Розробка математичної моделі і системи керування процесом шлакоутворення у ванні конвертера

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ПРОМИСЛОВОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНЕ ПІДПРИЄМСТВО "НАУКОВО-ВИРОБНИЧА КОРПОРАЦІЯ "КИЇВСЬКИЙ ІНСТИТУТ АВТОМАТИКИ""

УДК 669.184.244.66.001.57-52

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ І СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ПРОЦЕСОМ ШЛАКОУТВОРЕННЯ У ВАННІ КОНВЕРТЕРА

05.13.07 - автоматизація технологічних процесів

ДЖАВАД МОХАММАД ШАРБАТІАН

Київ2006

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник:

Богушевський Володимир Святославович, доктор технічних наук, професор кафедри фізико-хімічних основ технології металів, ІФФ, НТУУ "КПІ".

Офіційні опоненти:

Шумілов Кирило Андрійович, доктор технічних наук, професор, головний науковий співробітник Науково-виробничого підприємства "Київський інститут автоматики";

Кишенько Василь Дмитрович, кандидат технічних наук, доцент кафедри автоматизації та комп'ютерно-інтегрованих технологій Національного університету харчових технологій.

Провідна установа Київський національний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра управління проектами.

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

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

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

Автореферат розісланий 05.05. 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук Л.П. Тронько.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

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

Серед способів виплавки сталі киснево-конвертерний є одним із найбільш складних за природою і методами керування, особливо оперативного. Керування здійснюється в умовах неповноти інформації, тому що при сучасному рівні розвитку техніки неможливо здійснити прямі виміри основних вихідних координат складу металу та його температури. Серед окремих складових технологічного процесу особливе місце займає шлакоутворення.

Відомі фізико-хімічні моделі описують процес шлакоутворення для вузьких діапазонів змінення температури і складу шлаку. Рівняння нелінійні відносно масових часток домішок. Аналіз моделей, які використовуються на практиці, показує, що задача керування в них зводиться до обчислення таких керуючих діянь, які переводили б оптимальним чином об'єкт із вихідного стану в заданий кінцевий. Такі моделі успішно працюють тільки при ретельній підготовці шихтових матеріалів за хімскладом, температурою та насипною масою.

Актуальність теми обумовлюється необхідністю вирішення проблем розробки математичної моделі, що забезпечує можливість керування процесом шлакоутворення з необхідною точністю, нових науково обґрунтованих і практично реалізуємих методів вимірювання окремих параметрів процесу, використання яких підвищує якість керування, і створення на цій базі системи керування шлакоутворенням в складі АСК ТП конвертерної плавки, що орієнтується на вітчизняні і зарубіжні металургійні підприємства.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з тематичним планом Державного науково-виробничого підприємства "Київський інститут автоматики" (ДНВП "КІА") Міністерства промислової політики України, планом найважливіших робіт ВАТ "Металургійний комбінат "Азовсталь"" (ВАТ "МК "Азовсталь"").

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є покращання якості керування процесом шлакоутворення за рахунок розробки відповідних способів, засобів контролю параметрів процесу, моделей і алгоритмів та створення на їх основі системи контролю і керування з автоматичним вибором структури математичної моделі і настройкою її параметрів для безперервного функціонування в режимі статичного, динамічного і замкнутого керування.

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

У відповідності до цієї мети вирішувалися наступні задачі:

проведення порівняльного аналізу математичних моделей процесу шлакоутворення в режимі статичного, динамічного і замкнутого керування;

визначення на основі теоретичного аналізу і експериментальних досліджень факторів, які впливають на критерій оптимального керування процесом шлакоутворення;

наукове обґрунтування, дослідження, розробка і впровадження математичної моделі процесу шлакоутворення, принципів і способів контролю параметрів, алгоритму контролю і керування;

розробка і впровадження автоматизованої системи керування процесом шлакоутворення у складі АСК ТП конвертерної плавки.

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

Предмет дослідження система контролю і керування процесом шлакоутворення з метою розробки способів і засобів її удосконалення.

Методи досліджень. При побудові математичної моделі процесу шлакоутворення використовувались основні положення теорії металургійних процесів, математичного і фізичного моделювання, теорії автоматичного керування та розпізнавання образів. Алгоритм контролю та керування розроблено з використанням теорії імовірності та математичної статистики. Для ідентифікації моделі застосовувались результати плавок позитивної вибірки, стандартні методи випробувань та контролю якості сталі, поєднання прямих вимірів основних параметрів КП з контролем тісно зв'язаних з ними непрямих показників. Обробка експериментальних даних виконувалась на персональних ЕОМ (ПЕОМ).

