автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Интенсификация плавления шихты в дуговых сталеплавильных печах путем оптимизации управления энергетическим режимом

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

0034500 12

АХМЕТОВ УРАЛ БУЛЯКБАЕВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПЛАВЛЕНИЯ ШИХТЫ В ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ

Специальности 05 16 02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов,

05 13 06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 0;'Т 2009

Магнитогорск - 2008

003450012

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Парсункин Борис Николаевич

Официальные оппоненты

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Лисиенко Владимир Георгиевич,

доктор технических наук, профессор

Бигеев Вахит Абдрашитович

Ведущая организация ЗАО «Нижнесергинский метизно

- металлургический завод», г Ревда

Защита состоится 11 ноября 2008 г в 15® на заседании диссертационного совета Д 212 111 01 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова» по адресу 455000, г Магнитогорск, пр Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал

С диссертацией можно ознакомится в бибпиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова»

Автореферат разослан 1 октября 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Использование электрической энергии в металлургии становится все более значительным, особенно при выплавке стали в эаектродуговых печах и при внепечной обработке стали в установках печь ковш Снижение энергетических затрат при выплавке стали в электродуговых печах, работающих в условиях поточной технологии, за счет интенсификации плавления шихты путем динамической поисковой оптимизации управления энергетическим режимом представляет решение актуальной проблемы по увеличению производительности и экономической эффективности электрометаллургического производства

Известные способы оптимизации энергетического режима при вы-гпавке стали в дуговых сталеплавильных печах (ДСП) переменного и постоянного тока обычно основаны на использовании детерминирован-но-балансовых соотношений или экспериментально статистических зависимостей и по своей сути являются статическими и недостаточно полно учитывают динамические особенности реальных нестационарных технологических процессов при электродуговой плавке

Предлагаемый в данной работе технологически обоснованный метод, основанный на поисковом принципе динамической оптимизации управления энергетическим режимом ДСП, особенно актуален в условиях широкого использования современных программируемых технических средств, поскольку обладает необходимой универсальностью, и применим на любом типе ДСП

Целью работы является повышение эффективности электрометаллургического производства п)тем достижения максимально возможной текущей производительности ДСП, снижения удельных затрат электроэнергии и уменьшения себестоимости выплавляемой стата в энергетический и технологический периоды плавки, когда ДСП используется как высокопроизводительный агрегат для расплавления шихты

Достижение поставленной цели обеспечено решением следующих

задач

-осуществлен технологически обоснованный выбор критерия (цели) динамической оптимизации управления энергетическим режимом ДСП,

-проведен анализ и выбран наиболее приемлемый для специфических условий электродуговой плавки помехозащищенный метод динамической оптимизации управления энергетическим режимом ДСП,

-разработана математическая модепь процесса динамической оптимизации энергетического режима ДСП с использованием двухуровневой

структуры формирования управляющих воздействий на электрические параметры электродуговой плавки,

-проведено математическое и физическое моделирование процесса динамической оптимизации энергетического режима ДСП в условиях приближенных к реальным и при возникновении различных технологических ситуаций,

-предложен, технически реализован и апробирован в производственных условиях расчетный метод непрерывного измерения температуры жидкого расплава и температуры огнеупорной футеровки ДСП,

-разработано математическое и программное обеспечение в виде оптимизирующего программного блока для реализации предложенного метода динамической оптимизации и расчетного определения температуры металла

Научная новизна работы заключается в следующем

1 Предложен технологически обоснованный помехозащшценный метод динамической оптимизации управления энергетическим режимом процесса выплавки стали в ДСП

2 С учетом реальных условий изменения контролируемых электрических параметров при выплавке стали в ДСП в процессе математического и физического моделирования апробирован помехоустойчивый метод определения и поддержания в течение всей электроплавки максимально возможного значения величины электрической мощности, выделяемой в д>ге каждой фазы Метод основан на формировании рабочего перемещения электрода фазы по результату интегральной оценки отклика (реакции) оптимизируемого процесса на пробное тестирующее перемещение электрода

3 Обоснована возможность практически полной компенсации негативного влияния различных технологических возмущений на величину определяемой интегральной оценки за счет использования при формировании траектории тестирующего воздействия в виде ортогональной функции Уолша

4 Разработан и теоретически обоснован упрощенный, ориентированный на использование микропроцессорных контроллеров, метод непрерывного расчетного определения температуры расплава с использованием кабельных термопар, замурованных в огнеупорную кладку ДСП на фиксированных расстояниях по толщине

Практическая значимость результатов исследования и их реализация заключается в том, что

■ разработан и проверен в процессе математического и натурного физического моделирования в условиях близких к реальным производствен-

ным (обрыв дуги, технологическое короткое замыкания, переключение ступеней напряжения и т д) оптимизирующий программный блок, являющийся программным дополнением к существующей системе управления перемещением электродов ДСП и рекомендованный для сверхмощной ДСП-1 ВО в ЭСПЦ цехе ОАО «ММК» и для друг их ДСП,

■ по опыту практического использование методов оптимизации энергетического режима ДСП в Германии и США ожидается сокращение продолжительности плавки на 5-7% при одновременном снижении затрат электроэнергии на 4-7%,

■ технически реализован и апробирован в реальных производственных усчоЕ"°\ расчетный „¡стол лепрерыьнш о измерения температуры жидкой стали, обеспечивающий точность измерения в диапазоне ±9-11°С по сравнению с директивным способом измерения температуры металла разовой термопарой погружения типа ТПР

Реализация результатов работы Разработанные алгоритм и рабочая программа предложенного технологически обоснованного метода поисковой динамической оптимизации управления энергетическим режимом ДСП работоспособность которого доказана результатами математического и физического моделирования зарегистрированы в отраслевом федеральном фонде алгоритмов и программ и доступны для широкого использования в отечественной электрометаллургии

Предложенный адаптированный метод расчетного непрерывного измерения температуры жидкого металла прошел опытно-промышленную эксплуатацию на 3-х тонной электродуговой печи ОАО МЗММ (г Магнитогорск) и получил положительный отзыв

Апробация работы Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 2-ой международной научно-практической конференции «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металпургии» (Москва, 2002 г), IV всероссийской научно-практической конференции А5'2003 «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2003 г) седьмом конгрессе сталеплавильщиков (Москва 2003 г) межвузовской научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы металлургии^ (Екатеринбург 2003 г), XII Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (Челябинск, 2004 г), Всероссийской конференции «Алгоритмический анализ неустойчивых задач» (Екатеринбург, 2004 г), научно-технических конференциях ШТУ (2003-2007 гг)

Публикации Результаты работы отражены в 16 публикациях и двух монографиях Из них одна работа опубликованы в журнале рекомендованном ВАК

Объем работы Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, общие выводы, список использованных источников, включающий 69 наименований Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 3 таблицы и 3 приложения

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В условиях высокопроизводительного поточного электросталеплавильного производства ДСП используются как высокопроизводительные техночогические агрегаты для расплавления металлошихты и последующего нагрева расплава до заданной температуры

Интенсификация плавления шихты за счет оптимизации управления подводимой к ДСП электрической мощности способствует не только достижению максимально возможной производительности ДСП, но одновременно обуславливает снижение удельного количества дорогостоящей электроэнергии и способствует снижению себестоимости выплавляемой стали

В первой главе «Способы интенсификации расплавления металлошихты и повышения производительности современных дуговых сталеплавильных печей» рассмотрены основные современные принципы организации и совершенствования технологических н энергетических процессов при выплавке стали в ДСП

Современный электросталеплавильный процесс совершенствуется в основном за счет снижения энергопотребления путем сжигания более дешевого пока углеводородного топлива в газокислородных горелках-фурмах, использования до 40% в шихте жидкого чугуна, продувки расплава кислородом и использования рационального управления подводимой к ДСП электрической мощностью

Широкое распространение получило использование тепла отходящих плавильных газов для подогрева металлошихты, использование пенистых шлаков и замена металлического лома металлизированными окатышами и продуктами бескоксовой металлургии

Современные электросталеплавильные комплексы, в составе которых сверхмощные ДСП работают в едином технологическом потоке с установками внепечной доводки стали типа печь-ковш, вакуумирования стали и машинами непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), объединяет необходимость жесткой синхронизации технологических циклов каждой операции

Директивно заданный темп работы может быть обеспечен только с использованием современных методов интенсификации расплавления

металлошихты за счет оптимизации управления подводом к ДСП электрической энергии, составляющей в общем балансе энергопотребления более 70% от общего количества

