Розвиток наукових і технологічних основ керування якістю електродугового й електрошлакового металу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук україни

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Розвиток наукових і технологічних основ керування якістю електродугового й електрошлакового металу

Троянський О.А.

Спеціальність 05.16.02 “Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів”

Київ - 2008

Вступ

Україна є однією з найбільших металургійних держав світу, посідаючи восьме місце за річним виробництвом сталі (2007 р. - 42,5 млн. т), і активним експортером на ринку металу, забезпечуючи значні валютні надходження до країни. Разом із тим, через специфіку попиту на метал, включаючи експортований, у продукції вітчизняної металургії переважають сталі масового сортаменту, а частка легованих сталей відповідального призначення вкрай мала.

Останніми роками спостерігається стійка тенденція зростання активності підприємств машинобудівного комплексу, пов'язана із спрацюванням основних фондів діючих заводів та інноваційними процесами. Відповідно зростає попит на високоякісні сталі та сплави.

Україна володіє металургійними підприємствами, які мають устаткування та досвід виробництва спеціальних сталей, феросплавною промисловістю, дослідницькими центрами, що спеціалізуються на галузі якісної металургії, у складі академічних та галузевих інститутів і вищих навчальних закладів. Щоб залучити й розвивати цей потенціал у сучасних умовах, необхідно, перш за все, створити економічні передумови, що забезпечують конкурентоспроможність виробленої продукції з урахуванням організаційної структури та технології сталеплавильної переробки, які значно змінилися за останні десятиліття. Виробництво високоякісних сталей, у тому числі й із застосуванням рафінуючих переплавів, повинне органічно “вписатися” у структуру сучасної гнучкої високопродуктивної технології як одна із завершальних переробок одержання литої заготовки сталей і сплавів із особливими вимогами.

Ефективна робота всього комплексу металургійних агрегатів у сучасному виробництві забезпечується широким використанням засобів обчислювальної техніки, які стали невід'ємним елементом керування та беруть на себе частину інтелектуальної праці технологів. Розробка комп'ютерних засобів підтримки ухвалення рішень спирається на предметні знання із галузі теорії та технології сталеваріння і входить до числа традиційно актуальних технологічних завдань дослідження. З їх допомогою можна повною мірою реалізовувати на сучасному рівні систему керування якістю, яка базується на принципах Загального керування якістю (TQM), закладених до міжнародних стандартів ISO 9000:2000, що розглядають якість кінцевого продукту як результат якості діяльності, у тому числі й металургійних технологій.

У роботі подано результати систематичних досліджень у галузі електрометалургії сталі та сплавів і розробки технологічних засобів керування, що виконувалися в Донецькому національному технічному університеті (ДонНТУ) за безпосередньою участю автора.

Зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до планів НДР ДонНТУ: Д-3-79 “Розробити основи одержання багатошарових заготівель ЕШП” (№ держ. рег. 79038537), г/т 85-202 “Розробка й освоєння маловідхідної технології одержання заготівель ЕШП інструментальних сталей на основі легування напівпродукту в процесі ЕШП” (№ держ. рег. 01850005586), Д-1-82 “Розробити й дослідити технологію одержання електрошлакових листових злитків з антикорозійним шаром” (№ держ. рег. 01820087132), г/т 83-206 “Розробка технології виплавки й освоєння нової марки стали типу 18ГСФ у дугових електропечах для виготовлення вузлів і деталей спеціального приладобудування” (№ держ. рег. 01830025274), г/т 80-207 “Розробка й освоєння технології одержання бездефектних горизонтальних злитків ЕШП зі змінним хімічним складом по товщині й виготовлення дослідних партій й листів з високоміцних сталей” (№ держ. рег. 80031629), Д-12-91 “Створення основ оптимізації виплавки й кристалізації металу по його службових характеристиках. Розробка засобів оперативного контролю якості металу” (№ держ. рег. 01910014712), Д-18-93 “Розробка наукових основ електрошлакового рафінування й технологічних прийомів переробки відходів кольорових металів і сплавів” (№ держ. рег. 0194U008562), ВТ-90-2 “Дослідження можливості здрібнювання литої структури за рахунок зовнішніх впливів” (№ держ. рег. 01900009399), Д-11-91 “Розробка наукових основ і технологічних прийомів одержання металів і сплавів з особливо низьким рівнем домішок на основі електрошлакової технології” (№ держ. рег. 01910014710), Д-9-96 “Розвиток термодинамічних і кінетичних основ процесу рафінування шлаками тугоплавких і високореакційних металів (хром, титан й ін.)” (№ держ. рег. 0196U003747), Д-17-2000 “Розвиток теоретичних, термодинамічних і кінетичних, основ процесу електрошлакового переплаву (ЕШП) під "активними" кальційутримуючими флюсами і їх використання для розробки технології виробництва інтерметалідних з'єднань на базі Al, Ti, Ni із заданою структурою й властивостями” (№ держ. рег. 0100U001012), Д-10-02 “Розвиток теоретичних основ процесів електрошлакового рафінування як бази прогнозування якості металу й автоматизації процесів керування плавкою” (№ держ. рег. 0102001238), Д-2-05 “Розвиток теоретичних основ процесу електрошлакового одержання чистих металів і сплавів із заданою структурою й властивостями шляхом керування теплофізичними й енергетичними параметрами” (№ держ. рег. 0105U002360), грант УНТЦ №3385 “Новітня технологія виробництва високочистих сплавів на основі титану методом алюмотермічного відновлення окислів”. Автор був керівником або відповідальним виконавцем цих робіт.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - підвищення ефективності виробництва електродугового й електрошлакового металу за рахунок розробки технологічних основ керування якістю.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

-проаналізувати сучасний рівень виробництва сталей і сплавів високої якості та визначити можливі шляхи його підвищення;

-розробити загальні принципи побудови динамічної моделі сталеплавильного процесу, що спирається на термодинамічний розрахунок (моделі ОРАКУЛ, АСТРА та ін.) і адаптивне врахування кінетичних запізнювань;

-дослідити можливості використання інформації про миттєві значення напруги дугового розряду й струму переплаву в системах моніторингу поточного стану процесу плавки в дугових і електрошлакових печах;

-розробити методи адаптивного керування електричним режимом високопотужних ДСП за різними параметрами, включаючи постійну складову напруги дуги;

-дослідити вплив процесів випаровування металу та просмоктування атмосферного повітря на теплову ефективність роботи високопотужних ДСП;

-розробити математичні моделі процесів формування горизонтальних злитків;

-експериментально дослідити дію вібраційних впливів на кристалічну структуру та властивості горизонтальних злитків;

-із використанням фізичних і математичних моделей вивчити особливості масопереносу при ЕШП;

-теоретично вирішити задачі визначення лімітувальних стадій масопереносу домішок при ЕШП і значень ефективної енергії активації цих процесів;

-експериментально дослідити вплив концентрації металевого кальцію в шлаках на стабільність і робочі параметри електрошлакової плавки в камерних печах.

