу. При цьому необхідно враховувати, що на роботу УКП впливають суміжні агрегати комплексу позапічної обробки сталі – вакуумна установка, машина скачування шлаку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки України “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”, “Державної програми розвитку й реформування гірничо-металургійного комплексу України до 2011 року” (Постанова Кабінету Міністрів України від 28 липня 2004 р. № 967), “Плану заходів на 2006-2010 роки щодо реалізації Енергетичної стратегії України до 2030 року” (Розпорядження Кабінету Міністрів України № 436-р від 27 липня 2006 р.) і планів науково-дослідницьких робіт Національної металургійної академії України (НМетАУ) (“Алгоритми процесів і програмних засобів системи підтримки прийняття рішень з оптимізації управління технологічними процесами” № держ. реєстрації 0105U000702).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка енергоекономічного режиму роботи УКП, що дозволить вдосконалити технологію позапічної обробки сталі і забезпечити регламентовану технологічними вимогами температуру металу перед розливкою. Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні задачі:

· проаналізувати існуючу технологію позапічної обробки металу і системи контролю технологічного процесу та обґрунтувати напрямки їх вдосконалення;

· на основі теплофізичних розрахунків і промислових експериментальних досліджень розробити модель динаміки теплового стану розплаву в ковші під час технологічних операцій позапічної обробки сталі;

· з використанням чисельних експериментів на розробленій моделі отримати аналітичні залежності динаміки теплового стану розплаву від технологічних параметрів процесу з метою подальшого їх введення в АСУ ТП ділянки позапічної обробки сталі;

· оцінити статі енергетичного балансу УКП з метою визначення технологічних режимів, які забезпечують максимальний енергетичний к.к.д. дугового нагрівання;

· розробити алгоритм розрахунку раціонального енергетичного режиму на кожному етапі нагрівання металу на УКП;

· створити комп’ютерну імітаційну модель теплоенергетичних процесів та транспортних операцій позапічної обробки сталі з метою оцінки ефективності функціонування отриманих залежностей і розробленого алгоритму в умовах стохастичності низки технологічних параметрів;

· виконати дослідно-промислові випробування запропонованого енергоекономічного режиму обробки сталі;

· розробити структуру автоматизованої інформаційної системи (АІС) ділянки позапічної обробки сталі;

· оцінити можливу техніко-економічну ефективність запропонованої АІС.

Об'єкт дослідження: теплоенергетичні процеси під час позапічної обробки сталі на УКП з продувкою інертним газом через пористий блок у днищі ковша.

Предмет дослідження: вплив технологічних параметрів (активна електрична потужність, товщина шлакового покриву, маса сталі, температура футеровки ковша, питомі витрати аргону) на теплоенергетичні процеси під час обробки сталі на УКП, математичні моделі процесу обробки металу в агрегатах позапічної обробки сталі.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач використовувалися: аналітичні та статистичні методи математичного моделювання – для розробки математичної моделі теплового стану розплаву під час позапічної обробки сталі; промислові експерименти - для адаптації створеної математичної моделі; машинні експерименти – для зменшення кількості вхідних технологічних параметрів моделі, отримання аналітичних залежностей динаміки температури металу, та оцінки статей енергетичного балансу; метод динамічного програмування – для розробки технологічних рекомендацій з ведення нагрівання металу на УКП; комп'ютерне імітаційне моделювання – для оцінки ефективності моделей, що використовуються, з урахуванням стохастичності вхідних параметрів процесу позапічної обробки сталі і для визначення можливої техніко-економічної ефективності розробленої АІС.

Наукова новизна отриманих результатів:

Вперше отримано рішення актуальної науково-технічної задачі металургії України, яка полягає в розробці енергоекономічного режиму обробки металу на УКП з урахуванням технологічних обмежень, котрі обумовлені: процесами десульфурації, легування та розкислення сталі, вимогами до температури металу перед розливкою, впливом суміжних технологічних операцій, що дозволяє мінімізувати витрати електричної енергії.

Новизна наукових результатів, отриманих автором, полягає у наступному:

1. Методом динамічного програмування і промисловими експериментальними дослідженнями вперше встановлено час початку нагрівання розплаву на УКП, який зумовлений стохастичністю технологічних параметрів і прогнозованою траєкторією нагрівання металу, що забезпечує максимальний енергетичний к.к.д. Потужність електронагрівання підвищується відповідно до збільшення товщини шлакового покриву для забезпечення повного екранування електричних дуг.

2. Вперше отримано аналітичну залежність, яка прогнозує кінцеву температуру нагрівання металу на УКП в залежності від часу вакуумної обробки, маси металу, теплового стану захисного екрану вакуумної установки, витрат шлакоутворюючих, розкислювачів та легуючих матеріалів, що дозволяє забезпечити регламентовану температуру сталі перед розливкою.

3. Теплофізичними розрахунками і промисловими експериментальними дослідженнями визначено динаміку теплового стану розплаву, яка забезпечує прогнозування температури сталі з точністю ±5° під час позапічної обробки, завдяки врахуванню змінності коефіцієнта тепловіддачі металу, ступенів чорноти пічного, рафінуючого шлаку та теплоізолюючої суміші, і теплових витрат з відкритої поверхні сталі при різній інтенсивності продувки аргону.