После расплавления металлошихты в жидкий период электроплавки отсутствие достоверной текущей информации о температурном состоянии ванны расплава является основной причиной проведения плавки в условиях отличающихся от директивно заданного рационального режима

Существует определенная связь между электрическим и тепловым режимами электроплавки Отсутствие эксплуатационно надежного и дешевого метода непрсрывпой оцешчн 1емцературного состояния расплавляемого металла и рабочего слоя огнеупорной футеровки ДСП затрудняет оперативное и целенаправленное изменение энергетического режима при возникновении различных технологических ситуаций

В диссертационной работе технологически обосновывается целесообразность испотьзования поискового динамического метода оптимизации управления энергетическим режимом ДСП применитечьно к конкретным условиям работы современных ДСП-180 введенного в эксплуатацию с 2006 г нового ЭСПЦ ОАО «ММК»

Приведены основные технические характеристики ДСП, рассмотрены особенности технологического процесса и используемого метода программно-директивного управления энергетическим режимом ДСП-180 Показано, что при реализации программно заданного управления режимом энергопотребления не учитываются в полной мере реальное текущее состояние электродуговой плавки на значительных интервалах времени между переключениями по ша! ам программы

Это обстоятельство обуславливает актуальную необходимость использования технологически обоснованных методов динамической коррекции величины заданного электрического параметра (импеданса) на интервалах времени между последующими шагами используемого программного управаения с целью обеспечения интенсификации плавления шихты и нагрева расплава для достижения наилучших показателей эффективности выплавки стали в ДСП-180

Вторая глава «Выбор рационального итогового производственного - экономического показателя оценки эффективности интенсификации электродуговой плавки»

Для практической реализации рационального или оптимального управления энергетическим режимом электродуговой плавки кроме технологически обоснованной достоверной математической модели функ-

ционирования оптимизируемого процесса необходимо определить цель (критерий) оптимизации

Учитывая очевидную взаимосвязь технологических и теплоэнергетических процессов электродуговой плавки, для достижения наилучших эксплуатационных, производственных и экономических показателей работы ДСП, необходимо в зависимости от реальной производственной ситуации обеспечивать решение одной из следующих практически важных задач

• обеспечение наименьшего удельного количества электроэнергии или наименьшей себестоимости выплавляемой стали при безусловном выполнении заданного объема производства (экономически оптимальный режим работы ДСП),

• достижение наименьшей продочжительности плавки или наибольшей производительности ДСП при соблюдении заданного качества выплавляемой стали (режим максимального быстродействия процесса)

Проведенный анализ существующих способов оптимизации энергетического режима ДСП позволил выявить один общий принцип этих способов, заключающийся в использовании методов и принципов статической оптимизации с применением детерминированных ичи экспериментально статистических нейросетевых моделей

В представленной работе для оптимизации управления энергетическим режимом ДСП предлагается использовать технологически обоснованный интеллектуальный помехоустойчивый метод, основанный на использовании динамического поискового режима работы

Обязательным условием эффективного использования принципа поисковой динамической оптимизации является принципиальное наличие унимодальной (одноэкстремального вида) рабочей статической характеристики оптимизируемого процесса

Учитывая сложные условия изменения электрических и энергетических параметров в процессе электродуговой плавки, суть поискового динамического режима оптимизации управления энергетическим режимом ДСП заключается в целенаправленном перемещении электрода каждой фазы для изменения длины дуги при выбранной ступени напряжения питания, с целью достижения экстремума текущего значения параметра, характеризующего текущую величину выбранного показателя эффективности (критерия) оптимизации

С учетом некоторых принятых допущений основополагающая зависимость электрических параметров, определяющая стратегию динамической оптимизации энергетического режима ДСП, имеет вид

Ь

(К,-о

(1)

где Ьд - длина столба дуги, а - сумма падений напряжений в при-анодной и прикатодной областях дуги, Ь - градиент потенциала падения напряжения по длине д\ги, 1д - сила тока дуги данной фазы, г - суммарное активное сопротивление короткой цепи, х - суммарное индуктивиое сопротивление подводящей цепи фазы (с учетом сопротивления реактора),

В реальных производственных условиях контролировать величину Ьд практически невозможно Поэтому при оптимизации управления зкергетическкл! режимом ДСП целесообразно использовать адаптивные поисковые методы, способные определять и поддерживать экстремальное значение оптимизируемого параметра, однозначно характеризующего значение выбранного показателя эффективности процесса

В качестве таких показателей для ДСП могут быть использованы максимально возможная активная электрическая мощность, потребляемая печью - РА, максимально возможная мощность, выделяемая в дуге -Рд максимально возможная часовая производительность печи - q минимально возможное время расплавления шихты - тв , минимально возможное удельное количество затраченной электроэнергии - \Ууд минимальная себестоимость выплавляемой стали - Ц

Объективными показателями целесообразности и возможности использования названных параметров в качестве критерия при оптимизации управления энергетическим режимом электроплавки являются рабочие статические характеристики полученные экспериментальным или расчетным способом

Проведенный анализ известных методов расчета статических рабочих характерис гик ДСП показал, что наиболее целесообразно использовать при этом методики изложенные в работах А Д Свенчанского, М Я Смелянского, Ю Е Ефроймовича, Н А Маркова, Д Я Поволоцкого, В Е Рощина и др

Для обоснованного выбора критерия оптимизации были получены расчетные статические характеристики энергетического и производственного режима электроплавки

Расчетные зависимости часовой производительности и электрической мощности, выделяемой в дуге, от величины рабочего тока дуги при различных значениях напряжения печного трансформатора для ДСП-180 ЭСПЦ ОАО «ММК» представлены на рис 1

Рис.1. Зависимости часовой производительности печи и мощности, выделяемой в дугах, от рабочего тока дуги при различных значениях напряжения печного трансформатора для ДСП-180 (х=3,5мОм; г=0,5м0м): 1 — и=1045 В: 2 - 1)=1155 В: 3 -11=1291 В; 4 —и=1345 В

Анализ полученных расчетных зависимостей показывает, что максимумы часовой производительности современной сверхмощной ДСП-180 достигаются при определенных значениях рабочего тока дуги для различных значений напряжения питания, которые одновременно соответствуют максимумам значений мощности, выделяемой в дуге.

Значит, для достижения максимально возможной часовой производительности ДСП необходимо поддерживать такое текущее значение величины тока дуги, определяемое значением полного сопротивления (импедансом) короткой цепи, при котором обеспечивается максимально возможное значение мощности, выделяемой в дуге, определяемой расчетным путем:

Рд(Х) = Ра(Т)-15<Т)Т, (2)

где т - текущее время.

Анализ полученных с учетом существующих современных условий работы ДСП-180 расчетных зависимостей для каждой фазы: Рд(1р), Рд(1Р); я(1р), Шуд(1р), Ц(1Р) от величины рабочего тока дуги фазы для различных величин напряжения питания показывает.

Все полученные расчетные зависимости имеют явно выраженный унимодальный вид. Значит, принципиально любой из вышеназванных параметров может быть использован в качестве критерия (выходного оптимизируемого параметра) при поисковой динамической оптимизации энергетического режима ДСП, работающей по современной технологии.

Минимумы удельного расхода электрической энергии и се-

бестоимости выплавляемой стали Цм^ снижаются с увеличением значения напряжения питания. Эти минимумы достигаются для постоянно выбранного значения напряжения питания при величинах рабочего тока дуги меньших, чем значеоние тока, при котором достигается максималь-

пая часовая производительность ДСП-яМАХили максимально возможная

мощность, выделяемая в дуге - р„

Дмах

Результаты проведенного исследования показывают, что для условий работы ДСП-180 (при использовании альтернативных источников тепла, жидкого чугуна в шихге, продувки расплава кислородом и тд) поддержание максимально возможной мощности, выделяемой в дуге ^Дма\ ПРИВ0ДИТ к увеличению удельного расхода электроэнергии \Ууд и

себестоимости стали Ц по отношению к минимальным значениям этих параметров не более чем на 0,2 — 0 5 %

В условиях поточного пысокопроизвод"тег'ьного злектросталспла-вильного производства достижение максимально возможной часовой производительности ДСП - qMAX является самой приоритетной задачей Поэтому в качестве критерия оптимизации или в качестве выходного оптимизируемого параметра возможно испочьзовать расчетное текущее значение (2) электрической мощности, выделяемой в дуге - р В этом

случае одновременно обеспечивается и минимально возможное время расплавления шихты

