автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка и исследование диагностического программного комплекса для шахтных металлургических печей

РГ6 од

3 ^рло люсковскии

" ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

Иа правах рукописи

БУРОВА Светлана Васильевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ШАХТНЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

Специальность 05.16.02 — «Металлургия черных металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена на кафедре «Руднотермических процессов» Московского института стали и сплавов и Череповецком металлургическом комбинате.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент ДОБРОСКОК В. А.

Официальные оппоненты: ' доктор технических наук ЯРОШЕНКО Ю. Г. кандидат технических наук САВЧУК Н. А.

Ведущее предприятие: Череповецкий металлургический комбинат

Защита состоится 1993 года в 15 часов на

заседании специализированного совета К.053.08.01 по присуждению ученых степеней в области металлургии черных металлов при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Автореферат разослан апреля 1993 г.

Справки по телефону: 237-84-37

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических, наук,

профессор И. Ф. КУРУНОВ

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется потребностью промышленного производства металлизованного продукта и чугуна в надежных средствах диагностики хода технологического процесса с целью предупреждения аварийных ситуаций, ведения процесса с минимальным расходом кокса в доменной печи и газа-восстановителя в шахтных печах металлизации.

Цель работы: Разработка диагностического программного комплекса для шахтныхидоменных печей на основе прямого измерения структуры столба шихтовых материалов и их порозности в шахге доменных печей и совместного решения уравнений распределенных по радиусу потоков шихты и газа, тепло- и массообмена в противотоке.

Научная новизна: Разработай специальный класс математических моделей, классифицируемых как диагностические, с целью диагностики процессов тепломассопереноса в шахтных металлургических печах. Диагностическая модель характеризуется:

- использованием входов и выходов реального объекта как входов модели;

- получением в качестве выходов.модели параметров состояния объекта, недоступных для прямого измерения и, как правило, распределенных в пространстве;

- быстродействием, обеспечивающим получение результатов расчета прежде, чем "устареет" входная информация и изменится ход процесса.

В связи с последним требонг.1Ш1ем сформулирована концепция "быстрых" диагностических моделей с разрывом ряда внутренних связей и заменой решений систем дифференциальных уряпнеш'"

явными функциями, рассчитанными в лабораторных условиях для характерных технологических ситуаций.

' Разработана структура диагностической модели, позволяющая расс-лтать скорость изменения всех оксидных фаз железа и учесть распределение тепловых эффектов гетерогенных реакций (типа газификации углерода и восстановления оксидов железа) между твердой и газовой фазами на всех стадиях фазовых превращений с целью корректного расчета температур материала и газа в соответствии с гипотезой, что в открытой неравновесной реакционной системе распределение тепловых эффектов происходит частично в газовую фазу, покидающую реакционную систему.

Разработан метод совместного решения кинетических уравнений массообмена в открытой неравновесной pea. лонной системе для реакций "газ-твердое" и "газ-газ", различающихся скоростями и

временем пребывания реагентов в реакторе, при котором шаг по

í

времени выбирается по наиболее медленной реакции. Разработан метод использования тепловых эффектов реакций для оценки скорости массообмена по логической цепочке "изменение концентрации реагентов - тепловые эффекты реакции - температура реагентов-изменение скорости реакции". С помощью данного метода произведена оценка доли водяного газа, . находящегося в промышленных условиях в равновесии.

Защите в данной диссертационной работе подлежит следующее:

- математическое и программное обеспечение диагностического программно-измерительного комплекса для доменн с печей и шахтных печей металлизации, включая программное обеспечение зондовых сканирующих систем;

- метод совместного решения уравнеш1й тепломассопереноса в

t

открытой неравновесной реакционной гетерогенной системе "газ-твердое", "газ-газ";

- метод распределения тепловых эффектов в гетерогенных реакциях в открытых неравновесных реакционных системах между твердой и газовой фазами;

- метод идентификации математической модели массооОмена по величине тепловых эффектов химических реакций.