4. Вперше для всіх технологічних стадій обробки на УКП отримані аналітичні залежності динаміки температури металу від товщини шлакового покриву, питомої витрати аргону, початкової температури футеровки ковша і нагрівання металу, часу витримки у ковші, що дозволяє виключити технологічні зупинки під час обробки.

Обґрунтованість і достовірність отриманих результатів і висновків забезпечується використанням сучасних методик теплофізичного моделювання теплообмінних процесів позапічної обробки сталі, коректністю математичної постановки задачі енергоекономічного режиму обробки металу на УКП, позитивними результатами перевірки отриманих моделей з використанням інструментів імітаційного моделювання і дослідно-промислових випробувань розробленого енергоекономічного режиму в умовах ВАТ «ІНТЕРПАЙП НТЗ».

Практичне значення отриманих результатів

1. Виконані в умовах ВАТ «ІНТЕРПАЙП НТЗ» дослідно-промислові випробування запропонованого енергоекономічного режиму обробки металу на УКП ковша ємністю 120 т на 32 плавках сталей колісного (КП-2, R-7) і трубного (30ХГСА) сортаменту показали:

· відхилення температури, обчисленої за допомогою розроблених математичних моделей, від контрольованої вимірювальними приладами, не перевищує ±5°, що забезпечує організацію обробки металу на УКП без проміжних відключень печі з одержанням по завершенні позапічної обробки регламентованої технологічними вимогами температури металу (згідно з діючою технологією відбуваються 1-3 зупинки під час нагрівання тривалістю 5-15 хвилин та до 5% плавок мають температуру нижче регламентованої);

· скорочення часу обробки металу на УКП і забезпечення раціонального перегрівання металу призводить до зменшення питомих витрат електроенергії на 18% при забезпеченні регламентованого хімічного складу сталі перед розливкою;

· прогнозоване зниження собівартості при обробці сталі складає 2,85 грн/т металу.

2. Створена комп’ютерна імітаційна модель теплоенергетичних процесів та транспортних операцій позапічної обробки сталі, яка дозволила оцінити ефективність функціонування отриманих аналітичних виразів в умовах стохастичності вхідних технологічних параметрів процесу, а також визначити техніко-економічну ефективність запропонованих технологічних рішень.

3. Синтезовано структуру АІС ділянки позапічної обробки сталі, яка відрізняється від раніш розроблених наявністю вбудованих математичних моделей, які забезпечують енергоекономічний режим УКП і прогнозування температури металу, що дозволяє ввести в діючу АСУ нову функцію – радник оператора з ведення процесу обробки металу на УКП.

4. Для сталеплавильного цеху ВАТ «ІНТЕРПАЙП НТЗ» розроблено детальну технічну пропозицію щодо створення та впровадження АІС ділянки позапічної обробки сталі, яку розглянуто та схвалено технічними службами підприємства.

5. Матеріали дисертації використані при розробці за участю автора навчальних посібників “Аналіз складних систем” і “Статистика в Excel”, які впроваджені в навчальний процес кафедр електрометалургії і автоматизації виробничих процесів НМетАУ. Науково-дослідні роботи студентів-електрометалургів під керівництвом дисертанта відзначені на конкурсах дипломами та грамотами.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі узагальнені результати експериментальних і теоретичних досліджень, виконаних автором у Національній металургійній академії України. Постановка та проведення експериментів у промислових умовах здійснювалося автором за участю співробітників НМетАУ, працівників ВАТ «ІНТЕПАЙП НТЗ». Всі основні результати, що виносяться на захист, отримані здобувачем особисто.

У опублікованих разом зі співавторами наукових працях, особисто автором побудовано динамічну модель теплових процесів в УКП та досліджено енергетичні режими роботи цієї установки [1, 8], з використанням методу динамічного програмування розроблено алгоритм розрахунку раціонального енергетичного режиму на кожному етапі нагрівання металу на УКП [2], створено імітаційну модель теплоенергетичних процесів та транспортних операцій позапічної обробки сталі [ 3, 5-6, 9, 10], виконано моделювання теплових процесів у системі розплав-ківш і отримано залежність зміни температури металу від часу його витримки в ковші [4]. У роботі [7] автором виконано статистичну обробку і аналіз експериментальних даних динаміки температури металу на УКП.

Апробація результатів. Основні результати і положення роботи повідомлені і обговорені на наукових семінарах кафедр електрометалургії і автоматизації виробничих процесів НМетАУ, та апробовані на міжнародних конференціях: 29-тій Міжнародній науково-технічній конференції “Запорожсталь-2002” (м. Запоріжжя), 11-тій міжнародній конференції з автоматичного управління “Автоматика-2004” (м. Київ), Міжнародній науково-методичній конференції “Математические методы и информационные технологии в управлении, образовании, науке и производстве-2005” (м. Маріуполь), Молодіжному науково-практичному форумі “ИНТЕРПАЙП-2006” (м. Дніпропетровськ), VII Miedzynarodowej Konferencji Naukowej “Nowe Technologie i Osiagniecia w Metalurgii i Inzynierii Materialowej” (Czкstochova, 2006).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 наукових праць (з них одна без співавторів), у тому числі: 6 статей у виданнях, які входять в перелік ВАК України, 5 – у збірках праць міжнародних наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел із 138 найменувань. Викладена на 171 сторінці друкованого тексту та включає 147 сторінок основної текстової частини, 72 рисунки, 17 таблиць, 2 додатки.

