Розробка методології аналізу і оптимізації процесів виробництва чавуну і сталі на основі моделювання властивостей та взаємодії металургійних розплавів

Спiльно з Iнститутом атомної енергiї iм. Курчатова нами було проведено опробування застосування розробленої методики для прогнозування плавкостi гетерогенних оксидних систем, складаючих основу бетонiв з метою прогнозування плавкостi бетонного «кожуха» атомних реакторiв у разi виникнення аварiйних ситуацiй. Нами, зважаючи на покладене завдання, було проаналiзовано накопиченi данi про плавкiсть оксидних систем SiO₂ - CaO - Al₂O₃; SiO_{2 -} CaO - MgO; SiO₂ - CaO - MgO - Al₂O₃; SiO₂ - CaO - MgO - Al₂O₃ - Fe₂O₃ - R₂O - TiO₂ в широкому диапазонi складiв. Для бетонiв та їх компонентiв з високою кiлькiстю монооксидiв кальцiю i магнiю одержане рiвняння:

Т_сол = 1059 + ехр(0,3329+37,6757tg), ^oC R=0,81 (28)

T_лик = 1224 + ехр(-5,4529+76,2321tg), ^oC R= 0,82 (29)

для бетонiв та їх компонентiв з високою кiлькiстю кремнезему:

Т_сол=2877-120,617е-569,98d-8268,125tg+1170,172, R=0,86 (30)

T_лик = 1450 - 215,632е - 435,982d - 14518,625tg+3744,605, R=0,86

для усiх бетонiв температура деформацiї пiд навантаженням (T_д)

T_д = 923 + 21,1е - 1,046d +1107,668tg+160,288, ^oC R=0,92

Моделi були проекзаменованi та пiдтвердили свою адекватнiсть на вперше експериментально вивчених в IЧМ бетонах, використаних при будiвництвi шахт реакторiв Запорізької АЕС. Отриманi результати пiдтвердили успiшнiсть застосування методики фiзико-хiмiчного моделювання для аналiзу властивостей гетерогенних оксидних систем та iнiцiювали подальшу розробку моделей прогнозування властивостей залiзорудних матеріалiв.

3. Методика оцінки рівноважності системи «метал - шлак» в відновлюваних, нейтральних і окислювальних умовах

Сучасна теорія металургійних процесів базується, в основному, на розгляданні процесів взаємодії як результату деяких, практично незалежних реакцій між домішкою та використаним реагентом, при цьому звичайно постулюється заряд атомів домішки та реагенту в розплаві і склад сполук, які утворюються.

Для опису результатів взаємодії зараз використовуються різні критерії (енергія зв'язку, коефіцієнти активності та параметри взаємодії компонентів розплавів, основність).

При аналізі фактичних даних про поведінку компонентів в системі «метал-шлак» за допомогою таких критеріїв постають два питання:

1) як оцінити достовірність експериментальних результатів і вибрати найбільш вірогідні з дуже протирічних даних різних авторів;

2) як використати інформацію, яка одержана на бінарних та моноатомних системах для прогнозування властивостей багатокомпонентних.

Розглянені фізико-хімічні критерії, які характеризують структуру розплавів, є тими інваріантами, котрі забезпечують перехід від простих систем до багатокомпонентних, а їх використання при аналізі їх взаємодії дозволяє побічно враховувати фізико-хімічні властивості шлакових розплавів.

Спочатку треба допустити, що при оцінці реакційної здатності шлаку De характеризує здатність шлаку притягувати домішки, а r - здатність їх відхилення з поверхні у внутрішні шари. Чим більше r, тим важче це відхилення, тому що підвищується ступінь заповнення міжвузлів аніонного каркасу катіонами і процес дифузії уповільнюється.

В термінах цих критеріїв металургійні розплави описуюються як хімічно єдині системи, а не суміш деяких компонентів чи їх сполук. Як слідство, приймається, що окремі компоненти (в першу чергу сірка, фосфор, кремній, марганець) взаємодіють не з CaO, MgO чи FeO, а з усім розплавом. Тим самим конкретизується висунутий І.С.Куліковим тезис про кооперативний іонообмінний характер між взаємодіючими розплавами.

Для конкретизації цих уявлень в роботі розглянені фактичні дані про склад реагуючих розплавів при виплавці сталі в різних агрегатах. Кінетика зміни параметрів Z^Y і е у ході конвертерного процессу підтверджує цей тезис. Узгодження зміни хімічних еквівалентів складу металу і шлаку відображують рівняння типу:

Z^Y=2,_1-_,17Dе-1,65--r-----3__-т--конвертер--R=_.95--(33)

Z^Y=2,2-_,_7Dе-1,49r-------13_-т--конвертер--R=_.96--(34)

Аналогічні залежності одержані для складу металу і шлаку в відновлювальних умовах. Так, для складу продуктів доменних плавок ДП-5 ЧерМК (проби відбирали в ході випуску), умови відповідності складу чавуну і шлаку визначаються співвідношенням:

Z^Y=_,37-_,179Dе+_,826r-- --R--=_.8--(35)

Основні термодинамічні параметри, які визначають ефективність процесів взаємодії між співіснуючими фазами, є коефіцієнти розподілу (Lэ). Емпірічні формули для їх розрахунків частіше всього базуються на уявленнях молекулярної теорії і були отримані шляхом обробки дослідних даних в координатах «Lэ - склад шлаку». Удосконалення і уточнення цих залежностей іде по шляху збільшення числа параметрів і ускладнення форми цих рівнянь.

З позицій уявлень про кооператиний характер іонообмінних процесів в системі «метал-шлак» згідно до умов доменної плавки в цій роботі проаналізовано фактичні дані про склад чавуну і шлаку при виплавці чавуну на доменних печах світу і показникам роботи доменних печей СНД. В результаті аналізу засобами АСОД одержано рівняння:

lgL_S--=--7.9_7Z^y+_._42De+17.42r-_.51DZ_s-21.16--R=_.93 --(36)

lgL_Si--=-1.39Z^y-_.97De+9.34r-2.17DZ_si-2.51--R=_.82 --(37)

lgL_Mn--=-5.57Z^y+_.59De-11.798r+1.45DZ_mn+17.6--R=_.74 --(38)

Без урахування параметру перезарядки (LgL_эл=f(De,r,Z^y)) точність рівнянь R=0.75, R=0.8, R=0.7 відповідно.

