Сейчас в условиях обширного рынка сырья и снижения стоимости чугуна на мировом рынке черных металлов является актуальной задача увеличения рентабельности производства, а также приобретения большей гибкости процесса для обеспечения устойчивости работы предприятия в целом.
Совершенствование методов управления и внедрение современных информационно-моделирующих систем является одним из важнейшим направлений улучшения технико-экономических показателей плавки, качества выплавляемого чугуна и безопасности работы доменных печей.
Конечной целью разработок систем управления комплексом доменных печей является создание системы управления, обеспечивающей нормальную работу производства в целом при минимальной себестоимости продукции с учетом ограничений, обусловленных требованиями технологии и возможностями оборудования. В области управления доменным процессом сегодня необходимо на основе разработки средств получения объективной информации о параметрах технологического процесса и имеющихся возможностей использования современных технических средств максимально приблизить управление доменным производством к автоматизированному.
Автоматизированный технологический комплекс доменной печи как объект контроля и управления характеризуется следующими признаками:
• большим объемом контролируемых переменных и расчетных признаков;
• низкой прозрачностью процесса, из-за отсутствия возможности непосредственного контроля развития отдельных стадий процесса выплавки чугуна;
• глубокой взаимосвязью всех процессов плавки при ограниченности ресурсов на управление;
• наличием случайных измерительных помех различной природы и характера, что снижает качество информации.
При анализе работы доменной печи ее следует рассматривать как управляемую технологическую систему. Для ее управления должны использоваться подсистемы измерений, оценивания, хранения, обработки, представления информации, а также интеллектуальные системы управления. Отличительная особенность этих систем состоит в том, что для выработки управляющих воздействий в них должен использоваться комплекс математических моделей технологических процессов, различные формы и способы извлечения, хранения, обработки и представления знаний. Упрощено структуру современной автоматизированной системы управления доменной плавкой можно представить схемой, приведенной на рисунке 1. Показателями (целевой функцией, критериями) технологической эффективности работы печи, технологического персонала и информационной системы являются: удельный расход кокса, производительность печи, выход кондиционного чугуна по содержанию серы в чугуне, температура жидких продуктов плавки в соответствии с требованиями последующего сталеплавильного производства. При этом должны быть выполнены ограничения на технологию доменной плавки, т.е. обеспечена минимальная вероятность попадания технологического состояния печи, в так называемые, критические области (критические, аварийные режимы работы). Работа агрегатов комплекса находится под постоянным наблюдением сменных технологов, за которыми остается ведущая роль при решении многих задач управления. В связи с этим такой технологический комплекс следует относить к классу интерактивных человеко-машинных, автоматизированных информационно-управляющих систем.
Целью задачи является получение необходимого результата, т.е. качества чугуна с минимизацией себестоимости, и получение возможности корректировки результатов при изменении входных параметров задачи.
в начало
Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих в работающей доменной печи. Загружаемые в доменную печь шихтовые материалы - кокс, железосодержащие компоненты и флюс - в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун, шлак и доменный газ.
В химическом отношении доменный процесс является восстановительно-окислительным: из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители. Однако доменный процесс принято называть восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла.
Агрегатом для осуществления доменного процесса служит печь шахтного типа. Рабочее пространство доменной печи в горизонтальных сечениях имеет круглую форму, а в вертикальном разрезе - своеобразное очертание, называемое профилем.
Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное встречное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса в нагретом до 1000 - 1200 0С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар.
Кокс поступает в горн нагретым до 1400 – 1500 0С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья. Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода. Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800 - 2000 0С , поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200 – 450 0С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14 - 20 %.
Шихтовые материалы загружают в доменную печь при помощи засыпного аппарата отдельными порциями - подачами. Они располагаются на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5 - 8 мин. по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов.
В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем - в металлическое железо по схеме: Fe2O3 → Fe3O4 → FeO→ Fe.
Свежевосстановленное железо заметно науглераживается еще в твердом состоянии. По мере науглераживания температура плавления его понижается. При температуре 1000 - 11000С восстановление железа почти заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы - кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4 % углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре 1130 - 11500С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса. Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца. В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса - и зола.
При взаимодействии жидких продуктов плавки с раскаленным коксом в заплечиках и горне происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же поглощенная металлом в ходе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор печи полностью восстанавливаются и переходят в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полотна удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества.
Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку, а шлак - через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак).
Все перечисленные процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние.
в начало
Расчет доменной шихты производиться при проектировании доменных печей, изменении условия плавки, замене одних материалов другими, при переводе печи на выплавку другого вида чугуна.
Расчёт шихты сводиться к определению расхода отдельных материалов для выплавки единицы чугуна заданного состава, определённого состава шлака, обеспечивающего свойства, необходимые для выплавки данной марки чугуна и ровной высокопроизводительной работы печи.
Расчет обычно выполняется на единицу выплавляемого чугуна. При необходимости ввода в шихту нескольких сортов руд или их заменителей соотношение между ними должно устанавливаться из условия обеспечения требуемого среднего содержания железа или др. элементов в смеси или в соответствии с планом их на завод.
В соответствии с содержанием отдельных элементов в чугуне и распределением из между чугуном, шлаком и газом определяется расход материалов (железная руда, агломерат, окатыши, марганцевая руда и др.), содержащих эти элементы, на единицу чугуна (без учета влаги и выноса). Затем выбирается (задается) основность шлака для обеспечения необходимых свойств, в том числе и его обессеривающие способности и определяется расход флюса на единицу чугуна.
После определения количества всех шлакообразующих рассчитывается выход шлака и содержание в нем отдельных составляющих.