Об'єкт дослідження - технологія одержання електродугового й електрошлакового металу.

Предмет дослідження - технологічні засоби керування ефективністю виробництва та якістю металу.

Методи дослідження. Під час вирішення поставлених завдань і отримання представлених у роботі результатів використовували методи математичного та фізичного моделювання, статистичний аналіз великих масивів інформації, що накопичується в базах даних комп'ютерних систем керування промисловими агрегатами, аналітичні та числові методи дослідження процесів рафінування та кристалізації металу. Експериментальні дослідження проводили у виробничих умовах і в лабораторії “Спецелектрометалургії” ДонНТУ на промислових і лабораторних печах. Для оцінки якості металу використовували металографічні методи дослідження, спектральний і хімічний аналізи.

Наукова новизна одержаних результатів:

-вперше для електродугової печі встановлено залежність між формою сигналу миттєвої напруги дуги, отриманої шляхом вейвлет-аналізу та подаль-шою нейромережною обробкою реальних значень миттєвої напруги, і технологічними подіями в робочому просторі електрометалургійного агрегату, у тому числі і швидкозмінними в часі, що дозволяє прогнозувати та розпізнавати їх у процесі плавки;

-для високопотужної дугової сталеплавильної печі вперше встановлено залежність теплових втрат від інтенсивності газообміну в робочому просторі агрегату. При цьому для ДСП-100 показано зниження теплових втрат від 27 до 4,2 кВт·год при зростанні продуктивності газовідвідної системи зі 100 до 170 тис. м3/год, що необхідно враховувати під час розрахунку теплового балансу й складу взаємодіючих фаз у динамічних моделях автоматизованих систем керування технологічними процесами;

-для горизонтальних злитків встановлено, що вібромеханічні коливання в горизонтальній площині призводять до подрібнення дендритної структури, зменшення твердості та збільшення густини металу і швидкості кристалізації. Максимальний ефект досягається в діапазоні частот 78-123 Гц;

-одержали подальший розвиток уявлення про механізм оплавлення електрода, що витрачається, під час електрошлакового переплаву: встановлено, що тривалість формування металевої плівки на торці сталевого електрода до моменту її розриву та підйому догори й власне утворення та відриву краплі складають 80% і 20% від часу загального циклу краплеутворення відповідно;

-вперше для умов електрошлакового переплаву аналітичним шляхом отримано кінетичні рівняння для визначення коефіцієнтів масопередачі компонентів із металу в шлак і знайдено залежність інтенсивності масопередачі від швидкості оплавлення металевого електрода й фізико-хімічних властивостей металу та шлаку (коефіцієнтів дифузії та розподілу компонентів між фазами);

-вперше отримано залежність ефективної енергії активації фізико-хімічного процесу, який протікає у двофазних системах, від фізико-хімічних властивостей взаємодіючих фаз, що враховує температурні залежності параметрів, які входять до рівняння масо передачі;

-встановлено залежність характеру переміщення електрода, що витрачається, під час електрошлакового переплаву від концентрації металевого кальцію у шлаках і виявлено явище “самовібрації” електрода у вертикальній площині при ЕШП під шлаками системи у діапазоні вмісту металевого кальцію від 1 до 10%мас.

Практичне значення одержаних результатів:

-ведення плавки в автоматичному режимі за допомогою динамічної моделі дозволяє знизити витрати матеріалів і енергоносіїв, а також стабілізувати якість продукції за рахунок більш суворого дотримання технологічних режимів. Поелементно й у цілому запропоновану концепцію упроваджено на високопотужних дугових печах Білоруського, Молдавського заводів і ВАТ “Амурметал”, а також взято для впровадження у ряді проектів зі створення нових печей. У проекті ДСП-50 ВАТ “НКМЗ” система знаходиться в стадії впровадження;

-заводські випробування системи моніторингу ходу технологічного процесу за параметрами дугового розряду показали її ефективність при визначенні моментів підвалки та завершення періоду плавлення, а також при підтримці режиму “затоплених дуг”. Це дозволяє істотно підвищити ефективність керування плавкою у надпотужних печах;

-на основі встановлених закономірностей формування злитків у горизонтальному положенні розроблено режими промислової виплавки й вібро-обробки горизонтальних листових злитків із малим відношенням висоти до ширини з металу відкритої виплавки та ЕШП;

-на базі теоретичних досліджень явищ масопереносу при ЕШП розроблено методику розрахунку значень ефективної енергії активації процесів, які протікають у дифузійному режимі, що дозволило визначати лімітуючі стадії та розробляти науково обґрунтовані заходи для прискорення механізмів рафінування металу;

-розроблену технологію електрошлакової виплавки титанових злитків із губки та відходів титанового виробництва в печах камерного типу запропоновано для впровадження на Констянтинівському заводі металургійного устаткування (КЗМУ), де створено дільницю електрошлакової виплавки злитків із різних металів і сплавів, включаючи титанові, на базі установки Р_951У.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі наведено результати досліджень, виконаних особисто та під науковим керівництвом автора, за його безпосередньою участю. Автором сформульовано всі основні положення й висновки. У публікаціях, виконаних у співавторстві, здобувачеві належить наступне: [1-7, 31, 32, 45] - підготовка та проведення експери-ментів, обробка, аналіз і узагальнення отриманих результатів, [10-13, 33-38] - розробка ідеї та основних технічних рішень, формулювання наукових висновків, [15-17, 19, 39, 41, 51, 58, 61, 63-65] - ідея використання непрямих параметрів для контролю й керування електрометалургійними процесами, аналіз і узагальнення результатів експериментів, формулювання висновків і рекомендацій для практичної реалізації, [18, 28, 43] - ідея використання присадок металевого кальцію в шлак для організації режиму самовібрації електрода, аналіз та узагальнення результатів, [14, 29, 40, 42, 44, 53, 59, 60, 62] - ідея використання камерного електрошлакового переплаву для плавлення й утилізації відходів титанового виробництва, узагальнення результатів і пропозиції для практичної їх реалізації, [20, 21, 26, 48] - постановка завдань досліджень, обробка результатів і формулювання висновків, [22-25, 27] - основні ідеї, постановка й аналітичне вирішення завдань досліджень, формулювання висновків, [8-9] - обробка й аналіз результатів експериментів, [46, 47, 49, 50, 52, 54-57] - розробка та планування експериментів, узагальнення результатів і формулювання висновків, [30] - використання методів фізичного моделювання для дослідження теплових процесів із фазовими переходами.