Интенсификация плавления шихты за счет оптимизации управления энергетическим режимом будет способствовать не только увеличению производительности ДСП но и одновременному снижению удельного расхода электроэнергии и себестоимости выплавляемой стали

Учитывая значительное влияние на энергетический режим различных технологических и производственных факторов для динамической оптимизации энергетического режима необходимо использовать помехоустойчивый метод с разделением во времени поискового тестирующего и рабочего управляющего перемещения электрода каждой фазы

В третьей главе «Обоснование работоспособности поискового метода, обеспечивающего интенсификацию плавления и достижения максимально возможной производительности ДСП-180» рассмотрены теоретические основы, дано технологическое обоснование предлагаемого метода динамической оптимизации энергетического режима и приведены резупьтаты математического и физического моделирования поискового метода

Теоретические основы интеллектуального направления динамической оптимизации управления технологическими процессами промышленного производства были определены В В Казакевичем

Использование способов динамической оптимизации сдерживалось отсутствием необходимых свободно программируемых технических средств и помехоустойчивых методов поиска экстремума, способных

эффективно функционировать в реальных производственных условиях, когда на инерционный с запаздыванием оптимизируемый технологический процесс воздействуют различные производственные и случайные возмущения, обуславливающие смещение (дрейф) по сложной траектории статической рабочей характеристики процесса

Сложность функционирования системы оптимизации энергетического режима ДСП и одновременно повышенная интеллектуальность метода динамической поисковой оптимизации определяется следующим фактом В реальных условиях текущие вид и положение рабочей статической характеристики оптимизируемого процесса не определены и точно неизвестны

Проведенный анализ различных методов поисковой динамической оптимизации показал, что наиболее пригодным для условий электроплавки стали в ДСП является метод с разделением тестирующего поискового и рабочего перемещения электрода в процессе оптимизирующего поиска достижения Рд При выбранной ступени напряжения питания

рабочее перемещение электрода для изменения длины дуги определяется знаком и величиной интегральной оценки отклика (реакции) оптимизируемого энергетического режима ДСП (изменение текущего значения Рд(т)) на пробное тестирующее входное воздействие в виде перемещения электрода по специальной траектории во времени

На рис 1 (сплошные линии) показаны зависимости Рд(1Р) для различных величин напряжения питания и выделена зона директивно рекомендованных значений рабочих токов дуги, определяемых величиной импеданса

Энергетический режим при выплавке стали в ДСП особенно в период расплавления характеризуется крайней неустойчивостью Поэтому с целью обеспечения оперативности использования предлагаемого метода динамическую оптимизацию необходимо осуществить по двухуровневой схеме, обеспечивающей реализацию стабилизирующего и оптимизирующего режимов работы

В качестве стабилизирующего режима используется режим функционирования существующей программной системы стабилизации параметров электрического режима (например, система АгС08-МТ) в директивно заданной рабочей зоне

Задачей оптимизирующего режима является определение и поддержание в директивно заданной рабочей зоне параметров электрического режима, оптимального значения РДмах , обеспечивающего достижение

максимально возможной текущей производительности ДСП

При стабилизирующем режиме, технически реализованном с использованием системы ArCOS, обеспечивающей стабилизацию энергетического режима путем поддержания для каждой фазы постоянного заданного соотношения фазного напряжения и силы рабочего тока дуги, управление перемещением электрода на повышенной (120 мм/с) маршевой скорости осуществляется в соответствии с условием (3) для величины с (т)

где ст(т) - функция, определяющая текущий режим управления перемещением электрода фазы, о,(т) е (-1,0.-1) - функция, определяющая текущее направление перемещения электрода при стабилизирующем режиме на повышенной маршевой скорости, с,(т)е( +1,0,-1) , при с,(т)=0 - функция, опредетяющая текущее перемещение электрода фазы при оптимизирующем режиме на пониженной (80 мм/с) скорости перемещения электрода, 1р(т) - текущее директивно заданное значение рабочего тока, определяемое заданным значением импеданса для выбранной ступени напряжения, Alp- заданная директивно (рекомендуемая технологической инструкцией) рабочая зона

При о(т)=+1 направчение движения электрода вниз, те на увеличение 1р(т), а при о(т)=-1 соответственно в противоположном направлении При о(т)=0 движение электрода фазы прекращается

Математическая модель функционирования оптимизирующего контура с учетом динамики энергетического режима электродуговой плавки определяется следующей системой уравнений и логических условий

<у,(т) = -1при1р(т)>1р3(т) + Д1р3/2 «у(т) = а, (т) б (+1 0, -1) при I/ (i) + Д1р3/2 > 1р (т) > 1р3 (х) - Д1р3/2 о,Г) = +< при ¡р(т) < 1р'(т) - Д1„72

(3)

Рд = bo - Ь,1о(т)г b,lD'(x)+ b з 13 3 (т ) - b4V,

(4)

(5)

(6)

(7)

1?С0= 1»„ + Ау,(т) при 0<т2Т,

п>

(9)

;,,=кп Д1?(т)=к. (1„0_-1Дт))=кР ки Дта,

(10)

+ 1 если0с.1и >(/Уи)ч,приТп <т<Тп -Дт= <т3 (г) = 0 если 0 < Ц| < (Д.1И , при ТР ->- Ат3 - ДтР < т < Тп - Дхр + Дхп -1- Дт; -1 еслиО>^ <-(Д1кХ, приТ„ <т<ТГ1 ^-Дта

при

■в

.3 .(12)

Дт = 2-3(Т0+т3),Дтп=2(Т0-т3),Дтв=2-10Тп, Тц = Тп -г Атр -2Лтп -Дт3в, 1РН =1Р(0) = I. при т = О

Здесь т - текущее время, РА(т), Рд(.т) - контролируемое и расчетное текущие значения активной (подводимой к электроду) мощности и электрической мощности, выделяемой в дуге, 1Р(т) - текущее значение рабочего тока дуги фазы, (т)- поисковое текущее значение рабочего тока дуги, Д1Р(т) - текущее значение отклонения рабочего тока дуги 1Р(т) от оптимального 1р0„т(т) значения (Л),Он - заданная зона нечувствительности оптимизирующего режима Тп — продолжительность тестирующего поискового воздействия, у-(т) - ортогональная сигнум-синус функция Уолша Дтп - продолжительность паузы для достижения установившегося состояния оптимизируемого процесса, Дт - продолжительность интервалов времени разбиения функции и„(т), Дт3в - продолжительность заданного интервала времени между двумя последующими поисковыми циклами, Тц - продолжительность цикла оптимизации энергетического режима ДСП А - амплитуда изменения величины рабочего тока в процессе поискового воздействия

При формировании поискового тестирующего воздействия и определении интегральной оценки отклика используется ортогональная знакопеременная функция Уолша вида

где п - степень полинома, которым можно обоснованно ориентировочно аппроксимировать траекторию смещения (дрейфа) статической рабочей характеристики оптимизируемого процесса за время поискового тестирующего входного воздействия - Тп

(14)

Ортогональная функция Уолша уп(т) обладает уникальным свойством, позволяющим при правильном выборе типа функции полностью компенсировать негативное влияние смещения статической рабочей характеристики на величину определяемой интегральной оценки 1и (10) В работе даны рекомендации для практического использования функции VnM

Установлено, что знак и величина полученной интегратьной оценки JH в директивно заданной и пи разрешенной зоне Д1р работы оптимизирующего режима, определяет требуемое направление и необходимую величину изменения рабочего тока дуги (ппч перемещении электрода) для достижения Рд Для каждой выбранной ступени напряжения

При выходе текущего значения 1Р(т) из директивно заданной рабочей зоны для каждой выбранной ступени напряжения (см рис 1), что возможно при обрыве дуги технологическом коротком замыкания ити переключении ступени напряжения на очередной шаг программы, немедленно устанавливается стабилизирующий режим

Расчетные траектории изменения во времени текущих значений Рд(т) и 1д(т) для одной фазы в процессе оптимизирующего поиска при ступени напряжения 1291 В при Ким=17,8 кА/с (80 мм/с), А=5 кА, То=0,5с, т3=0.02с и Тп=4 с для ДСП-180 ЭСПЦ ОАО «ММК» представлены на рис 2

В рассматриваемом случае для каждой ступени напряжения предусмотрена возможность оперативного перевода энергетического режима при работе системы ArCOS (посте зажигания дуги) в более энергетически эффективную (левую) часть директивно заданной рабочей зоны

Предлагаемый способ поисковой динамической оптимизации управления энергетическим режимом ДСП обеспечивает вывод энергетического режима на оптимальный уровень рд (т\1АХ за 7,76 с с момента

зажигания дуги

Для более удобной оценки эффективности рассматриваемого оптимизирующего режима на рис 3 представлена траектория изменения мощности дуги Рд(Ь) в плоскости координат «1Р»-«Рд» в увеличенном масштабе

Для удобства анализа на рис 2 и рис 3 соответствующими точками отмечены текущие значения входного 1Р(т) и выходного (оптимизируемого) Рд(т) параметров энергетического режима

Для экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого динамического поискового метода оптимизации управления энергетическим режимом ДСП с целью коррекции режима энергопотребления

для интенсификации расплавления шихты был разработан и создан компьютеризированный экспериментальный стенд, представляющий реальную физическую модель однофазного электродугового процесса выплавки стали.