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

вперше встановлені функціональні зв'язки пульсаційних параметрів (частоти і амплітуди) газу, що відходить, а також зміни маси фурми в процесі продувки зі шлакоутворенням в плавці, що суттєво розширило сферу застосування інформації газової фази, зокрема дозволило здійснити безперервний контроль рівня ванни;

дослідження нового підходу до побудови моделі керування шлакоутворенням у конвертері, який базується на системному розгляді процесів знесіркування до, при продувці, додувці і в агрегаті доводки сталі;

удосконалення підходу до проблеми побудови математичної моделі процесу шлакоутворення, заснованого на сукупному застосуванні детермінованих, імовірних та евристичних методів з наступною ідентифікацією моделі в процесі експлуатації за плавками позитивного досвіду;

вперше вирішена проблема оптимізації процесу видалення сірки в конвертерному виробництві;

подальший розвиток методів контролю рівня ванни і ходу шлакоутворення, що враховують параметри роботи водоохолоджуючого устаткування, газу, що відходить, і футерівки.

На захист виносяться:

моделі керування шлакоутворенням в конвертері, побудовані на базі детермінованих, імовірних та евристичних методів, що використовують методи автоматичної класифікації і позитивний досвід попереднього керування;

методи контролю основних режимних параметрів процесу рівня ванни і ходу шлакоутворення шляхом включення у відповідні моделі параметрів роботи водоохолоджуючого устаткування, параметрів газу, що відходить, футерівки і фурми;

методологію контролю і керування режимними параметрами конвертерної плавки з використанням результатів прогнозу основних технологічних параметрів за розробленими математичними моделями;

результати досліджень застосування моделей, алгоритмів, методів контролю і керування режимними параметрами і системи керування процесом шлакоутворення.

Практичне значення отриманих результатів. Корисність проведених автором досліджень, розробок і впроваджень полягає в усуненні характерних недоліків попередньої практики створення математичних моделей і систем керування процесом шлакоутворення. Одержано наступні результати:

розроблені і випробувані у виробничих умовах моделі і алгоритми контролю параметрів процесу шлакоутворення;

доведена можливість суттєвого підвищення точності керування за рахунок уведення в модель зворотного зв'язку за непрямими параметрами процесу;

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

моделі, алгоритми контролю і керування, що отримані в процесі проведення досліджень, реалізовані в АСК ТП КП, яка розроблена для ВАТ "МК "Азовсталь"".

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректним використанням математичного апарату, а також ефективною перевіркою моделей і алгоритмів за виробничими даними. конвертерна математична керування шлакоутворення

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях (НТК) та семінарах: міжнародній науковій конференції "Сучасні проблеми теорії і практики виробництва якісної сталі" (Маріуполь, 2004 р.); міжнародній НТК "Прогресивні технології в металургії сталі: ХХІ сторіччя" (Донецьк, 2004 р.); міжнародній науково-практичній конференції "Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні технології" (Чернівці, 2004 р.); міжнародній конференції з автоматичного управління "Автоматика-2005" (Харків, 2005 р.); XI міжнародній НТК "Теорія і практика сталеплавильних процесів" (Дніпропетровськ, 2005 р.), доклади якої опубліковані в журналі "Металл и литье Украины". - 2005. - № 3-4.

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

Особистий внесок пошукувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи належать дисертанту. В роботах, написаних у співавторстві, особисто дисертанту належать такі положення: розробка і дослідження нового підходу до проблеми створення математичної моделі процесу шлакоутворення в конвертері [2, 9]; системний розгляд процесів видалення шкідливих домішок перед і при продувці, додувці в конвертері, а також в агрегаті доведення сталі [1]; модель керування процесом шлакоутворення [3, 5, 6]; розробка методів контролю основних режимних параметрів процесу рівня ванни і ходу шлакоутворення [4, 7, 8].

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, заключення (загальних висновків), списку використаних джерел з 90 найменувань та 2 додатків. Обсяг роботи становить 160 сторінок, з яких основного тексту 152 сторінки, 5 таблиць, 41 рисунок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, визначено мету та задачі досліджень, викладені наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, а також наведено їх апробацію, публікації та впровадження.

У першому розділі наведено основні задачі по керуванню КП. За літературними даними проведено огляд існуючих моделей контролю та керування процесом шлакоутворення, наведена їх класифікація. Розглянуто принципи алгоритмічного забезпечення АСК шлакоутворенням, що об'єднують задачі статичних, динамічних та замкнутих моделей. Наведено постановку задачі проведення у рамках роботи досліджень, що забезпечують точний та своєчасний контроль складу шихтових матеріалів, урахування неконтрольованих збурюючих діянь, відтворення моделей шлакоутворення на конкретних плавках, створення засобів та пристроїв їх контролю та керування процесом шлакоутворення в складі АСК ТП КП.

У другому розділі наведені характеристики об'єкта досліджень, умови проведення експериментів, методика досліджень та обробки результатів, технічні характеристики засобів контролю, що використовувались у дослідженнях.