Приняв величину коксовой подачи, определяют расход в подачу отдельных составляющих шихты, причем расходы каждого из них берутся с учетом выноса влаги. Для перехода от расчета на единицу чугуна к расчету в подачу полученные величины расходов материалов необходимо увеличить, на отношение принятой величины коксовой подачи к удельному расхода кокса.
Расчет количества дутья может быть основан на балансе азота, кислорода и углерода или кислорода и азота. Взятый за основу расчет количества дутья по балансу кислорода и углерода базируется на том, что часть углерода кокса и углесодержащих добавок, подаваемых в печь газифицируются при прямом восстановлении кремния, марганца, фосфора и железа, при десульфурации чугуна, а также переходит в чугун и расходуется на образование метана. Остальная часть углерода окисляется кислородом дутья до СО. Отсюда определяется необходимое количество кислорода, а при известном содержании его в дутье - количество последнего.
Расчет количества и состава колошникового газа основан на балансе элементов, входящих в состав образующих его компонентов. Водород, поступающий в доменную печь, переходит в газ в виде паров воды при восстановительных процессах, в виде метана, а остальное его количество переходит р. колошниковый газ вне соединений с другими элементами.
Количество диоксида углерода в колошниковом газе определяется по его содержанию в шихтовых материалах, продуктах их разложения, а также образованию в реакциях восстановления оксидов.
Содержание оксида углерода в колошниковом газе определяется исходя из количества его образования при горении углерода в горне печи, вносимого с шихтовыми материалами, в реакциях прямого восстановления с учетом расхода на реакции косвенного восстановления.
Материальный баланс доменной плавки для работающей доменной печи составляется по результатам измерений и анализов, для чего по возможности точно учитывается за определенный отрезок времени (обычно за несколько суток) расход всех материалов, загружаемых в печь, и полученных продуктов плавки, на основе которого определяется расход каждого материала и выход шлака, колошникового газа и пыли на единицу чугуна.
При расчете материального баланса для проектируемых условий оказывается достаточно данных, полученных расчетами шихты, колошникового газа и дутья. Баланс должен сходиться с весьма малой (до 1 %) невязкой. Увеличение ее является результатом неправильного анализа сырых материалов (сумма содержания компонентов не составляет 100 %) или ошибок в расчетах.
Тепловой баланс характеризует экономичность работы доменной печи и учитывает соотношение количества тепла, образующегося в доменной печи в результате протекания тех или иных процессов, вносимого в доменную печь с шихтовыми материалами и дутьем с количеством тепла, расходуемого на эндотермические процессы, уносимого с продуктами плавки и теряющегося в окружающую среду и с охлаждающей водой. Но данным теплового баланса вычисляется одна из важнейших характеристик работы доменной печи тепловой коэффициент полезного действия, равный отношению используемого тепла к выделившемуся. При этом за неиспользуемое в доменной печи тепло принимают его потери с колошниковым газом, пылью, охлаждающей водой и во внешнее пространство. Обычно значение теплового коэффициента полезного действия при выплавке передельного чугуна составляет 78-87 %.
в начало
Среди разработок предоставляемых на рынке программных продуктов существуют системы выполняющие частично подобные, но у них есть слабые стороны такие как отсутствие возможности полного расчёта интересующих показателей и, что является немаловажным, в этих пакетах не предусмотрено моделирование с применением ПУТ.
В данной работе предлагается построить математическую модель описывающую часть доменного процесса, с учетом влияния ПУТ, которая бы соответствовала особенностям работы ОАО «ДМЗ». Данная модель должна учитывать:
• расчет технико-экономических показателей доменной плавки (расхода кокса, производительности) при изменении дутьевых параметров, свойств кокса и состава железорудной части шихты;
• расчет свойств первичного и конечного шлака, обессеривающей способности конечного шлака и прогнозирования содержания серы в чугуне;
• моделирование газодинамического режима доменной плавки.
Данную задачу можно разбить на этапы:
1. Расчет шихты
• определения количества агломерата и известняка;
• расход шихтовых материалов с учетом влаги и выноса;
• баланс серы;
• определение количества, состава и свойств шлака.
2. Расчет количества дутья, количества и состава колошникового газа:
• баланс углерода;
• расчет количества дутья;
• количество и состав колошникового газа.
3. Материальный баланс доменной плавки:
• поступает в доменную печь;
• образуется в доменной печи;
• расхождение баланса.
На данном этапе происходит уточнение факторов влияющих на процесс оптимизации.
в начало
Анализируя данные этапы можно сделать вывод, что эффективное решение данной задачи может быть выполнено с помощью системы учитывающей все данные факторы в комплексе. Для построения такой системы необходимо разработать математическую модель. Анализ этапов показал, что в модели могут быть использованы методы линейного программирования.
Данная модель будет являться основой для системы поддержки принятия решений по оптимизации работы доменной печи.
На основании вышеизложенного можно сделать выводы о том, что существующие математические модели доменной печи не могут достаточно адекватно соответствовать работе доменной печи с вдуванием пылеугольного топлива. Для адекватного определения параметров работы доменной печи необходимо создание математико-имитационной модели с учетом технологических изменений применения ПУТ.
в начало
1. Спирин Н.А., Лавров В.В. Информационные системы в металлургии: Конспект лекций. Екатеринбург: УГТУ–УПИ, 2004. – 495с.
2. Рыженков А.Н., Ярошевский С.Л., Крикунов Б.П. и др. Технология плавки с использованием пылеугольного топлива и природного газа на дутье, обогащённом кислородом.– Сталь. -2005. -№12. –С.13-18.
3. Рамм А.Н. Современный доменный процесс. М.: «Металлургия», 1980. – 304с.
в начало
|