Рис.2. Расчетные траектории изменения Рд(т) и 1Р(т) во времени в процессе функционирования оптимизирующего режима для и=1291 В

Рис.3. Расчетная траектория изменения Рд в процессе функционирования оптимизирующего режима ДСП-180 в плоскости координат «1Р - Рд» при U=1291B: 1 - траектория изменения Рд(т)=У[1Р(т)]; II - расчетная траектория статической рабочей характеристики Pj, =.Ypp]

Ток дуги, [л, кЛ

Поскольку на промышленных электродуговых печах управление энергетическим режимом в каждой фазе осуществляется автономно, то правомерно физически моделировать работу одной фазы печи в оптимизирующем режиме.

Сканирование входных информационных каналов с использованием платы сбора данных ОАС?-2213 происходит с частотой Гл=(50-100)4 где ^=50 Гц.

В качестве основы для исследования различных методов интенсификации технологических процессов расплавления шихты и нагрева расптава за счет оптимизации управления энергетическим режимом ДСП разработана библиотека классов основных функциональных блоков на языке С++

Компьютеризированный универсальный стенд обеспечивает возможность физического моделирования и исследования различных методов оптимизации энергетического режима ДСП и отладки рабочих управляющих программ обеспечивающих выполнение всех необходимых операций включая процедуры зажигания дуги и ликвидацию технологических КОрОТлил Замыканий

Анализ подученных результатов позволил теоретически и практически подтвердить работоспособность предлагаемого поискового динамического метода оптимизации управления энергетическим режимом ДСП с целью интенсификации процессов расплавления шихты и нагрева расплава

После расплавления шихты определяющее влияние энергетического режима на интенсификацию технологического процесса несколько снижается Основное внимание в жидкий (заключительный) период электроплавки уделяется температурному режиму нагрева расплава до заданной температуры и защите элементов рабочего пространства ДСП от перегрева

В четвертой главе «Интенсификация процесса нагрева расплава в элеклродуговых сталеплавильных печах» рассмотрена связь электрического и теплового режимов при выплавке стали в ДСП и приведено теоретическое обоснование косвенного адаптированного метода непрерывного измерения температуры жидкой стали с целью оперативной коррекции энергетического режима

В диссертации рассмотрен энергетический баланс современной сверхмощной ДСП-180, работающей в режиме поточного производства с использованием в шихте жидкого чугуна, газокислородных комбинированных горелок- фурм, продувки расплава кислородом и водоохпаждае-мых элементов (панелей и свода) рабочего пространства

Отсутствие непрерывного контроля температуры расплава и огнеупорной футеровки создают проблемы при разработке адекватных математических моделей теплового состояния и в оперативном управлении тепловым режимом э!ектродуговой плавки

В условиях современного высокопроизводительного поточного электросталеплавильного производства с достаточно жесткой директивно заданной продолжительностью плавки в оставшийся после периода рас-

плавления жидкий период плавки продолжительностью Д т РАСЧ необходимо обеспечить своевременный нагрев стали от начальной температуры расплавления ^ю до заданной конечной в условиях проведения различных технологических операций (продувка расплава кислородом, де-фосфорация, подачи шлакообразующих наведение пенистого шлака и т д)

Директивно заданная траектория (т) изменения во времени температуры расплава в технологический (жидкий) период электродуговой плавки определяется уравнением

Т, при 0 < т < ДтЭАС„ (15)

рас-

Поскольку комбинированные газокислородные горелки-фурмы расположены по периметру в зоне водоохлаждаемых панелей, то в условиях жесткого ограничения температуры воды на сливе (65°С) увеличение расхода природного газа и получение тепловой энергии ог экзотермических реакций в заключительный период плавки весьма ограничено

По рекомендации НПО «Черметавтоматика» коррекция директивно заданного энергетического режима ДСП может быть произведена в соответствии с выражением

др = С с (]6)

(860 ДгРАСЧ п)

где в - масса металла в печи, кг, с-теплоемкость жидкого металла, Дж/(кг К), г|- коэффициент усвоения энергии металлом, заданный таблично и определяемый по данным МВМИ в функции от температуры металла для различных значений ДтРд.Сч

Коррекцию режима энергопотребления целесообразно производить периодически путем переключения ступеней напряжения, при обязательном функционировании оптимизирующего режима, в случае отклонения гм(т) от порогового значения на величину

Ат°лсЛт) Л 8бр (17)

с

где - текущее пороговое значение температуры, К=1, 2,

номер соответственно порядкового граничного температурного интервала переключения

Для работы предлагаемого метода интенсификации процесса нагрева расплава в жидкий период плавки (16) необходима объективная непрерывная оценка реального температурного состояния расплава-1м(т)

В основе разработанного расчетного способа непрерывного определения 1м(т) использован метод, предложенный Н А Спириным для доменных печей и адаптированный для условий работы ДСП

Для расчетного определения 1м(т) в кладку ДСП строго фиксировано устанавливаются кабельные термопары, показания которых непрерывно контролируются

Расчет текущей температуры жидкого расплава (стали) на границе раздела «огнеупорная футеровка» - «расплавленный металл» производится пу тем решения обратной задачи теплопроводности

с0<Х£8, (18)

Эт Эх дх }

где т - текущее время, Кт,х) - распределение температуры по толщине кладки во времени, Б - толщина огнеупорной футеровки ДСП, С'(т) -удельная объемная теплоемкость материала кладки, Дж/(м3 К), ХОД - теплопроводность материала огнеупорной кладки (футеровки), Вт/(м К)

На границе контакта металла с кладкой граничные условия имеют

вид

1(т,0)=1м(т) (19)

где ^¡(т) - определяемое текущее значение температуры жидкого металла

На границе «кчадка» - «окружающая среда» устовия теплообмена определяются в соответствии с выражением

# _1ров) (20)

ох

где 1окср> *пов - температура окружающей среды (наружного воздуха) и температура наружной поверхности кладки (защитного металлического кожуха ДСП) соответственно, ак - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2 К)

Численное решение системы (19-20) осуществлено явным разностным методом Простота реализации делают испочьзуемую разностную схему чрезвычайно удобной для реализации на микропроцессорных контроллерах с фиксированным временем цикла, составляющим 0,01-0,2с В этом случае малый шаг дискретизации расчетов во времени делает возможным детальное описание температурного пота в реальном масштабе времени при выборе достаточно малого шага Ах

При известных текущих значениях температур в фиксированных точках по толщине огнеупорной кладки ДСП можно расчетно восстановить температуру жидкой стали на границе раздела с использованием итерационной процедуры решения

Необходимо в каждый момент времени производить подбор такой температуры жидкой стали, чтобы непрерывное распределение температуры, полученное при решении уравнения теплопроводности (18), совпадало с измеренными текущими значениями температур в фиксированных по толщине кладки точках, т е требуется минимизировать функционал

где ^ , ^ - соответственно измеренное и расчетное значения температуры в точках с фиксированными координатами х

Для данной постановки задачи функционал I (21) можно представить функционалом одной переменной гм(т) в виде

. / ч г +тш +т£\ л

где 1м(т) - текущая температура жидкого металла, [ тм , 1м ] - диапазон возможного изменения температуры жидкого металла

В работе приведены блок-с^емы алгоритмов расчета температурного поля по толщине огнеупорной кладки ДСП и поиска минимума функционала I методом «золотого сечения»

С целью проверки работоспособности и реализуемости разработанного адаптированного метода определения 1м(т) был создан компьютеризованный физический стенд, оснащенный реальными техническими средствами В процессе исследований предлагаемый метод показал высокую точность и эффективность непрерывного измерения температуры жидкости по данным датчиков, фиксировано расположенных по толщине стенки