Проведено дослідження технологічних закономірностей для контролю й керування процесом шлакоутворення, включаючи контроль хімічного складу чавуну (перед виливом його у ківш і взяття проби на аналіз), в'язкісних характеристик чавуну, комплексних і режимних параметрів плавки.

Визначено вплив неконтрольованих збурюючих діянь (попадання піску та окалини з брухтом, міксерного шлаку з чавуном, вологи при течі фурми й охолоджувача конвертерних газів (ОКГ)) на кінцеві параметри продувки, які досягають за основністю 0,2...0,6 від окремих складових.

Дослідження впливу параметрів режиму дуття та моментів введення матеріалів на процес шлакоутворення показали, що зростання відстані кінцевика фурми до рівня спокійної ванни приводить до збільшення окисленості і основності ванни, що дозволяє зменшити кількість шлакоутворюючих (вапна, плавневого шпату), до зниження масових часток мангану в металі і оксиду магнію у шлаку, в результаті чого збільшується кількість розкислювачів і зменшується кількість вогнетривів. Збільшення питомої витрати кисню приводить до зниження окисленості, основності і масової частки оксиду магнію в шлаку і до збільшення частки мангану в металі. Зміщення моменту введення вапна від початку продувки екстремально позначається на основності шлаку і збільшує масову частку оксиду магнію, зміщення моменту введення вапняку зменшує основність і збільшує масову частку оксиду магнію, а зміщення моменту введення плавневого шпату діє у протилежному напрямку.

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

t_ф.к = 29,4 + 0,22FeO _к, (1)

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

FeO_к сумарна масова частка закису заліза. Тут і далі індекс "к" відноситься до значення параметра в кінці продувки.

Досліджено зв'язок між параметром FeO_к і значенням температурного лінійного подовження екранних труб під'ємного газоходу l_к:

l_к = 5,28 + 0,21FeO_к. (2)

Динаміка формування у конвертері реакційноспроможного гомогенного шлаку в значному ступені залежить від його рідкорухомості (в'язкості), яка регулюється шихтовкою плавки і параметрами режиму дуття. В'язкі шлаки ускладнюють барботаж розплаву і за час продувки в режимі заглибленого струменя нашаровуються на стінку фурми. Отже, за товщиною шлакового шару на поверхні фурми можна контролювати хід шлакоутворення.

Ефект нашарування шлакового розплаву на стінку фурми контролюють за динамікою змінення теплового навантаження останньої, тобто запізнюванню змінення температурного перепаду охолоджуючої води на різку зміну температури в порожнині конвертера.

Встановлено зв'язок запізнювання реакції футерівки і фурми на різке температурне збурення у ванні з хімічним складом шлаку, зокрема, з вмістом окислів заліза в ньому. Для виключення впливу коефіцієнта температуропровідності температуру виміряли у двох різновіддалених від границі точках і визначали співвідношення проміжків часу їх реакції на різке збурення температури ванни. Надалі вимір температури у другій точці замінили на вимір електроопору футерівки, що суттєво спростило пристрій контролю.

У третьому розділі наведені результати дослідів вихідних параметрів, що можуть використовуватись для контролю режиму шлакоутворення в якості зворотного зв'язку. Встановлено, що еквівалентний вміст окисів заліза (FeO)_е

(3)

де значення параметра з індексом "макс" є максимальним.

Встановлені функціональні зв'язки пульсаційних параметрів газу з ходом продувки, що суттєво розширило сферу застосування інформації газової фази при дослідженні перехідних характеристик конвертера з метою ефективного контролю і керування процесом. Математичне описання амплітуди коливань тиску газу (р ₁, Па) засновано на використанні термодинамічних залежностей для квазістаціонарного процесу при допущенні ізохорності реакції пульсуючого горіння. Для вільного об'єму порожнини конвертера:

, (4)

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

, питомі теплові ефекти реакції горіння вуглецю з участю холодного кисню відповідно до СО і СО ₂, Дж/кг;

число коливальних ступенів свободи молекули відповідно оксиду і діоксиду вуглецю;

f частота коливань тиску газів, Гц;

(V_к V_в) = V_св вільний об'єм конвертера, м ³. Тут V_к, V_в об'єми відповідно порожнини конвертера і ванни в середині кампанії за футерівкою.

Вільний об'єм конвертера, тісно зв'язаний з рівнем ванни (h _в.к, м):

, якщо ;

, якщо ,

де h_к, h_в висота порожнини і її верхньої частини в конвертері, м;

R_г, R відповідно радіус горловини і внутрішній радіус циліндричної частини конвертера за ходом кампанії футерівки, м.