Практическая значимость заключается в создании законченного программного продукта Д-ля персональных ЭВМ ветви PC IBM AT/XT для диагностики процесса и обеспечения работы зондовых сканирующих систем для доменных печей. Апробирован и используется в реальных действующих АСУ ТП программный диагностический комплекс для ДП N8 ММК и ДЛ N5 ЧерМК, в том числе математическое обеспечение зондовых сканирующих систем для прямого измерения структуры столба шихтовых материалов и их порозности.

Апробация работы. Основные положения работы доложены- на:

- техническом совете ММК в ноябре 1990 г.;

- техническом совете НЛМК в декабре 1990 г.;

- техническом совете ЧерМК в декабре 1991 г. ив ноябре 1992 г.;

- Конгрессе доменщиков CHI1 в Туле в ноябре 1992 г;

и опубликованы в 2-х статьях.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5" глав, списка литературы ( /2£ наименований); изложена на //е? страницах машинописного текста, включает: рисунков,

6 -таблиц.

- 6 -

РАЗРАБОТКА ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ШАХТНЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧЕИ

Зондовая сканирующая система для определения структуры столба шихтовых материалов

Математическая модель распределения материалов по радиусу шахты основана на использовании автоматической зондобой сканирующей системы (АЗСС) для определения структуры столба шихтовых материалов и пр...¿ого измерения их порозности.

Новыми элементами зондовой системы являются:

- датчик вида шихтовых материалов и порозности шихты;

- сканирующий режим горизонтального зонда для генерации сигналов датчиков вида шихтовых материалов и их порозности;

- математическое обеспечение зондовой системы, а именно: алгоритмы и программы обработки сигнала датчика вида шихтовых материалов и преобразования его в изображение структуры столба шихты в плоскости зондирования и распределение порозности шихты по радиусу шахты.

При движении зонда датчик перемещения зонда генерирует импульсы, расстояние между двумя соседними импульсами равно Б. В момент возникновения 1-го импульса считывается сигнал датчика вида шихтовых материалов и запоминается вычислительным устройством вместе с его горизонтальной координатой -Х=1*3.

Расстояние по вертикали сШ м»ежду двумя эл иентарными слоями шихты, через которые прошел горизонтальный зонд, определится:

где гв - время движения горизонтального зонда "вперед", с; ^ - время движэниягоризонтального зонда "назад", в начальное положение, с; - время паузы, выдерживаемой зондом в исходном положении, с;

~ о0Щ8е вРемя цикла зондирования, с. В результате многократных проходов зонда и считывания сигнала, генерируемого датчиком вида шихтовых материалов, и измерения в течение всего периода зондирования скорости схода шихты в вычислительном устройстве формируется матрица сигналов типа "кокс" и/или "агломерат", причем местоположение каздого элемента матрицы определено двумя координатами: X - по горизонтали и У - по вертикали. Математическое обеспечение преобразует данную матрицу в изображение слоев шихтовых материалов, геометрически подобное реальному. Данное изображение [гредъявляется пользователю (технологическому персоналу) на экране дисплея, принтере, и архивируется на магнитном.-•'носителе зычислитэльного устройства.

Математическая модель процессов тепломассообмена в противотоке.

Моделирование потоков газов и шихты

Недостатком метода математического моделирования потоков ихты и газа является достаточно условное, сопряженное с шибками задание распределения материалов на одной из границ адачи (на колошнике) в отличие от их прямого измерения. . На ис.3.а представлены распределения материалов на колошнике змеиной печи N5 Череповецкого металлургического комбината:

полученное методом математического моделирования и измеренное непосредственно горизонтальной сканирующей системой МИСиС. Значительное отличие результатов ведет в дальнейшем к интегрированию ошибки в уравнениях тепломассообмена вплоть до получения несопоставимых результатов в оценке такой, например, важной характеристики, как форма и положение зоны плавления (рис.8.о ). Современное состояние математического моделирования поведения сыпучих материалов сложного состава не позволяет произвести учет явлений, отчетливо различимых в измеренном участке столба шихтовых материалов высотой около 3 м, включающем около 6 слоев кокса и агломерата: выброс кокса к стенкам печи при падении агломерата и окатышей на слой кокса на больших углах станций лотка, образование сложных смесей на границах слоев, проникновение окатышей в слой кокса и др.