Апробація роботи. Основні положення та результати роботи доповідались і обговорювались на 26 національних і міжнародних конференціях, у тому числі “Сучасне устаткування й технологія плавки, позапічної обробки й заливки чавуну” (м. Пенза, 1987 р.), Всесоюз. наук.-тех. конф. “Проблеми підвищення якості металопродукції за основними переробками чорної металургії” (м. Дніпропетровськ, 1989 р.), Всесоюз. наук.-тех. нараді: Електрошлаковий переплав “Проблеми та перспективи розвитку спецелектрометалургії” (м. Москва, 1989 р.), Четвертому конгресі сталеплавильників (м. Москва, 1997 р.), 9-й Міжнародній металургійній конференції “Метал-2000” (м. Острава, Чеська республіка, 2000 р.), Міжнародному симпозіумі пам'яті Б.І.Медовара “Електрошлакові технології та устаткування” (м. Київ, 2001 р.), 5-й Міжнародній конференції “Металургія, вогнетриви та навколишнє середовище” (м. Старая Лєсна, Словацька республіка, 2002 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра” (м. Київ, КНТУ “КПІ”, 2002 р.), Міжнародному симпозіумі з обробки рідких металів і лиття (м. Нансі, Франція, 2003 р.), Міжнародній науковій конференції “Сучасні проблеми електрометалургії сталі” (Південно-Уральський державний університет, м. Челябинськ, 2004 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивні технології в металургії сталі: ХХІ століття” (ДонНТУ, м. Донецьк, 2006 р.), Міжнародній конференції “Ti-2006 у СНД” (м. Суздаль, 2006 р.), Міжнародній конференції “Ti-2007 у СНД” (м. Ялта, 2007 р.), Міжнародному симпозіумі з обробки рідких металів і лиття (м. Нансі, Франція, 2007 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 54 статті в наукових журналах, збірках наукових праць і матеріалах конференцій (у тому числі 31 - у виданнях ВАК України), 1 книга-навчальний посібник, отримано 9 авторських свідоцтв СРСР і 1 патент України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 6 розділів, загальних висновків, 5 додатків, викладена на 428 сторінках машинописного тексту, включаючи 19 таблиць, 151 малюнок та список літератури з 403 найменувань на 41 сторінки.

1. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи та визначено основні завдання дослідження, описані об'єкт і методи дослідження, викладено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів із зазначенням особистого внеску автора.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан електрометалургії сталі й керування якістю технології. Показано необхідність і актуальність проведення подальших досліджень у галузі вдосконалення виплавки, обробки й керування затвердінням сталей і сплавів.

Розглянуто концепцію високопотужних дугових печей, способів оброб-ки, систем автоматизованого керування технологічними процесами та використанням для їх розробки непрямих параметрів горіння дуги. Наведено методи математичної обробки таких параметрів, які забезпечують оперативну надійність і створення адаптивних АСК ТП. Показано, що ефективним інструментом мінімізації “людського фактора” і пов'язаних із ним помилок у правильності оцінки швидкозмінного технологічного процесу є комп'ютерні засоби підтримки прийняття рішень і засновані на них, так звані, інтелектуальні автоматизовані системи керування (ІАСК ТП).

Проаналізовано методи розливки сталі і відливки малих партій великотоннажних злитків, зокрема горизонтальних, і можливі механізми впливу віброколивань на структуру металу.

Відзначено роль електрошлакової технології, її стан і можливості, у тому числі для виробництва високореакційних металів у печах камерного типу.

На основі проведеного аналізу обрано й сформовано основні шляхи досліджень у керуванні якістю металу на різних стадіях його виробництва.

У другому розділі наведено використані методики для знімання й оцифрування сигналів від електричних дуг із застосуванням перетворень Фур'є, вейвлет-аналізу, нейронних мереж (НМ) для розпізнавання технологічних образів. Налагодження, навчання й випробування елементів ІАСК ТП проводили на промислових ДСП Білоруського, Молдавського й Донецького металургійних заводів. Дослідження із розробки технології відливки й віброобробки горизонтальних злитків масою від 40 кг до 20 тонн проводили в лабораторних і заводських умовах (ЖЗТМ и ДМЗ). Експерименти, що стосуються електрошлакової технології, виконано на установках А-550, У-578 і Р_951У ДонНТУ.

Третій розділ присвячений розробці загальних принципів і окремих елементів інтелектуальних автоматизованих систем керування технологічними процесами електроплавки.

Інтелектуальними називають комп'ютерні системи, призначені для автоматизації розумової праці людини, зайнятої у керуванні виробничими або іншими процесами, спрямованими на досягнення певної мети. Іноді такі системи називають системами, заснованими на знаннях (Knowledge Based System), або системами комп'ютерної підтримки ухвалення рішень. У наш час подібні системи знаходяться в стадії інтенсивного розвитку.

Загальний алгоритм керування включає в себе наступні три операції: визначення мети; розробка плану заходів, спрямованих на досягнення поставленої мети; дії, спрямовані на виконання розробленого плану.