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

Досліджені сили, що діють на кисневу фурму в процесі продувки конвертерної ванни. Рівень ванни розраховують із балансу сил, що діють на фурму, сила тяжіння якої компенсується реакцією її опор (F_р, Н), а в процесі продув- ки ще й архімедовою виштовхуючою, силою реактивної тяги кисню, що витікає із сопел фурменого кінцевика. В процесі продувки змінюється сила тяжіння фурми внаслідок нашарування на її поверхні метало-шлакової емульсії

h_в.к= (h + H)/{1 [m₁ + m₂ + ₁(_{N 1})]g F_p

v/60]/0,25₂d² }, (6)

де h рівень ванни в спокійному стані, м;

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

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

g = 9,81 прискорення сили тяжіння, м/с ²;

, відповідно щільність кисню при нормальних умовах і перед фурмою (визначена при продувці у вільний простір), кг/м ³;

k показник адіабати;

R_y питома газова стала, Дж/(кг^. К);

T_в температура води, що охолоджує фурму, К;

Р ₂, тиск кисню перед фурмою, який визначений при продувці відповідно у конвертер і вільний простір, Па;

d зовнішній діаметр фурми, м;

₁, ₂ коефіцієнти.

Дослідження описаного методу контролю рівня емульгованої ванни на протязі продувки показало, що його використання в алгоритмах динамічного керування шлаковим режимом дозволяє підвищити точність прогнозу поточного стану шлаку і ефективність застосування системи керування.

В четвертому розділі наведено розробку математичної моделі керування процесом шлакоутворення. Маючи вибірку траєкторій керування вдало проведених плавок, можна виділити в реальній траєкторії дві складові: програмну частину і додаткове керуюче діяння, що пов'язано як з неточним визначенням початкового стану, так і з дією перешкод. Стратегія керування не може зводитись до чисто детермінованої, а має детерміновану частину діянь (вибір програми) і стохастичну (знаходження додаткових керуючих діянь).

Дві траєкторії керування []і [] для i-ї і j-ї плавок вибірки порівнюються між собою за допомогою міри, що використовували для класифікації траєкторій керування на класи так, щоби кожному класу відповідали траєкторії керування, що представляють собою реалізацію однієї програми керування _опт []з різними додатковими керуючими діяннями []. Цю умову можна виконати шляхом вибору функції ваги так, щоб відстань між реальними траєкторіями керування була меншою, ніж відповідна відстань для траєкторій, що реалізують різні програми.

Алгоритм роботи системи включає такі етапи:

1. Перевірка даних на достовірність за такими критеріями:

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

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

сумарні витрати кисню (V, м ³)............................................. 14000 20000;

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

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

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

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

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

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

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

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

2. На наступному етапі за базою даних, що складається із достовірної інформації, проводять вибірку масиву плавок позитивного досвіду за такими критеріями "близькості": за номером плавки по футерівці конвертера (N) плавки поділяються на дві групи - плавки з N 15 і N > 15; за тривалістю простою конвертера (_п, хв) на три групи - з _п < 25, 25 _п 60 і _п > 60. Інші критерії наведені у таблиці.

Таблиця. Критерії "близькості" плавок позитивного досвіду

Параметр на вході	Одиниця виміру	Межа зміни	Задане значення параметра	Одиниця виміру	Межа зміни
Силіцій у чавуні	%	0,3	Вуглецю у сталі	%	0,01
Манган у чавуні	%	0,3	Основності шлаку	Одиниць	0,2
Фосфор у чавуні	%	0,05	Фосфору в сталі	%	0,005
Сірка у чавуні	%	0,005	Сірки в сталі	%	0,005
Температура чавуну	?С	25	Температури металу	оС	10
Маса чавуну	т	5	Витрат дуття	м 3/хв	50
Маса брухту	т	5	Положення фурми	калібр	0,75

Отриманий масив плавок використовується в подальшому при реалізації статичної і динамічної моделі прогнозу. Для уточнення моделі прогнозу плавок, що відносяться за критерієм "близькості" до одного класу, враховували відхилення параметрів моделі від останніх значень у класі.

Рівняння розрахунку шлакоутворюючих (статична модель), що складені в прирощеннях параметрів з використанням досвіду кращих дистрибуторщиків (індекс "о"), мають вигляд (тут і далі значення коефіцієнтів наведені для умов у 350-тонному конвертері):

т_вп = т_вп ⁰ 0,57(т_б - т_б ⁰) К(т_б + т_ч)(t* t_м ⁰) + 0,13(m_ч т_ч ⁰) +

+ 0,062(t_ч t_ч ⁰) + 13,7(Si_ч Si_ч ⁰) + 3,35(Mn_ч Mn_ч ⁰) 12,2 [f₂(C* C_м.⁰)]+

+ 0,15(m_в т_в ⁰) + 0,6(т_ш т_ш ⁰) [f(_п) f(_п ⁰)] [f(N) f(N⁰)]+

+ 0,13(H_з H⁰) + m^/_вп; (7)

т_в = т_в ⁰ 0,1(т_б т_б ⁰) + 0,08(т_чSi_ч т_чSi_ч ⁰) + т^/_в;

т_ш = т_ш ⁰ 0,15(Mn_ч/Si_ч Mn_ч ⁰/Si_ч ⁰) 0,222(1/С_м.з 1/ С_м ⁰) + т^/_ш,

де Н_з задана середньоінтегральна за продувку відстань торця фурменого кінцевика до рівня спокійного металу, калібр;

К коефіцієнт, що уточнюється періодичною корекцією;

т^/_вп, т^/_в, т^/_ш поправочні коефіцієнти за масою вапняку, вапна і шпату, т, що дорівнюють за абсолютною величиною похибці розрахунку відповідних компонентів на попередній плавці і протилежні їй за знаком.

