Удосконалення управління ходом доменної плавки на основі дослідження газодинаміки верхньої і нижньої зон печі

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 669.162.2:533.001.2

05.16.02 - Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ УПРАВЛІННЯ ХОДОМ ДОМЕННОЇ ПЛАВКИ НА ОСНОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ГАЗОДИНАМІКИ ВЕРХНЬОЇ І НИЖНЬОЇ ЗОН ПЕЧІ

НАБОКА

ВОЛОДИМИР ІВАНОВИЧ

Дніпропетровськ

2008



ДИСЕРТАЦІЯ Є РУКОПИСОМ

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Іващенко В.П., Національна металургійна академія України, перший проректор (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Довгалюк Б.П., Дніпродзержинський державний технічний університет, професор кафедри електроніки та автоматизації

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Бузоверя М.Т., ТОВ "Об'єднання виробників чавуну", головний технолог (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться "__03_ " липня 2008 р. о 12:30 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

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

Автореферат розіслано 27 травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Камкіна Л.В.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Однією з проблем ефективної експлуатації доменних печей є забезпечення оптимального газодинамічного режиму плавки. Відхилення від нього супроводжується порушенням ходу печей, зниженням продуктивності, перевитратою коксу і погіршенням якості чавуну.

Існуючі візуальні, аналітичні і приладові методи виявлення відхилень від нормального режиму доменної плавки супроводжуються запізнюванням заходів для усунення цих відхилень. Тому вивчення газодинаміки доменної печі з метою виявлення можливостей оперативної оптимізації режиму плавки є актуальною задачею.

У цьому зв'язку, дослідження з розробки більш точних математичних моделей газодинаміки доменного процесу, що дозволяють одержувати оперативну інформацію на більш ранніх стадіях і вживати своєчасних заходів по коректуванню режиму, є важливою практичною задачею сучасного доменного виробництва.

Впровадження заходів з оптимізації газодинамічного режиму доменної плавки забезпечить ефективну експлуатацію доменних печей, підвищення техніко-економічних показників їх роботи і, в цілому, ефективність металургійної промисловості України, що й робить актуальною тему даної дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи відповідає одному з основних напрямів наукової діяльності кафедри металургії чавуну Національної металургійної академії України і галузевій інноваційній Програмі Міністерства промислової політики України щодо енергозбереження на підприємствах гірничо-металургійного комплексу України на 2006-2012 роки.

Основу дисертації становлять результати науково-дослідних робіт, виконаних під керівництвом або особисто автором в період з 1993 по 2008 роки: "Розробка технологічних основ автоматизованого управління газодинамічним режимом доменної плавки" (1997 р.), "Розробка прийомів ведення доменної плавки шляхом управління газовим потоком на основі комп'ютерної інформаційної системи" (2000 р.), "Дослідження розподілу шихти конусним завантажувальним пристроєм і вибір прийомів завантаження, що забезпечують оптимальне використання теплової і відновлю-вальної енергії газового потоку" (2005 р.), "Дослідження газодинаміки нижньої зони доменної печі з метою стабілізації ходу доменної плавки" (2006 р.).

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є покращення техніко-економічних показників роботи доменних печей шляхом удосконалення управління газодинамічним режимом доменної плавки. Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні основні завдання:

розробка методики обробки первинних даних для надійного аналізу роботи доменної печі;

створення математичної моделі з метою оптимізації газодинаміки верхньої зони доменної печі;

управління доменною піччю з застосуванням експериментальних методів оптимізації;

теоретична оцінка втрат тиску газу в нижній зоні доменної печі і створення стохастичних математичних моделей;

робота доменної печі при коректуванні нижнього перепаду тиску газу.

Об'єкт дослідження. Газодинаміка доменного процесу, режим завантаження печі і використання газового потоку в доменній печі.

Предмет дослідження. Вплив факторів завантаження (маси подачі, кількості окотишів у шихті, порядку завантаження скипів, рівня засипки) та параметрів дуття (витрати дуття, його вологість і температура, витрати природного газу і кисню) на використання газового потоку і газодинаміку верхньої та нижньої зон доменної печі.

Методи дослідження. В роботі використані методи математичного і фізичного моделювання розподілу шихтових матеріалів конусним завантажувальним пристроєм, статистичного аналізу впливу параметрів завантаження на втрати тиску газу, використання газового потоку у верхній зоні печі, а також впливу параметрів дуття на газопроникність нижньої зони печі. Розроблений метод відсівання виробничих даних з метою підвищення надійності результатів статистичних досліджень щодо аналізу роботи доменної печі. Застосовані методи теоретичної і експериментальної оптимізації на основі теорії планування експерименту з метою управління ходом доменної печі.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну мають наступні результати теоретичних та експериментальних досліджень, отриманих в дисертаційній роботі особисто автором:

розвинені сучасні уявлення про фактори, що визначають нерівномірність розподілу потоків шихти і газу на колошнику доменної печі; визначено, що більше половини усіх втрат напору газу обумовлюються факторами, які пов'язані з нерівномірністю розподілу шихти;

вперше розрахунково-експериментальними методами проведено ранжирування втрат тиску газу в нижній зоні печі, що дозволило науково обґрунтувати і зменшити кількість факторів, що впливають на нижній перепад тиску, та вибрати регулюючі заходи, які найбільш ефективно стабілізують газодинамічний режим доменної плавки;

вперше встановлено, що відношення теоретичної температури горіння до температури чавуну (Т_г/Т_ч) є найважливішим показником, який характеризує газодинамічні процеси в нижній зоні печі, що дозволяє використовувати даний параметр для регулювання і стабілізації газодинамічного режиму доменної плавки;

обґрунтовано спосіб корекції теоретичної температури горіння палива у печі в залежності від нагріву горна для стабілізації нижнього перепаду тиску, що дозволяє поліпшити техніко-економічні показники доменної плавки.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в роботі результати знайдуть практичне застосування в доменних цехах металургійних підприємств України при управлінні ходом доменних печей, а також при викладанні спеціальних дисциплін для студентів спеціальності "металургія чорних металів". Зміст практичних результатів:

розроблені математичні моделі розподілу характеристик газового потоку у верхній зоні доменної печі, які використані для управління розподілом шихти й оптимізації газодинамічного режиму верхньої зони доменної печі;

з використанням принципів стохастичного моделювання уточнені методики оцінки взаємозв'язків між процесами, що протікають при завантаженні шихти на колошнику доменної печі. На основі цих методик і способів оцінки розподілу шихти і газу розроблені і випробувані оригінальні алгоритми ведення доменної печі із застосуванням експериментального послідовного симплексного методу оптимізації;

встановлено, що в сучасних шихтових і технологічних умовах основний вплив на нижній перепад тиску мають температурні фактори, а параметри шлаку, що утворюється в нижній зоні - підсобну; це дозволяє дієво керувати газодинамікою нижньої зони печі, змінюючи параметри дуття.

Використання результатів роботи:

здійснено оптимізацію газодинаміки верхньої зони доменної печі з використанням стохастичних математичних моделей, отриманих за допомогою розробленого методу відсівання виробничих даних;

впроваджене ведення доменної печі з використанням експериментальних методів оптимізації, зокрема послідовного симплексного методу;

реалізоване управління газодинамікою нижньої зони печі шляхом корекції теоретичної температури горіння.

Результати роботи прийняті до використання і практичного застосування на металургійному комбінаті ВАТ "Запоріжсталь". Документи, що підтверджують використання результатів роботи, наведені в додатках до дисертації.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною роботою автора, яка грунтується на результатах опублікованих досліджень. Основні ідеї та обґрунтування загальної концепції роботи, постановка задач, теоретичне викладення, вибір методик і реалізація чисельного дослідження процесів газодинаміки верхньої та нижньої зон доменної печі, створення математичних моделей для визначення оптимальних параметрів завантаження і дуттєвого режиму та управління роботою доменної печі при використанні послідовного симплексного методу, аналіз одержаних результатів і формулювання висновків належать автору. Автор не використовував в роботі ідей та розробок, що належать співавторам спільно опублікованих робіт.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи представлялися й обговорювалися на міжнародних науково-технічних конгресах, конференціях і семінарах з виробництва чавуну: "Науково-інженерний семінар фахівців доменного виробництва" (м. Новокузнецьк, Росія, 1994 р.; м. Магнітогорськ, Росія, 1996 р.; м. Москва, Росія, 1999 р.; м. Череповець, Росія, 2002 р.), "Міжнародний європейський конгрес доменників" (м. Стокгольм, Швеція, 2005 р.), "Металургійна конференція з виробництва чавуну і сталі" (м. Лінц, Австрія, 2006 р.), "4-й Міжнародний науково-технічний конгрес по виробництву чавуну ІС8ТГ06" (м. Осака, Японія, 2006 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 11 статтях в спеціалізованих наукових журналах, 7 тезах доповідей на науково-технічних конференціях, конгресах, семінарах. Список опублікованих праць в спеціалізованих наукових журналах наведений в авторефераті.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, 6 розділів, висновку, списку літератури із 115 найменувань. Вона викладена на 140 сторінках, включає 30 рисунків, 12 таблиць і додаток.

На захист виносяться:

метод раціональної обробки технологічних даних роботи доменних печей для одержання адекватних стохастичних моделей;

встановлена закономірність впливу факторів завантаження на ступінь нерівномірності розподілу шихти уздовж радіуса колошника, а також на втрати тиску газу і використання газового потоку у верхній зоні доменної печі;

аналітично встановлена можливість регулювання нижнього перепаду тиску за співвідношенням температури зони горіння і температури чавуну, яке характеризує теплообмінні процеси, що протікають в нижній зоні доменної печі.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи і визначені основні завдання досліджень, описаний об'єкт, предмет і методи досліджень, наведені наукова новизна і практична значимість отриманих результатів, особистий внесок здобувача, а також представлені відомості про апробацію і публікацію основних результатів роботи.

У першому розділі проведений аналіз методів діагностики і математичного опису газодинаміки доменного процесу, який виявив, що однією з проблем ефективної експлуатації доменних печей є забезпечення оптимального газодинамічного режиму плавки. Відхилення від нього супроводжуються порушеннями ходу печей, зниженням їх продуктивності, перевитратою коксу і погіршенням якості чавуну. У виробничих умовах регулювання газодинамічного режиму доменної плавки здійснюється переважно на стадіях вже існуючих порушень і відхилень від нормального ходу печей. Можливості раннього виявлення цих відхилень обмежені через відсутність надійних методів діагностування змін газодинамічних умов роботи доменних печей. Тому розробка нових та удосконалення існуючих методів діагностування є актуальним і важливим завданням. Залишаються також актуальними дослідження з розробки математичних моделей газодинаміки доменного процесу, які дозволяють одержувати оперативну інформацію про тенденції змін газодинамічних умов працюючих доменних печей, вживати своєчасні заходи щодо їх коректування та оптимізації.

У другому розділі наведені дослідження, що спрямовані на одержання достовірних залежностей при застосуванні реальних статистичних даних для управління роботою доменних печей в умовах комбінату "Запоріжсталь". Відомо, що при аналізі масивів виробничих даних виникають складності, пов'язані з надійністю їх контролю, оскільки на них впливає цілий ряд факторів, що викривляють кінцеві результати аналізу. Цими факторами є: розлад ходу доменних печей через спонтанні зміни технологічних параметрів, заплановані і незаплановані зупинки печі, тихий хід печі, порушення графіку випуску рідких продуктів плавки, перешихтовки й осадки шихти, зниження тиску дуття на випусках тощо.