Стосовно до реального металургійного виробництва на технологічному, цеховому рівні мета визначається добовим завданням у вигляді замовлення на марки сталі, що виробляються. Завдання технолога зводиться до попереднього планування операцій із ведення плавки з урахуванням поточної ситуації (стан устаткування, наявність матеріалів тощо), а після її початку - у безперервній корекції решти частини плану з урахуванням подій, які виникають під час її проведення. У разі ручного ведення плавки всі операції з її планування й оперативної корекції, а також передачу команд виконавчим механізмам (за допомогою клавіатури або інших пристроїв) здійснює оператор, від майстерності якого значною мірою залежать усі показники. У найпростіших системах автоматичного керування первинний план формується шляхом статистичної обробки вибірки “кращих” плавок і не змінюється в ході процесу. Ведення плавки за такими суворими планами, або “масками”, потребує високого рівня стандартизації шихтових матеріалів і ряду інших умов, які на практиці виявляються, як правило, такими, що важко реалізуються.

З метою комплексного оперативного керування електрометалургійними процесами групою вчених кафедри “Електрометалургія” ДонНТУ, до складу якої входив і автор, створено детерміновану фізико-хімічну модель плавки й пакет додаткових програм “ОРАКУЛ”, які дозволяють приступити до розробки та реалізації інтелектуальних автоматизованих систем керування. У системі ОРАКУЛ і її модифікаціях, заснованих на фізико-хімічних моделях, виконується повний розрахунок первісного проекту й безперервна його корекція у ході плавки. Він містить матеріальний і енергетичний баланси та термодинамічний розрахунок поточного складу продуктів плавки. У моделі не враховується фактор часу, тобто вважається, що процес іде у квазістатичному (рівноважному термодинамічному) режимі. Для врахування кінетичних запізнень у реалізованих на практиці програмах використано прийом, заснований на тому факті, ланкою, що лімітує у процесі виплавки напівпродукту для сталей масового сортаменту в ДСП є конвективний масоперенос, при якому всі компоненти розплаву рухаються з однаковою швидкістю, що визначається інтенсивністю перемішування. Однак, при керуванні процесами позапічної обробки й виплавки сталей за іншими технологічними схемами такий розрахунок часто виявляється недостатнім. Причини кінетичних зсувів різноманітні і залежать від конкретних умов процесу, геометрії агрегату, ступеня зношення футеровки та ін., що вкрай ускладнює їх алгоритмізацію та позбавляє термодинамічну модель її головної переваги - спільності.

Щоб усунути цей недолік, розроблено методику визначення й використання в системах керування поправочних коефіцієнтів кінетичного зсуву. Так, для побудови моделі динамічного керування плавкою нами було запропоновано виходити зі звичайної моделі, прийнятої в теорії автоматичного керування:

,(1)

використовуючи як вектор станів набір термодинамічних параметрів, які визначають стан системи метал-шлак-газ, таких, як тиск, температура та маси компонентів, які утворюють систему: . У результаті отримали повну систему диференційних рівнянь для швидкостей зміни будь-якого з параметрів стану системи метал-шлак-газ у часі.

Цей шлях, звичайно, не виключає необхідності з'ясування фізико-хімічного механізму конкретних процесів при їх математичному описі. Однак він відкриває можливість більш повного використання напрацювань із галузі теорії оптимального керування. Цікавим і важливим для практичних розрахунків динаміки фізико-хімічних процесів є і та обставина, що в моделі керування термодинамічні змінні представлені як дві самостійні функції часу (): функція керування - і функція стану - .

Розглядаючи термодинамічну систему ізольованою від зовнішніх впливів і використовуючи як вектор стану () термодинамічних змінних, наприклад - температуру, тиск і маси компонентів, які утворюються: , тобто, розглядаючи фізико-хімічну систему метал-шлак-газ, яка знаходиться в сталеплавильному агрегаті, як об'єкт керування, отримали загальний опис динаміки реального процесу в цілому. При постійних Р и T вираз (1) стає диференційним рівнянням масопереносу узагальненим на всі k компонентів системи. Розв'язання такої системи, виконане шляхом “двокрокового” чисельного інтегрування за часом, дозволяє оцінювати швидкість релаксації закритої системи з одного рівноважного стану в інший після імпульсного впливу на неї та визначати ступінь нерівноважності, а потім і поправкові коефіцієнти кінетичного зсуву. Такий підхід дозволив створити блок кінетичної корекції, введений модулем до розроблюваної інтелектуальної автоматизованої системи керування технологічним процесом електроплавки, що дозволяє реалізувати весь комплекс принципів керування.

На базі цієї ІАСК ТП створено систему ситуаційного керування електродуговою виплавкою та позапічною обробкою сталі, яка здійснює попереднє проектування й безперервну корекцію плану за інформацією про перебіг технологічного процесу в агрегатах.

Майбутнє у вдосконаленні ІАСК ТП значною мірою залежить від розробки надійної системи моніторингу технологічного процесу, вироблення на його основі оперативних керувальних впливів, які дозволяють підвищити загальну якість керування. У цьому відношенні цікаве використання непрямих параметрів для розпізнавання станів технологічного процесу в печі. Такими параметрами можуть бути гармонійний склад струму та напруги електричних дуг, значення постійної складової напруги, акустичні сигнали тощо.

Для ефективного керування сучасною ДСП із форсованим режимом виникає необхідність розпізнавання подій (закипання ванни, схід шлаку, рівний перебіг технологічного процесу, дуга відкрита тощо), існування яких обмежене у часі, а змінюють один одного вони у довільній послідовності.

У роботі як ознаку, що несе інформацію про стан технологічного процесу, використовували сигнал про напругу дуги. Для цього розробили схему одержання сигналу, яка дозволяє паралельно записувати його та на підставі візуальної і звукової інформації фіксувати стан технологічного процесу. Аналіз одержаного сигналу за допомогою перетворення Фур'є показав можливість розпізнавання глобальних стадій процесу. Найбільш інформативними виявились вищі непарні гармоніки. Разом із тим вони не дозволяють однозначно розпізнавати швидкозмінні в часі події, адже це перетворення недостатньо ефективне при обробці сигналів нестаціонарних процесів. Через це для підвищення якості розпізнавання цифрову обробку сигналу здійснювали з використанням вейвлет-аналізу. Для кожної фіксованої події виділяли попередній на одну секунду сигнал, розбивали його на рівні періоди в 0,1 сек. У результаті отримали для кожної події 10 образів, які відображають ефект його розвитку. Шумозаглушення сигналів здійснювали обнулінням коефіцієнтів низької енергії, одержаних дискретним вейвлет-розкладанням їх до 7-го рівня, достатність якого визначена експериментальним шляхом. Потім зворотним відтворенням сигналу й стисканням його показали (рис. 3), що найбільш інформативні для ідентифікації подій є коефіцієнти 6-го и 7-го рівнів вейвлет-розкладання. Візуально оцінюючи ступінь відновлення сигналу, зрештою залишили 18 значень коефіцієнтів апроксимації 7-го рівня й по десять коефіцієнтів шостого й сьомого рівнів деталізації, які мають абсолютне максимальне значення, що забезпечує необхідне стискання сигналу й достатню інформацію про його вихідне значення.

