УДК 669.162.2:681.5 £
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ I ШЛАКОВЫМ РЕЖИМОМ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
© Д.Н.Тогобицкая, П.И.Оторвин, А.И.Белькова, А.Ю.Гринько
Институт черной металлургии НАНУ, КГГМК "Криворожсталь"
Одним из путей повышения технико-эконо-мических показателей доменного производства является внедрение автоматизированных систем управления, что позволяет рационально решать задачи управления и экономии сырьевых и энергетических ресурсов, снижения материалоемкости производства чугуна, повышения производительности и качества выпускаемой продукции. При этом эффективное использование компьютерных технологий возможно только при наличии соответствующего информационного и математического обеспечения: моделей, баз данных, алгоритмов расчета и необходимой информации, а также определенного опыта и интуиции специалиста, принимающего окончательное решение.
Поскольку качество, увеличение производства годного металла и экономия кокса обеспечиваются в значительной мере оптимальными физическими свойствами шлака, необходимым условием создания компьютерной системы управления шлаковым режимом доменной плавки для принятия управляющих решений является разработка способов и средств прогнозирования физико-химических и технологических свойств металлургических шлаков на основе выбора комплексных физико-химических критериев, характеризующих сырье и продукты плавки.
Для решения задач управления процессом выплавки качественного чугуна и выбора с этой целью наиболее оптимального состава конечного шлака для условий металлургического комбината "Криворожсталь" создана автоматизированная система контроля и управления шлаковым режимом доменной плавки "Шлак". Алгоритмические и программные средства системы созданы на базе фундаментальных разработок в области физико-химического моделирования ИЧМ НАНУ [1-3] и технологических приемов ведения плавки в доменных цехах комбината.
Методика физико-химического моделирования металлургических процессов и расплавов для решения задач прогнозирования включает в себя:
базы экспериментальных и технологических данных о свойствах расплавов и результатах их взаимодействия;
методы "свертки" информации о составе многокомпонентных систем с помощью интегральных критериев, характеризующих химическое и структурное состояние шлакового и металлического расплавов;
прикладное программное обеспечение, реализующее методы прикладной математики, многомерного
сравнительного анализа и оценки данных;
методологию создания моделей для прогнозирования физико-химических и технологических свойств металлургических расплавов на основе накопленных экспериментальных данных.
Основу информационного обеспечения физико-химического моделирования расплавов составляют базы физико-химических и технологических данных о свойствах шлаковых и металлических расплавов (базы данных "Шлак" и "Металл" [4-5]), железорудного сырья (база данных "Железорудные материалы" [6]), а также результатах их взаимодействия (база данных "Шлак-металл"). Так, например, глубина ретроспективы базы данных "Шлак" доведена до 1938 г. В настоящее время в базу введено 300 документов, содержащих сведения о 8250 составах шлаков. Пополнение и актуализация базы данных "Шлак" осуществляется постоянно.
Для прогнозирования свойств металлургических расплавов использован аналитический аппарат СНИР, разработанный Э.В.Приходько, позволяющий представить химический состав многокомпонентных систем в виде интегральных критериев, характеризующих структурное и химическое состояние металла и шлака. Так, например, физико-химическая модель структуры оксидных расплавов базируется на допущении, что в процессе восстановления катионный состав остается неизменным, и в зоне расплавления смесь шлакообра-зующих компонентов ведет себя как химически единая система. Такая постановка задачи позволяет избежать постулирования фазового состава материалов на различных горизонтах печи и предполагает, что свойства продуктов доменной плавки на любой стадии в конечном счете являются функцией состава исходной шихты и технологии.
Учитывая опыт моделирования структуры оксидных расплавов [3] и традиционный подход к оценке окис-ленности шихтовых железорудных материалов, в качестве модельных характеристик их состава предложено рассматривать параметры, характеризующие полностью упорядоченную структуру, когда окружение катионов в первой координационной сфере образовано только анионами кислорода: с/ - среднестатистическое межъядерное расстояние катион-анион; Ае - среднестатистическое число электронов, локализуемых на связующих орбиталях в направлении связи катион-анион (выполняет функцию химического эквивалента системы); р - показатель стехиометрии системы, равный отношению количества катионов и анионов.
>-
К С «! Е-
Ы
S
Использование модельных параметров в качестве "свертки" информации о составе совместно с базами данных и привлечением современных математических методов анализа и обобщения больших массивов экспериментальной информации позволило создать прогнозные модели для расчета комплекса свойств шлаковых расплавов и железорудного сырья.
К наиболее важным физико-химическим параметрам доменных шлаков, обеспечивающим в значительной мере ровность хода доменной печи и выплавку чугуна заданного качества, относятся следующие:
температура плавления и вязкость - определяют дренажную и десульфурирующую способность, подвижность и текучесть шлака на выпусках;
энтальпия - характеризует затраты тепла на нагрев шлака до температуры плавления, скрытую теплоту плавления и затраты тепла, необходимого для нагрева единицы массы шлака в интервале температур, включая теплоту химических реакций;
серопоглотительная способность - одна из количественных оценок рафинирующих свойств шлака, характеризуется сульфидной емкостью Сэ;
поверхностное натяжение - влияет на межфазное распределение элементов, в частности, десульфура-цию чугуна шлаком в горне доменной печи;
степень приближения системы металл-шлак к равновесию по ходу процесса на основе количественного описания процессов межфазного распределения элементов между продуктами плавки.