Необхідно відзначити, що в різних дослідних періодах величини цих факторів - порушників нормальної роботи печі - різні і їх співвідношення можуть значно знижувати представницький характер періодів, що досліджуються. Крім того, існують інформаційні неточності, пов'язані з економічною необхідністю передачі певної кількості продукції з одного агрегату на інший, запізнюванням інформації, випадковими флуктуаціями процесу і просто помилками при переписуванні даних.

Запропоновано відсівання виробничих даних виконувати в три етапи. На першому етапі здійснюється аналіз залежності основних техніко-економічних показників доменної плавки від факторів, що порушують роботу доменної печі. На основі цього аналізу виключаються дослідні періоди виробничих даних, де вплив "факторів-порушників" на роботу доменної печі значний. На другому етапі здійснюється обчислення узагальненого фактора на основі функції бажаності Харрингтона, що включає в себе усі відомі фактори-порушники нормальної роботи доменної печі. На підставі величини узагальненого фактора відсіваються періоди, де взаємовплив факторів-порушників значний. На третьому етапі здійснюється відсів грубих помилок при визначенні регресійних залежностей на основі розрахунку критеріїв Ст`юдента для кожного дослідного періоду і порівняння їх з табличними значеннями.

Застосування такого багатоступінчастого відсівання дозволяє уникнути помилкових регресійних залежностей і одержувати стохастичні моделі з максимально високою точністю, що обумовлює високу ефективність застосовуваних моделей для поліпшення й оптимізації доменного процесу.

У третьому розділі дисертаційної роботи виконаний аналіз газодинаміки верхньої зони доменної плавки, здійснені оцінка і ранжирування факторів, що впливають на верхній перепад тиску газу; розроблені математичні моделі з метою застосування їх для більш точного ведення доменної плавки.

Відомо, що газодинамічні умови верхньої і нижньої зон доменної печі значно відрізняються і в певній мірі автономні. Верхній перепад тиску є одним з основних газодинамічних параметрів доменної плавки, за допомогою якого здійснюється раціональне управління доменною піччю. Необхідно відзначити, що при сучасному розвитку доменного процесу дотепер не існує адекватної математичної моделі розподілу матеріалів на колошнику і газодинаміки верхньої зони доменної печі. Основним недоліком універсальних формул для визначення втрат тиску є їхня обмеженість, тому що вони описують газодинаміку стаціонарного рівномірно розподіленого шару шихти. Натомість у доменній печі існує ряд факторів, що змінюють умови руху газу. Таким чином, рівняння залежності втрат тиску від параметрів газового потоку і шару шихти, якими користуються в даний час (формули Жаворонкова, Ергуна та ін.), не можуть бути використані для управління доменним процесом, оскільки не враховують великої кількості факторів, що мають місце в реальній доменній печі. До них відносяться наступні: система завантаження; швидкість руху шихтових матеріалів; периферійне підведення і відвід газового потоку; наявність міжшарових зон та інші. Ці фактори так чи інакше пов'язані з нерівномірністю розподілу газового потоку за поперечним перерізом доменної печі.

Аналіз газодинаміки верхньої зони доменної печі №3 "Запоріжсталі" показав, що вплив кількості газу, середнього діаметра кусків залізорудної шихти, температури і тиску колошникового газу на перепад тиску, розрахований за формулою Жаворонкова, є близьким до класичного: зі збільшенням кількості газу перепад тиску збільшується в залежності, близькій до квадратичної; збільшення середнього розміру кусків залізорудної шихти призводить до зниження перепаду; ріст температури збільшує, а тиск зменшує перепад тиску у верхній зоні доменної печі.

Зв'язок між розрахованими за формулою Жаворонкова і фактичними значеннями перепаду тиску повинен бути лінійним, якщо інші фактори не впливають на останній. Для визначення цього розрахували перепад тиску за формулою Жаворонкова і визначили зв'язок його з фактичним перепадом тиску, як показано на рис.1. Видно, що насправді зв'язок між фактичним перепадом тиску і розрахунковим - нелінійний, а значення розрахункового перепаду значно нижче фактичного. Це свідчить про те, що не враховані інші фактори, про які говорилося раніше, і які значною мірою впливають на фактичний перепад тиску.

Оскільки реальні втрати тиску у верхній частині печі залежать не тільки від факторів, зазначених у формулі Жаворонкова, але й від цілого ряду інших, пов'язаних з нерівномірністю розподілу газового потоку уздовж радіуса, то логічно припустити, що реальні втрати тиску у верхній частині печі ДРв дорівнюють різниці втрат тиску в рівномірно розподіленому шарі ДР_Р (формула Жаворонкова) і втрат тиску, створюваних іншими - неврахованими факторами ДР_НФ , які обумовлюють певну нерівномірність газового потоку і знижують загальні втрати тиску у верхній частині доменної печі:

ДРв = ДРр - ДРнф. (1)

Отже, втрати тиску, що виникли в результаті дії неврахованих факторів, дорівнюють різниці:

ДРнф = ДРр - ДРв . (2)

За допомогою множинного регресійного аналізу визначили залежність втрат тиску ДРнф від цих факторів

ДРнф = - 81,424 + 4,903·М - 0, 0376·Н + 4,89·h - 0,203·Ок, (3)

де М - маса подачі (у межах 16-22,5 т ); Н - кількість нормальних (прямих) подач в циклі (40-80%); h - рівень засипки (1-1,75 м); Ок - кількість окотишів у шихті (0-22 %). Коефіцієнт кореляції R = 0,761 > Rкр = 0,352 при показнику надійності Ю = 6,64 > Ю_КР=2,7 свідчить про достатньо високу надійність отриманої залежності (3).

Відповідно до рівняння (1), одержали стохастичну модель перепаду тиску верхньої зони доменної печі:

ДРв = 66,482+ 0,3589·А₁· г_г·м ^0,2· (Н_д - h )·V_K^1,8·Q/d екв^1,2 - 3,519·М + 0,027·Н - 3,512·h + 0,146· Ок (4)

з коефіцієнтом кореляції R = 0,679 > R_КР=0,352 при показнику надійності Ю = 5,24 > 2,7, що свідчить про достатню надійність залежності.