Особенностью данной работы является получение важнейиш газодинамических характеристик столба шихтовых материало! методом непосредственного измерения с помощью зондово! сканирующей системы. Результатом зондирования являются измеренные распределения объемов (масс) материалов по радиусу ) порозности шихты (метод прямого измерения порозности в данно! работе не описывается). Расчеты по известным соотношениям даю распределение массовых скоростей потоков шихты и газа п радиусу, а также всех других исходных данных для модел тепломассообмена. Двумерная краевая задача в частных производны распределения штоков газа и материалов в пространстве шахтнс печи определяет вертикальные и Цц11) и горизонтальнъ

(радиальные ямг и qGг) составляющие потоков материала и г;.^ При ямг= 0 ,и ц0г= 0 краевая задача решается для трубки тока

обычных производных с шагом по г (при г1=сопзг) около 100 мм, соответствующим минимальному микрообъему шихты 100x100x100 мм, определяемому зондовой системой.

Моделирование тепломассообмена

Корректное решение задачи теплообмена возможно только при совместном решении с уравнениями массообмена, что позволяет произвести учет тепловых эффектов основных реакций с отличной от нуля для двумерной задачи горизонтальной (радиальной) составляющей. Особенностью данной работы является сведение уравнений тепло- и массообмена в единую систему, имеющую обратную связь по тепловым эффектам реакций.

Фрагмент системы дифференциальных уравнений в частных щ изводных в рамках данной постановки задачи в той последовательности, в какой он решается в вычислительном цикле, представлен уравнениями (2)-(13):

*бй/бИ+а№г«5Н/8г=С*(ку*М*(Хц-Х)-ки*И*(Хд-Х))

11

(2)

11.

г,

11,

(3)

qwh*CF/бh+qwr*eF/Зr=C*kw«(X,l1-X)

(4)

ки*зх/е11+кт,*ах/аг=- (... + (в\шгиоу/бг))

т.

(5)

ясп*ос/сп+я0г*ес/г. (хс-х)

(6)

- 10 -

qch*вzc/0h+q0г»ezc/eг=zc0* (яс^5С/еп+ясг*5С/0г) (7;

i ясь»сс/оь+ясг»ес/ег=-ку«(ху-х) (в;

qch»SZv/Bh+qcг»SZv/8г=Zvo*(qclг*бC/ah+q0г*S0/eг) (9]

2а=^(Ч111*(12;1/Ш1+ЧхГ*й2;1/(11') по:

и „

^¿(ЧУ^^/^+Чл /От) (11;

°с * (яа11*^/<и1+ЧоГ*йа/с1г) =у* (в-м) ■-г0 (12)

см * ^ ^м*1* ЧмГ* йм/йг)=V»(б-м)+гм, (13)

где: qм- составляющие массовой скорости вюстита,

СО, газа и материалов, кг/м2*с; ку, к^, кс, ку - кинетические константы, м-1; 11, г - высота и радиус шахты соответственно,'м; М, V?, Р - потоки магнетита, вюстита и металлического железг

соответственно, кг/м2*с; С - начальная доля монооксида углерода СО в газе, доли ед.; Хц, Х??, Хс> Ху— равновесная окисленность газа-восстановителя, доли ед.; X - текущая окисленность газа-восстановителя, доли ед.; К - термодинамический расход газа-восстановителя, доли ед.; со* СМ ~ теплоемкости газа и шихты соответственно, Дж/кг*К; С, М -термодинамическая температура газа и шихты, К;

- 11 -

V - объемный коэффициент теплопередачи конвекцией, Вт/м3*К;

Za, - суммарные тепловые эффекты реакций в газовой и твердой фазах, Вт/м3; - удельные тепловые эффекты реакций, Дж/кг.