У результаті для кожної події одержали свій образ сигналу у вигляді набору коефіцієнтів, подібно до штрих-коду, використаного для ідентифікації події та оперативного коригування технологічного процесу.

Враховуючи те, що кожна ознака (штрих), що входить до образів однієї і тієї ж події, одержаної на різних плавках, знаходиться в певному діапазоні значень, а інтервали значень деяких ознак, які входять до образів різних подій, можуть перетинатися, для подальшого розвитку поданого алгоритму ідентифікації подій технологічного процесу використовували більш гнучкі методи класифікації - нейронні мережі. Сформували тришарову нейронну мережу зворотного поширення, яка містить 38 нейронів у вхідному шарі (за числом ознак вхідного вектора), 19 нейронів у другому шарі і 3 нейрони у вихідному шарі (за числом компонентів вихідного вектора).

Після навчання мережі її тестування показало, що відсоток помилки розпізнавання за цієї схеми представлення вихідного вектора властивостей сягає 15%, тобто правильне розпізнавання стану технологічного процесу спостерігали в 119 випадках зі 140. Отриманий результат є прийнятним для систем керування промисловими агрегатами як у режимі “порадник оператора”, так і в автоматизованому режимі.

Для моніторингу плавки в автоматичному режимі розроблено пакет програм, який дозволяє отримувати сигнал про напругу дуги, формувати відповідні до нього події, виконувати цифрову обробку, розпізнавати й видавати інформацію про стан технологічного процесу.

Ефективність використання електричної енергії, що вводиться до ДСП, значною мірою залежить від ступеня врахування характеру горіння потужної дуги при побудові алгоритму керування енергетичним режимом високопотужної ДСП. З метою вивчення процесу горіння потужних пічних дуг і вдосконалення системи автоматичного керування енергетичним режимом були розроблені спеціальні пристрої і на 100-т дугових електропечах типу ДСП-100НЗА, 60 МВА, а також Е-1200 фірми "Крупп", 75 МВА проведені дослідження наступних параметрів: струму дуги Iд, падіння напруги на дузі Uд, градієнта потенціалу дугового проміжку , постійної складової напруги дуги Unc, довжини дугового проміжку L, робочого переміщення електрода S (без урахування переміщень при форсажі та в час проведення технологічних операцій), витрат активної Wh і реактивної енергій Whn, температури цегляної футеровки стін печі tф, температури води на виході з водоохолоджуваних елементів стін tCT і склепіння tCB.

Як видно (рис. 8), на 100-т дуговій печі типу ДСП-100НЗА, 60МВА, устаткованої водоохолоджуваними елементами стін і склепіння, на початку періоду плавлення холодної шихти (через хвилину після початку плавки) максимальна величина досягає 9,2 В/мм у час проплавлення колодязів і знижується до 0,9 В/мм при горінні дуг на рідкий метал. Після підвалювання спостерігається аналогічна зміна . Починаючи з періоду доплавлювання й до завершення плавки значення плавно змінюється від 1 до 0,7 В/мм.

Величина дугового проміжку у міру нагрівання та проплавлення шихти зростає від 26 до 210 мм, після підвалювання шихти - від 60 до 240 мм, а потім зменшується при збільшенні завдання за струмом до кінця періоду плавлення та подальшому зниженні ступеня напруги пічного трансформатора.

Не менший інтерес для вивчення умов горіння потужної пічної дуги й побудови алгоритму керування енергетичним режимом ДСП представляє постійна складова напруги дуги Unc. На рис. 8 наведено криві зміни постійної складової напруги дуги Unc і робочого переміщення електрода S у процесі плавки, які дозволяють прослідкувати характер зміни Unc у різні періоди плавки. Величина Unc на початку періоду плавлення, коли дуга горить на холодний метал, становила приблизно 18 В. У час проходження колодязя при горінні дуги на рідкий метал рівень Unc був біля 7 В, а потім плавно змінювався до 4,5 В і до 2-3 В на момент випуску металу.

Дослідження показали, що значення S, Unc і швидкості їх зміни в процесі плавки суттєво відрізняються для печей, футерованих вогнетривкою цеглою й устаткуванням водоохолоджуваними елементами стін і склепіння, що необхідно враховувати під час побудови алгоритму керування енергетичним режимом ДСП.

З урахуванням досліджених параметрів розроблено і випробувано систему автоматичного керування енергетичним режимом (САКЕР) для печі типу ДСП-100НЗА потужністю 60 МВА. Порівняння її із зарубіжними аналогами, у тому числі з регулятором фірми "Сіменс", показало, що розроблена САКЕР має цілий ряд переваг, у тому числі за величиною коефіцієнта використання активної потужності (0,9 проти 0,73).

Розвиток сучасних систем керування металургійними агрегатами потребує суворого врахування всіх теплових і матеріальних втрат. Особливо актуальне це для надпотужних ДСП, у яких, як показали дослідження, із зростанням потужності збільшуються і втрати металу. При цьому слід очікувати й зростання втрат металу випаровуванням.

У роботі виконано теплові розрахунки та здійснено оцінку частки металу, що випарився, під час плавки в ДСП-120 залежно від установленої потужності трансформатора.

Як видно, частка металу, що випарився, у надпотужних ДСП може сягати досить відчутних значень, що треба враховувати під час розрахунку складу фаз і матеріального балансу для досягнення необхідної точності та якості автоматизованого керування. Метал, що випарився, під час плавки бажано окиснювати в робочому просторі печі, утилізуючи тепло екзотермічних реакцій.