Верхній перепад тиску відображає одну сторону доменного процесу - інтенсивність роботи доменної печі, яка визначає в основному продуктивність агрегату. Друга сторона - використання газового потоку є не менш важливою для процесу, оскільки визначає його економіку через економію коксу - найдорожчого компонента доменної шихти.

Використання газового потоку може бути оцінене кількома показниками: ступенями використання СО (з_СО), водню (з_Н2) і сумарного СО і Н₂ (з_?). Для одержання стохастичних моделей із трьох показників було обрано ступінь використання СО у колошниковому газі, оскільки у верхній зоні доменної печі при досить низьких температурах саме СО працює найбільш ефективно на відміну від водню, що краще працює у високотемпературних зонах. Крім того, його кореляція з верхнім перепадом тиску є досить низькою, що свідчить про відносну автономність даного параметра.

Методами математичної статистики із застосуванням множинного регресійного і кореляційного аналізів були отримані надійні лінійна і квадратична моделі ступеня використання СО в доменній печі в залежності від параметрів завантаження.

Квадратична модель має у своєму складі деякі члени, вплив яких на кінцевий результат є незначним і знаходиться у межах помилки. Тому для спрощення моделі провели ранжирування факторів, виявили члени з незначним впливом на параметр оптимізації, відсіяли їх і оцінили адекватність отриманого неповного квадратичного полінома, що набув більш простого виду:

з_СО(нкв) = 41,977- 0,0113·М - 0,1014·Н+2,306·h - 0,0658·Ок + 0,0006·МН - 0,1216·Н·h +

+ 0,00347·Н·Ок - 0,0788·h·Ок +0,0027·Н² + 1,382·h² (5)

з наступними статистичними характеристиками: R = 0,810 > R_КР = 0,381; Ю = 9,47 > 2,7. Судячи зі статистичних характеристик, дана модель є адекватною і може використовуватись для практичних цілей у межах даного факторного простору.

Для з'ясування подальших можливостей поліпшення використання газового потоку здійснили оптимізацію технологічних умов методом Лагранжа, використовуючи математичні моделі (3 - 5) з обмеженнями по газопроникності, описаними залежністю (4).

Оптимізація математичних моделей показала, що максимальному використанню газового потоку (47,2%) при досить невисокому верхньому перепаді тиску (31,1 кПа) відповідає робота доменної печі №3 при наступних параметрах завантаження: маса подачі М = 23 т, кількість нормальних (прямих) подач Н=85%, рівень засипки h = 1,5 - 1,75 м, кількість окотишів у шихті Ок = 15%.

Керуючись даними, отриманими при дослідженні й оптимізації верхньої зони доменної печі, провели дослідну плавку на доменній печі №3 протягом квітня 2003 року. За порівняльний період обрали місячний період роботи доменної печі в серпні 2003 року, коли піч працювала у відмінних від дослідного періоду умовах по завантаженню. Був проведений аналіз періодів з приведенням техніко-економічних показників до однакових технологічних умов за загальноприйнятими нормативами.

Розрахунки показали, що в оптимальних умовах роботи доменної печі витрата коксу знизилася на 2,5%, а продуктивність підвищилася на 6,5%.

Таким чином, стохастичні моделі, отримані на основі реальних даних роботи доменної печі, дозволяють знаходити оптимальні параметри доменної плавки, при яких доменна піч має найкращі техніко-економічні показники для конкретних технологічних умов. Однак постійно знаходитись в оптимальних умовах доменна плавка не може, тому що на неї діють більше двадцяти факторів, які постійно змінюються в часі, в результаті чого оптимум дрейфує. В цьому випадку необхідно складати нову модель за новими значеннями параметрів і оптимізувати її, що досить складно, або застосувати експериментальні методи оптимізації, які дозволять постійно відстежувати оптимум у процесі його дрейфу. В даний час технологи (майстри доменної печі) ведуть пошук оптимуму методом спроб і помилок, ефективність якого є невеликою. Найбільш прийнятний метод, як показала практика, - це застосування послідовного симплексного методу (ПСМ).

В четвертому розділі наводяться результати дослідних плавок, проведених у травні-червні 2004 року, метою яких було визначення впливу параметрів завантаження печі на техніко-економічні показники її роботи і вибір за допомогою комп'ютерних програм оптимальних значень цих параметрів з використанням послідовного симплексного методу (ПСМ). Тривалість періодів становила від 3 до 8 годин.

Спочатку реалізувався стандартний план, що складався з k+1 експериментів (k - кількість факторів), далі знаходився гірший варіант х_ji,ч із всіх експериментів реалізованого плану і розраховувались координати наступного кроку (експерименту) за формулою:

х_ji,n+1 = (2/k)·(Ух_ji) - х_ji,ч ,

де х_ji,n+1 -- значення j-го фактора в новому i-тому експерименті, Ух_ji - сума колишніх значень факторів, х_ji,ч - значення j- го фактора в гіршому (по параметру оптимізації) експерименті. За новим значенням факторів ставився експеримент, і процедура повторювалася до досягнення оптимуму.

Ефективність параметрів завантаження, зазначених у вихідній матриці, оцінювалась за верхніми втратами тиску газу (ДРв) і використанням газового потоку (з_Г). За узагальнюючі параметри прийняли два показники:

В₁ = з_Г /ДРв і В₂ = з_Г · ДР_MIN / ДРв· з_MAX ,

що представляють собою відношення ступеня використання газового потоку до верхніх втрат тиску звичайне (В₁) і нормоване (В₂). Обидва показники наближаються до максимуму при збільшенні ступеня використання газового потоку і при зниженні перепаду тиску газу.