Особисте значення при аналізі міжфазного розподілу елементів в системі «метал-шлак» має проблема оцінки рівноваги.

З питання про ступінь наближення системи «метал-шлак» до рівноваги при виплавці чавуну в літературі є різні точки зору і даються відповідні співвідношення для прогнозу рівноважного коефіцієнту розподілу сірки.

В роботі описано результати аналізу рівноважних даних з бази ретроспективних даних «Шлак-Метал-Газ». Досліджено вплив параметру перезарядки кремнію і сірки на коефіцієнти їх розподілу. Розрахунки зроблено по формулам, які враховують властивості середовища (39) і місцевого оточування елемента DZэ--(4_)--:

lg(Lэ)=f(Z^Y,--De,--r)--(39)

lg(Lэ)=f(Z^Y,--De,--r,--DZ_эл)--(4_)

В таблиці 4 є фрагмент із даних І.С.Кулікова, для котрих умовами опиту забезпечено розподіл сірки, близький до рівноважного, а початковий вміст сірки в чавуні вище ніж рівноважний за реакцією SiO₂+2C=[Si]+2CO.

Як показали результати обробки даних вказаної виборки, точність визначення коефіцієнту розподілу сірки по формулі (39) достатньо висока (R=0.96) і практично не змінюється при врахуванні параметру перезарядки DZ_S. Точність же розрахунку коефіцієнту розподілу Si (нерівноважні умови) значно підвищується якраз при врахуванні параметру перезарядки. Цей факт дозволяє припустити, що параметр Dzэ може бути індикатором відхилення системи від рівноваги: коли його додатковий вхід в прогнозну модель для розрахунку коефіцієнтів розподілу елементу у системі «Метал-Шлак» значно підвищує точність моделі, процес є нерівноважним по даному елементу і навпаки.

Таблиця.4

Таким чином для прогнозування рівноважного коєфіцієнту розподілу сірки L^О_S одержано рівняння:

lgL^O_S =9.033Z^y+18.53-0.096e-24.272 R=0.93 (41)

Порівняльний аналіз фактичних даних про розподіл сірки між чавуном і шлаком на масиві звітних технологічних даних про роботу доменних печей СНД з прогнозними значеннями L^О_S показав, що в умовах усіх заводів розподіл по сірці нижче рівноважного (ступінь досягнення рівноваги =1/nSLs^Ф/Ls^O=0.85 ) і його відхилення збільшується пропорціонально зміненню Ls.

Мал.

За результатами аналізу приведеного масиву експериментальних даних уточнена встановлена в роботах Приходько Е.В. і Шеєнко М.І. залежність рівноважного розподілу фосфору від хімічного еквіваленту складу шлаку (е) у вигляді рівняння:

lg L_P= exp((e + 2,75)/3) + 3,9

Відповідна екстремальна залежність дозволяє оцінити ступінь відхилення фактичного значення коефіцієнту розподілу фосфору від його можливого рівноважного. На мал.9 такий порівняльний аналіз зроблено для промислових конверторних плавок комбінату «Криворіжсталь», Єнакієвського МЗ і заводу в м. Алікуіпе (США).

Зроблені в роботі дослідження показали, що використання параметрів міжатомної взаємодії при трактовці хімічного зв'язку як направленого, дозволяє з єдиних фізико-хімічних позицій інтерпретирувати результати іонообмінних процесів між реагуючими фазами. Процес переходу іонів сірки, фосфору, марганцю та кремнію через межу метал-шлак в значній мірі визначається активністю відповідних елементів в розплавах, залежно від їх зарядового стану и загального складу взаємодіючих фаз, а також критерія «перезарядки» DZ_Э=Z_Э^мет-----Z_Э^шл.

Як було нами показано його вплив тим більше, чим більше відхилена система від рівноваги.

4. Методика прогнозування металургійних властивостей залізорудних матеріалів

Поліпшення техніко-економічних показників роботи доменних печей є однією з важливіших задач чорної металургії. Особливе значення у практиці доменного виробництва надається своєчасності і вірогідності інформації не тільки про склад, але і властивості шихтових матеріалів.

Основними характеристиками залізорудних матеріалів, що визначають їх поведінку у доменній печі, є плавкість, міцність у початковому стані та при відновно-тепловій обробці і відновність.

Відомі методи прогнозування зазначених властивостей базуються на використанні окремих компонентів складу CaO, SiO₂, MgO, Al₂O₃, Fe_заг, або їх співвідношень та сполучень (CaO/SiO₂, (CaO+MgO)/SiO₂, Al₂O₃/MgO, суми шлакоутворюючих і т.і.). Звичайно подібні рівняння забезпечують точність розрахованих величин тільки в умовах конкретної вибірки складів, що використані для їх виводу.

З метою розробки методики узагальнення дослідних даних у формі, придатній для розв'язання задач прогнозування, виконана розробка фізико-хімічних критеріїв для комплексного обліку впливу всіх компонентів складу на формування властивостей залізорудних матеріалів і проведено з їх допомогою дослідження комплексу металургійних властивостей агломератів і окатишів в широкому діапазоні коливання їх хімічного складу.

Враховуючи досвід моделювання структури шлакових розплавів і бетонів, а також традиційний підхід технологів до оцінки окисленості залізорудних матеріалів, за базові модельні характеристики їх складу запропоновані параметри: r - показник стехіометрії та De, який виконує функцію хімічного еквіваленту складу окисної системи.

Для вибору моделі, яка найбільш повно відображує зв'язок складу і властивостей залізорудних матеріалів досліджено 3 варіанти «згортки»;

r--и--De - для складу шлакової зв'язки без Fe₂O₃ ;

r'--и--De' - для складу шлакової зв'язки без Fe₂O₃ та FeO;

r"--и--De" - для повного хімічного складу залізорудної сировини.