Робота виконана у Національній металургійній академії України.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована мета та основні задачі досліджень, визначені наукова новизна і практична цінність роботи.

У першому розділі дисертаційної роботи розглянуто об'єкт дослідження. Виконано аналіз технологічного процесу на ділянці позапічної обробки сталі.

Аналіз літературних джерел показав, що недоліком існуючих моделей динаміки теплового стану рідкої сталі під час позапічної обробки є недостатня точність прогнозування температури. Побудова математичної моделі, яка дозволить з достатньою точністю прогнозувати температуру металу, коректного математичного алгоритму енергетичного режиму на кожному етапі нагрівання металу на УКП надасть можливість розробити технологічні рекомендації щодо ведення процесу позапічної обробки сталі. Інтеграція розроблених моделей в АСУ ТП забезпечить реалізацію нових функцій – прогнозування температури металу і видачу оператору технологічних рекомендацій з ведення процесу обробки сталі.

Таким чином, вирішення поставлених в дисертаційної роботі задач дозволить вдосконалити технологію позапічної обробки сталі.

Другий розділ дисертації присвячений дослідженням теплообмінних процесів в системі розплав-футеровка перед обробкою металу на УКП.

Зміна температури розплаву в період між закінченням випуску із сталеплавильної печі та початком обробки на УКП відбувається внаслідок впливу двох взаємозв’язаних факторів: теплових втрат з поверхні розплаву випромінюванням та конвекцією (залежать від виду шлакового покриву), та теплопередачею через футеровку ковша.

При розрахунках теплових втрат внаслідок нагрівання футеровки ковша та теплопередачі через неї вважали, що стінки ковша являють собою циліндр, а днище ковша – плоску поверхню. Тоді рівняння теплопровідності для кожного m-го матеріалу футеровки мають вигляд

(1)

де r – радіус ковша; z – координата висоти розплаву; cm(Tm) – питома теплоємність; Tm – температура; сm – густина; лm(Tm) – теплопровідність.

Для межі розплав – футеровка та на зовнішній поверхні ковша задавали граничні умови 3-го роду, а на межах шарів футеровки і на внутрішній поверхні корпуса ковша – граничні умови 4-ого роду. Приймали допущення про стаціонарність початкових умов усередині футеровки ковша на момент випуску сталі.

Питомий тепловий потік з поверхні розплав/шлак визначали відповідно до закону Стефана-Больцмана. Значення приведеного ступеня чорноти поверхні розплав/шлак (ер_ш.пр.1) та коефіцієнту тепловіддачі сталі (брозп) для різних виробничих ситуацій отримали під час параметричної ідентифікації моделі. Враховували залежність цих параметрів від часу витримки сталі у ковші. Задачу мінімізації розходження між модельними та отриманими при проведенні промислових експериментів значеннями зміни температури розплаву вирішували методом сполучених градієнтів за допомогою сучасних засобів ПЕОМ.

Для оцінки зміни теплової енергії розплаву ДEрозп.1 під час його витримки в ковші запропонована аналітична залежність

, (2)

де tвит – час витримки металу у ковші; k1, k2 – емпіричні коефіцієнти, що залежать від температури внутрішньої поверхні футеровки ковша перед випуском розплаву Тфут.0 (1020…1470 К) і початкової температури розплаву Трозп.0 (1850…1890 К). Зниження температури розплаву в цей період часу визначали з виразу

ДТрозп.1= ДEрозп.1/(Мрозп·cрозп) (3)

де Мрозп = 95…115 т – маса розплаву; cрозп = 838 – питома теплоємність розплаву, Дж/(кг·К).

Проведені на розробленій моделі чисельні експерименти дозволили отримати аналітичні залежності для оцінки температури елементарних шарів футеровки ковша під час перебування в ньому розплаву. Встановлено, що зміна температури у суміжному з розплавом шарі футеровки відбувається стрибкоподібно. У внутрішніх шарах залежність температури футеровки від часу перебування розплаву в ковші добре описується ланками першого порядку із запізнюванням.

Третій розділ присвячений дослідженням теплоенергетичних процесів обробки сталі в УКП, яка є складним теплофізичним об'єктом зі змінними станами. Змінність станів зумовлено перемиканнями потужності трансформатора, а також зупинками нагрівання для контролю температури металу. Динаміка температури сталі залежить від потужності, що підводиться електричними дугами, та теплових втрат внаслідок розплавлювання легуючих і шлакоутворюючих матеріалів, випромінювання з поверхні металу та шлаку, теплопередачі крізь футеровку ковша, інтенсивності продувки аргоном. Теплові втрати у зв'язку із продувкою інертним газом відбуваються внаслідок утворення відкритої від шлаку поверхні рідкої сталі в ковші та нагрівання аргону. Виконані дослідження показали, що втрати енергії розплавом на нагрівання аргону незначні (?0,15є), тому при побудові моделі їх не враховували.