В процесі продувки дистрибуторщик, оцінюючи за спостереженнями відхилення ходу плавки від нормального, дослідним шляхом підбирає додаткове керування, найбільш ефективно діюче в кожному конкретному випадку. Цей досвід може бути зафіксований за допомогою матриці імовірностей вибору додаткового керування при наявності обумовленого збурення. Оскільки дистрибуторщик оцінює протікання плавки за непрямими ознаками, то шляхом опитування встановлюємо повний набір цих ознак. Але в даному випадку ставиться задача спочатку знайти співвідношення між ознаками, якими оперує дистрибуторщик, і непрямими параметрами ходу плавки, що піддаються вимірюванню.

Алгоритм в динамічному режимі з елементами замкнутого керування складений за керуючими каналами витрати кисню, положенню фурми і дозуванню сипких матеріалів.

Керування витратою кисню зводиться до визначення його фіксованих значень на протязі продувки. В першому періоді з умов нормального шлакоутворення і виключення переокислення ванни при переході до періоду інтенсивного зневуглецювання визначається максимально можлива інтенсивність продувки за інформацією про фізичну і хімічну теплоту чавуну, а також кількість теплоти, що відбирається на розплавлення брухту. Подальше керування витратою кисню здійснюється за швидкістю зневуглецювання.

Алгоритм керування положенням фурми складений за періодами продувки. В першому періоді відстань торця фурми над рівнем спокійної ванни визначається в залежності від насипної щільності брухту і витрати дуття. Тривалість першого періоду визначається за об'ємом продутого кисню, який порівнюється з заданим значенням. Хід шлакоутворення контролюється за сигналами акустичної характеристики продувки (рівень метало-шлако-газової емульсії) і нашарування шлаку на фурму (його консистенція).

У другому періоді відстань торця фурми до рівня спокійної ванни встановлюють таку, що дорівнює значенню в плавці позитивного досвіду. У випадку відхилення режиму шлакоутворення від плавки позитивного досвіду коректується положення фурми, а при великих відхиленнях вводиться також плавневий шпат (якщо шлак надмірно густий) або вапно (якщо шлак надмірно рідкий).

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

Аналіз додувок показує, що найбільш прийнятним методом є розрахунок об'єму дуття (тривалості додувки _д) і маси охолоджуючого (шлакоутворюючого) матеріалу (т_{вп. д}, т) на додувку. Модель додувки металу має вигляд:

S_м = 0,00423_д, якщо _д 1 хв; (8)

S_м = 0,005(1 е^1,8716), якщо _д > 1 хв;

т_{вп. д} = 2(_д ), (9)

де S_м необхідна зміна вмісту сірки при додувці, %;

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

Модель доводки металу в ковші передбачає за результатами хімічного аналізу металу керування складом сталі на основі математичного описання балансу вуглецю, мангану, силіцію і сірки. Розраховують маси вуглецю, мангану, силіцію, яких не вистачає, а також надмірну масу сірки, після чого визначають масу модифікаторів (для доводки за Mn і Si), ТШС (для доводки за S), навуглецювателя і порошкової проволоки, що містить кальцій.

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

Модель має вигляд:

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

x₂ = ₁₀ + ₁₁(x₁ + ₁₂)²; (11)

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

x_{4 30} + ₃₁x₁ + ₃₂x₂; (13)

0 x₅ 1,5; (14)

x_{9 40} + ₄₁x₁ + ₄₂(x_{2 43})x_{2 43}+ ₄₄x₂ + ₄₅x₁₂ + ₄₆x₃ + ₄₇; (15)

₅₀ x_{12 51}; (16)

₆₀ x_{13 61}; (17)

x₁₅ 0,5x₁₈; (18)

x₁₆ 0,5x₁₇; (19)

₇₀ x_{13 71}; (20)

х ₇ = ₈₀(х ₁ + х ₂); (21)

x₁₈ = x₉/x₁₃; (22)

₉₀ x₁₀; (23)