На прикладі таких металургійних властивостей як міцність на стирання (X_0,5,%) та відновність при 800^оС (R₈₀₀,%) засобами АСОД визначені значимі факторні навантаження на головний фактор:

Таблиця

Змінна	Х-0,5	R800	`'	e»	`	e'		e	Fe2O3	FeO
Навантаження	0,83	0,843	0,175	0,061	0,223	0,617	0,501	0,638	0,413	0,432

Наведені дані свідчать, що в якості інтегральної «згортки» найбільш доцільно використовувати критерії r--и--De шлакової зв'язки залізорудних матеріалів без Fe₂O₃, виділивши склад Fe₂O₃ в якості самостійного модельного параметру, або r'--та--De' шлакової зв'язки без Fe₂O₃ та FeO, виділивши в якості самостійних параметрів Fe₂O₃ та FeO. Перевага критеріїв, які запропоновано, підтверджена більш високими коефіцієнтами кореляції (R=0.91) при прогнозуванні металургійних властивостей (наприклад, R₈₀₀), порівняно з повним хімічним складом (R=0.75) і сполученням традиційних критеріїв: основністю, Fe_заг, сумою шлакоутворюючих (R=0.62).

Для обліку впливу зарядового стану катіонів та аніонів розроблено і реалізовано методику розрахунку середньостатистичних зарядів, включених в модель у доповнення до r--и--De:

Z_k-a - заряд катіонів у зв'язку катіон-аніон; Z_k-k - заряд катіонів в зв'язку катіон-катіон.

Мал.

В цілому моделі для прогнозування властивостей залізорудних матеріалів мають вигляд: властивість=f(De;r;Z_k-a;Z_k-k;Fe₂O₃). Суттєва різниця металургійних властивостей агломератів та окатишів визначило проблему неоднорідності при їх сумісному моделюванні. В результаті таксономічного аналізу початкова вибірка даних по деяким властивостям розділилась на дві ізольовані підмножини - агломерати та окатиші (наприклад, мал.10). За цих обставин прогнозні моделі для міцностних властивостей і плавкості здобуто окремо для кожного виду доменної сировини.

До того ж теоретичне узагальнення всіх експериментальних даних, які знаходяться в базі, ускладнено в зв'язку з використанням дослідниками різних методик і неідентичністю умов проведення експериментів.

Вимогами до якості залізорудної сировини прийняті показники міцності та відновності при відновленні у температурному інтервалі 20-800^оС, що відповідає верхньому ступеню теплообміну у доменній печі (ГОСТ 19575-84), газопроникнення та відновності при 1050^оС на межі непрямого відновлення (ГОСТ 21707-76) : Міцність по виходу кондиційної фракції >5 мм X₊₅,%;

Стираність по виходу класу 0-0,5 мм- X_-0,5,%;

Ступінь відновлення при 800^оС - R₈₀₀,%;

Ступінь металізації при 800^оС - w_{8__},%;

Усадка шару при 1050^оС - DH,%;

Перепад тиску газового потоку при 1050^оС - DP,Па;

Ступінь відновлення при 1050^оС - R₁₀₅₀,%;

Ступінь металізації при 1050^оС - w₁₀₅₀,%.

Використані результати визначення вищеназваних властивостей, а також температур початку розм'якшення (Т_нр) та плавлення (Т_п) агломератів та окатишів практично всіх окомковальних фабрик країн СНД, здобуті на установках ІЧМ. Для дослідження виділялась фракція 10-25 мм, що виключило вплив гранулометрії. Технологію виробництва залізорудних матеріалів не враховано.

Широкий діапазон складу компонентів і властивостей визначає значимість виборки для розробки прогнозних моделей (табл.5,6).

Таблиця 5. Діапазон складу компонентів.

Матеріал	Масова доля, %
	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	MnO	FeO	Fe2O3
Агломерат	4-13	6-20	0,5-5	1-5,5	0-2,5	6-36	35-77
Окатиші	3-11	0,6-9,9	0-2,5	1-5,9	-	0,5-8,5	75-91

Таблиця 6. Діапазон змінення властивостей.

Матеріал	Х+5, %	Х-0,5,%	R800, %	800, %	H, %	P, Па	R1050,%	1050,%
Агломерат	18-89	2,5-27	13-47	4-37	8-44	6-69	43-91	26-88
Окатиші	36-99	1,0-36	27-75	5-64	14-60	20-1960	35-95	17-94

Прогнозні моделі X₊₅ та X_-0,5 у виляді рівнянь множинної регресії «властивість»=f(De,--r,--Z_(k-a),--Z_(k-k),--Fe₂O₃) розроблялись для кожного виду доменної сировини:

Агломерати

X₊₅=-917,8-88,22De-188,97r+1_36,28Z_(k-a)-869,44Z_(k-k)-1,29Fe₂O_3----R=_.86;--(43)

X_{-_,5}=218,4+22,69De+63,25r-226,34Z_(k-a)+187,91Z_(k-k)+_,16Fe₂O₃----R=_.7_;--(44)

Окатиші

X₊₅=-2699,6-3_2,95De-794,3r+2683,69Z_(k-a)-22__Z_(k-k)+1,46Fe₂O₃-- --R=_.94;--(45)

X_{-_,5}=1191,6+124,15De+414,69r-1191,14Z_(k-a)+986,38Z_(k-k)---_,68Fe₂O₃--R=_.82;--(46)

У випадку необхідності прогнозування властивостей металургійної сировини для суміші агломерат + окатиші пропонуються такі моделі:

R_{8__}=159,1+1,_2Fe₂O₃+6,9De+75,1r-211,9Z_k-a+199,7Z_k-k--R=_.92--(47)--w_{8__}=29_,5+_,88Fe₂O₃-11,7De+27,5r-311,1Z_k-a+316Z_k-k--R=_.88--

R_{1_5_}=1_8,5+_,56Fe₂O₃+57,6De+177,31r-148,4Z_k-a+72,1Z_k-k--R=_.79--

w_{1_5_}=-462+_,82Fe₂O₃+47,16De+219,12r+3_5,94Z_k-a-345,18Z_k-k--R=_.85--

DH=624-_,2_Fe₂O₃-8,7De-171,4r-4_4Z_k-a+397,4Z_k-k--R=_.8--

DP=1852+_,64Fe₂O₃+2_2,3De-82,1r-1455,9Z_k-a+1143,2Z_k-k--R=_.72--

Розроблені моделі забезпечують задовільну точність прогнозування властивостей для практичних цілей. Резервом підвищення їх точності є облік технологічних факторів.