Розроблена динамічна модель теплоенергетичних процесів в УКП (рис. 1) включає підсистеми: «Дуга», «Добавки», «Поверхня», «Стінки», «Днище», в яких оцінюються основні статті енергобалансу установки.

Рис. 1. Структура динамічної моделі теплових процесів в УКП

При заданих технологічних параметрах: початковій температурі сталі перед обробкою на УКП Tп-к.поч (1770…1840 К), температурі футеровки ковша Тфут, масі та питомій теплоємності розплаву, визначали зміну енергії металу та його температуру Трозп.

В підсистемі «Дуга» енергія електричних дуг УКП, що надходить на нагрівання розплаву, визначається з виразу

, (4)

де К= ,1...1 – коефіцієнт, що враховує втрати потужності дуг на опромінення стінок ковша та склепіння УКП в залежності від товщини шлакового покриву; U2.j , I2.j – відповідно номінальні напруги і струми на вторинній обмотці трифазного трансформатора j – ого ступеня напруги; cosцj – коефіцієнт потужності трансформатора ступеня напруги j; зел – електричний к.к.д. УКП; tнагр – час нагрівання металу.

За результатами аналізу літературних джерел для оцінки витрат енергії (кДж) на нагрівання та розплавлювання шлакоутворюючих, легуючих добавок, розкислювачів (підсистема «Добавки») запропонований вираз

Eдоб = 2095·mCaO+1676·mCaF2+1680·mSiMn17–419·mFeSi65+1341·mFeMn78+4190·mc, (5)

де mi– маса добавки, що вводиться у сталь, кг.

Введення добавок спричиняє зниження температури розплаву, але підвищує ефективність нагрівання електричними дугами внаслідок збільшення товщини шлакового покриву. На товщину шлакового покриву впливає кількість та вид матеріалів, які присаджуються у розплав, а також інтенсивність продувки інертним газом. За результатами проведених промислових експериментів для ковша ємністю 120 т при штатній питомій витраті аргону 1,5 л/хв·т отримано вираз, який дозволяє визначити товщину шлакового покриву

Hшл = 0,16·(mCaO+mCaF2)+0,11·mFeSi65+0,03·mSiMn17, (6)

де Hшл – товщина шлакового покриву, мм; mi – маса матеріалу, що вводиться, кг.

Для оцінки теплових втрат крізь футеровку ковша використали диференціальні рівняння теплопровідності (1). У зв’язку з примусовим перемішуванням аргоном, коефіцієнт тепловіддачі сталі приймали постійною величиною.

При визначенні теплових втрат випромінюванням враховували наявність відкритої поверхні металу, яка утворюється потоками аргону, що піднімаються. Вважали, що приведена ступінь чорноти поверхні розплав/шлак в період нагрівання ер_ш.пр.2, та ступінь чорноти відкритої поверхні металу ерозп – постійні величини. Під час технологічних зупинок, у зв'язку із затвердінням шлакового покриву, теплові втрати з поверхні, що покрита шлаком, зменшуються. Тому приймалося допущення, що приведена ступінь чорноти поверхні розплав/шлак описується рівнянням ер_ш.пр.3=a·(tзуп+1) b де tзуп – тривалість зупинки.

Модель адаптована під УКП, яка має наступні технологічні параметри U2.j = 150…300 В (9 ступенів напруги), I2.j = 27,8…31,4 кА, активна потужність Pакт = 2,7…10,8 МВт. У результаті зіставлення теплофізичних розрахунків з результатами промислових експериментів отримано наступні величини теплофізичних параметрів брозп = 1095 Вт/мІ·К; ерозп = ,82; ер_ш.пр.2 = ,59; ер_ш.пр.3 =0,59·(tзуп+1)–0,45. Максимальне відхилення температури між модельними та експериментальними даними не перевищує ±5°, тобто перебуває у межах точності вимірювальних приладів (рис. 2).

Рис. 2. Зміна температури сталі під час обробки: 1-модельні значення, 2-результати контролю термопарами, 3- введення добавок

Встановлено, що збільшення енергії розплаву під час нагрівання без урахування введення шлакоутворюючих, легуючих добавок, розкислювачів добре описується рівнянням виду

ДEрозп.2= k3· tнагр, (7)

де k3 – емпіричний коефіцієнт. При проведенні комп’ютерних експериментів на розробленій моделі отримана залежність коефіцієнта k3 від технологічних параметрів

k3 = aj·Hшл + bj· QAr + cj· tвит + dj· Tп-к.поч + ej· Тфут.0 + fj, (8)

у якому QAr (0,8-2,0 л/хв·т) – питомі витрати аргону; tвит – час витримки сталі у ковші, хв.; aj, bj, cj, dj, ej, fj – коефіцієнти рівняння, що залежать від ступіней напруги трансформатора.