С учетом заданных эксплуатационных требований производственной компанией «Тесей» г Обнинск была разработана и изготовлена опытная партия многозонных кабельных термопар, конструкция которых приведена в диссертационной работе

Экспериментальная проверка метода непрерывного измерения 1м(т) проводилась на 3-х тонной дуговой печи ОАО завода «Металлур-гмаш», г Магнитогорск в течение трех месяцев Контроль «действительной» температуры для оценки точности предчагаемого метода производился путем периодического замера температуры металла стандартной термопарой погружения градуировки ТПР

Траектория изменения температуры во времени в фиксированных точках по толщине шамотной футеровки и расчетной температуры на границе «металл» - «кладка» в процессе одной плавки приведены на рис 4

2

(21)

(22)

Рис.4. Траектории изменение температуры по тол-шине огнеупорной футеровки в фиксированных точках - а); изменение расчетного значения температуры на границе «расплав металл а»-«огнеупорная кладка» - б); 1-6 - периоды плавки

Анализ полученных результатов по оценке точности определения 1м(т) показал, что отклонение расчетной температуры от фактической (измеренной термопарой погружения) составило ±9°С. Наибольшая точность достигалась после полного расплавления загруженной шихты. Установлено, что на точность измерения оказывает некоторое влияние образование гарнисажа или разгар огнеупорной футеровки в месте установки многозонной термопары. По знаку монотонного изменения температуры можно с использованием более мощных вычислительных средств контролировать степень изменения размера футеровки от плавки к плавке.

Предложенный метод отличается эксплуатационной продолжительностью, соизмеримой со стойкостью огнеупорной футеровки, составляющей от 27 до 34 плавок и отличается малой стоимостью.

Использование непрерывной информации о 1:м(т) позволяет более оперативно и целенаправленно корректировать энергетический режим ДСП. Это обеспечивает возможность решения задачи по интенсификации расплавления шихты и нагрева расплава за счет динамической оптимизации энергетического режима ДСП в течение всей плавки.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Доказана принципиальная возможность и реализуемость интенсификации плавления шихты и нагрева расплава за счет оптимизации энергетического режима при выплавке стали в ДСП, работающих по современной поточной технологии, с использованием производственных, экономических и энергетических критериев.

2. Определено, что максимальная производительность ДСП и практически минимальные значения удельного расхода электроэнергии и себестоимости выплавляемой стали достигаются при условии использова-

ния в качестве оптимизируемого параметра расчетного значения величины электрической мощности выделяемой в дуге каждой фазы

3 Выбран, программно и физически реализован метод динамической оптимизации энергетического режима ДСП с разделением во времени поискового (тестирующего) и рабочего перемещения электрода, в котором рабочее воздействие определяется по результату интегральной оценки реакции (отклику) оптимизируемого процесса на пробное тестирующее воздействие

4 Технологически обоснованно, что формирование пробного тестирующего входного воздействия необходимо осуществлять с использованием ортогональной функции Уолша Это обеспечивает устранение негативного влияния низкочастотных технологических возмущений, приводящих к смещению (дрейфу) статической характеристики оптимизируемого процесса, на величину интегральной оценки

5 Предложен теоретически обоснован и реализован в производственных условиях, адаптированный для условий ДСП расчетный метод непрерывного контроля температуры выплавляемой стали Метод основан на непрерывном измерении температуры в 3-5-и точках огнеупорной кладки ДСП специальной многозонной термопарой Практическая погрешность метода составляет =9°С по сравнению с температурой измеренной одноразовой образцовой (градуировки ТПР) термопарой

6 Наличие непрерывной во времени достоверной информации о температурном состоянии рабочего пространства ДСП и жидкой стали позволит оперативно корректировать энергетический режим, путем целенаправленного выбора ступени напряжения питания электрических дуг Это позволит увеличить эффективность оптимизации энергетического режима электродуговой плавки

7 Использование различных известных принципов оптимизации энергетического режима ДСП по данным зарубежных и отечественных источников позволяет уменьшить время работы печи под током на 5-7%, удельное электропотребление на 8-12 кВт/т, расход извести на 5,4 кг/т, коксика на 1,9кг/т Поэтому минимальный ожидаемый эффект от использования метода динамической оптимизации энергетического режима ДСП-180 составит от 1,5 до 2 млн руб в год на одну печь

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1 Парсункин Б H , Андреев С M Ахметов У Б Оптимизация управления технологическими процессами в металлургии Монография -Магнитогорск ГОУ ВПО «МГТУ им Г И Носова», 2006 -198 с

2 Ишметьев Е H , Андреев С M , Парсункин Б H , Салихов 3 Г , Ахметов У Б Автоматизация и оптимизация управления технологическими процессами внепечной доводки стали Монография -Магнитогорск ГОУ ВПО «МГТУ», 2008 -311с

3 Оптимизация электрического режима дуговых сталеплавильных печей переменного тока / Парсункин Б H , Андреев С M , Ахметов У Б , Усачев MB// Изв вузов Черная металлургия -2006 N° 7 -С 26-30

4 Оптимизация электрического режима дуговых сталеплавильных печей в литейном производстве / Парсункин Б H, Андреев С М, Усачев M В Ахметов У Б // Металлургия машиностроения -2005 -№5 -С 2-5

5 Папсункин Б H, Андреев С M Ахметов У Б Автоматизированная система непрерывного контроля температуры жидкой стали // Металлургия машиностроения -2005 -№3 -С 15-17

6 Непрерывное измерение температуры жидкой стали и разгара футеровки в процессе эпектродуговой плавки стали / Парсункин Б Н, Андреев СМ, Комарова А А, Ахметов У Б, Гиниатуллин Р И// Труды седьмого конгресса сталеплавильщиков -М 2003 -С 368-369

7 Парсункин Б H, Андреев С M , Ахметов У Б Применение нейросете-вых алгоритмов регулирования в локальных контурах управления // Вестник УГТУ-УПИ На передовых рубежах науки и инженерного творчества Труды третьей международной научно-практической конференции Регионального Уральского отделения Академии инженерных наук им A M Прохорова. -Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ,2004 №15 4 1 -С220-223

8 Парсункин Б H , Андреев С M , Ахметов У Б Оптимизация процесса выплавки стали в электропечах // Современные проблемы электрометаллургии стали Материалы XII Международной конференции -Челябинск ЮУрГУ, 2004 С 103-105

9 Непрерывное измерение температуры жидкой стали в процессе электродуговой плавки / Парсункин Б H, Андреев С M, Ахметов У Б, Ги-ниятуллин Р И // Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии материалы 2-й международной научно-практической конференции-M 2002 -С 252-253

10 Совершенствование методов измерения температуры жидкой стали и чугуна в процессе их производства / Парсункин Б H, Андреев С M , Гиния-туллин И H, Ахметов У Б , Гиниятуллин Р И И Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии материалы 2-й международной научно-практической конференции - M 2002г -С 254

11 Парсункин Б H , Андреев С M , Ахметов У Б Непрерывное измерение температуры жидкого металла // Системы автоматизации в образовании,

науке и производстве Труды IV всероссийской научно-практической конференции AS'2003 -Новокузнецк СибГИУ, 2003, -С 369-373

12 Непрерывное измерение температуры жидкого металла в сталеплавильных агрегатах и установках внепечной обработка / Парсункин Б Н, Андреев С М , Ахметов У Б , Гиниятуллин Р И // Вестник УГТУ-УПИ Фундаментальные проблемы металлургии Сборник материалов Третьей межвузовской научно-технической конференции Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003 -С 182-184

13 Расчетный способ определения температуры жидкой стали по распределению температуры по толщине огнеупорной футеровки / Бушманова М Б, Парсункин Б Н, Ахметов У Б, Андреев СМ// Алгоритмический анализ неустойчивых задач Тезисы докладов Всероссийской конференции -Екатеринбург Изв-воУрал ун-та, 2004 -С 322-323

14 Андреев С М, Ахметов У Б Совершенствование методов измерения температуры жидкой стали и чугуна в процессе их производства // Материалы 62-й научно-технической конференции по итогам начно-исследовательской работы за 2002-2003 гг Сб докл Т2 -Магнитогорск МГТУ, 2003 -С 49-51

15 Ахметов У Б Автоматизированная система непрерывного контроля температуры жидкой стали в процессе электродуговой паавки // Автоматизация технологических и производственных процессов в металлургии Меж-вузсбнаучтр -Магнитогорск, 2004 -С 174-179