Розроблена методика програмно реалізована на ПЕОМ для оцінки властивостей залізорудних матеріалів при зміні складу та співвідношення початкових шихтових компонентів в умовах виробництва агломерату або окатишів.

Вона використана, наприклад, для дослідження впливу хімічного складу на металургійні властивості агломерату ДМК, які включають початкову експериментальну інформацію про склад, холодну міцність на удар і стирання та розрахункову інформацію показників якості згідно з ГОСТ 9575-84 та 217-7-76. При цьому зпівставлення залежностей змінення властивостей агломерату від концентрації Fe_заг дозволяє вирішувати питання оптімізації його якості. Так, нариклад, спільний аналіз залежностей міцності (Х₊₅) та відновності (R₁₀₅₀), наведений на мал.11, дозволяє зробити висновок, що одночасно досягнути максимальних значень цих властивостей не можна. З точки зору досягнення задовільної міцності Х₊₅ > 60% і відновленості агломерату R₁₀₅₀ >70%, допустимий склад Fe_заг. складає 52-53%.

Мал.

Наявність моделей шихти, шлакових та залізовуглецевих розплавів дозволяє здійснити моделювання відновної плавки за схемою "Шихта"+ "Технологія" = "Продукти плавки". Тим самим створюються певні передумови для усунення ускладнень, пов'язаних з необхідністю обліку на різних етапах фазових перетворень в сировині та їх впливу на розподіл елементів між розплавами.

В цій праці на відміну від традиційних підходів з позицій балансних методів коефіцієнти розподілу елементів задаються не константами, а розглядаються як величини змінні, які залежать від конкретних шихтових та технологічних умов. Розв'язання позначеної задачі здійснено на основі «згорток» параметрів позначених підсистем та показника багатства шихти - %Fe_?O₃.

При підготовці виборки для усунення ефекту «зашумленості» даних про роботу доменних печей здійснюється з п'ятидобовим осередненням. На основі обробки даних програмними засобами прикладної статистики за період січень-червень 1998р. отримані наступні прогнозні моделі для коефіцієнтів розподілу елементів:

L_S=-1937+5,6%Fe₂O₃+255e-3968+3285Dd+18_3De_н+F_т1--R=_.77--(53)

L_Si=--498-4,2%Fe₂O₃+41,3e+186+1389Dd-337De_н+F_т2--R=_.67--(54)

L_Mn=16-_,1%Fe2O3-2,4e-3_-2_,4Dd-1_,5De_н+F_т3--,--R=_.71--(55)

де

F_т1=-0,464R_ПГ-0,042R_Дут-0,05Tк.г.+88,7Руд.н.+23,52Sкок (56)

F_т2=-0,234R_ПГ+0,019R_Дут-14,54Pк.г.-7,65Руд.н.-19,31Sкок (57)

F_т3=-0,001R_ПГ+0,001R_Дут+0,001Tк.г.-0,443Руд.н.-0,052Sкок (58)

Тут: F_т1 , F_т2, F_т3 - фактори -»згортки» технологічної інформації; R_ПГ - витрати природного газу, (м³/т); Т_Дут - витрати дуття, (м3/мин); Ркг - тиск колошникового газа, (атн); Тк - температура колошникового газу, (ати); Руд.н. - рудне навантаження, (т/т); Sкок - сірка в коксі.

Програма вирішує наступні задачі: - розрахунок кількості і складу продуктів плавки по складу подачі на основі матеріального балансу плавки; - розрахунок інтегральних фізико-хімічних критеріїв, які характеризують структуру кінцевого шлаку; - прогнозування фізико-хімічних властивостей кінцевого шлаку (в'язкість, плавкість, поверхневий натяг, електропровідність, міцність).

Програма функціонує в підсистемі «Оптимізація" і передана в постійну експлуатацію в складі АРМу «Доменщик» ДМК ім.Дзержинського, комбінату ім. Ілліча, ЗСМК.

5. Утворення методологічних і технологічних основ наскрізного аналізу виробництва і якості продукції металургійного комбінату

«Суцільна комп'ютерізація» науково-технічних служб на основі сучасних інормаціних технологій є основною передумовою для наскрізного аналізу виробництва металопродукції і стратегічним капіталовкладенням, який в значній мірі визначає успіх підприємства в боротьбі за «виживання».

Головною задачею комп'ютерізації науково-технічних служб комбінату є забезпечення спеціалістів науково-технічних і інженерних служб заводуправління оперативною інформацією і сучасними інструментальними засобами для поглибленого аналізу техніко-економічних показників і оптимізації управління виробництвом за рахунок притягнення сучасних досягнень академічної і галузевої науки відповідних технічних засобів та організації роботи технолога з інормаційно-аналітичною системою у режимі тандема взаємної доповнюваності.

Найкращою формою організації такого середовища є АРМи. Критерієм ефективності АРМа є його інтелектуальні можливості, які характеризуються рівнем задач, які вирішуються - оцінкою надійності даних і їх логіко-аналітичною обробкою для оптимізації, одержанням дедуктивних висновків для інтелектуального синтезу.

Робота над створенням конкретного АРМу починається з вивчення інформаційних потоків. Інформацію структуруємо за рівнем ( технологічний, управлінський, системний), за призначенням (агломерат, чавун, сталь, прокат). Оночасно розробляється поетапна програма робіт, в основу якої покладена стратегія утворення інтегрірованої розгалудженої комп'ютерної мережі, яка містить бази даних фундаментальної, технологічної та нормативно-довідкової направленості, в обчислювальний комплекс для всебічної математичної обробки даних і проблемно-орієнтовані комплекси з інтелектуально-логічними елементами для аналізу, прогнозування і оптимізації технологічних процесів. Особлива увага надається процедурам стиснення інформації у вигляді звітних форм графіків, картограм, які передаються по каналам мережі для аналізу Верхнього Рівня Управління.