Для оцінки зменшення енергії розплаву під час технологічних зупинок запропоноване рівняння:

, (9)

де tзуп – тривалість зупинки, хв.; k4 і k5 – емпіричні коефіцієнти, які визначаються з виразу:

(10)

де Tзуп.поч – температура сталі на початку технологічної зупинки, К.

Виконаний аналіз статей енергетичного балансу УКП (рис. 3) показав, що існує можливість підвищити енергетичний к.к.д. на 4..13% за рахунок виключення технологічних зупинок під час обробки, які пов’язані з проміжними вимірами температури металу.

Рис. 3. Енергетичний баланс УКП при I2.j =27,8 кА,U2.j =300 В, Pакт =10,8 МВт

За результатами розрахунків швидкості нагрівання розплаву при роботі на різних ступенях напруги трансформатору (рис 4 а), а також енергетичного та теплового к.к.д. установки (рис 4 б) виключені з розгляду ступені напруги 1-3 у зв’язку з тим, що витрати енергії випромінюванням з поверхні металу та шлаку і теплопередачею крізь футеровку ковша перевищують надходження її від електричних дуг.

а) б)

Рис. 4. Швидкість нагрівання металу (а), максимальний енергетичний і тепловий к.к.д. (б) в залежності від активної електричної потужності УКП

Четвертий розділ присвячений розробці алгоритму розрахунку раціонального енергетичного режиму на кожному етапі нагрівання металу на УКП.

Задача енергоекономії при обробці сталі на УКП формулюється наступним чином: за заданий час, при мінімально можливій витраті активної електричної енергії, передати розплаву необхідний запас теплоти для виконання наступних технологічних операцій. Цільова функція визначається виразом:

(11)

де tнагр.j – час нагрівання на ступені напруги j.

Відмінність поставленої задачі від класичних задач цього виду полягає у наступному:

- момент часу, коли можна визначити найбільш сприятливий час початку нагрівання металу та послідовність перемикань ступіней напруги, залежить від обробки попередньої заявки (ковша);

- момент початку обробки розплаву на УКП визначається часом, до якого необхідно завершити нагрівання металу, а також випадковим характером вхідних параметрів (маса розплаву, температура футеровки ковша, початкова температура розплаву);

- задана не кінцева точка траєкторії нагрівання (температура), а діапазон припустимих температур по закінченні наступної операції – вакуумної обробки;

- часовий період між закінченням обробки на УКП і початком вакуумування є випадковою величиною.

Рішення задачі полягає у визначенні часу початку нагрівання металу на УКП та часової послідовності перемикань ступенів напруги трансформатора. Таким чином, поставлена задача є стохастичною задачею динамічного програмування.

При розробці алгоритму враховували вплив на роботу УКП суміжних технологічних агрегатів ділянки позапічної обробки сталі – машини скачування шлаку та вакуумної установки, а також сталеплавильних печей. Тому існують обмеження у часі на тривалість обробки сталі на УКП (рис. 5 а).

Рис. 5. Технологічні обмеження обробки металу на УКП

tмін ? tобр ? tмакс; tдес.мін ? tобр.п-к; tдоб + tзасв ? tнагр, (12)

де tобр = tобр.п-к+tсум –час позапічної обробки, що включає обробку розплаву на УКП і витримку під шаром суміші, що утеплює, до нагрівання; tмін – мінімально можливий час позапічної обробки, по досягненні якого можливе вакуумування даного ковша; tмакс– максимально можливий час обробки, який обумовлений періодичністю випуску наступних плавок зі сталеплавильних агрегатів; – час обробки на УКП, що включає нагрівання на ступенях напруги та технологічні зупинки; tдес.мін – мінімальний час обробки на УКП, який забезпечує проведення десульфурації сталі; tдоб – час введення останньої порції легуючих, розкислювачів та шлакоутворюючих матеріалів; tзасв – час засвоєння добавок.

Процес десульфурації починається одразу ж після наведення шлаку на УКП і продовжується (рис. 5 а) під час розкислення і вакуумної обробки металу. Тоді мінімальний час десульфурації сталі при обробці на УКП:

tдес.мін = tдес.техн – tвак – tрозк, (13)

де tдес.техн – необхідний за технологією загальний час десульфурації, tвак – час вакуумування, tрозк – час розкислення сталі.

Враховуючи, що температура сталі перед розливкою повинна знаходитися в заданому технологічними вимогами діапазоні Тмін? Твак.кін? Тмакс, який залежить від марки сталі (наприклад, для колісних марок сталей 1818…1838 К, а для трубних 1838…1858 К), рівняння теплового балансу є основним обмеженням задачі енергоекономії (рис. 5 б).

(14)

де Eрозп – енергія, яку необхідно передати під час обробки; ДEрозп.t – приріст енергії розплаву за шаг обробки, який відбувається внаслідок підведення енергії під час роботи УКП та теплових втрат, що пов'язані з нагріванням футеровки ковша і теплопередачею через неї, випромінюванням з поверхні металу та шлаку. Величину Eрозп визначали з виразу

Eрозп=Мрозп Срозп ·( Тп-к.кін– Тобр.поч) + Eдоб, (15)

де Eдоб – витрати енергії, пов'язані з нагріванням і розплавлюванням хімічних добавок; Тп-к.кін – температура розплаву, при перевищенні якої повинна закінчитися обробка на УКП; Тобр.поч – температура на початковому кроці вирішення задачі динамічного програмування.

