автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Математическое моделирование доменного процесса с целью энергосбережения

На правах рукописи

ПОЧВАЙТИС Виктор Стасович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА С ЦЕЛЬЮ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕННИЯ

Специальность 05.16.02 — Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2004

Работа выполнена в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова.

Защита состоится 30.03.04 в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Евстигнеев Владимир Леонтьевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Торопов Евгений Васильевич, кандидат технических наук, доцент Сибагатуллин Салават Камилович.

Ведущая организация

ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат".

I. Селиванов

Актуальность работы. В связи с истощением местной рудной базы металлургические предприятия Урала работают в основном на привозном сырье с различных месторождений. Существенные колебания состава агломерата и окатышей вызывают нестабильность теплового состояния печи, свойств чугуна и шлака, повышают вероятность нарушения хода печи. Поэтому создается резерв восстановителя (кокса). Его избыток приводит к высокому содержанию кремния в чугуне.

Стабилизация теплового состояния позволит точно дозировать кокс и снизить содержание кремния в чугуне. По нашему мнению, для совершенствования методик стабилизации теплового состояния наиболее актуальным является повышение точности математических моделей доменного процесса. Кроме того, известные методики стабилизации не учитывают многих параметров: состава первичного шлака, затрат тепла на термодинамику образования газов в процессах прямого восстановления железа, изменения степени прямого восстановления по ходу плавки, колебаний потерь тепла.

Цель и задачи работы. Основной целью работы является математическое моделирование доменного процесса для улучшения использования тепла и снижения энергозатрат при производстве чугуна. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Выбор параметров, характеризующих тепловое состояния печи.

2. Разработка адаптивной математической модели.

3. Разработка методики стабилизации теплового состояния.

Научная новизна

1. Уточнена математическая модель термодинамики реакции газификации углерода, введены поправки в уравнения зональных тепловых балансов математической модели доменной печи.

2. Температурные границы зон математической модели доменной печи впервые установлены в виде ограничений II рода, т.е. квазистационарными.

3. В уточненной математической модели учтено влияние состава первичного

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

0сапуж>

шлака на доменный процесс и применен баланс углерода в нижней зоне для расчета производительности печи.

Практическая ценность

1. Разработанная методика стабилизации теплового состояния доменной печи позволяет поддерживать на заданном уровне теплосодержание чугуна и содержание вюстита в первичном шлаке.

2. Методика стабилизации теплового состояния доменной печи позволяет оперативно изменять расходы дутьевых добавок и тем самым экономить энергоресурсы.

На защиту выносятся

1. Зональная адаптивная балансовая модель доменного процесса с квазистационарными границами, учитывающая термодинамику образования газа в процессе прямого восстановления, температуру и состав первичного шлака.

2. Методика стабилизации теплового состояния доменной печи путем изменения расходов природного газа, кислорода и кокса.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на II Международной научно-технической конференции «Энергосбережение на промышленных предприятиях» (г.Магнитогорск, 2000 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Теория и технология производства чугуна и стали» (г.Липецк, 2000 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (гЛипецк, 2001 г.); VII Международной конференции «Математика. Компьютер. Образование» (г.Дубна, 1999 г.); научных семинарах МГТУ и ОАО «ММК».

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 10 опубликованных научных статьях.

Содержание работы

Математическая модель доменного процесса

Из всех классов математических моделей в полной мере соответствуют задаче стабилизации теплового состояния печи зональные балансовые модели. Проведенные нами исследования показали, что печь достаточно разделить на три зоны.

Расположение зон определили по реакциям восстановления железа. Процессы преимущественного восстановления высших оксидов до вюстита отнесли к верхней зоне, восстановление металлического железа из вюстита — к средней зоне. Прямое восстановление железа из расплава первичного шлака — к нижней зоне. Границы зон определены по температурному интервалу протекания соответствующих реакций.

Модель состоит из уравнений материальных балансов элементов для каждой из зон: и уравнений тепловых балансов для

нижней и средней зоны. Расходы веществ в материальных балансах представлены в^ виде количеств веществ на моль железа (п;):

где i — номер зоны.

Исходя из первого начала термодинамики, с учетом уравнения Роберта

Майера, получили уравнение для расчета изменения теплосодержания веществ: с/О = Србпс!Т - Ябпс1Т.

В этом уравнении (Яйгк!Т) — затраты тепла увеличение внутренней энергии газа, образовавшегося в процессе прямого восстановления. На основе изложенного выше, с учетом закона Кирхгоффа получен общий вид уравнений зональных тепловых балансов доменных печей, в котором учтены затраты тепла на увеличение внутренней энергии газа СО, образующегося в объеме ьй зоны печи:

¡Т1ПВХ/Н1 - X! пвыхкТвых j - 0„огг1 = 0,

где п^х.п'дцх— удельные количества газов, приходящих и покидающих ь ю зону соответственно, моль/моль Бе;

Твх, ТВЫ!(—температуры этих газов, К;

Рпот — потери тепла через футеровку печи, с охлаждающей водой.