Виконано розрахункові оцінки кількості кисню, необхідного для окиснення парів металу в різні періоди плавки в ДСП. Показано, що в період плавлення, для якого характерне великий аеродинамічний опір шихти в робочому просторі печі, кисню повітря, просмоктуваного газовідвідом, недостатньо для окиснення випареного металу та його необхідно додатково вводити крізь газокисневі пальники із надлишковою інтенсивністю від 0,08 до 0,69 м3/хв залежно від потужності трансформатора. У наступні періоди плавки такої необхідності немає, адже достатня для окиснення металу кількість кисню забезпечується системою газовідвіду.

Спеціальними спостереженнями на 4123 плавках у ДСП-100 БМЗ встановлено, що із збільшенням продуктивності системи газовідвіду втрати тепла не збільшуються, а навпаки падають, що пов'язане з допалюванням СО й окисненням випареного металу в робочому просторі печі.

Причому при досягненні продуктивності газовідсмоктування з печі на рівні 165-170 тис.м3/год теплові втрати мінімізуються та стабілізуються на рівні 4,2 кВт·год.

Отримані результати, пов'язані з випаровуванням і окисненням металу, враховані під час розрахунку матеріального й теплового балансів “термодинамічним” і “тепловим” блоками ІАСК ТП.

Промислове освоєння системи на ДСП-2 БМЗ свідчить про те, що комплексне автоматизоване керування плавкою стабілізує шлаковий режим, витрати вапна й режим “затоплених” дуг, знижує витрати коксу за рахунок визначення моментів його присадки, витрати електроенергії на 7,89 кВт·год./т рідкого металу й тривалість роботи печі “під струмом” на 1,29 хв., гарантує ритмічне одержання напівпродукту заданих хімскладу й температури.

Четвертий розділ присвячений дослідженню особливостей відливки горизонтальних злитків, придатних для виробництва плит і товстолистового прокату, та методам керування його кристалізацією.

З урахуванням геометричних параметрів таких злитків (мале відношення висоти до ширини) й умов відливки, засобами математичного моделювання вирішували задачу оптимізації процесу кристалізації розплаву на основі розрахунку температурного поля, визначення динаміки зміни товщини шару металу, що твердіє, конфігурації фронту й часу повного затвердіння злитка з метою вироблення технологічних заходів для організації переважно односпрямованої макроструктури металу. В основу математичного формулювання завдання покладено диференційне рівняння нестаціонарної теплопровідності з внутрішніми джерелами тепла:

,

де - питома густина металу, кг/м3;

с - питома теплоємність металу, Дж/(кг·К);

Т - температура, К;

- коефіцієнт теплопровідності, Дж/(м3·К);

q - щільність внутрішніх джерел тепла, Вт/м3;

- час, сек.

Задачу затвердіння вирішували в рамках модифікованої Ю. А. Самойловичем теорії квазирівноважної двофазної зони з урахуванням виділення в зоні затвердіння теплоти кристалізації за лінійним законом.

Математична модель реалізована у вигляді комп'ютерної програми. У ході моделювання на основі тривимірної моделі затвердіння досліджували кристалізацію горизонтального злитка розмірами 0,51Ч1,75Ч2,6 м за умови природного й примусового охолодження піддонів різної товщини: 0,11 м; 0,22 м і 0,44 м. Для дослідження впливу умов охолодження з головної, бічної та донної поверхнь злитка на динаміку зміни конфігурації фронту кристалізації була використана математична модель у двовимірному приближенні.

Встановлено, що для організації переважно однонаправленого вгору затвердіння злитка необхідно забезпечити в процесі кристалізації мінімальні тепловтрати як із головної поверхні (коефіцієнт тепловіддачі з поверхні металу не більше 5 кВт/(м2·К), щоб уникнути утворення кірки металу на дзеркалі, так і з бічної. При використанні піддонів товщиною менше 100-150 мм необхідне застосовування додаткового штучного охолодження. Для піддонів значної товщини (400 мм и більше) застосовувати додаткове охолодження недоцільно.

Використовуючи результати математичного моделювання розробили технологію і в умовах ДМЗ відлили горизонтальні зливки масою по 18 т зі сталі 20.

Дослідження якості злитків і прокатаних із них плит товщиною 0,18 м із сумарним обтисненням у 2,8 рази показали відсутність позитивної ліквації сірки головній частині і високий рівень ізотропності й ударної в'язкості металу, особливо в напрямку “товщиною прокату”, порівняно з аналогічними показниками у плит, отриманих із вертикальних злитків такого ж розважування (обтискання 5-6).

З метою розробки методів керування формуванням кристалічної структури литого металу в роботі також досліджували вплив на параметри затвердіння й структуру металу низькочастотних вібромеханічних коливань частотою від 13 до 123 Гц у горизонтальній і вертикальній площинах.

Оцінювали дію вібровпливів на макро- та мікроструктуру литого металу, а також на твердість, густину і швидкість затвердіння.

Встановлено, що для розглянутих варіантів і частот коливань найбільший ефект у подрібненні структури та зростанні густини металу досягається при віброобробці коливаннями в горизонтальній площині з частотами 78-123 Гц.

Цей вид впливів може бути сумісно з іншими (охолодження піддона, утеплення дзеркала) використаний для керування структурою злитка та якістю литого металу.

Суттєві можливості в підвищенні якості великотоннажних листових злитків відкриває електрошлаковий переплав, у тому числі й в горизонтальні кристалізатори з малим (менше 1) відношенням висоти до ширини для одержання відливків із переважно вертикально направленою структурою.

Нами, спільно з Інститутом електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України, розроблено промислову технологію електрошлакової виплавки гомогенних і багатошарових злитків шляхом переплаву електродів, що витрачаються, із мартенівської, конвертерної та електродугової сталі у горизонтальні кристалізатори. Дослідженнями гомогенних і тришарових злитків із Cr-Ni-Mo сталі, отриманих різними технологічними варіантами та термооброблених за розробленим режимом, встановлено, що електрошлаковий метал має високу чистоту, ізотропність і рівень механічних властивостей навіть у литому стані, що дозволяє використовувати розроблену технологію для виробництва литих і катаних плит, у тому числі й багатошарових, відповідального призначення. Виконані розробки використані при створенні й освоєнні технології відливки великотоннажних горизонтальних злитків на установці УШ-100 (рис. 12).