Експерименти показують, що рух симплекса до оптимуму супроводжується збільшенням маси подачі з 19 до 22,5 т, підвищенням відсотка нормальних (прямих) подач у системі завантаження з 40 до 80%, зміною рівня засипки з 2 до 1 м і збільшенням кількості окотишів у шихті з 10 до 18%. За рахунок цього ступінь використання газового потоку підвищився до 46-47%, верхній перепад тиску газу збільшився до 30-35 кПа. Дуттєві параметри під час експериментування намагалися підтримувати з мінімальним відхиленням від середнього рівня.

Таким чином, дослідження показали, що експериментальний метод послідовного симплексного пошуку з успіхом можна застосовувати для ведення доменної печі за відсутності екстремальних умов.

У п'ятому розділі наведені результати досліджень газодинамічних умов нижньої зони доменної печі. Нижній перепад тиску в доменній печі являє собою різницю тиску газу між кільцевим повітропроводом і низом шахти доменної печі.

Для аналізу весь шлях руху газу, контрольований нижнім перепадом тиску газового потоку, розділили на три зони:

ДР_Н = ДР_Т + ДР_ФЗ + ДР_НЗ , (6)

де ДР_Т , ДР_ФЗ і ДР_НЗ - перепади тиску газового потоку на ділянках кільцевого і фурменого тракту, у фурменій зоні і в шихті нижньої зони відповідно, кПа.

Перепади тиску у першій і другій зонах можуть бути підраховані з достатньою точністю з використанням газодинамічних формул Бернуллі, Рейнольдса, Нікурадзе і Блазиуса.

Третя зона містить в собі велику кількість невизначених факторів, врахувати які звичайними способами за допомогою відомих формул не вдається, тому для визначення втрат тиску газу в цій зоні необхідно застосовувати експериментальні методи. Дослідження показали, що сумарні втрати тиску газового потоку на тракті "кільцевий повітропровід - горн доменної печі" складають приблизно 6,5% від загального перепаду і 8,2% від нижнього, головна частина з яких припадає на перехід газу з фурми в горн печі.

Таким чином, близько 25% від нижнього перепаду складають втрати в трубопроводах і циркуляційній зоні. Сумарні втрати тиску на ділянці від виходу газу з фурми до сипучого шару (коксу) складають близько 13,5% від нижнього перепаду, у шарі шихти від циркуляційної зони до низу шахти - близько 75%.

Ці втрати бажано враховувати диференційовано при розрахунку нижнього перепаду тиску, що дозволить знизити загальну помилку практичних розрахунків.

Для опису третьої зони ДР_Н здійснили теоретичний аналіз і виявили коло факторів, які впливають на нижній перепад тиску:

ДР_Н =ѓ(Н, Q_Д, Т_Д, Т_Г , Р, с_Г, S, d, Ф, е, F_S, L,с_Ж, з_Ж, Т_Ч, Г_В, К_З), (7)

серед яких: кількість горнових газів Q_Д, їхня питома вага с_Г, площа перетину потоку S, температура Т і тиск Р газу, а також фактори стовпа шихти: висота Н, еквівалентний діаметр шихти d, фактор форми Ф і порозність шихти е.

Крім того, нижня зона доменної печі характеризується наявністю розплаву у міжкускових порожнинах, по яких рухається газ, відповідно до формули Шервуда-Жаворонкова.

Тобто рух газу залежить ще і від масової швидкості рідини L і газу G, питомої ваги с_Ж і в'язкості з_Ж шлаку, а також питомої поверхні коксу F_S. Тепловий стан печі (Т_с) теж значно впливає на газодинаміку нижньої зони, але у відомих формулах він не знаходить відображення. В якості показника теплового стану може фігурувати комбінація температури чавуну і теоретичної температури горіння

Т_с = ѓ(Т_г , Т_ч).

Після аналізу і відсівання виконали угруповання (синтез) наявних 17 факторів і одержали перелік факторів, які, відповідно до теорії, повинні впливати на нижній перепад тиску:

ДР_Н =ѓ(Q_МГ, d_К , L, В_Ш, Т_с), (8)

де добуток витрати горнового газу на його питому вагу дає масову кількість горнового газу, кг/с:

Q_МГ= Q_Г · с_Г.

Аналіз графічних і розрахункових даних дозволив здійснити ранжирування факторів за ступенем впливу на величину нижнього перепаду тиску: на першому місці знаходяться температурні умови горна (теоретична температура горіння, температура рідких продуктів плавки і їхнє співвідношення); на другому - параметри горнового газу (кількість і питома вага); на третьому - якість коксу (розмір кусків коксової насадки) і на четвертому - параметри шлаку (кількість і в'язкість).

За допомогою цих даних були отримані адекватні стохастичні математичні моделі залежності нижнього перепаду тиску від умов роботи печі у вигляді показової і критеріальної функцій:

ДР_Н = 7,15·0,9976^QГ ·11,098 ^сГ ·422,1^dК · 0,971^Lш · 1,044^Вш ·3,137 ^Тс ; (9)

ДР_Н· d^1,5 /Q·с·g^0,5 = 811,48 (L·B·d)^0,5 ·Т_ч/Q·с·Т_г, - 0,4204 (10)

зі статистичними характеристиками R=0,863; м= 6,825, у наступних межах зміни факторів: Q_Г = 137,4 ч 176,3 м/с; с_Г = 0,57 ч 0,65 кг/м³ ; d_К = 0,0369ч 0,0376м; L_Ш = 10,3 - 14,6 кг/с; В_Ш = 3,8 - 4,6 Пуаз; Т_С= 1,35 ч 1,48.

Дані моделі добре узгоджуються з експериментальними даними і їх можна використовувати для прогнозування нижнього перепаду тиску при зміні шихтових і дуттєвих умов доменної плавки.