16 Почехозащищенный алгоритм динамической оптимизации управления электрическим режимом при выплавке стали в мощных дуговых печах / Ахметов У Б, Парсункин Б Н, Усачев М В, Андреев СМ// Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях Российской Федерации Вып 1 Сб тр Всероссийской науч техн конф -Магнито! орск ИПЦ ООО «Проф-Принт», 2005 -С 126-131

17 Исследование возможности оптимизации электрического режима установки - печь ковш / Парсункин Б Н, Бушманова М В , Ахметов У Б, Андреев С М, Усачев MB// Теория и технология металлургического про» изводства Межрегион сб науч тр Вып 5 -Магнитогорск ГОУ ВИЮ «МГТУ им Г И Носова», 2005 -С 217-221

Подписано в печать 01 10 2008 г Формат 60x84/16 Бумага писчая, 70 г/м3 Уел печ л 1,5 Тираж 120 экз 3аказ№32100

Отпечатано в ООО «МиниТип», 455007, г Магнитогорск, ул Менжинского, 13 Тел/факс (3519)24-88-09,24-88-10 E-mail minitip@mgnru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РАСПЛАВЛЕНИЯ

МЕТАЛЛОШИХТЫ И ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ.

1.1. Современные способы организации и интенсификации технологических и энергетических процессов при выплавке стали в ДСП

1.2. Тепловой режим ДСП и влияние температурных параметров на интенсивность расплавления шихты и нагрева расплава.

1.3. Влияние технологических ограничений режима энергопотребления ДСП на интенсификацию плавления шихты и нагрева расплава.

1.4. Особенности технологического процесса, основные технические характеристики и устройство современных сверхмощных дуговых печей ДСП-180.

1.5. Режимы потребления электрической энергии в процессе электродуговой плавки в сверхмощной ДСП-180.

ГЛАВА 2. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО ИТОГОВОГО

ПРОИЗВОДСТВЕННО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАВКИ В ДСП-180.

2.1. Существующие способы интенсификации технологического процесса за счет совершенствования электрического режима энергопотребления. Принцип функционирования поискового метода рационального использования электрической энергии.

2.2. Общая характеристика параметров электрической дуги как энергетического источника тепловой энергии в ДСП.

2.3. Рабочие характеристики энергетических и электрических параметров энергопотребления при выплавке стали в ДСП-180.

2.4. Выбор приоритетного производственно-экономического итогового показателя эффективности интенсификации плавления шихты и нагрева расплава за счет рационального использования потребляемой ДСП-180 электрической мощности.

2.4.1. Исследование влияния электрических параметров энергетического режима при интенсификации процесса расплавления шихты для достижения максимально возможной производительности ДСП-180.

2.4.2. Исследование влияния электрических параметров энергетического режима при интенсификации расплавления шихты и нагрева расплава с целью минимизации удельного количества электрической энергии, затраченной на выплавку тонны стали в ДСП-180.

2.4.3. Исследование влияния параметров электрического режима при интенсификации технологического процесса электродуговой плавки с целью минимизации себестоимости выплавки стали в ДСП-180.

2.4.4. Выбор рационального производственно-экономического показателя, обеспечивающего эффективность интенсификации электродуговой плавки в ДСП-180.

ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОИСКОВОГО МЕТОДА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ИНТЕНСИФИКАЦИЮ ПЛАВЛЕНИЯ И ДОСТИЖЕНИЕ МАКСИМАЛЬНО ВОЗМОЖНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДСП-180.

3.1. Принцип реализации поискового метода интенсификации плавления шихты за счет рационального использования электрической энергии, потребляемой ДСП-180.

3.2. Общий принцип реализации поискового метода рационального использования электрической энергии с целью достижения максимально возможной производительности ДСП-180.

3.3. Математическое описание поискового метода рационального использования электрической энергии для достижения максимально возможной производительности ДСП-180 при интенсификации технологического процесса выплавки стали.

3.4. Математическое моделирование поискового метода интенсификации расплавления шихты за счет рационального использования электрической энергии.

ГЛАВА 4. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ НАГРЕВА РАСПЛАВА В

ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ.

4.1. Анализ эффективности используемых способов интенсификации теплового режима при выплавке стали в ДСП-180.

4.2. Интенсификация нагрева расплава при целенаправленном оперативном изменении энергетического режима ДСП-180.

4.3. Способ оценки текущего теплового состояния расплава в технологический период электродуговой плавки.

4.3.1. Теоретическое обоснование и математическое описание адаптированного способа оценки реального теплового состояния расплава в электросталеплавильной печи.

4.4. Математическое и физическое моделирование способа оценки текущего температурного состояния расплава в процессе выплавки стали в ДСП.

4.5. Техническая реализация непрерывного способа оценки текущей температуры жидкой стали и апробация предложенного способа в реальных производственных условиях.

Возможность сосредоточенного ввода значительного количества тепловой энергии в сочетании с простотой управления подводимой электрической мощностью является неоспоримым преимуществом дуговых сталеплавильных печей (ДСП) по сравнению с другими агрегатами для производства стали. В электродуговых печах особенно удобно перерабатывать стальной лом и металлизированное сырье (продукт бескоксового восстановления железа).

Поскольку электросталеплавильное производство слабо зависит от доменного, это позволяет организовать производство стали на минизаводах практически в любом районе, имеющем достаточное энергообеспечение и необходимые запасы металлолома. Особенно широко используются дуговые сталеплавильные печи в литейном производстве и на машиностроительных заводах.

В настоящее время электродуговые печи переменного и постоянного тока являются самыми перспективными и экологически чистыми сталеплавильными агрегатами, используемыми для массового производства стали с повышенными потребительскими свойствами.

В современных условиях высокопроизводительного электросталеплавильного производства сверхмощные ДСП все больше начинают использоваться как высокоэффективные технологические агрегаты для расплавления металлошихты и нагрева полученного расплава до заданной температуры.

Процессы доводки стали по химическому составу и нагреву металла до температуры, обеспечивающей нормальную разливку стали на MHJI3, проводятся частично или полностью в агрегатах внепечной доводки стали.

В этом случае наиболее значимым периодом электросталеплавильного технологического процесса является период расплавления металлошихты, в который потребляется более 70% электрической энергии, затраченной на всю электроплавку, за вычетом тепла, выделяющегося при экзотермических реакциях окисления [С], [Si], [Mn], [Fe] и других элементов, и тепла, выделяющегося от сжигания природного газа в комбинированных газокислородных горелках-фурмах. Основным источником тепловой энергии при выплавке стали в ДСП является тепловая энергия, выделяющаяся при горении электрических дуг между графитированными электродами и металлошихтой или расплавом металла.

При выбранной величине напряжения питания электрическая мощность, выделяемая в дуге, зависит от длины дуги (сопротивления дуги) и тока дуги. Эта зависимость имеет унимодальный (одноэкстремальный) вид, поскольку с увеличением тока возрастают потери электрической мощности. Для каждой установленной ступени напряжения печного трансформатора ДСП в каждый текущий момент времени по ходу электроплавки существует такое положение электрода относительно шихты или расплава, при котором выделяемая в дуге и преобразуемая в тепловую энергию электрическая мощность достигает максимально возможного значения. Это способствует интенсификации расплавления металлошихты и нагрева расплава, обеспечивая увеличение производительности ДСП.

Поддержание рационального (максимального) значения мощности, выделяемой в дуге, способствует не только достижению максимальной производительности ДСП, но и одновременному снижению удельного количества дорогостоящей электрической энергии, затраченной на выплавку тонны стали, и снижению общей себестоимости электросталеплавильного производства.

Основной задачей решаемой в данной работе является разработка и исследование поискового метода интенсификации расплавления металлошихты и нагрева расплава в сверхмощной ДСП-180 за счет рационального использования потребляемой печью электрической энергии.

Рациональное использование подводимой к ДСП-180 электрической энергии обеспечивается оперативным определением и поддержанием в течение всей электроплавки и для всех выбранных величин напряжения питания такого электрического режима, определяемого положением электродов (длиной дуги), при котором достигается выделение в дуге максимально возможной электрической мощности.

В последующий после расплавления окислительный период электродуговой плавки технологическими параметрами, определяющими и ограничивающими величину подводимой к ДСП электрической мощности являются: температура расплава металла, температура огнеупорной футеровки и температура воды на сливе из каждого водоохлаждаемого элемента.