При створенні інформаційного Середовища доцільно використовувати технологію розподілених баз даних.

Концептуальна схема комп'ютерізації науково-технічних служб металургійного комбінату показана на мал.12.

Розроблена концепція комп'ютерізації науково-технічних служб металургійного комбінату, яка охоплює наскрізний аналіз виробництва металопродукції, пройшла досвідно-промислове виробування в умовах Дніпропетровського металургійного комбінату [23] і введена в експлуатацію.

По ходу цієї роботи спеціалісти комбінату притягувались як консультанти і експерти, оволодівали основами комп'ютерної грамотності, приймали участь в алгоритмізації розробок по переділам. Разом з спеціалістами загальнозаводської АСУ зроблено аналіз інормаційних потоків, пророблено питання створення структури баз, розроблено інтерфейси їх стиковки. Так, наприклад, при розробці АРМів по переділам було охоплено 22 ведучих спеціалісти комбінату, в тому числі начальники аглодоменного і сталеплавильного відділів, відділу розливки, стандартизації і нормування.

Найбільш повну проробку і опробацію пройшли розробки відносно до агломераційного, доменного, сталеплавильного процесів, а також безпереривної розливки. В даний час проробляється питання створення АРМа заключного переділу «Прокатчик».

Система аналізу виробництва чавуну реалізована в АРМах «Агломератчик» і «Доменщик».

АРМ «Агломератчик», як і усі інші АРМи є відкритою експертною системою, яка містить формалізований досвід технологів, поєднаний з розробленими нами [34] методами обробки даних та інженерних розрахунків. Система має інформаційний, проблемний, прикладний та системний блоки. Інформаційний блок вміщує фіксовані в АСУТП та спеціально поповнені в ручному режимі показники про роботу переділу, спеціальний інтерфейс, забезпечує стиковку баз даних з Пакетом статистики засобами багатокритеріальної оптимізації, проблемними програмами.

Створено програмні засоби організації, накопичення, аналізу та графічної інтерпритації сучасної інформації про шихтовку, виплавку агломерату, порівняльного аналізу розрахункового складу агломерату з фактичним, засоби графічного сервісу і генерації звітних форм.

Підсистема інженерних розрахунків забезпечує рішення прикладних задач:

- оперативний аналіз результатів роботи аглофабрики за деякий вказаний період і формування звітних форм для прийняття рішень на Верхньому Рівні Управління;

- розрахунок хімічного складу і властивостей агломерату по витратам із складу матеріалів з різним періодом дискретності: бригада, зміна, доба і т.д.;

- прогнозування на основі параметрів структури шлакової зв'язки і вмісту Fe₂O₃ (%) металургійних властивостей агломерату, перелічених в розд.4. На мал.13 як приклад зображено функціональну схему організації накопичення та аналізу добових даних про роботу доменних печей у складі АРМа»Доменщик».

Проблемний блок дозволяє вирішувати комплекси задач:

- матеріальний та тепловий баланс (з дискретністю зміна - доба - будь-який вказаний період);

- розрахунок шихти;

- прогноз складу і властивостей продуктів плавки по складу подачі;

- аналіз показників плавки за будь-який досліджуваний період (до 6 порівнювальних періодів);

- розрахунок ступеню відхилення системи «метал-шлак» від рівноваги;

- приведення показників роботи печей до порівнюємих умов і др.

Аналогічну структуру мають докладно описані в роботі АРМи інших переділів.

Аналіз показників плавки проводять базуючись на інженерних розрахунках доменної шихти з метою поглибленого аналізу відновної роботи горна. Насамперед, обчислюється ступінь прямого відновлення, індекс непрямого відновлення, теоретична температура горіння, кінетична енергія дуття, ступінь використання водню і СО. Ці параметри потім використовуються для аналізу ефективності роботи печі, для технологічних і науково-дослідницьких цілей. Інформаційно-пошукова система забезпечує вибірку і середньозваження даних їх БД за будь-який досліджений період. Є можливість аналізу декількох періодів одночасно.

Реалізований пофакторний аналіз виробництва печі та витрат коксу. Засобами АСОД уточнюються частки впливу аналізованих факторів («ресурсів») на вивчаємий параметр. Всього передбачено аналіз більш як 40 різних градацій основних факторів з виразом їх у відсотках збільшення або зменшення виробництва печі та витрат коксу. Вихідна форма має динамічну структуру і генерується в залежності від вказаних Використувачем факторів.

Аналіз технологічних процесів у сталеплавильних агрегатах реалізовано в АРМах «Сталеплавильщик» та «Розливщик» в повній відповідності з сумарною технологією утворення АРМів на рівні експертних систем.

Підсистема «Сталеплавильщик» спирається на інформаційну базу даних, яку засновано на фактично діючому паспорті даних ВТК і цеховому АСУТП. Підсистема забезпечена сервісними засобами вибірки та злиття баз за різні періоди, пофакторним аналізом техніко-економічних показників плавки, а також моделями, які забезпечують рішення слідуючих задач:

- розрахунок витрат коефіцієнтів і остаточного вмісту марганцю, сірки та фосфору в сталі при зміні складу та витрат чавуну рідкого і твердого, металобрухту, феросплавів чи їх відходів, вапна, вапняка, залізорудних матеріалів, кисню та потрібних кінцевих параметрів - температури сталі, основності шлаку, вмісту вуглецю після зупинки продувки;

- вибір оптимального (з того, що маємо) набору сплавів при легуванні сталі в конвертері;

- вибір засобу досягнення заданого в готовій сталі вмісту вуглецю - з навуглецюванням і без навуглецювання металу в ковші;

- вибір засобу досягнення заданої температури металу при дефіциті металобрухту з різними засобами охолодження;

- вибір засобу досягнення заданої температури металу при дефіциті чавуну;

- вибір оптимального набору сплавів для розкислення і легування сталів в ковші;

- вибір засобу досягнення заданого вмісту сірки та фосфору в сталі;

- прогнозування у змінних шихтових та температурних режимів відхилень ходу процесу від оптимального.