₁₀₀х ₁ + ₁₀₁х ₂ + ₁₀₂х ₃ + ₁₀₃х ₄ + ₁₀₄х _{5 105} +₁₀₆+₁₀₇х ₁₂ +₁₀₈+₁₀₉х ₁₃ + (₁₁₀х ₁₅ + ₁₁₁+ ₁₁₂х ₁₆ + ₁₁₃х ₁₇)/х ₁₈ + f₁(х ₆) + f₂(х ₇) + f₃ (х ₈) + f₄ (х ₁₉), (24)

x₁ = m_б, x₂ = m_ч, x₃ = m_вп, x₄ = m_в, x₅ = m_ш, x₆ = m_тшс, x₇ =m_SiСа, x₈ = m_Mg, x₉ = V, x₁₀ = V_Ar, x₁₁ = V_гн, x₁₂ = H, x₁₃ = v, x₁₄ = v_Ar, x₁₅ = _вп, x₁₆ = _в, x₁₇ = _ш, x₁₈ = _пр, x₁₉ = _д;

де f₁(х ₆), f₂(х ₇), f₃(х ₈), f₄(х ₁₈) функціональні залежності;

₀,..., ₁₁₃ коефіцієнти.

т_тшс, m_SiСа, m_Mg відповідно маса ТШС, силікокальцію і магнію на плавку; V, V_Ar, V_гн витрати відповідно кисню, аргону і газу-носія, _вп, _в, _ш моменти введення відповідних сипких матеріалів.

Оптимальні значення керуючих діянь визначали методом найбистрішого спускання на ПЕОМ. На плавках, в яких виконані рекомендації за зміною керуючих діянь, отримані у порівнянні з плавками валового виробництва такі результати: збільшена переробка брухту на 3 %, стійкість футерівки на 1,5 %, вихід корисного на 0,3 %, зменшені зверхнормативні простої агрегату і тривалості продувки відповідно на 5,8 і 3,1 %, витрати ТШС на 5,7 %, плавневого шпату на 3,2 %. При цьому собівартість сталі зменшена на 0,9 %.

В п'ятому розділі наведені результати розробки АСК шлакоутворенням. Розроблені пропозиції по модернізації у частині керування процесом шлакоутворення раніш розробленої багаторівневої ієрархічної системи керування КП сталі, у рамках якої реалізуються функції АСК ТП і АСКВ, що суміщені за цільовим критерієм і процедурами обробки інформації.

Система керування реалізована у вигляді трирівневої ієрархічної технічної структури. Нижній рівень інформаційно-вимірювальні пристрої (датчики, перетворювачі та ін.) реалізуються на уніфікованих серійних засобах аналогової гілки державної системи приладів. Цей рівень автономний, що дозволяє продовжити керування конвертером у ручному режимі у випадку виходу із ладу середнього і верхнього рівней.

Середній рівень функціонально і територіально розподілені локальні підсистеми контролю (АРМи) і керування, що з'єднані єдиним колом з верхнім рівнем і виконані на ПЕОМ. Передбачена автономна робота підсистем керування витратою дуття, положенням фурми, дозуванням сипких матеріалів і феросплавів як в режимі стабілізації вихідних параметрів, так і в режимі програмного керування у випадку виходу із ладу верхнього рівня.

Верхня ланка ієрархії включає багатомашинний УВК на ПЕОМ з великою номенклатурою периферійного устаткування для збирання, обробки і представлення інформації, у тому числі настройки і видання завдань у нижні рівні системи. Керування може реалізовуватись у супервізорному режимі і в режимі ПЦК.

Автоматизоване керування включає прогнозуючий статичний розрахунок шихти на задані параметри металу і контроль динаміки ванни на протязі продування.

Для успішної роботи системи замкненого керування вперше в цехах заводів України передбачено використання зондової установки на базі системи Quik-Tap. Датчик системи вводиться через спеціальний отвір в газоході і дозволяє визначити температуру і окисленість металу за температурою його кристалізації ("солідус") без перерви продування конвертера. Хоча витрати на виготовлення, монтаж і експлуатацію системи великі, вони окупаються за рахунок збільшення точності забезпечення заданих кінцевих параметрів металу.

Розрахунки за запропонованими математичними моделями на реальних плавках показують, що при виконанні рекомендацій по масі чавуну і брухту в межах 2 %, відносній масі вапна і плавневого шпату відповідно до 10 і 1 кг/т сталі, відносному об'єму кисню до 5 м ³/т сталі забезпечуються попадання з першої повалки в задані межі основності кінцевого шлаку і отримання вмісту сірки і фосфору не вище тих, що визначаються маркою сталі.