Потери тепла учтены следующим образом:

0-!Ют @тт О-нот '

В дальнейшем получена зависимость, позволяющая рассчитать распределение суммарных потерь по двум зонам. С этой целью вводится индекс соотношения потерь в нижней и средней зонах:

где тепловые потери в нижней и средней зонах

соответственно.

В качестве оценки теплового состояния горна использован комплексный показатель который характеризует затраты на нагрев и формирование чугуна, Дж/моль Бе чугуна:

е-Нцг + Над.рп, (5)

где Нф] — энтальпия кремния в чугуне, Дж/моль Бе;

Н чуг — теплосодержание чугуна, Дж/моль Бе.

Полученная адаптивная математическая модель изображена на рис. 1.

Для проверки на адекватность были выполнены сравнительные расчеты параметров процесса на основе режима работы реальной доменной печи и получены невязки тепловых балансов:

Невязка теплового баланса средней зоны: Д <2сз = 21,4 Дж/моль.

Невязка теплового баланса нижней зоны: Д ()нз = 68,5 Дж/моль.

Рис. 1. Зональная балансовая адаптивная математическая модель

Об адекватности модели свидетельствует хорошее воспроизведение на модели наблюдавшихся расходов кокса и производительностей по известным параметрам шихты и дутья. Коэффициент корреляции прогноза расхода кокса р = 0,87. Прогноз производительности выполняется с коэффициентом корреляции р = 0,81.

Для проверки адекватности модели выполнена оценка влияния расхода природного газа и концентрации кислорода в дутье на расход кокса (рис.2) (рис.3). Эти результаты хорошо согласуются с результатами исследований других ученых.

425

420

415

410

405

га

400

/ /4- г г -Опр г 16000 и3/ч

** У

От ,г=200 00 м3/ч

—

20

22

24

26

28

30

Концентрация кислорода в дутье,%

Рис.2. Оценка влияния концентрации кислорода в дутье на расход кокса

Исходя из рис. 3, пользуясь известной методикой, рассчитано, что при расход природного газа 10 000 м3/ч (или в пересчете на тонну чугуна —75 м3/т) достигается максимальный теоретический коэффициент замены кокса.

350 --------------— ■ ----

0 50 100 150 200

Удельный расход природного газа, м3/г

Рис. 3. Взаимосвязь удельного расхода кокса и природного газа

Методика стабилизации теплового состояния доменного процесса

1. Расчет энтальпий веществ, входящих в модель, по закону Кирхгоффа для температуры Т, которая определяется:

для твердых веществ на границе между верхней и средней зонами Т = Т,=1023-1223 К (750 - 950 <CJ;

для газообразных веществ на границе между верхней и средней зонами Т = Т/'=1053 - 1253К(780 - 980°С);

для твердых или расплавленных веществ на границе между средней и нижней зонами Т = Т2, а Т2определяется, в свою очередь, переменным составом первичного шпака:

Т2=0,4045l(FeO)2-34,081(FeO) +1881,8 при (FeO)< 46%;

Ti=0,0055(FeO)3-I,2125(FeO)-+89,8762(FeO)-935,8 при (FeO)>46%.

2. Пересчет массовых и объемных расходов веществ в единицы с размерностью моль на моль железа чугуна.

Общее количество i-ro вещества шихты рассчитывается по формуле:

где С,— массовое содержание i-ra вещества шихты, кг/кг шихты;

п" =С /С

"i ^I'^ltce» tf

М, — молярная масса i-ro вещества шихты;

СгеаТщ — массовое содержание железа в шихте, кг/кг шихты;

М/,,— молярная масса железа.

Для использования в модели расходы пересчитываются в доли веществ газовой смеси. Первоначально находят расход газа, приходящийся на один моль железа чугуна, м3/моль Fe: S.Mfc t

где S¥ — расход газа (любого из подаваемых в печь), или выход колошникового газа м3/ч;

— средний выход чугуна за час, кг/ч; Сре чуг — содержание железа в чугуне. Мольная доля компонента газагц, моль/моль Fe:

101325-svC,

n, =-—.

RT

3. Расчет численными методами по уравнениям материальных и тепловых балансов показателя теплового состояния производительности Пр и содержания вюстита в первичном шлаке (FeO), для чего задают три условия поискарешения:

1) i]Q( FeO) = i[q

Я пот

2) О' =Ор =Осз +Онз •

¡¿пот timnn tCnom xZnomi

рассчитывается по уравнению баланса углерода в нижней зоне ia nit.— по vnaRHennm баланса кислорода):

_ и" _1_ _1_ и"/"- и"/" и'

со = "с + "сн, + пс,н, с,н, ~пс-

4. Если прогнозируемые параметры существенно изменились (Д0 > Д0ОШ и A(FeO) > A(FeO)olu), то рассчитывается коррекция расхода природного газа

решением обратной задачи на модели.