Для визначення температури, по досягненні якої необхідно закінчити процес обробки сталі на УПК, додатково розглянуті теплоенергетичні процеси в розплаві під час транспортування ковша зі сталлю з цієї установки до вакуумної камери та під час вакуумної обробки. Основна складність оцінки теплових втрат під час вакуумування полягає в тому, що необхідно враховувати процес складного теплообміну між поверхнею розплаву, захисним екраном та кришкою установки, що охолоджується водою. Величина теплових втрат залежить від температури захисного екрану перед вакуумною обробкою Текр, тому проведені промислові експерименти з її визначення. Виконані розрахунки та машинні експерименти на отриманих моделях дозволили одержати аналітичну залежність, яка дозволяє визначити кінцеву температуру нагрівання металу на УКП:

Тп-к.кін= tвак– k6·Мрозп–k7·Текр+ k8· Твак.кін+ ДТдоб, (16)

де tвак – тривалість вакуумної обробки, Твак.кін – регламентована кінцева температура вакуумування, ДТдоб – зміна температури сталі за рахунок введення хімічних добавок.

Рішення задачі енергоекономії на кожному з n кроків обробки полягає в тому, щоб знайти таку послідовність технологічних режимів u0, u1,…, un, при яких цільова функція приймає мінімальне значення.

Рис. 6. Порівняні результати енергетичних режимів: існуючого, запропонованого, режиму нагрівання без попередньої витримки

По ходу процесу можливі наступні технологічні режими: un = 0 – витримка під шаром суміші, що утеплює; un = 1…6 – нагрівання на ступенях напруги 4…9; un = 7 – технологічні зупинки під час нагрівання.

Для процесу витримки розплаву під шаром суміші, що утеплює, та наступної його обробки на УКП рівняння Беллмана має вигляд

Eакт(u) = min[ДEакт.n(un)+ fn+1(Eрозп.п – ДEрозп.п(un))], (17)

де Eакт(u) – активна електрична енергія, витрачена за час обробки; ДEакт.n(un) – активна електрична енергія, що витрачена за n кроків обробки при технологічному режимі u; fn+1(Eрозп.п – ДEрозп.п(un)) – мінімальне значення цільової функції на n+1-ому кроці з урахуванням режиму обробки на кроці n; Eрозп.п – енергія, котру необхідно передати розплаву на момент виконання n кроку обробки; ДEрозп.п(un) – енергія, передана розплаву на кроці n.

Функція fn+1 пов'язана з активною енергією наступним співвідношенням:

fn+1(Eрозп.п – ДEрозп.п(un)) = n(u=1)·ДEакт(u=1)+…+n(u=6) ДEакт(u=6), (18)

де n(u=1)…n(u=6) – число кроків з режимами u=1…6; ДEакт(u=1)…ДEакт(u=6) – активна електрична енергія, витрачена за крок обробки при режимах u=1…6.

Число кроків з режимами u=1…6 визначали шляхом рішення нерівності

ДEрозп.п+1– ДEрозп.п(un) ? n(u=0)·ДEрозп(u=0)+…+n(u=7)·ДEрозп(u=7), (19)

де ДEрозп(u=0)…ДEрозп(u=7) – збільшення запасу теплоти за крок обробки при режимах u=0…7. При рішенні задачі динамічного програмування враховували змінність структури можливих режимів:

. (20)

Суттєве зниження питомих витрат електричної енергії при запропонованому технологічному режимі, на відміну від існуючого (рис. 6), відбувається за рахунок нагрівання металу без технологічних зупинок, забезпечення раціонального перегрівання сталі над лінією ліквідус по завершенні обробки на УКП, раціонального вибору часу початку обробки металу на УКП таким чином, щоб завершити роботу установки до заданого терміну при максимальному енергетичному к.к.д. на кожному етапі нагрівання металу. Збільшення потужності, що підводиться на нагрівання розплаву відбувається в міру зростання товщини шлакового покриву, яка повинна забезпечити повне екранування електричних дуг.

П'ятий розділ дисертації присвячений перевірці ефективності функціонування розроблених моделей в умовах стохастичності вхідних параметрів процесу позапічної обробки сталі і синтезу АІС ділянки позапічної обробки.

Основне призначення системи – видача оператору рекомендацій з ведення процесу нагрівання металу на УКП. В основу АІС покладені моделі прогнозування зміни температури розплаву під час позапічної обробки, а також алгоритм видачі рекомендацій з ведення енергетичного режиму УКП.

З урахуванням того, що тепловий стан розплаву під час технологічних операцій на ділянці позапічної обробки залежить як від багатьох вхідних параметрів на етапі виконання поточної технологічної операції, так і від результатів виконання попередніх технологічних операцій, для рішення поставлених задач використані інструменти імітаційного моделювання. Розроблена модель працює у двох режимах: «детермінованому» та «стохастичному».