Для обеспечения рационального (наилучшего в технологическом смысле) энергосберегающего оперативного изменения подводимой к ДСП-180 электрической мощности в заключительный (жидкий) период электроплавки необходима непрерывная информация о текущем температурном состоянии расплавленного металла и огнеупорной кладки.

Поэтому второй, решаемой в данной работе, актуальной задачей является разработка и апробирование в реальных производственных условиях расчетного, адаптированного к условиям ДСП-180, метода непрерывной оценки текущего температурного состояния жидкого металла и огнеупорной кладки рабочего пространства.

Минимальный экономический эффект от использования поискового метода рационального использования потребляемой ДСП-180 электрической мощности с целью интенсификации расплавления металлошихты и достижения максимальной производительности ДСП за счет обеспечения максимально-возможной мощности, выделяемой в дуге, и от использования оперативной коррекции подводимой к ДСП-180 электрической мощности в последующий (жидкий) период плавки с использованием информации о текущем температурном состоянии металла и кладки рабочего пространства, составит для ДСП-180 от 1,8 до 2,3 млн руб. в год на одну печь.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Доказана принципиальная возможность интенсификации технологических процессов расплавления металлошихты и нагрева расплава по ходу электроплавки за счет использования поискового метода, обеспечивающего рациональный (наилучший в технологическом смысле) режим потребления подводимой к ДСП-180 электрической энергии для достижения максимально возможной производительности ДСП-180.

2.Теоретически обоснованы условия эффективного функционирования поискового помехоустойчивого метода интенсификации технологических процессов при выплавке стали в ДСП-180, способствующего достижению максимальной производительности печи, снижению удельного количества дорогостоящей электроэнергии и уменьшению себестоимости выплавляемой стали.

3.Доказана практическая реализуемость и работоспособность предложенного динамического метода интенсификации процессов плавления и нагрева расплава результатами, полученными при математическом и физическом моделировании работы метода на созданном универсальном компьютеризированном стенде.

4. Исследовано влияние текущих электрических параметров энергетического режима ДСП-180 при интенсификации технологических процессов плавления шихты и нагрева расплава на величину производительности печи, величины удельного количества электрической энергии и себестоимости выплавляемой стали с целью выбора наиболее рационального параметра, характеризующего эффективность процесса выплавки стали.

5.Обоснован результатами математического и физического моделирования адаптированный для условий ДСП расчетный метод оценки текущего температурного состояния жидкого металла, обеспечивающий интенсификацию режима нагрева расплава за счет оперативного и целенаправленного изменения энергетического режима электродуговой плавки в жидкий период.

6. Использование предлагаемых в работе мероприятий по интенсификации технологических процессов выплавки стали в ДСП-180 позволит за счет рационального (обеспечивающего выделение в дуге максимальной мощности) режима энергопотребления гарантированно получить экономический эффект от 1,8 до 2,3 млн рублей в год на одну печь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По данным зарубежных и отечественных источников [10, 18, 19, 45] использование различных известных методов интенсификации технологических процессов электродуговой плавки за счет коррекции электрического и энергетического режима ДСП позволяет уменьшить время работы печи под током на 4-7%. За счет рационального использования потребляемой ДСП электрической энергии снизить удельное потребление электрической энергии на 6-9 кВт-ч/т.

Одновременно при этом достигнуто уменьшение удельного количества извести на 5,4 кг/т и удельного количества коксика на 1,9 кг/т.

Поэтому, учитывая результаты, достигнутые при использовании программного режима, реализуемого существующей системой ArCOS, ожидаемый экономический эффект от использования предлагаемого поискового динамического метода коррекции программного режима энергопотребления ДСП-180 дополнительно составит от 1,8 до 2,3 млн рублей в год на одну печь.

Использование разработанного, адаптированного к условиям ДСП, косвенного метода оценки текущего теплового состояния жидкого металла позволит реально интенсифицировать технологический процесс нагрева расплава за счет оперативного и целенаправленного изменения режима энергопотребления ДСП-180 в жидкий период плавки.

Одновременно предложенный метод позволит значительно сократить число трудоемких да и просто потенциально опасных операций по периодическому замеру температуры жидкого металла, выполняемых технологическим персоналом по ходу плавки.

1. Бигеев A.M. Металлургия стали / А.М.Бигеев, В.А.Бигеев // Учебник для вузов. Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 544 с.

2. Поволоцкий Д.Я. Электрометаллургия стали и сплавов / Д.Я.Поволоцкий, В.Е.Рощин, Н.В.Мальков // Учебник для вузов. — М.: Металлургия, 1995. 592 с.

3. Поволоцкий Д.Я. Основы технологии производства стали / Д.Я.Поволоцкий // Учебное пособие. Челябинск: ЮУрГУ, 2000. - 189 с.

4. Егоров А.В. Электроплавильные печи черной металлургии / А.В.Егоров // Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1985. - 280 с.

5. Еланский Д.Г. Тенденции развития электросталеплавильного производства / Д.Г.Еланский // Электрометаллургия. 2001. - №5. - С.3-18.

6. Еланский Д.Г. Передовые технологи производства стали / Д.Г.Еланский // Электрометаллургия. 2005. - №10. - С.42-48.

7. Минарик Ф. Дуговая сталеплавильная печь с шахтным подогревателем лома фирмы «Фукс Системтехник» / Ф.Минарик // Сталь. 2000. - №3. — С.35.

8. Лопухов Г.А. Новая система подогрева лома для дуговой сталеплавильной печи / Г.А.Лопухов // Электрометаллургия. 2000. - №2. — С.43-44.

9. Смирнова Е.Ю. Использование тепла отходящих газов ДСП для подогрева шихты / Е.Ю.Смирнова, А.Н.Миронова // Электрометаллургия. -2003. -№10. -С.13-19.

10. Рябов А.В. Современные способы выплавки стали в дуговых печах / А.В.Рябов, И.В.Чуманов, М.В.Шишимиров // Учебное пособие. — М.: Теплотехник, 2007. — 192 с.

11. Арджента П. Выплавка электростали с непрерывной загрузкой горячей шихты / П.Арджента, М.Бианти Ферри // Электрометаллургия. 2003. №5. - С.27-34.

12. Модульная технология «Динарк» Danieli //Электрометаллургия. — 2007. — №8. С.44-45.

13. Ломбардини Э. Энерготехнологические преимущества работы ЭДП с системой Consteel / Э.Ломбардини, П.Арджента // Электрометаллургия. 2004. - №6. - С.41-47.

14. Смоляренко В.Д. Энерготехнологические особенности процесса электроплавки стали и инновационный характер его развития / В.Д.Смоляренко // Электрометаллургия. 2003. - №11. — С.12-19.

15. FAST бесшлаковая система выпуска стали из дуговой печи // Электрометаллургия. - 2004. -№11.- С.43-47.

16. Стомахин А.Я. Электросталеплавильное производство / АЛ.Стомахин // Электрометаллургия. — 2005. — №3. С.35-37.

17. Зиннуров И.Ю. Оборудование и технология производства электростали в XXI веке / И.Ю.Зинуров, С.В.Пащенко, В.С.Галяк и др. // Сталь. 2000. -№8. - С.27-28.

18. Рушно Э. Электродуговая печь с системой динамического автоматического регулирования фирмы Danieli / Э.Рушно, К.Бергман, С.Олунд // Электрометаллургия. 2005. - №8. - С.42-48.

19. Лапшин И.В. Автоматизация технологических процессов дуговой сталеплавильной печи / И.В.Лапшин // М.: ООО «Квадратум», 2002. — 157 с.

20. Лапшин И.В. Применение кислорода для высокоэффективного электросталеплавильного производства / И.В.Лапшин // Новости черной металлургии за рубежом. 2001. - №4. - С.35-38.

21. Лопухов Г.А. Применение кислорода в дуговых сталеплавильных печах / Г.А.Лопухов //Электрометаллургия. 2005. - №3. -С.2,27.

22. Лопухов Г.А. Плавка стали в дуговой печи Consteel с использованием жидкого чугуна в шихте / Г.А.Лопухов // Электрометаллургия. 2006. -№1. - С.40-42.

23. Геллер К. Опыт работы фирмы «Фукс Систематик» в России и новые возможности создания и реконструкции металлургического оборудования / К.Геллер // Сталь. 2003. -№5. - С.35-38.

24. Нархольц Т. Электродуговая печь серии ULTIMATE — сталеплавильный агрегат нового поколения / Т.Нархольц, Б.Виллемии // Электрометаллургия. 2005. - №4. - С.8-12.