ВИСНОВКИ

1. Дослідження параметрів, що впливають на процес шлакоутворення, дозволили встановити:

збільшення кількості кисню, що витрачається на шлакоутворення, у присутності поверхнево активних речовин;

зв'язок неконтрольованих збурюючих діянь з основністю шлаку, врахування яких в рівняннях статики і динаміки дозволяє збільшити частку плавок, що випускаються з першої повалки на 7 %;

підвищення положення фурми над рівнем спокійної ванни приводить до збільшення окисленості і основності (змінюють кількість шлакоутворюючих вапна, плавневого шпату), до зниження масових часток мангану в металі і оксиду магнію в шлаку (змінюють кількість розкислювачів і вогнетривів);

підвищення питомої витрати кисню приводить до зниження окисленості, основності і масової частки оксиду магнію в шлаку і до збільшення масової частки мангану в металі;

зміщення моменту введення вапна від початку продувки екстремально впливає на основність шлаку і збільшує масову частку оксиду магнію, зміщення моменту введення вапняку зменшує основність і збільшує масову частку оксиду магнію, зміщення моменту введення плавневого шпату від початку продувки збільшує основність і зменшує масову частку оксиду магнію в шлаку.

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

характеристиках пограничних шарів футерівки (застосування дозволило збільшити кількість контрольованих плавок, зменшити число плавок, що супроводжуються викидами, знизити витрати шлакоутворюючих і вогнетривів);

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

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

3. Запропоновано і досліджено новий підхід до побудови моделі керування шлакоутворенням у конвертері, який базується на системному розгляді процесів перед і при продувці, додувці і в агрегаті доведення сталі. Розроблено цільову функцію критерію оптимізації процесу виведення сірки, отримані співвідношення між окремими керуючими діяннями і ходом процесу виведення сірки. Керування за цим критерієм дозволить знизити питому собівартість сталі в середньому на 0,9 %.

4. Удосконалено підхід до побудування математичної моделі шлакоутворення, що заснований на сукупному застосуванні детермінованих, імовірних та евристичних методів з наступною ідентифікацією моделі в процесі експлуатації за плавками позитивного досвіду. З використанням цього підходу розроблені:

статична модель керування, що включає розрахунок маси і режиму введення охолоджуючих і шлакоутворюючих матеріалів;

динамічна модель керування, що включає розрахунок параметрів режиму дуття, а також коректуючих присадок шлакоутворюючих матеріалів за безперервною інформацією про шлакоутворення в ванні конвертера;

модель доводки плавки в конвертері, що передбачає розрахунок параметрів режиму дуття, охолоджуючих і шлакоутворюючих матеріалів для видалення небажаних домішок;

модель доводки плавки в ковші, що передбачає розрахунок маси модифікаторів (для доводки за манганом і силіцієм) і навуглецювателя, ТШС, що забезпечує отримання шлаку потрібної основності і видалення надлишкової сірки, порошкової проволоки, яка містить кальцій, необхідної для утворення рідких алюмінатів, а також охолоджуючих матеріалів при необхідності охолодити плавку.

5. Розроблені моделі і алгоритми пройшли промислове опробування за даними конвертерного цеху ВАТ "МК "Азовсталь"" і передані НВП "КІА". Промислова експлуатація АСК ТП, що реалізує розроблені моделі і алгоритми, дозволить суттєво покращити якість управління і ТЕП процесу: скоротити тривалість продувки на 1,5 хв, вигар заліза на 0,5 %, брак до 1 %; підвищити стійкість футерівки конвертерів, що зменшить витрату вогнетривів на 3 %; знизити витрату феросплавів на 25 кг на плавку; збільшити частку контрольованих плавок на 10 %, а частку плавок, що випускаються без корекції, на 18 %.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

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

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

3. Управление процессом шлакообразования в ванне конвертера/В.С. Богушевский, Г.Г. Грабовский, Н.С. Церковницкий, М.Д. Шарбатиан//Металл и литье Украины. 2005. № 3 4. С. 36 37.

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

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

6. Богушевский В.С., Шарбатиан М.Д. Модель управления процессом шлакообразования//Матеріали міжнародної НТК "Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні технології": Чернівці, 19 21 травня 2004: Чернівецький державний університет, 2004. С. 188.

7. Богушевский В.С., Шарбатиан М.Д., Миски-Оглу А.Г. Влияние режима ввода присадок на процесс шлакообразования в конвертере//Материалы международной НТК "Современные проблемы теории и практики производства качественной стали": Мариуполь, 8 10 сентября 2004: Мариупольский государственный технический университет, 2004. С. 113 115.

8. Богушевский В.С., Шарбатиан М.Д. Влияние параметров дутьевого режима на процесс шлакообразования в конвертере//Материалы международной НТК "Прогрессивные технологии в металлургии стали": Донецк, 21 23 сентября 2004: Донецкий национальный технический университет, 2004. С. 43.

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

АНОТАЦІЇ

Шарбатіан М.Д. Розробка математичної моделі і системи керування процесом шлакоутворення у ванні конвертера. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 автоматизація технологічних процесів. ДП "Науково-виробнича корпорація "Київський інститут автоматики"", Київ, 2006.