Рис. 7. Структура АІС ділянки позапічної обробки сталі

При роботі в «стохастичному» режимі початкові вхідні параметри (Мрозп, Трозп.0, Тфут.0), а також час технологічних операцій є випадковими величинами. Виключення становить обробка сталі на УКП, що проводиться відповідно до розробленого алгоритму енергоекономічного режиму. Для забезпечення роботи моделі в «стохастичному режимі» використана статистична інформація, отримана при проведенні промислових експериментів, у ході яких фіксувався час виконання технологічних операцій, а також значення Мрозп, Трозп.0, Тфут.0. Встановлено, що розподіли тривалості технологічних операцій підпорядковуються логарифмічно нормальному закону, а розподіли технологічних параметрів – нормальному. Отримано оцінки статистичних характеристик цих розподілів.

Проведені дослідження свідчать, що моделі, на роботі яких базується запропонована АІС (рис. 7), забезпечують виконання однієї з найважливіших задач позапічної обробки – забезпечення перед розливкою регламентованої температури металу.

При роботі імітаційної моделі в «детермінованому» режимі основна задача полягала у визначенні, на скільки знизиться питома витрата електричної енергії при впровадженні АІС в порівнянні з існуючою на даний момент. Для цієї мети здійснена імітація обробки промислових плавок. Виконані дослідження показують, що із впровадженням АІС очікуване зменшення питомої витрати електричної енергії складає 18%. Проведені дослідно-промислові випробування запропонованого енергоекономічного режиму в умовах ВАТ «ІНТЕРПАЙП НТЗ» підтвердили отримані результати.

АІС ділянки позапічної обробки сталі (рис. 7) дозволить забезпечити необхідну температуру металу перед розливкою обробки при мінімальних витратах електричної енергії. Підсистема архівації даних (рис. 7), на вхід якої надходять технологічні параметри підсистем разом з результатами проміжного контролю температури металу, призначена для автоматичної корекції коефіцієнтів моделей закладених у підсистеми АІС.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі поставлена та вирішена актуальна науково-технічна задача металургії України, яка полягає в розробці енергоекономічного режиму обробки металу на УКП з урахуванням технологічних обмежень, котрі обумовлені: процесами десульфурації, легування та розкислення сталі, вимогами до температури металу перед розливкою, впливом суміжних технологічних операцій, що дозволяє мінімізувати витрати електричної енергії.

Найбільш важливі наукові та практичні результати, висновки і рекомендації.

1. Виконано аналіз технологічного процесу на ділянці позапічної обробки сталі. Показано, що закордонні системи автоматизованого управління УКП, які використовуються в Україні, виконують в основному інформаційні функції, але не видають рекомендацій з ведення процесу обробки металу і не забезпечують оперативного контролю температури сталі. Тому під час обробки розплаву складно досягти енергоекономічного режиму роботи УКП і гарантувати регламентовану технологічними вимогами температуру металу перед розливкою.

2. На основі теплофізичних розрахунків і промислових експериментальних досліджень розроблена модель динаміки теплового стану розплаву в ковші під час технологічних операцій позапічної обробки сталі. Модель відрізняється від раніш отриманих тим, що враховано змінність коефіцієнта тепловіддачі металу та ступеня чорноти розплаву, а також теплові витрати з відкритої поверхні сталі при різній інтенсивності продувки аргоном. Це дозволило забезпечити точність прогнозування температури сталі в межах ±5°.

3. Отримані аналітичні залежності динаміки температури сталі під час позапічної обробки, що дає можливість подальшого використання їх в АСУ ТП ділянки позапічної обробки сталі для виключення технологічних зупинок під час роботи УКП.

4. Виконана оцінка статей енергетичного балансу УКП, що дозволило визначити технологічні режими, які забезпечують максимальний енергетичний к.к.д. Встановлено, що виключення технологічних зупинок під час обробки, котрі пов’язані з проміжними вимірами температури металу дозволяє підвищити енергетичний к.к.д. на 4…13%.

5. З використанням методу динамічного програмування розроблений алгоритм визначення енергоекономічного режиму на кожному етапі обробки металу на УКП, що дозволяє давати оперативні рекомендації з управління режимом нагрівання таким чином:

· час початку нагрівання металу вибирати таким, щоб енергетичний к.к.д. установки, який залежить від товщини шару шлаку, на кожному кроці обробки був максимальним;

· збільшувати потужність, що підводиться на нагрівання розплаву, шляхом перемикання ступенів напруги трансформатора в міру зростання товщини шлакового покриву.

6. Розроблена комп’ютерна імітаційна модель теплоенергетичних процесів та транспортних операцій позапічної обробки сталі, яка використана для оцінки

· ефективності функціонування розроблених моделей в умовах стохастичності ряду технологічних параметрів процесу;

· техніко-економічної ефективності запропонованої АІС (прогнозоване зниження питомих витрат електричної енергії на 18%).