25. Поррагии П. Роль вспенивания шлака в оптимизации тепловой работы ДСП переменного тока / П.Поррагии, Д.Опееги, А.Гроссо и др.// Сталь. — 2005. №4. - С.84-86.

26. Фоменко А.П. Исследование технологических процессов выплавки кордовой стали в сверхмощной дуговой печи / А.П.Фоменко, В.В.Эндере, А.С.Якшук и др. //Сталь. №5. - С.35-37.

27. Кагунин А.И. Разработка технологии выплавки стали в электропечах с использованием жидкого чугуна / А.И.Кагунин, Л.А.Годин, Н.С.Анашкин и др. // Сталь. 2000. - №5. - С.33-35.

28. Гудин Ю.А. Перспективы обеспечения ломом электросталеплавильного производства Урала и России / Ю.А. Гудин // Материалы XII международной конференции. Челябинск: ЮУрГУ. -2004. - С. 11-13.

29. Меркер Э.Э. Совершенствование процессов электроплавки металлизированного железорудного сырья в дуговой сталеплавильной печи / Э.Э. Меркер, В.В. Федина, Д.А. Харламов // Черные металлы. № 7. - С. 1619.

30. Глинков Г.М. Контроль и автоматизация металлургических процессов / Г.М. Глинков, А.Н. Косырев, Е.К. Шевцов // Учебник для ВУЗов. М.: Металлургия. -1989. -352 с.

31. Михайлов Г.Г. Термодинамика раскисления стали / Г.Г. Михайлов, Д.Я. Поволоцкий //М.: Металлургия. 1983. - 484 с.

32. Егоров А.В. Электросталеплавильные печи черной металлургии / А.В. Егоров // М.: Металлургия. 1985. - 280 с.

33. Пирожников В.Е. Автоматизация электросталеплавильного производства / В.Е. Пирожников / М.: Металлургия. 1985. - 184 с.

34. Никольский JT.E. Тепловая работа дуговых сталеплавильных печей / JI.E. Никольский, В.Д. Смоляненко, JI.H. Кузнецов // М.: Металлургия. -1983.-320 с.

35. Глинков Г.М. АСУ технологическими процессами в агломерационных и сталеплавильных цехах / Г.М. Глинков, В.А. Маковский // Учебник для вузов. М.: Металлургия. — 1999. — 360 с.

36. Парсункин Б.Н. Непрерывное измерение температуры жидкого металла / Б.Н. Парсункин, С.М. Андреев, У.Б. Ахметов // Труды IV всероссийской научно-практической конференции AS'2003. Новокузнецк: СибГНУ. -2003.-С. 385-388.

37. Спирин Н.А. Информационные системы в металлургии / Н.А. Спирин, Ю.В. Ипатов, В.Н. Лобанов и др. // Учебник для ВУЗов. Екатеринбург: УПИ. 2001.611 с.

38. Спирин Н.А. Метод диагностики состояния футеровки шахты доменной печи / Н.А. Спирин, В.В. Павлов, Ю.В. Федунов, B.C. Швыдкий // Автоматизация управления металлургическими процессами. — Магнитогорск. МГМА. - 1996. -СП-26.

39. Парсункин Б.Н. Автоматизированная система непрерывного контроля температуры жидкой стали / Б.Н. Парсункин, С.М. Андреев, У.Б. Ахметов // Металлургия машиностроения. М.: 2005. - С. 15-17.

40. Гиниятулин Р.Н. Развитие и совершенствование экспресс-контроля чугуна и стали методом ТЭДС / Р.Н. Гиниятулин, Б.Н. Парсункин, С.М. Андреев, У.Б. Ахметов // Труды седьмого конгресса сталеплавильщиков. М.:-2003.-С. 368-369.

41. Марков Н.А. Электрические цепи и режимы элетропечных установок / Н.А. Марков М.: Энергия. -1975. 204 с.

42. Лапшин Н.В. Новые тенденции управления электрическим режимом дуговых сталеплавильных печей / Н.В. Лапшин, К.А. Чехович // Электрометаллургия. М.: 1998. - № 5. - С. 46-52.

43. Марков Н.А. Эксплуатационный контроль электрических параметров дуговых электропечей / Н.А. Марков, О.В. Баранник М.: Энергия. -1973. 104 с.

44. Ефроймович Ю.Е. Электрические режимы дуговых сталеплавильных печей / Ю.Е. Ефроймович. М.: Металлургиздат. 1956. - 131 с.

45. Кучумов JI.A. Система «НЕВА-ДСП» / JI.A. Кучумов // Рекламный проспект НПФ. Энергосоюз. -2006. 12 с.

46. РИС.М. Оптимизация управления электродуговых печей с использованием нейронных сетей / М. Рис, Р. Сессельман // Труды 3-го конгресса сталеплавильщиков.-М.: 1995. С. 153-162.

47. Парсункин Б.Н. Применение нейросетевых алгоритмов регулирования в локальных контурах управления / Б.Н. Парсункин, С.М. Андреев, У.Б. Ахметов. Вестник УГТУ-УПИ. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. -2004. № 15. Ч. I. С. 220-223.

48. Свенчанский А.Д. Электрические промышленные печи / А.Д. Свенчан-ский, М.Я. Смоленский // М.: Энергия. 1970. - 264 с.

49. Кнооп Р. Управление режимом плавки в дуговой электропечи переменного тока с целью защиты холодильников стен печи / Р. Кноп, Р. Лих-тенбен, 3. Келе, Ю. Зинг // Черные металлы. 1997. - № 7. -С. 8-13.

50. Казакевич В.В. Системы автоматической оптимизации / В.В. Казакевич, А.Б. Родов // М.: Энергия. -1977. 288 с.

51. Парсункин Б.Н. О планировании сигнальных воздействий при идентификации объектов управления / Б.Н. Парсункин // Изв. вузов. Черная металлургия. М.: 1988. -№ 4. - С. 97-101.

52. Парсункин Б.Н. Формирование тестирующих сигналов для идентификации теплоэнергетических объектов / Б.Н. Парсункин, Г.Ф. Обухов, А.В. Леднов и др. // Изв. вузов. Теплоэнергетика. — 1988. — № 6. — С. 65-70

53. Фрер Ф. Введение в электронную технику регулирования / Ф.Фрер, Ф. Ортенберг // М.: Энергия. -1973. 190 с.

54. Парсункин Б.Н. Оптимизация электрического режима дуговых сталеплавильных печей в литейном производстве / Б.Н. Парсункин, С.М. Андреев, У.Б. Ахметов, М.В. Усачев // Металлургия машиностроения. М.: -2005.-№5. С. 2-5.

55. Усачев М.В. Моделирование систем автоматической оптимизации электрического режима дуговой сталеплавильной печи переменного тока / М.В. Усачев // Металлургия машиностроения. М.: 2005. - № 5. С. 1517.

56. Галкин М.Ф. Кибернетические методы анализа электроплавки / М.Ф. Галкин, Ю.С. Кроль // М.: Металлургия. 1971. - 300 с.

57. Технологическая инструкция ТИ-101-СТ ЭСПЦ-64-2006. Магнитогорск, 2006

58. Спирин В.А. Внедрение системы интенсификации плавки в ДСП-100 ЭСПУ ООО «Уральская сталь» // В.А. Спирин, С.Б. Чернавин, В.В. Кад-лука и др. // Металлург. 2005. № 9. С. 56-57.

59. Свенчанский А.Д. Электрические промышленные печи: дуговые печи и установки специального нагрева / А.Д. Свенчанский и др. Учебник для ВУЗов // М.: Энергоиздат. 1981. - 296 с.

60. Бертковский Б.М. Разностные методы исследования задач теплообмена / Б.М. Бертковский, Е.Ф. Ноготов // Минск: Наука и техника. -1976. 176 с.

61. Арутюнов В.В. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей /В.В. Арутюнов, С.А. Бухниров, С.А. Круленников // М.: Металлургия. 1990. - 239 с.

62. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс / Б. Баиди // М.: Радио и связь.-1978.-78 с.

63. Маковский В.А. Алгоритмы управления нагревательными печами / В.А.Маковский, И.И.Лаврентик // М.: Металлургия, 1977. 184 с.

64. Ишметьев Е.Н., Андреев С.М., Парсункин Б.Н., Салихов З.Г., Ахметов У.Б Автоматизация и оптимизация управления технологическими процессами внепечной доводки стали: Монография. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. -311с.