В шостому розділі наведені результати досліджень, які свідчать про те, що при кількості шлаку менше 450 кг/т чавуну основним фактором, що впливає на нижній перепад тиску, є співвідношення температури у зоні горіння до температури чавуну. Виявлено, що при величині цього співвідношення у межах 1,43-1,45 нижній перепад тиску має мінімальне значення, сприятливе для економічної та інтенсивної роботи доменної печі.

Для умов доменної печі №3 меткомбінату "Запоріжсталь" різниця вказаних температур коливається від 550 до 750°С в залежності від технологічних умов плавки. Найбільш сприятлива, судячи з нижнього перепаду тиску, різниця цих температур в зоні горіння і чавуну становить 620-650°С. Зниження і збільшення цієї різниці супроводжуються зростанням перепаду тиску. Причини такої закономірності криються в особливостях теплообміну і шлакоутворення в нижній зоні доменної печі. В залежності від коливань різниці температур змінюється інтенсивність теплообміну, що пропорційна висоті нижнього ступеня теплообміну.

З графіка рис. 2 видно, що зростання співвідношення температур вище 1,43 збільшує висоту нижньої зони теплообміну. А чим більшою є висота нижньої зони теплообміну, тим більший об'єм займає високотемпературна область (збільшується об'єм горнових газів відповідно до газового закону Гей-Люссака) і тим більшою є величина нижнього перепаду тиску. У нашому випадку висота нижньої зони теплообміну починає збільшуватись при співвідношенні температур вище 1,43-1,45. З нею синхронно збільшується і нижній перепад тиску, як показано на рис. 2 (права гілка кривої).

Зниження зазначеного співвідношення температур відносно оптимального (1,43-1,45) теж веде до збільшення перепаду тиску (рис. 2, ліва гілка кривої). Тут ступінь прямого відновлення є досить високим, тому температура зони горіння не покриває в достатній мірі потреб нижньої зони в теплоті. У зв'язку з цим основну роль у формуванні нижнього перепаду тиску має фізична властивість шлаку - в'язкість, що збільшується зі зниженням теплового стану нижньої зони, підвищуючи нижній перепад тиску газу.

Таким чином, для створення кращих умов роботи нижньої зони печі необхідно регулювати теоретичну температуру горіння параметрами дуття (температурою, вологістю, кількістю природного газу, киснем) з таким розрахунком, щоб співвідношення температур (Т_Г / Т_Ч) не виходило за рамки 1,43-1,45.

Для перевірки цього на доменній печі №3 у вересні 2004 року була проведена дослідна плавка, під час якої на кожному випуску чавуну вносились поправки для коректування теоретичної температури горіння шляхом змін вологості дуття, витрат природного газу і кисню з таким розрахунком, щоб відношення теоретичної температури горіння до температури чавуну знаходилося в межах 1,43-1,45. Регулювання теоретичної температури горіння здійснювалося в основному шляхом зміни кількості вологи і природного газу в комбінованому дутті.

Для порівняння обрали місячні періоди 2004 року, при яких це відношення було максимальним - 1,509 (у лютому) і мінімальним - 1,382 (у грудні).

Технологічні показники в дослідному і порівняльному періодах практично не відрізнялися: система завантаження, що значно впливає на використання газового потоку, була однаковою; склад і якість шихти теж були досить близькими, а вплив інших параметрів на витрату коксу та продуктивність нівелювався перерахунком на однакові умови.

Перерахування на однакові технологічні умови за загальноприйнятими коефіцієнтами показало, що при максимальному значенні показника Т_Г / Т_Ч =1,509 перевитрата коксу відносно оптимального його значення (1,432) склала 2%. Робота печі з мінімальним значенням показника Т_Г / Т_Ч =1,382 супроводжувалася збільшенням витрати коксу на 3%. Продуктивність печі змінювалась незначно і коливалася в дослідних періодах у межах 0,07-0,28%.

Таким чином, дослідження показали, що при кількості шлаку менше 450 кг/т чавуну основним фактором, що впливає на нижній перепад тиску, є співвідношення температур в зоні горіння Т_Г і чавуну Т_Ч . Встановлено, що при значенні цього співвідношення у межах 1,43-1,45 нижній перепад тиску має мінімальне значення, що забезпечує інтенсивну роботу доменної печі і економію коксу.



ВИСНОВКИ

Вперше запропонована і використана в дослідженнях комплексна методика відсівання виробничих даних, що дозволяє уникати грубих помилок при статистичному аналізі процесів, які протікають в доменній печі. Реалізація методу показала його високу ефективність при аналізі роботи доменних печей і вдосконаленні управління їх роботою з використанням одержаних математичних моделей.

Виконано аналіз газодинаміки верхньої зони доменної печі корисним об'ємом 1513 м³ в умовах металургійного комбінату "Запоріжсталь". Здійснено ранжирування втрат тиску газу в межах верхнього перепаду. Визначено, що близько 45% втрат тиску газового потоку у верхній зоні припадає на перепад тиску в рівномірно розподіленому шарі, інші 55% - на фактори завантаження, що впливають на нерівномірність радіального розподілу шихти та газу і раніше не враховувались.

Отримані вдосконалені за структурою, статистично надійні математичні моделі перепаду тиску і ступеня використання газового потоку у верхній зоні доменної печі у вигляді лінійної і квадратичної функцій, що враховують максимальну кількість факторів і можуть бути використані при аналізі роботи доменної печі. З використанням цих моделей здійснена оптимізація параметрів завантаження і проведена дослідна плавка, в результаті якої встановлено, що оптимізація умов завантаження дозволяє зменшити витрату коксу на 2,5% і збільшити продуктивність печі на 4,5%.

Запропоновано для ведення доменної печі застосовувати експериментальний метод оптимізації - послідовний симплексний метод (ПСМ) як найбільш прийнятний в умовах доменної плавки. Здійснено експериментальне ведення доменної печі №3 із застосуванням ПСМ, що підтвердило високу ефективність запропонованого методу.