Підсистема «Розливщик» спирається на машинний паспорт переділу розливки і інформацію, яка приходить на сервер НВО з цехової АСУТП. На робочій станції у відділі розливки створено інтегровану базу даних і забезпечено сервісні засоби оперативного просмотру, коректировки, пошуку, обробки показників переділу, який містить 98 полів адресно-технологічної інформації і 54 поля, які характеризують режими водно-повітряного охолодження. Розроблено підсистему інженерних розрахунків аналізу показників плавки за любий період та програмні засоби формування Наскрізного Паспорту Плавки.

Усі АРМи забезпечено базою даних нормативно-технічної інформації на продукцію комбінату «Гости».

Етап промислового опробування розробок не тільки підтвердив ефективність технології комплексної комп'ютерізації науково-технічних служб комбінату на базі локальної комп'ютерної мережі, але і став поворотним моментом у реалізації виробленої на відправному етапі концепції, тому що функціонування мережі стало невід'ємною частиною процесу виробництва співробітників НВО.

Таким чином, утворено технологічні основи для наскрізного аналізу виробництва металопродукції та вибору раціональних технологічних схем виробництва металопродукції за принципом «Сировина+Технологія = Виробництво + Якість», як на інформаційному , так і на модельному рівнях.

Наявність фонду моделей по переділам і єдина методологія їх створення на модульному принципі (кожний варіант технології показаний відповідним модулем) дозволяє забезпечити їх нарощування у процесі розвитку алгоритмів і здійснити генерацію моделей металургійних процесів в єдину наскрізну модель з метою організації оптимальної схеми виробництва металу заданної якості.

У вигляді ілюстрації методології розв'язку цієї задачі на основі розроблених в ІЧМ за участю автора моделей по переділам [25] в роботі описано результати обчислювального експерименту на прикладі техніко-економічного аналізу шляхів досягнення низьких концентрацій сірки в сталі по критерію сумарних експлуатаційних витрат (СЕВ) у комплексі доменний цех (ДЦ) - установка доводки чавуну (УДЧ) - конвертерний цех (КЦ) - пристрій доводки сталі (ПДС).

Одержані результати графічно проілюстровано у роботі і зведено до таблиці7.

Таблиця 7. Співставлення СЕВ у комплексі ДЦ-УДЧ-КЦ-ПДС при різних засобах одержання низького вмісту сірки у готовій сталі.

Відношення СЕВ	Охолодження плавки	Інші параметри	Величина відношення СЕВ
Відношення СЕВ при вилученні сірки в конвертері до СЕВ при позапічній десульфурації чавуну	Металобрухтом Рудою	-	1.076 1.126
Відношення СЕВ при позапічному видаленні сірки зі сталі до СЕВ при позапічній десульфурації чавуну	Металобрухтом Рудою	Кисла футеровка сталерозливного ковшу Основна футеровка Кисла футеровка сталерозливного ковшу Основная футеровка	1.045 1.03 1.075 1.05
Відношення СЕВ при збільшенні ступеню десульфурації в доменній печі (Sпоч=0.06%) в сполученні з позапічною десульфурацією чавуну і сталі до СЕВ при позапічній десульфурації чавуну і сталі	Металобрухтом Рудою	При досягненні в доменній печі 0.04% S При досягненні в доменній печі 0.02% S При досягненні в доменній печі 0.04% S При досягненні в доменній печі 0.02% S	1.017 1.03 1.038 1.05

В результаті було встановлено слідуюче:

- з підвищенням ступеню десульфурації чавуну СЕВ, як правило, знижуються, виняток складають випадки з незадовільним скачуванням шлаку - вже при вмісту сірки після УДЧ менш 0.02% вага сірки у шлаці перевищує вагу сірки у чавуні, при подальшому зниженні сірки витрати на десульфурацію підвищуються, але вміст сірки у сталі помітно не знижується, що потребує підвищити кількість додувок для її виведення;

- самий економічний реагент для десульфурації чавуну - магній; самий дорогий - карбід кальцію (вапно займає проміжне положення);

- старанне відведення шлаку після УДЧ зменшує СЕВ, незважаючи на додаткові витрати чавуну при цьому;

- збільшення ступеню десульфурації чавуну приводить до зниження СЕВ у комплексі ДЦ-УДЧ-КЦ-ПДС, навіть при наявності десульфурації сталі;

- боротьба з сіркою у процесі доменної плавки супроводжується збільшенням сумарних експлуатаційних витрат у комплексі ДЦ-УДЧ-КЦ-ПДС;

- найбільш економічним шляхом вирішення проблеми є десульфурація чавуну, потім іде позапічна десульфурація сталі і збільшення ступеню десульфурації у доменній печі. Найбільш дорого коштує збільшення ступеню десульфурації у конвертері.

Викладені тут результати одержані в конкретних умовах Дніпровського металургійного комбінату і тому не є безумовними і остаточними. В інших умовах (наприклад, при наявності низькосіркового коксу ) результати можуть змінитися. Важливо те, що маємо інструментарій, який дозволяє вибрати оптимальний варіант виробництва в конкретних сировинних і технологічних умовах.

Висновки

1. Розроблено алгоритми розрахунку інтегральних та парціальних параметрів «згортки» хімічного складу шлакових та металевих розчинів на основі теорії направленого хімічного зв'язку. Показано, переклад інформації про склад багатокомпонентних систем на мову модельних параметрів дозволяє «уніфікувати» набір фізико-хімічних критеріїв та забезпечити мінімальним їх надлишок при моделюванні термодінамічних властивостей металевих та шлакових розплавів та результатів взаємодії в системі «Метал-Шлак».

2. Розроблено нові фізико-хімічні критерії DDe,--DZ^y--та--Dd, які характеризують ступінь відхилення параметрів структури оксидних і металевих розплавів як хімічно єдиних систем від механічної суміші їх компонентів. Результатами аналізу представницького матеріалу про термодінамічні властивості бінарних та багатокомпонентних розплавів показано, що використання комплексу цих критеріїв дозволяє враховувати вплив мікронеоднорідності будови розплавів на їх властивості.