У п'ятому розділі представлені результати теоретичних і експериментальних досліджень механізму рафінування металу при ЕШП, зокрема ролі окремих стадій крапельного переносу у видаленні шкідливих домішок і способів інтенсифікації найбільш повільних ланок процесу. Фізико-хімічні процеси переплаву ускладнені гідродинамічними явищами, пов'язаними з утворенням капілярних і гравітаційних хвиль на стадії утворення плівки на торці електрода. Це практично виключає можливість аналітичного опису гідродинаміки та в цілому фізико-хімічного процесу.

У роботі здійснено спробу дослідження цих процесів із використанням фізичного моделювання. З цією метою розроблено теплову модель оплавлення електрода, засновану на перенесенні тепла в рухливій плівці металу з урахуванням теплових балансів на межах “шлак-плівка”, “плівка-електрод” і енергетичних фазових перетворень. Математично поставлене теплове завдання. Використання метода інтегральних аналогів дозволило отримати критерії, які дають можливість кількісно оцінити подібність процесу на фізичній моделі. За допомогою цих критеріїв (Пекле, Фур'є, Фруда, Вебера й фазового перетворення) розраховано фізичну модель і визначено масштабні коефіцієнти, які дозволили перенести результати моделювання на реальний процес.

У ролі моделювальних агентів використані лід (електрод) і рослинна олія (шлак) з добавками керосину для регулювання густини та в'язкості. Крапельне перенесення фіксували веб-камерою, данні з якої передавали на комп'ютер.

На моделі вивчали характер формування рідкої плівки й стікання її поверхнею електрода, утворення крапель. Проведені дослідження виявили ряд особливостей, які значною мірою розкривають механізм крапельного перенесення при ЕШП. Встановлено, що в процесі стікання плівки поверхнею конусоподібного торця електрода в нижній його частині накопичується рідина та відбувається стовщення плівки. При досягненні нею певної товщини (критичної) плівка розривається на дві частини. Нижня частина під дією сил тяжіння швидко стікає на вершину конуса електрода й формується в краплину з подальшим її відривом. Верхня ж частина плівки під дією сил поверхневого натягнення швидко підіймається вгору поверхнею електрода. Причому, підйом плівки супроводжується інтенсивним перемішуванням об'єму рідини, поміщеної в ній. Аналогічне явище підйому плівки зафіксовано раніше В. В. Паніним та І. С. Івахненко при дослідженні краплеутворення під час ЕШП з використанням рентгенівської зйомки. У результаті надходження до плівки нових порцій розплавленого металу відбувається плавне її “сповзання” вниз із безперервним збільшенням товщини. При досягненні критичної товщини плівка розривається й цикл повторюється. Одночасно із цим встановлено, що формування наступної краплі відбувається не одразу після відриву попередньо. Кінозйомкою зафіксовано, що не вся маса металу в плівці витрачається на формування краплі, що відривається, а час формування й відриву краплі малий порівняно із загальним циклом краплеутворення. Обробка результатів відеозйомки показала, що процес руйнації стікаючої металевої плівки настає приблизно через час, що дорівнює 80% від загального часу циклу краплеутворення. Час формування краплі становить 20% від часу між відривом двох суміжних крапель. Встановлений факт важливий для оцінки кількості домішок, що видаляються, на стадії формування краплі.

Результати фізичного моделювання дають підстави розглядати механізм поведінки плівки та краплеутворення як періодичний процес і використовувати модель оновлення Хігбі для аналітичного опису масообміну при ЕШП.

Дійсно, швидкий підйом частини плівки в момент її руйнування (початок циклу) сприяє інтенсивному перемішуванню металу й прилеглого до нього шлаку й вирівнюванню концентрації дифундувального компонента у відповідних фазах. Порушується умова рівноваги його на міжфазній границі. Це призводить до нестаціонарної дифузії компонента в металевій та шлаковій фазах за час, що дорівнює циклу утворення й відриву краплі. У результаті виникають градієнти концентрації компонента, що переноситься, у відповідних фазах, які руйнуються на початку нового циклу.

У роботі математична постановка задачи із використанням моделі Хігбі була розглянута на прикладі видалення сірки з металу в шлак. Прийняті наступні позначки:

и - поточні концентрації сірки в металевій і шлаковій фазах, кг/м3;

и - середньомасові концентрації сірки в металевій і шлаковій фазах, кг/м3;

- коефіцієнт розподілу сірки між шлаковою та металевою фазами;

и - відповідно коефіцієнти молекулярної дифузії сірки в металі та шлаку, м2/с;

ф та фк- поточний час процесу дифузії та час між відривом двох суміжних крапель, відповідно, с;

та - дифузійні потоки сірки в металі та шлаку, відповідно, кг/(м2·с).

Згідно з прийнятою фізичною моделлю одномірна задача нестаціонарної дифузії сірки в металі та шлаку описується системою диференціальних рівнянь:

(2)

;(3)

Взявши границю метал-шлак за початок координат, можна записати крайові умови задачі:

;(4);(5)

(6)(7)

;(8).(9)

Умови (8) і (9) прийняті для невеликого періоду циклу краплеутворення, коли дифузійні потоки проникають на незначну глибину у відповідних фазах.

Система рівнянь (2) і (3) спільно з крайовими умовами розв'язана операційним методом.

У результаті отримано вирази, які описують у часі розподіл концентрації сірки в об'ємах металевої плівки та шлаку:

;(10)

.(11)

У рівняннях (10) і (11):

;

erf - функція помилок Гаусса, яка визначається наступним співвідношенням:

,

де

.

Із використанням рівнянь (10) і (11) знайдено середньоінтегральні дифузійні потоки сірки в металевій і шлаковій фазах за час циклу утворення краплі (ф = фк):

;(12)

.(13)

Із рівнянь (12) і (13) отримано вирази для визначення коефіцієнтів масовіддачі сірки в металевій та шлаковій фазах і коефіцієнта масопередачі її з металу в шлак:

;(14)

;(15)

.(16)

Отримані рівняння показують, що інтенсивність масопереносу сірки для плівкової стадії краплеутворення залежить від коефіцієнтів дифузії компонента у фазах, хімічного складу шлаку (LS) і частоти відриву крапель металу (фк). Масопередача сірки визначається процесами дифузії в металевій і шлаковій фазах.

