УДК 669.162.263
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СЫРЬЕВЫМИ РЕСУРСАМИ В ДОМЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
© Спирин Николай Александрович1, д-р техн. наук, проф., e-mail: n.a.spirin@urfu.ru;
Лавров Владислав Васильевич1, д-р техн. наук, e-mail: v.v.lavrov@urfu.ru; Косаченко Иван Ерастович2;
Онорин Олег Павлович3, канд. техн. наук, e-mail: irons@e1.ru; Истомин Александр Сергеевич1, e-mail: Pyfhon@yandex.ru; Бурыкин Андрей Александрович1, канд. техн. наук, e-mail: aburikin@gmail.com;
Щипанов Кирилл Александрович1, канд. техн. наук, e-mail: kirill.schipanov@gmail.com
1 ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина». Россия, г. Екатеринбург
2 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Россия, г. Магнитогорск
3 ОАО «Уральский институт металлов». Россия, г. Екатеринбург Статья получена 02.06.2014 г.
Представлено описание информационно-моделирующей системы для решения задачи выбора оптимального состава шихт и флюсов в аглодоменном производстве. В основу системы положены модели сквозного расчета составов агломерационной и доменной шихт; расчета технико-экономических показателей доменной плавки (расхода кокса, производительности) при изменении дутьевых параметров, свойств кокса и состава железорудной части шихты; расчета свойств первичного и конечного шлака, обессеривающей способности конечного шлака и прогнозирования содержания серы в чугуне; моделирования газодинамического режима доменной плавки; диагностики хода доменной плавки. Разработанное программное обеспечение используется для автоматизированного рабочего места технологического персонала доменного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Ключевые слова: доменное производство; математическое моделирование; параметры плавки; железорудное сырье.
В условиях экономического кризиса металлургические предприятия работают при исключительной нестабильности спроса на металлопродукцию, что существенно сказывается на обоснованности выбора необходимых вида и объема поставок железорудного сырья и топливно-энергетических ресурсов (кокса, инжектируемого топлива, технологического кислорода). В силу исключительной энергоемкости и сложности доменного производства существенно возрастает роль научно обоснованных решений, направленных на решение комплекса технологических задач по определению оптимального состава доменных и агломерационных шихт, подбора рационального шлакового, дутьевого, газодинамического и теплового режимов доменной плавки [1—7]. Это обусловило необходимость разработки комплекса математических моделей, учитывающего физику аглодоменного процесса, основы теории тепло- и массо-обмена, законы сохранения энергии и одновременно особенности
влияния технологических параметров и стандартных характеристик сырья на показатели доменной плавки, и пригодного для оценки возможных сценариев поведения доменной печи (ДП) [8-10]. Учет кинетических факторов процесса восстановления и введение стандартных характеристик металлургического сырья для ДП, удобных для практического использования техническим персоналом, необходим для повышения точности и адекватности математических моделей [11].
Наиболее пригодным для решения задач анализа показателей работы печи, как показывает опыт, оказался принцип натурно-математического моделирования, при котором основой модели являются натурные (реальные) данные об объекте в их тесном сопряжении с математическими моделями, описывающими отдельные стороны процесса [12]. Применение такого рода моделей возможно только в прямом информационном сопряжении с самими объектами. Этот подход и использовался в дальнейшем при разработке математических моделей процесса.
Решение задачи выбора оптимального состава шихт и флюсов в аглодоменном производстве основано на использовании следующих моделей:
- сквозного расчета агломерационной и доменной шихт;
- расчета технико-экономических показателей доменной плавки (расхода кокса, производительности) при изменении дутьевых параметров, свойств кокса и состава железорудной части шихты;
- расчета свойств первичного и конечного шлаков, обессеривающей способности конечного шлака и прогнозирования содержания серы в чугуне;
- моделирования газодинамического режима доменной плавки;
- диагностики хода доменной плавки.
Обобщенная структура модели выбора состава железорудного сырья и флюсов приведена на рис. 1. Анализ входных и выходных параметров позволяет констатировать, что математическая модель должна включать следующие взаимосвязанные блоки расчета:
- состава агломерата;
- теплового режима;
- шлакового режима;
- газодинамического режима.