Дисертація присвячена питанням удосконалення АСК ТП конвертерної плавки шляхом розробки математичних моделей, алгоритмів, способів і засобів контролю параметрів шлакоутворення. Розроблено критерій оптимізації процесу виведення сірки, що включає виведення її у ковші з чавуном перед плавкою, під час продувки, додувки в конвертері й обробки металу в агрегаті доведення сталі, отримані співвідношення між окремими керуючими параметрами і ходом процесу шлакоутворення. У відповідності з критерієм одержані математичні моделі керування виробництвом конвертерної сталі. Наведені результати досліджень процесу шлакоутворення, визначені параметри контролю і керування. Розроблена система керування шлакоутворенням в конвертері. Розроблені моделі й алгоритми пройшли промислове опробування за даними конвертерного цеху ВАТ "МК "Азовсталь"".

Ключові слова: автоматизація, конвертерна плавка, математична модель, алгоритм, контроль, керування, критерій, шлакоутворення.

Шарбатиан М.Д. Разработка математической модели и системы управления процессом шлакообразования в ванне конвертера. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 автоматизация технологических процессов. ДП "Научно-производственная корпорация "Киевский институт автоматики"", Киев, 2006.

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

В работе предложен и исследован новый подход к построению модели шлакообразования в конвертере, который базируется на системном подходе к рассмотрению процессов до, при продувке, додувке и в агрегате доводки стали.

Проведено исследование технологических закономерностей для контроля и управления процессом шлакообразования, в том числе контроль химического состава чугуна (перед сливом его в ковш и взятия пробы на анализ), вязкостных характеристик чугуна, комплексных и режимных параметров плавки. Установлено влияние неконтролируемых возмущающих параметров (попадание песка и окалины с ломом, миксерного шлака с чугуном, влаги при прорывах фурмы и охладителя конвертерных газов) на конечные параметры продувки, которые вызывают разброс по основности 0,2...0,6 от каждой составляющей.

Исследования влияния параметров дутьевого режима на процесс шлакообразования показали, что увеличение положения фурмы над уровнем спокойной ванны приводит к повышению окисленности и основности ванны, позволяющим уменьшить количество шлакообразующих (извести, плавикового шпата) и к снижению массовых долей марганца в металле и оксида магния в шлаке, приводящим к увеличению количества раскислителей и уменьшению количества огнеупоров. Увеличение удельного расхода кислорода приводит к снижению окисленности, основности и массовой доли оксида магния шлака и к увеличению массовой доли марганца в металле.

Исследование влияния моментов ввода в ванну шлакообразующих и охлаждающих материалов позволило установить, что смещение момента ввода извести от начала продувки экстремально сказывается на основности и увеличивает массовую долю оксида магния в шлаке, смещение момента ввода известняка уменьшает основность и увеличивает массовую долю оксида магния, а смещение момента ввода плавикового шпата действует противоположно.

Разработаны методы контроля режима шлакообразования, основанные на измерении характеристик пограничных слоев футеровки, пульсационных параметров отходящего газа, сил, действующих на кислородную фурму в процессе продувки, измеряемых по изменению реакции опор фурмы. Эти методы увеличивают количество плавок, попадающих в заданные пределы, на 5 %.

Разработан критерий оптимизации процесса удаления серы в конвертере, получены соотношения между отдельными управляющими параметрами и ходом процесса удаления серы. Произведена проверка полученных соотношений в условиях реального производства. В соответствии с критерием получены математические модели управления, применение которых позволит снизить удельную себестоимость стали в среднем на 0,9 %. Разработана система управления шлакообразованием в статическом, динамическом и замкнутом режимах. Разработанные модели и алгоритмы прошли промышленное опробование по данным конвертерного цеха ОАО "МК "Азовсталь"".

Ключевые слова: автоматизация, конвертерная плавка, математическая модель, алгоритм, контроль, управление, критерий, шлакообразование.

Sharbatian M.D. Development of mathematical model and control system by slag's regime of BOF. Manuscript.

Dissertation for a candidate degree by specialty 05.13.07 automation of technological processes. Scientific and production corporation "Kyiv institute of automation", Kyiv, 2006.

The dissertation is devoted to the questions of improvement of APCSTP for BOF on basis of the mathematical models, algorithms, control methods and means of the slag's parameters. Criterion of optimization of process of removal of sulfur, including blowing, extra blowing the converter and processing of metal in the unit of operational development of steel is developed, parities between separate managing parameters and course of process slag's regime are received. According to criterion mathematical models of BOF's production of steel are received. Results of researches of process slag's regime are adduced, parameters of the control and management are determined. A control system by slag regime in the converter and in the unit of operational development of steel is developed. The results of this work are introduced into operation on ОАS "Metallurgical combine "Azovsteel".

Key words: automatization, converter heat, mathematical model, algorithm, control, system, criterion, slag's regime.

Размещено на Allbest.ru

...