3. На основі зібраних в базах ретроспективних фундаментальних даних розроблено моделі для оцінки рафінуючої здібності шлакових розплавів в умовах окислювальної та відновної плавок. Зроблено порівняльний аналіз сульфідної ємкості шлаків доменного та сталеплавильного процесів, позапічної обробки чавуну та сталі.

4. Розроблено концептуальні вимоги до баз даних, методологія систематизації і принципи паспортизації даних. Обговорено проблеми та принципи організації баз даних про властивості шлакових розплавів і шлакоутворюючих сумішей, термодинамічних даних систем «Шлак-Метал-Газ» і властивостей залізорудних матеріалів. Проблемно методологічні питання утворення фонду моделей металургійних систем і процесів їх взаємодії на макро- і мікрорівнях, які забезпечують тандем взаємної доповненості з інформаційним середовищем.

5. З метою інформаційного забезпечення дослідників-металургів експериментальними даними про фізико-хімічні і технологічні властивості металургійних систем утворено бази документально-фактографічних даних про властивості шлакових розплавів «Шлак», шлакоутворюючих сумішей «ШУС», термодинамічних даних «Шлак-Метал-Газ», фізико-хімічних і металургійних властивостей залізорудних матеріалів «Шихта».

6. З позицій теорії фізико-хімічного моделювання виконано аналіз зібраних в базах ретроспективних даних про фізико-хімічні властивості шлакових розплавів і уточнено прогнозні моделі для в'язкості, плавкості, електропровідності, поверхневого натягу, густини у діапазоні хімічного складу доменного та сталеплавильного виробництв. Розроблено моделі для прогнозування вказаних властивостей шлакових сумішей для безперервної розливки сталі, а також плавкості бетонів. Розрахунок вказаних властивостей реалізовано у програмному комплексі «Оксид» і включено в склад технологічних АРМів ДМК, комбінату ім.Ілліча, ЗСМК.

7. Встановлено важливу роль перезарядки при переході іонів сірки, фосфору, марганцю та кремнію крізь межу метал-шлак. Розвинутий тезис, який сформулював І.С.Куліков, згідно якому термодинамічний аналіз рівноваг у системі метал-шлак повинен базуватися на аналізі системи, як такої, а не окремих хімічних реакціях між компонентами вибраними на свій погляд. Показано, що сполучення інтегральних модельних параметрів De--і--r (для шлаку) і Z^y та d (для металевих розплавів) характеризують хімічну індивідуальність будь-якого конкретного складу металургійного розплаву. Їх використання дозволяє відмовитися від розглядання кооперативних іонообмінних процесів як суми окремих реакцій.

8. З позицій концепції кооперативного характеру іонообмінних процесів розглядено поведінку фосфору, сірки, кремнію, марганцю у системі метал-шлак. Одержано точні регресійні рівняння, які описують у модельних термінах розподіл цих елементів, їх концентрації та активності у різних умовах взаємодії розплавів. Утворено базу ретроспективних даних про рівноважний розподіл сірки і фосфору між металом і шлаком. Одержано прогнозні моделі для рівноважних коефіцієнтів розподлу сірки і фосфору в умовах відновної і окислювальної плавки.

9. На основі ретроспективних даних бази «Шихта» вивчено комплекс властивостей агломерату і окатишів практично всіх окомкувальних фабрик країн СНД у широкому діапазоні концентрацій компонентів складу і властивостей.

Проаналізовано з використанням факторного аналізу рузні варіанти «згортки» хімічного складу залізорудних матеріалів через інтегральні фізико-хімічні критерії, які характеризують склад шлакової зв'язки. Встановлено, що найбільш доцільно використовувати для «згортки» шлакову зв'язку крім Fe₂O₃, виділяючи концентрацію Fe₂O₃ як самостійний параметр.

10. Розроблено моделі для прогнозування основних фізико-хімічних і технологічних властивостей агломератів та окатишів. Стосовно до шихтових умов ДМК реалізовано методику оцінки впливу хімічного складу на металургійні властивості агломерату та вибір його оптимального складу при Fe_заг в межах 49-54%.

11. Запропонована методологія прогнозування коефіцієнтів розподілу елементів у системі «Метал-Шлак» як функцій конкретних шихтових та технологічних умов. Моделі включено в склад АРМу «Доменщик», який функціонує в середовищі локальної обчислювальної мережі ДМК з метою вибору оптимального складу подачі, яка забезпечує заданий шлаковий режим.

12. Розроблено базове прикладне і системне програмне забезпечення для аналізу фізико-хімічної та технологічної інформації, яка містить засоби роботи з багатомірними даними та інструментальні засоби «згортки» фізико-хімічної та технологічної інформації, оригінальні засоби багатокритеріальної оптимізації технолгічних процесів.

Розроблено та випробувано в промислових умовах методологічні та технологічні основи утворення системи наскрізного аналізу виробництва і якості металопродукції шляхом утворення АРМів по переділам. Викладено досвід «наскрізної» комп'ютерізації науково-технічних служб ДМК.

13. Реалізована методологія рішення задач оптимізації наскрізних технологій на прикладі техніко-економічної оцінки різних варіантів досягнення низьких концентрацій сірки в сталі у вигляді наскрізної моделі виробництва рідкого металу у комплексі Доменна піч - Установка доводки чавуну - Конвертерний цех - Установка доводки сталі.

моделювання металургійний розплав

Література

1.Тогобицкая Д.Н. Информационно-математическое моделирование шлаковых и железоуглеродистых расплавов // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1998. - N4. - С.7-10.

2.Тогобицкая Д.Н. Моделирование межфазного распределения элементов в системе "металл-шлак" при выплавке чугуна // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1999. - N1. - С.8-11.

3.Приходько Э.В., Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н. Физико-химические критерии для оценки свойств оксидных расплавов в металлургии // Вопросы теории и практики производства чугуна. - М.: Металлургия - 1986. - С.25-28.