Выражения ку, ку, Х^, Х0, Ху, Сд, 0М - являются ¡ложными функциями температур газа и материалов и их химических :оставов, вид и свойства которых опйсаны в литературе.

Уравнения размерности имеют следующий вид:

- массообмен, поток оксидных фаз железа:

qw [ кг/м2 * с ] »еи/еГ1 [ 1 /м ] =КМ [ 1 /м ] *М [ кг/м2 *с]*ХН ]-,., =

=[кг/м3*с) (14)

- тепловые эффекты реакций: (f[кг/м2*c]*SZw/бh[Дж/кг*м]=Zw0[Дж/кг]*qw[кг/м2*c]*вW/eh[1/м] =

= (Дж/м3 *с 1 —[Вт/ м3) (15)

- конвективный теплообмен: с0[Дж/кг*К.]*Ч0[кг/м2*с]бО/бП[1^м]=У[Вт/м3*К)*С[К]-га[Дж/м3*с]=

= [Дж/м3 *с]=[Вт/м3] (16)

Во фрагменте системы (2)-(13) не приведены уравнения отоков гематитной и магнетитной оксидных фаз железа, а также истема, описывающая восстановление железа водородом. Структура равнений восстановления водородом полностью идентична равнениям (2)-(5) (уравнения различаются параметрически). Для реобразования системы уравнений для трубки тока все радиальные оставляющие массовых и тепловых потоков следует приравнять к

- 12 -

нулю и фрагмент системы примет следующий вид:

■ - восстановление металлического железа из вюстита . СО:

i

Ч^Ю/дП-Я*^***^-*) (17)

йг/Шг=дя°»сМ»/(т (18)

к»(1х/<т=-(сш/<т+сш/<ш+с№/(и1) (19)

- восстановление

(Х^-Х*). (20)

где Н - доля водорода в исходном газе-восстановителе, доли ед.; Ч*» Цу* - параметры уравнения для восстановления железа К^. Параллельная запись уравнений кинетики восстановления железа СО и предполагает допущение о независимом (аддитивном) характере реакционых систем, взаимодействующих только через реакцию водяного газа. Новые свойства газ-восстановитель в математической модели получает в результате следующих преобразований:

Я^йГ/йЬ^к^ЧМХ^-Х) (21)

(Х^^'-Х*) (22)

по условию аддитивности и при

(4и+4и*'*(11'/сш=м',<((н*х«*+с*^)1(н*х*+1>х) > (23)

Яда*с!Р/(и1=к*№»(Н*Хчу+С*Хи)-Х) (24)

Выражение Н*ХИ*+С»КЧ описывает равновесную диаграмму условного газа-восстановителя, полученную из диаграмм для ^ и СО, взвешенных по доле атомов Н^ и СО в исходном газе-восстановителе. Средневзвешенный характер текущей окисленности газа-восстановителя X сохраняется во всем диапазоне ее изменения, включая краевые значения на фурмах и колошнике, за вычетом продуктов реакции водяного газа.

Анализ устойчивости системы дифференциальных уравнений теплома с сообмена

Исследование структурной устойчивости путем приведения системы дифференциальных уравнений к операторному виду и анализа соответствующей структурной схемы показало следующее:

-математические модели "теплообмена" и "массообмена" внутри себя устойчивы, а, следовательно, и устойчива система- из их последовательного соединения;

-особого внимания заслуживает анализ эквивалентной обратной связи 1, представляющей собой комплекс положительных и отрицательных обратных связей по тепловым эффектам реакций массообмена.