Виконано аналіз газодинаміки нижньої зони доменної печі корисним об'ємом 1513 м³ в умовах металургійного комбінату "Запоріжсталь", здійснено ранжирування втрат тиску газу в нижній зоні печі, в результаті якої встановлено, що близько 25% втрат тиску газового потоку нижньої зони припадає на рух газу по повітропроводах і в циркуляційній зоні, які можна з достатнім ступенем точності визначити математично за допомогою відомих у газодинаміці формул і врахувати при подальшому аналізі.

Встановлено, що найбільший вплив на нижній перепад мають нагрів чавуну, кількість шлаку і горнового газу. Далі за ступенем впливу знаходяться питома вага газу, еквівалентний діаметр кусків коксової насадки і в'язкість шлаку.

Отримано надійні математичні моделі перепаду тиску газу в нижній зоні доменної печі у вигляді лінійної і показової функцій, а також в критеріальній формі, які можуть бути використані при аналізі і коректуванні роботи доменної печі.

Встановлено, що на доменних печах, які працюють на підготовленій шихті з низькою питомою витратою коксу, в газодинамічному відношенні визначальною є нижня зона. Дослідження показали, що в даний час при кількості шлаку менше 450 кг/т чавуну основним фактором, що впливає на нижній перепад тиску газу, є співвідношення температур у зоні горіння Т_Г і чавуну Т_Ч . Встановлено, що при величині цього співвідношення в межах 1,43ч1,45 нижній перепад тиску має мінімальне значення, що забезпечує інтенсивну роботу доменної печі і економію коксу.

Збільшення співвідношення температур зони горіння і чавуну вище оптимальної величини (1,43-1,45) розширює зону підвищених температур,в результаті чого нижній перепад тиску зростає й обумовлює погіршення роботи доменної печі. Збільшення ж перепаду тиску газу зі зниженням співвідношення температур нижче оптимального значення пояснюється зростаючою в'язкістю шлакового розплаву в умовах нестачі теплоти.

Дослідна плавка щодо стабілізації нижнього перепаду тиску газу шляхом корекції теоретичної температури горіння показала, що при значеннях Т_Г /Т_Ч, більших від оптимальної величини, перевитрата коксу склала 2%, при менших від оптимальної величини значеннях цього показника перевитрата коксу становила 3%. Продуктивність змінювалася незначно і коливалася в дослідних періодах у межах 0,07 - 0,28%.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

Берин А.Л. Исследование влияния интенсивности плавки на работу доменных печей комбината "Запорожсталь" / А.Л. Берин, И.И. Дышлевич, В.И. Набока, В.В. Коваленко, В.Н. Булава // Сталь. - 1993. - №9. - С.7-13.

Берин А.Л. Методика контроля газодинамического сопротивления шихты в доменной печи / А.Л. Берин, И.И. Дышлевич, В.И. Набока, В.В. Коваленко, В.Н. Булава // Сталь. - 1995. - №10. - С.13-16.

Сацкий В.А. Результаты эксплуатации конусного загрузочного устройства с подачей части кокса в осевую зону колошника / В.А.Сацкий, В.П. Тарасов, В.И. Набока, Н.В. Крутас, А.А. Томаш, П.В. Тарасов // Сталь. - 2001. - №11. - С.9-12.

Набока В.И. Анализ газодинамического режима нижней зоны доменной печи ОАО МК "Запорожсталь" / В.И. Набока, В.П. Иващенко, В.Н. Ковшов, В.А. Петренко // Металл и литьё Украины. - 2004. - №11. - С.3-6.

Набока В.И. Исследование и оптимизация газодинамического режима верхней зоны доменной печи ОАО МК "Запорожсталь" / В.И. Набока, В.П. Иващенко, В.Н. Ковшов, В.А. Петренко // Металл и литьё Украины. - 2005. - №11-12. - С.9-14.

Ковшов В.Н. Метод обработки первичных данных работы доменной печи для получения адекватных стохастических моделей / В.Н.Ковшов, В.П. Иващенко, В.И.Набока // Теория и практика металлургии. - 2006. - №3 (52). - С.14-20.

Набока В.И. Работа доменной печи при стабилизации нижнего перепада давлений / В.И. Набока, В.П. Иващенко, В.Н. Ковшов, В.А. Петренко // Металл и литьё Украины. - 2006. - №6. - С.22-26.

Набока В.И. Исследование взаимосвязи средне интегральной температуры чугуна на выпусках и состава колошникового газа с целью разработки алгоритмов управления доменным процессом / В.И. Набока, Г.А. Полянский, А.П.Фоменко, Н.В. Крутас, М.Е. Шарапов // Теория и практика металлургии. - 2006. - №6. - С.15-19.

Тарасов В.П. Совершенствование конструкции конусного загрузочного устройства с технологическим отверстием в нижнем конусе / В.П.Тарасов, П.В.Тарасов, В.И Набока, Н.В. Крутас, А.П.Фоменко // ОАО "Черметинформация", Бюллетень "Чёрная металлургия". - 2006. - №9. - С.34-37.

Набока В.И. Исследование и разработка алгоритмов управления доменным процессом / В.И.Набока, Г.А.Полянский, А.П.Фоменко, Н.В.Крутас // Сталь. - 2005. - №11. - С.15-17.

Набока В.И. Способ стабилизации теплового состояния горна доменной печи / В.И. Набока, Н.В. Крутас, М.Е. Шарапов, Г.А. Полянский// Сталь. - 2003. - №10. - С.11-12.

У роботах, наведених в авторефераті і спільних публікаціях, автору належать: технологічний аналіз руху газового потоку у верхній і нижній зонах доменної печі [1,4,5]; ідея обробки первинних даних для одержання адекватних математичних моделей [6,8]; розробка алгоритмів ведення плавки за факторами верхньої і нижньої зон доменної печі [10,11], рекомендацій щодо стабілізації нижнього перепаду тиску і теплового стану печі [2,7], а також конструктивних особливостей конусного засипного апарата з технологічним отвором для оптимізації завантаження [3,9]. У роботі [7] автор вперше науково обґрунтував можливість застосування критерію теплової роботи печі - співвідношення температур зони горіння і чавуну для стабілізації нижнього перепаду тиску.