7. Виконані в умовах ВАТ «ІНТЕРПАЙП НТЗ» дослідно-промислові випробування запропонованого енергоекономічного режиму обробки металу на УКП ковша ємністю 120 т на 32 плавках сталей колісного (КП-2, R-7) і трубного (30ХГСА) сортаменту показали:

· відхилення температури сталі, обчисленої за допомогою розроблених математичних моделей, від контрольованої вимірювальними приладами не перевищує ±5°, що забезпечує організацію обробки металу на УКП без проміжних відключень печі з одержанням перед розливкою стабільної, регламентованої технологічними вимогами температури (згідно діючої технології відбуваються 1-3 зупинки під час нагрівання тривалістю 5-15 хвилин та до 5% плавок має температуру нижче регламентованої);

· скорочення часу обробки металу на УКП призводить до зменшення питомих витрат електроенергії на 18% при забезпеченні регламентованого хімічного складу металу перед розливкою;

· прогнозоване зниження собівартості при обробці сталі складає 2,85 грн/т металу.

8. Синтезовано структуру АІС ділянки позапічної обробки сталі, котра відрізняється від раніш розроблених наявністю вбудованих математичних моделей, які забезпечують енергоекономічний режим УКП і прогнозування температури металу, що дозволяє ввести в діючу автоматизовану систему управління нову функцію – радник оператора з ведення процесу обробки металу на УКП.

9. Для сталеплавильного цеху ВАТ «ІНТЕРПАЙП НТЗ» розроблена детальна технічна пропозиція щодо створення та впровадження АІС ділянки позапічної обробки сталі, яка розглянута та схвалена технічними службами підприємства.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНІ В ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Жаданос А. В. Динамическая модель теплоэнергетических процессов в электротермическом агрегате ковш-печь для создания АСУ / А. В. Жаданос, О. Н. Кукушкин, И. В. Деревянко // Теория и практика металлургии. - 2007. - № 2-3. - С. 64-69.

2. Оптимизация управления энергетическим режимом электродугового агрегата ковш-печь методом динамического программирования / А. В. Жаданос, И. В. Деревянко, О. Н. Кукушкин, В. И. Головко // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2007. - № 5. - С. 37-42.

3. Жаданос А. В. Оптимизация расхода электрической энергии на установке ковш-печь при помощи событийно-имитационной модели / А. В. Жаданос, О. Н. Кукушкин, М. И. Гасик // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2006. - № 3. - С. 32-36.

4. Бейцун С. В. Влияние начальных температур расплава и футеровки ковша на тепловые потери во время внепечной обработки стали / С. В. Бейцун, А. В. Жаданос, Н. В. Михайловский // Металлургическая теплотехника: cб. науч. трудов Национальной металлургической академии Украины - Днепропетровск: Пороги, 2004. - С. 27-34.

5. Кукушкин О. Н. Моделирование работы производственного участка средствами Stateflow / О. Н. Кукушкин, С. В. Бейцун, А. В. Жаданос // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: зб. науч. праць Донбаської державної машинобудівної академії. - Краматорськ: ДДМА, 2002 - вип №12. - С. 172-181.

6. Ситуационная модель транспортных операций на участке электронагрева и вакуумной обработки стали / О. Н. Кукушкин, С. В. Бейцун, А. В. Жаданос, Д. А. Рубцов // Зб. наук. праць Національного університету кораблебудування. - Миколаїв: НУК, 2004 - №3. - С. 133-137.

7. Кукушкин О. Н. Прогнозирование теплового состояния расплава при нагреве на установке ковш-печь / О. Н. Кукушкин, С. В. Бейцун, А. В. Жаданос // Запорожсталь 2002: XXIX междунар. науч.-техн. конф., 28-29 нояб. 2002 г.: тезисы докл. - Запорожье, 2002. - С. 93-94.

8. Кукушкин О. Н. Исследование теплоэнергетических режимов работы установки ковш-печь / О. Н. Кукушкин, А. В. Жаданос, С. В. Бейцун // Математические методы и информационные технологии в управлении, образовании, науке и производстве: междунар. науч.-метод. конф., 11-13 мая 2005 г.: тезисы докл. - Мариуполь, 2005 - С. 107-108.

9. Событийно-имитационная модель режимов нагрева расплава на установке “печь-ковш” / О. Н. Кукушкин, С. В. Бейцун, А. В. Жаданос, Д. А. Рубцов // Автоматика 2004: 11-та міжнародна конференція по автоматичному управлінню, 27-30 вересня 2004 р.: тезисы докл. - К., 2004 – Том 1. - С. 15

10. Zhadanos А. V. Optimization of the electrical energy charge on «ladle-furnace» installation through event-imitating model / А. V. Zhadanos, О. N. Kukushkin, M. I. Gasik // Nowe technologie i osi№gniкcia w metalurgii i inїynierii materiaіowej: VII miкdzynarodowa konferencja naukowa, 2 czerwca 2006 r.: tezy referativ. - Czкstochova, 2006 - St. 603-605.

11. Жаданос А. В. Динамическая модель теплоэнергетических процессов в агрегате ковш-печь для создания АСУ / А. В Жаданос // Интерпайп 2006: молодежный науч.-практ. форум, 17 мая 2006 г. - Днепропетровск, 2006. - С. 110.

АНОТАЦІЯ

Жаданос О.В. Розробка енергоекономічного режиму роботи установки ківш-піч з урахуванням впливу суміжних технологічних