Розрахунки по рівнянню (16) показали, що металева фаза може лімітувати масопередачу сірки в процесах ЕШП при використанні шлаків, для яких велике значення LS, наприклад, більше 30.

Аналітичними дослідженнями масопереносу на базі отриманих рівнянь і з використанням літературних даних оцінено роль окремих стадій крапельного переносу в загальному рафінуванні металу при ЕШП. На прикладі десульфурації металу показано, що превалююче рафінування (більше 90%) відбувається на стадії утворення плівки.

При високих температурах сталеплавильного виробництва швидкість протікання фізико-хімічних процесів залежить від умов транспорту реагентів, тобто визначається дифузійними стадіями. Виявлення лімітувальних дифузійних стадій і розробка ефективних способів прискорення процесів досить важливі при створенні високопродуктивних технологій виробництва сталі. Як правило, швидкість будь-якого фізико-хімічного процесу оцінюється величиною ефективної енергії активації. М. Я. Меджибожський та ін. дослідники вважають, що при значеннях ефективної енергії активації більше Екаж>420 кДж/кмоль фізико-хімічний процес протікає в кінетичному режимі й лімітується швидкістю хімічної реакції або адсорбцією. При значеннях Екаж<150 кДж/кмоль процес знаходиться в дифузійній області й контролюється виключно швидкістю доставки реагентів у зону протікання хімічної реакції. Проміжні значення ефективної енергії активації (150-420 кДж/кмоль) відповідають змішуваному, дифузійно-кінетичному, режиму, коли швидкість процесу залежить як від дифузійних, так і від хімічних стадій.

Однак, сучасна теорія оцінки швидкості протікання масообмінних процесів за величиною ефективної енергії активації не в змозі відповісти на ряд питань, наприклад, у якій фазі зосереджене основний дифузійний опір масопередачі.

У роботі здійснено спробу, використовуючи рівняння масопередачі, отримати кількісну оцінку ефективної енергії активації процесів, які протікають у дифузійному режимі.

Розроблено методику, засновану на дослідженні впливу температури на зміну фізичних параметрів, які визначають масообмінні процеси. Сутність запропонованої методики полягає в наступному:

1. Математичний опис процесу масопередачі й виявлення параметрів, які його визначають.

2. Виділення із сукупності визначальних параметрів тих, що залежать від температури з якісною оцінкою цього зв'язку.

3. Представлення залежності фізичних параметрів від температури у формі рівняння Арреніуса:

.(17)

У наведених рівняннях E?, EB, Eф - представляють відповідно енергію активації дифузії, в'язкої течії та фазового переходу.

Розрахунки ефективної енергії активації повинні проводитися для конкретного дифузійного процесу. Наприклад, для переходу кисню з шлакової фази в металеву були отримані рівняння для визначення ефективної енергії активації для випадку, коли фазою, що лімітує є шлакова або металева, відповідно:

;(18)

,(19)

где - енергія активації дифузії FeO у шлаку;

- енергія активації дифузії кисню в металі;

Еф - енергія активації фазового переходу кисню зі шлаку в метал.

Із аналізу рівнянь, які визначають величину ефективної енергії активації для фізико-хімічних процесів, що проходять у дифузійному режимі, витікає важливий науковий висновок. Згідно з (18) і (19) ефективна енергія активації залежить від фізичних параметрів, а саме, енергії активації дифузії і фазових переходів. Для різних компонентів ці параметри неоднакові, а, отже, й значення енергії активації будуть різними. Крім того, величини енергії активації будуть приймати різні значення залежно від того, у яких системах протікають дифузійні процеси.

У роботі, зокрема, розглянуто процеси дифузії кисню в системі “рідина-рідина” (шлак-метал). У системі ж “газ-рідина”, коли процес контролюється дифузією в газовій фазі (Ед = 10-20 кДж/кмоль), що має місце при необмеженій розчинності газу в рідині, ефективна енергія активації процесу може становити величину 5-10 кДж/кмоль.

Для систем “газ-тверде тіло” або “рідина-тверде тіло”, коли швидкість фізико-хімічного процесу контролюється дифузією компонента у твердій фазі (Ед = 800-1000 кДж/кмоль), ефективна енергія активації може сягати значень приблизно 400-500 кДж/кмоль.

Тому поставити й використовувати для аналізу єдиний універсальний поріг значень ефективної енергії активації процесів, які протікають у дифузійному режимі, неможливо.

Підвищити рафінувальну ефективність при ЕШП можливо інтенсифікуючи масообмінні процеси між металом і шлаком, зокрема, як шляхом збільшення поверхні плівки на торці електрода, так і скорочення циклу її оновлення. Здійснити це можливо за рахунок примусової вібрації електрода в результаті механічних чи електричних впливів.

В наших дослідах із введення до шлаку металевого кальцію було виявлено явище свого роду “самовібрації” електрода й підвищення у зв'язку з цим ступеня рафінування сталі 03Х16Н15М3 камерної електрошлакової виплавки. Крім того, явище “самовібрації” може бути використане для побудови системи керування електрошлаковим процесом із мінімальним заглибленням електрода в шлак, що важливо при переплаві злитків, схильних до ліквації.

Шостий розділ присвячений розвитку технологій електрошлакового переплаву металів і сплавів у печах камерного типу. Актуальним завданням під час виплавки й рафінування металів і сплавів методом ЕШП у камерних печах є розробка способу контролю вмісту металевого кальцію в шлаках ЕШП. Одним із параметрів, який дозволяє об'єктивно встановити зв'язок між зміною складу шлаку й електричним режимом у ході плавки є гармонійний склад струму або напруги переплаву. З метою вивчення таких залежностей провели серію експериментів, у процесі яких металевий кальцій порційно присаджували в шлакову ванну з чистого фтористого кальцію, фіксуючи при цьому зміни струму та напруги переплаву, а також переміщення електрода. Для цього використовували розроблену інформаційно-вимірювальну систему, яка базується на персональному комп'ютері з промисловими платами цифрового введення-виведення РCI-1202 и PCI-1602. Отримані результати (рис. 13) свідчать, що присадки металевого кальцію в шлак змінюють як електричні параметри переплаву та їх гармонійний склад , так і швидкість переміщення електрода.

...