4.Тогобицкая Д.Н., Хамхотько А.Ф., Варивода О.И., Лихачев Ю.М. Моделирование на ЭВМ свойств оксидных систем //Изв.ВУЗов.Чеpная металлургия.-1991г.-№12.С.41-45.

5.Приходько Э.В., Тогобицкая Д.Н. Физико-химическое моделирование процессов межатомного взаимодействия в металлургических расплавах // Вестник Приазовского государственного технического университета:Сб.науч.тр.- Вып.7. - Мариуполь.- 1999. - С.72-82.

6.Тогобицкая Д.Н., Приходько Э.В. Система "металл-шлак" как объект моделирования // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. - Киев. - Наукова Думка. - 1998. - С.98-104.

7.Горбачев В.П., Янковский А.С., ЛаптевА.И., Марьясов М.Ф., Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н. Прогнозирование свойств магнезиально-глиноземистых доменных шлаков // Изв.вузов. Черная металлургия. - 1988. - N12. - С.15-18.

8.Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н., Головко Л.А., Гарафутдинов Р., Балдаев Б.Я. Свойства шлаков для непрерывной разливки корозионностойких сталей // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1994. - №4. - С.15-17.

9.Жмойдин Г.И., Тогобицкая Д.Н. Авторизованный компьютерный продукт в отечественной металлургии // Известия РАН. Металлургия. Металлы. - 1996. - №1. - С.29-45.

10.Жмойдин Г.И., Тогобицкая Д.Н. Проблема информационного обеспечения теоретической и прикладной металлургии //Известия АНССР. Металлы.- 1991.- №3. - С.218-223.

11.Тогобицкая Д.Н., Бродский С.С., Жмойдин Г.И. От баз данных к базам знаний в металлургии - технологический уровень // Изв.АН.Металлы.- 1998. - №6.- С.27-43.

12.Приходько Э.В., Тогобицкая Д.Н. Методология создания базы знаний о свойствах сталей и сплавов // Металознавство та обробка металiв. - Киев. - 1996. - N3. - С.50-55.

13.Литвинов Л.Ф., Дымченко Е.Н., Старов Р.В., Тогобицкая Д.Н. Оценка влияния FeO и Fe2O3 на окислительную способность конвертерных шлаков по ходу продувки // Металлургическая и горнорудная промышленность. -1998. - № 2. - С.25-27.

14.Тогобицкая Д.Н., Хамхотько А.Ф., Лихачев Ю.М. Оптимизация металлургических технологий и концепция создания информационно-интеллектуальных систем: Сб.н.т. // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. - Киев.- Наукова Думка. - 1995. - С.242-249.

15.Тогобицкая Д.Н., Григянец Р.Б. Системное, прикладное и проблемное программное обеспечение банка данных "Металлургия" // Известия АНССР. Металлы. - 1991. - №4. - С.217-220.

16.Жмойдин Г.И., Приходько Э.В., Тогобицкая Д.Н., Хамхотько А.Ф., Лихачев Ю.М. О паспортизации экспериментальных материалов для банка данных "Металлургия" // Изв.ВУЗов. Черная металлургия. -1988. - N8. - С.136-139.

17.Приходько Э.В.,Хамхотько А.Ф.,Тогобицкая Д.Н.База данных и модели для прогнозирования плавкости железорудных материалов // Сталь.- 1998.- N9.- С.7-9.

18.Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н., Дегальцев Ю.Г., Головко Л.А. Прогнозирование плавкости бетонов // Неорганические материалы.- 1994. - №2. - Т.30. - С.269-271.

19.Приходько Э.В., Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н., Байрака М.Н. Оптимизация шихтовых и технологических условий доменной плавки на основе физико-химического и математического моделирования // Совершенствование технологии доменного производства. -М.:Металлургия. - 1988г. - С.52-56.

20.Тогобицкая Д.Н., Хамхотько А.Ф. Оптимизация состава доменной шихты с использованием физико-химического моделирования с целью экономии кокса // Экономия кокса в доменных печах. -М.: Металлургия. - 1986.- С.66-70.

21.Приходько Э.В., Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н., Гребенкин Н.А., Шепетовский Э.А., Зевин С.Л. Роль химического состава железорудных материалов в формировании их металлургических свойств. // Обзорная информация. Серия. Подготовка сырьевых материалов к металлургическому переделу и производство чугуна. - Вып.5. - 42с.- М.: Ин-т Черметинформация. -1987.- С.1-25.

22.Тогобицкая Д.Н. Система анализа и выбора рациональных режимов работы металлургических агрегатов на ЭВМ // Черная металлургия. Наука-Технология-Производство. МЧМ СССР. -М.:Металлургия. - 1989. - С.384-390.

23.Бродский С.С., Тогобицкая Д.Н., Несвет В.В. Опыт компьютеризации научно-технических служб Днепровского меткомбината // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1998.- №2. - С.125-128.

24.Тогобицкая Д.Н., Хамхотько А.Ф., Белькова А.И. Информационное, алгоритмическое и программное обеспечение для решения задач оптимизации доменной шихты // Металлург. - Москва, - 1999. - №6. - С.42-43.

25.Старов Р.В., Тогобицкая Д.Н.,Харахулах В.С., Гладков Н.А.,Матухно Г.Г. Сквозная модель производства жидкого металла, включающая технологию доменной и конвертерной плавок, внепечной обработки чугуна и стали // Металл и литье Украины. - Киев. - 1995.- №1. -С.14-17.

26.Приходько Э.В., Тогобицкая Д.Н. Базы физико-химических и технологических данных для создания информационных технологий в металлургии. // Металлургическая и горнорудная промышленность. -1999. - №3. - С.17-21.

27.Айзатулов Р.С., Анохин А.Б., Тогобицкая Д.Н. и др. Проблемы и политика энергоснабжения на Западно-Сибирском металлургическом комбинате // Сталь.-1997.- №8. - С.70-78.

28.Тогобицкая Д.Н., Гармаш Л.И. Физико-химические критерии для моделирования ионообменных процессов в системе металл-шлак применительно к неравновесным условиям окислительной и восстановительной плавок // Тр.н-т-конференции "Теория и технология производства чугуна и стали". - Липецк.- 1995. - С.18-23.

...