5. Расчет времени нахождения материалов в печи по формуле:

т =

24 24 КИЛО

где Упол — полезный объем доменной печи, м3

11р — . я производительность, т/сут:

Vm— расход сырых материалов, м3/(т сут).

j F{JVT2)=CP, +C2DPp min, ЭДели применен критерий:

где Da Dpp — дисперсии ошибок вычисления показателя в и производительности Пр соответственно.

Адаптации подлежат температурные границы зон Т| и Тг, и степени использования газов

Если обнаруживается несоответствие между контролируемым параметром и расчетным то производится адаптация параметра

Если время нахождения материала в печи, определяемое по формуле (8) не соответствует найденному по автокорреляционной функции, и содержание кремния в чугуне на выпуске не соответствует прогнозируемому, то адаптируется Тг-

6. Расчет управляющих воздействий на основе прогноза теплового состояния доменной печи.

Проверка работоспособности методики стабилизации Для проверки работоспособности методики сначала оценили влияние железа в шихте на показатель теплового состояния. В результате установлено, что колебаниям содержания железа соответствует изменение

показателя теплового состояния в пределах 1156 .. 1258 кДж/ кг чугуна и содержания вюстита в первичном шлаке З6..42% (рис.4)

Кроме этого оценивалось влияние, которое оказывает расход природного газа (управляющее воздействие) на показатели стабилизации. Результаты

расчета приведены на графике (рис. 5).

Природный газ и оксиды железа в шихте противоположны по оказываемому влиянию на показатель теплового состояния и содержание вюстита в первичном шлаке. Благодаря этому возможно использование расхода природного газа для управления тепловым состоянием.

На первом этапе проверки разработанной методики производилась адаптация детерминированной математической модели к конкретному режиму работы доменной печи №2 ОАО "ММК", полезным объемом 1370 м3

В качестве исходных данных были приняты среднестатистические показатели работы за первый квартал 2003 года, в частности:

1270

к

е

о о

СО О

1230

р!

£ 1190

Р

л

о с

1150

---->

й_____ "Г ч / ч/ —.

44

42 ° ^ 2 О € ®

40 | 2

38 | |

О. £

® I сс £ о (о

36 о 8-

с

34

56,5 56,6 56,7 56.8 56,9 Содежание железа в пихте, %

Рис. 4. Влияние содержания железа на показатели работы печи

расход кокса 440 кг/т чуг.;

расход дутья 185 000 м3/ч;

концентрация кислорода в дутье 25,2%;

расход природного газа 15130 м3/ч;

рудная нагрузка (К) 4,02 т/т;

содержание железа в железорудной части шихты (Рвобщ) 59,65%;

X

к р

о о и о

о с

1300

1280

=» 1260

1240

1220

1200

/ ■/

ч- / v^ У f—► ■ г

г / У f

/

15,4

16

50

45

■40

35 I

30

s

о X

£

8. <D

5*

D ^

s о

t О)

F и. о —'

е ® il

16,2

15,6 15,8 Расход природного газа, тыс. м3/ч

Рис. 5. Влияние расхода природного газа на показатели 8 и (БеО)

интенсивность плавки по руде 3993 кг/м3 сут;

содержание кремния в чугуне 0,61 %.

Об адекватности модели свидетельствует сходимость материальных и теплового балансов, в том числе балансов по кислороду и углероду и их производным СО, СО2, и при этом расчетная производительность 3 264 т/сут находится в пределах погрешности измерения.

На втором этапе исследований осуществлялась проверка алгоритма функционирования системы стабилизации. Для этого выбраны диапазоны допустимого варьирования параметров воздействия на процесс:

расход кокса 437 — 440 кг/т чуг.;

расход дутья 175 — 185 х 103 м3/ч;

концентрация кислорода в дутье 25,2— 26 %;

расход природного газа 13000 — 15130 м3/ч.

Для полученной модели был составлен план полнофакторного

эксперимента для колебаний содержания железа в шихте от 59,26 до 59,86%, рудной нагрузки от 4,02 до 4,04, концентрации кислорода в дутье от 25 до 25,4 %. В результате получено семейство линий, характеризующих зависимость содержания кремния в чугуне от общих затрат тепла (рис.6). Из рис.6, видно, что для принятия решения о стабилизации содержания кремния необходимо знать в какой области пространства в данный момент времени работает доменная печь. Для этого нужно измерить содержание кремния в чугуне и на математической модели рассчитать затраты тепла. Допустим, что печь работает в режиме тогда за счет стабилизации

содержания кремния на уровне 0,55% (точка 1) можно сэкономить 100 МДж/т чуг.