На основе анализа экспериментальных данных о свойствах шлаков в базе "Шлак" получены модели для расчета вязкости шлака при различных температурах, поверхностного натяжения , плавкости в широком диапазоне составов: 0-70% БЮ2; 0-54% А1203; 0-62% СаО; 0-50% МдО; 0-95% РеО; 0-100% МпО; 0-15% Сг2Оэ; 0-10%\/205, а также для расчета энтальпии шлака, се-ропоглотительной способности как функции Де и р, а также равновесного коэффициента распределения серы определяемого из выражения [7]:
1д/_° = 9,0332у+18,53р-0,096Де-24,272, где ТУ - физико-химический эквивалент состава чугуна, аналогичный параметру Де для шлака.
Разработанные модели для свойств шлака легли в основу алгоритмических и программных средств системы контроля и управления шлаковым режимом доменной плавки "Шлак". Она рекомендуется к использованию при решении задач стратегического и тактического управления, связанных с изменением поставок и химического состава сырья, топлива, соотношений компонентов сырья при применении особых технологических приемов.
Система "Шлак" предназначена для оперативного контроля качества чугуна и многокритериальной оптимизации шлакового режима, обеспечивающего эф-
• Контроль шлакового режима - Результаты расчета
(Iran результат расиста -РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА:-
Контроль шлакового режима КГГМК "Криворожсталь" печь »5 Выпуск №2338
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЧУГУНА, (4)
I ВЕС, I I (тонн) I Si
Ип I
I Fe I
I 0.001 0.8101 0.6001 0.0241 0.0721 4.3481 94.1461
ХИНИЧЕСКИИ СОСТАВ ИШАКА, (i)
I ВЕС I
I (ТОНН) I Sl02 I A1203I
СаО I KjO I HNO I FeO I
0.0001 39.9001 7.6001 47.9001 4.9001 0.4901 0.2001 1.4001
СВОЙСТВА ШЛАКА
НАИМЕНОВАНИЕ
I Обоз-ние I Размер-ти1
Са0/ЗЮ2 (СаО+МдО) /Зэ.02 А1203/Мд0
Коэфф.распределения серы Ьзфакт. КоаЭД. распределения серы Ьзравн. Степень достижения равновесия Серопоглот. способность ишака Физико-химич. эквивалент млака Стехиометрия ишака Вязкость ишака при 1400' Вязкость ишака при 1500" Поверхностное натяжение Энтальпия
Температура начала плавления Температура начала кристаллизации
В1
В2 AI Ьзф Lsp Ез Сз DE Ro Hl 40 0 Н1500 51500 DH ТС ТС
па,сек па,сек ин/к кДж/кг град"С град"С
1.2011 1.3231 1.5511 58.3331 64.2851 90.7421 15.6561 -2.2591 0.7111 0.2951 0.2711 388.8271 1813.1511 1311.1091 1412.6241
Рис. 1. Выходной документ подсистемы "Контроль"
фективное управление шлаковым режимом доменной плавки в изменяющихся шихтовых и технологических условиях путем реализации следующих функций:
выбора оптимального соотношения компонентов шлака, обеспечивающих выплавку чугуна заданного качества при одновременном повышении технико-эко-номических показателей доменной плавки (снижении содержания серы и кремния в чугуне, уменьшении расхода кокса и повышении производительности)*;
контроля шлакового режима по показателям технологических свойств шлака (энтальпии; вязкости при 1300, 1400 и 1500 °С; серопоглотительной способности; фактического и равновесного коэффициентов распределения серы);
прогноза состава и свойств продуктов плавки (чугуна и шлака) по заданным расходам и химическому составу шихтовых материалов и показателям основных технологических параметров доменной плавки;
экспертизы технологической ситуации, результатом которой являются выдача сигнала о превышении допустимых отклонений контролируемых показателей (свойств) шлака в зависимости от физико-химических параметров состава шлака и рекомендаций по изменению ресурсов управления.
Система "Шлак" состоит из подсистем "Контроль", "Прогноз" и "Управление". Подсистема "Контроль" обеспечивает контроль качества чугуна и шлакового режима доменной плавки по комплексу физико-хими-
* Способ ведения доменной плавки подтвержден патентом Украины.
режима I рафики
ЭИТЛЯЬШСа UAKQBHX глендлвов
3: 802
-2: 3 -1. 97
2.32 2.24 2.« -2.вв 2 -1.S2
Химический эквивалент De (е)
▲ - прогноз энтальпии
0.71
Стехиометрия Ro А. - прогноз вязкости ,
СЕРаПОГЛОТМТЕПЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ШПАКА
S юо 3
1 100 160 Ls равновесное
4 - прогн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.