АННОТАЦИЯ

Набока В.И. Совершенствование управления ходом доменной плавки на основе исследования газодинамики верхней и нижней зон печи. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - Металлургия черных и цветных металлов и специальных сплавов. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2008. Диссертация посвящена вопросу совершенствования управления работой доменной печи на основе анализа газодинамических особенностей верхней и нижней зон, путем построения стохастических математических моделей распределения шихты и газа, создания алгоритмов ведения хода доменной плавки в оптимальном режиме.

Разработана методика обработки первичных данных для надёжного анализа работы доменной печи, заключающаяся в том, что отсев производственных данных выполняется в три этапа. На первом этапе удаляются опытные периоды производственных данных, где влияние факторов нарушителей нормальной работы печи значительно. На втором этапе осуществляется вычисление обобщённого фактора на основе функции желательности Харрингтона и отсеиваются периоды, в которых взаимовлияние факторов-нарушителей значительно. На третьем этапе производится отсев грубых ошибок при определении регрессионных зависимостей на основе расчета критериев Стьюдента.

Произведен анализ газодинамики верхней зоны доменной плавки, оценены и проранжированы факторы, влияющие на верхний перепад давления; учтены факторы, которые связаны с неравномерностью распределения газового потока по поперечному сечению доменной печи; составлены математические модели с целью применения их для более точного ведения доменной плавки.

Для улучшения использования газового потока на основе полученных математических моделей произведена оптимизация технологических условий методом Лагранжа с ограничениями по газопроницаемости. Проведенная опытная плавка показала, что в оптимальных условиях работы доменной печи расход кокса снизился на 2,5%, а производительность повысилась на 6,5%. Поскольку постоянно находиться в оптимальных условиях доменная плавка не может, использовали для ведения печи экспериментальную оптимизацию - последовательный симплексный метод (ПСМ), который позволяет постоянно отслеживать оптимум по времени его дрейфа.

Произведен анализ нижней зоны доменной печи, позволивший проранжировать факторы, отсеять незначимые и определить главные. Установлено, что наибольшее влияние на нижний перепад оказывают тепловое состояние, количество шлака и горнового газа. Далее по степени влияния находятся плотность газа, диаметр кусков коксовой насадки и вязкость шлака. На этой основе получены математические модели газодинамики нижней зоны доменной печи.

Выявлено, что при величине соотношения температур в зоне горения Т_тг и чугуна Т_ч, равного 1,43-1,45, нижний перепад давления имеет минимальное значение, обеспечивающее интенсивную работу доменной печи. Проведенная опытная плавка при стабилизации нижнего перепада давления коррекцией теоретической температуры горения, показала, что при максимальном отношении температур перерасход кокса относительно оптимального составил 2%, а при минимальном - 3%. Производительность изменялась незначительно и колебалась по опытным периодам в пределах 0,07 - 0,28%. Основные результаты диссертационной работы внедрены в доменном цехе металлургического комбината ОАО "Запорожсталь".

Ключевые слова: доменный процесс, газодинамика, математические модели, оптимизация, управление, экономия кокса, производительность.



АНОТАЦІЯ

Набока В.І. Удосконалення управління ходом доменної плавки на основі дослідження газодинаміки верхньої і нижньої зон печі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.02 - "Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів. Національна металургійна академія України. Дніпропетровськ, 2008.

Дисертація присвячена питанню вдосконалення управління роботою доменної печі на основі аналізу газодинамічних особливостей верхньої і нижньої зон шляхом побудови стохастичних математичних моделей розподілу шихти і газу та створення алгоритмів ведення доменної плавки в оптимальному режимі.

На основі наукових узагальнень, теоретичних розробок і експериментальних досліджень на промислових агрегатах вирішені задачі: розроблена методика обробки первинних даних для надійного аналізу роботи доменної печі, створені математичні моделі оптимізації завантаження і газодинаміки верхньої зони доменної печі із застосуванням експериментальних методів оптимізації, а також управління роботою доменної печі при корекції нижнього перепаду тиску за допомогою регулювання теоретичної температури горіння змінами дуттєвих параметрів.

Основні результати дисертаційної роботи впроваджені на металургійному комбінаті ВАТ "Запоріжсталь".

Ключові слова: доменний процес, газодинаміка, математичні моделі, оптимізація, управління, економія коксу, продуктивність.



SUMMARY

Naboka V.I. Improvements in Blast Furnace Process Control on the Basis of Investigations of Gas Dynamics of Blast Furnace Upper and Lower Zones. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of a candidate of technical sciences on speciality 05.16.02 -metallurgy of ferrous and non-ferrous metals and special alloys.

The thesis is devoted to the improvements of a blast furnace process control on the basis of the gas dynamics analysis of blast furnace upper and lower zones, by means of stochastic mathematical modeling of charge and gas distributions in a blast furnace, and the algorithm development of an optimized blast furnace process. перепад тиск горіння доменний

On the bases of scientifc generalizations, theoretical developments and experiments in industrial units, the tollaving aims are attained: the method of primary data study for careful analysis for a blast furnace control found out; mathematical models to optimize charging and gas dynamics of a blast furnace upper zone, experimental methods to optimize blast furnace practice as well as methods of blast furnace controlling by changing lower pressure drop with blasting regulations in theoretical burning temperature developed. Most of the fndings achieved are implemented in the blast furnace shop of "Metallurgical Plant "Zaporizhstal".

Key words: blast furnace process, gas dynamics, mathematical models, optimization, control, economy on coke, productivity.

Размещено на Allbest.ru

...