Условно модель можно разделить на две -модель базового состояния и прогнозирующую модель. Модель базового (эталонного) состояния позволяет оценивать состояние процесса по фактическим усредненным показателям за базовый (эталонный) период работы печи. При этом используется фактически доступная информация о работе печи: параметрах шихты, комбинированного дутья, колошникового газа и продуктов плавки и др. Прогнозирующая же модель с использованием результатов, полученных с помощью модели базового (эталонного) состояния, позволяет оценить показатели доменного
процесса в случае изменения видов и свойств железорудного сырья, кокса, флюсов, дутьевых параметров. Используемый принцип позволил построить модель доменного процесса, предназначенную для решения сформулированных выше задач и обладающую свойствами адаптируемости к конкретным условиям функционирования системы с учетом существующей информации о параметрах доменной плавки.
Необходимость блока «Настройка» в структуре модели, включающего подсистемы «Нормативно-справочная информация», «Корректировочные коэффициенты», «Настройка диагностики», обусловлена требованиями настройки модели на конкретные условия функционирования системы. Основные технико-экономические показатели доменной плавки - производительность ДП и удельный расход кокса.
К основным задачам блока теплового режима относятся оценка влияния режимных параметров на удельный расход кокса (рудную нагрузку), а также прогноз химического состава продуктов плавки при изменении параметров загружаемой шихты и комбинированного дутья. Модель базового состояния по натурным данным о параметрах и показателях работы печи позволяет
<
Рис. 1. Структура модели выбора состава железорудного сырья и флюсов ^
Рис. 2. Структура модели расчета параметров первичного шлака
оценить вектор показателей состояния системы и используется для расчета коэффициентов настройки (адаптации) прогнозирующего блока модели. Прогнозирующая модель оценивает проектные показатели доменного процесса при изменении условий плавки относительно текущего состояния.
В модели предусмотрена возможность учета химического состава, гранулометрического состава, восстановимости, прочности железорудных материалов при восстановлении (метод RDI) и температуры: начала плавления (размягчения), соответствующей началу усадки - температуре образования первых порций жидких фаз; плавления (расплавления), соответствующей температуре появления подвижного шлакового расплава.
Оценка физико-химических и физико-механических свойств кокса осуществлялась по техническому (содержание золы, серы, летучих, Снел) и гранулометрическому составам; прочности кокса - холодной (показатели М25, М40, М10) и горячей (CSR); реакционной способности кокса (показатель CRI). При разработке модели учитывали, что между реакционной способностью кокса и его горячей прочностью существует тесная корреляционная связь - увеличение реакционной
способности кокса приводит к снижению горячей прочности кокса.
При этом влияние восстановимости, прочности при восстановлении (RDI) железорудных материалов, гранулометрического состава, холодной (М25, М40, М10) и горячей прочности кокса (CSR), реакционной способности кокса (CRI) учитывается корректировочными коэффициентами в блоке «Настройка».
Для расчета свойств агломерата предусмотрены два варианта: расчет на заданную основность агломерата (определяется расход известняка) и расчет состава агломерата при известном расходе флюсов. В основе решения задачи расчета состава агломерата лежит система двух уравнений: материального баланса и основности агломерата.
Одной из основных функций информационно-моделирующей системы является определение шлакового режима (свойств первичного и конечного шлаков) доменной плавки в базовом и проектном периодах. Структура модели расчета параметров первичного шлака приведена на рис. 2.
При расчете состава и выхода первичного шлака, во-первых, предполагали, что прямое восстановление оксида железа происходит при температуре выше 1000 °С, поэтому содержание
монооксида железа при этой температуре (РеОпр) определяется степенью прямого восстановления; во-вторых, учитывали, что зола кокса и флюсы не участвуют в процессах первичного шлакообразования и поэтому в расчете состава и выхода шлака не учитываются; в-третьих использовали допущение об экспоненциальной зависимости содержания монооксида железа от температуры расплава.
Для расчета температуры начала размягчения (плавления) ТНП и расплавления (плавления) Tp использовали опубликованные в литературе данные и известные эмпирические уравнения. При определении температурного интервала зоны вязкопластичного состояния материалов, толщины слоя вязкопластичного состояния материалов
использовали допущения о том, что газодинамическую напряженность зоны вязкопластичных масс создает слой железорудных материалов с момента 50%-ной усадки слоя, а также об экспоненциальном изменении температуры в пределах нижней ступени теплообмена.
Таким образом, предложенная модель позволяет определять:
- температурный интервал и толщину зоны вязкопластичного состояния железорудных материалов;
- изменение состава первичного шлака по ее высоте;
- изменение вязкости по толщине зоны вязко-пластичного состояния железорудных материалов.
Моделирование свойств конечного шлака включает блоки:
- определения выхода, состава и политермы вязкости (зависимости вязкости шлака от его температуры) конечного шлака;
- расчета десуль
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.