Рис. 6. Зависимость содержания кремния в чугуне от общих затрат тепла в

доменном процессе

Общие выводы

1. Разработана трехзонная балансовая математическая модель для стабилизации теплового состояния доменной печи, которая учитывает основные закономерности процесса восстановления железа и возможные изменения состава первичного шлака. В предложенной модели температурные границы зон меняются в процессе адаптации в зависимости от состояния контролируемых параметров. Впервые в практике применения зональных балансовых моделей учтено тепло, расходуемое на увеличение внутренней энергии монооксида углерода, образовавшегося в процессе прямого восстановления.

2. Сравнительные расчеты параметров работы печей №1, №2 ОАО "ММК" показали адекватность предложенной модели, а полученные невязки тепловых балансов сопоставимы с погрешностью результатов измерений. Рассчитанные значения расхода кокса и производительности по известным составам шихты и дутья хорошо коррелируют с фактическими. По расходу кокса получен коэффициент корреляции 0,87, а по производительности —0,81.

3. Предлагаемая методика стабилизации параметров процесса обеспечивает:

- прогнозирование показателя теплового состояния и расчет управляющих воздействий на основе прогнозируемых параметров с учетом времени нахождения материалов в печи, благодаря чему достигается экономия энергоресурсов.

- корректировку управляющих воздействий по фактическим параметрам чугуна на выпуске, что позволяет скомпенсировать действие неучтенных факторов.

- стабилизацию показателя теплового состояния и содержания вюстита в первичном шлаке.

- снижение общих энергозатрат доменного процесса, в зависимости от режима, до 100 МДж/т чугуна, что соответствует экономии кокса 3 кг/т чугуна.

Основные положения диссертации отражены в следующихпубликациях:

1. Евстигнеев В.Л., Почвайтис. B.C. Коррекция параметров процесса действующей доменной печи на основе зонной математической модели //Современная металлургия начала нового тысячелетия: Сб. науч. тр. Ч 1. — Липецк: ЛГТУ,2001. — С. 124 -128

2. Евстигнеев В.Л., Почвайтис B.C. О необходимости учета температуры первичного чугуна для корректировки состава шихты //Теория и технология производства чугуна и стали: — Сб. науч. тр., Липецк, 2000.— С. 199 - 203.

3. Евстигнеев В.Л., Почвайтис B.C. О возможности управления составом шихты по результатам пассивного наблюдения за режимами работы доменной печи// Автоматизация технологических и производственных процессов в металлургии: Межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. Б. Н. Парсункина.— Магнитогорск: МГТУ, 2001.— С. 76 - 79.

4. Евстигнеев В.Л., Почвайтис B.C. Динамическая модель технологического процесса // Математика. Компьютер. Образование: Тез. IV Междунар. конф.—М.: Изд-во МГУ, 1999 — С. 102.

5. Евстигнеев. В.Л., Почвайтис B.C. Оптимизация объемов многостадийного производства // Математика. Компьютер. Образование: Сб. науч. тр. Вып. 6, Ч. II. /Под ред. Г. Ю. Резниченко. — М.: Прогресс- Традиция, 1999. — С. 215 -218.

6. Евстигнеев В.Л., Почвайтис B.C. Применение математической модели доменного процесса для экономии энергетических ресурсов // Энергосбережение на промышленных предприятиях: Материалы II науч. техн. конф. /Под общ. ред. Б.И. Заславца — Магнитогорск, 2000.- С. 199 — 203.

7. Евстигнеев В.Л., Почвайтис В.С., Инженерный метод расчета экономичного режима работы доменной печи // Материалы 62-й науч. техн. конф. по итогам научно- исследовательской работы за 2002 -2003 гг.: Сб. докл. Т.2 /Под ред. ГС. Гуна. Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С. 53 -56.

8. Почвайтис B.C. Оптимизация затрат доменного производства // Математика.

Компьютер. Образование: Сб. науч. тр. Вып. 7, часть II. / Под ред. Г.Ю. Резниченко — М.: Прогресс- Традиция, 2000.— С. 199-204.

9. Сысоев Н.П., Евтигнеев В.Л., Почвайтис B.C. О возможности экономии энергетических ресурсов при производстве чугуна путем стабилизации теплового состояния // Тез. докл. Междунар. конгресса металлургов.— Магнитогорск: УПИ- МГТУ, 2003.

10. Евстигнеев В.Л., Почвайтис B.C., Евстигнеева М.В. Качественное управление доменным процессом как способ улучшения экологической обстановки // Информатика, Образование, Экология и здоровье человека : тезисы докладов V Международной конференции, Астрахань: изд-во Астраханского Государственного педагогического университета, ИПЦ «Факел» 2000 г.

Подписано в печать 19.02.04. - Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ 149.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок МГТУ

4720