При корректной параметрической настройке модели система является устойчивой по факту физической реализуемости процесса в реально;.! объекте. Некорректная настройка (например, преувеличенные скорости реакций) мохет вызвать неустойчивые процессы в модели и дать результата, говорящие о физической тареализуемости процесса.

При применении численных методов решения системы внутренние обратные связи модели (объекта) существенно усложняют процесс

нахождения корректного решения. Практические методы достижения корректного решения за приемлемое по технологическим соображениям время связаны с применением концепции "быстрых" моделей. В структурном отношении это означает разрывы некоторых сложных внутренних обратных связей (например, ъ) и замену их явными, заранее заготовленными функциями, соответствующими данному технологическому режиму, а также в поиске корректного решения в узкой области вариации параметров, определенной из технологических соображений.

РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ШАХТНОГО РЕАКТОРА ПРИ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ОКИСЛЕННЫХ ОКАТЫШЕЙ В УСЛОВИЯХ ОЭМК

Реализация программного комплекса для шахтного реактора для металлизации окисленных окатышей производилась путем идентификации модели тепло-и массообмена по результатам работы шахтных печей Оскольского электрометаллургического комбината. В качестве исходных данных были взяты технологические характеристики режимов работы шахтных печей N1 и N3 за различные периоды работы (таблица 1).

Настройка производилась при помощи комплекса настроечных коэффициентов, включающего предэкспоненциальные множители и энергии активации фазовых переходов (Ре203 - Ре^О^, Ре^О^ - РеО, ГеО - Ге).

На рис 1,2 приведено решение системы уравнений (2-13). Диаграмма равновесного состояния для Н^,, СО и их смеси воспроизведена с учетом реакции водяного газа, которая biiol.it изменения в -текущий состав гпзэ-восгтановителя, что в свои

очередь влияет на величину отклонения от равновесия в системе Ре-О-С-Н (скорость реакции водяного газа вше скорости восстановления оксидов Ре) (рис.2.6). Диаграмма А.Риста изображена на рис.1. 4 Сравнение результатов расчетов с данными работы промышленного объекта иллюстрирует таблица 2. Рис.2.а демонстрирует распределение тепловых эффектов в твердой (верхние кривые) и газовой (нижние кривые) фазах, а также кривую суммарных тепловых эффектов.

Все термохимические и кинетические характеристики реакционных систем, определенные в лабораторных условиях, неприменимы для моделирования реальных промышленных систем вследствие их более высокой энтропии (хаотичности).

РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ N5 ЧЕРМК

Доменная печь оснащена бесконусным засыпным устройством (БЗУ) фирмы "Поль Вюрт". Осуществляется кольцевая система загрузки, в результате которой должны образоваться равномерно чередующиеся слои кокса и агломерата толщиной от 400 до 600 мм на колошнике. Центральный ход печи обеспечивается эпизодической (через 16-20 подач) загрузкой в центр печи коксовой порции в 6-8 тонн. Толщина коксовой линзы при этом составляет около 1000 мм с радиусом около 2000 мм.

Диагностический программный комплекс позволяет получить:

- воспроизведение структуры столба шихтовых материалов;

- распределение шихтовых материалов по радиусу шахты;

- расггрэделение рудной нагрузки по радиусу шаттн;

- ае -

Таблица 1

Технологические характеристики режимов работы шахтных реакторов ' (входные данные модели)

технологические характеристики N варианта

' 2 3 4

расход восст. газа, м3/час 103000 93104 95760 1030С0

расход окисленных окатышей, т/час 80,54 87,9 82,98 78.8

температура восст. газа н?. фурмах,°с 680 880 680 680

температура материала на колошнике,°С 27 27 27 27

фазовый сослав окатышей, %:

гематит 95 95 95 95

магнетит 4.8 5 ■\6 5

вюстит 0,2 0 : 0,4 I 0

общее железо окисленных окатышей, % 67,2 67,2 67,1 67,2

состав восст. газа на фурмах,

СО 30,6 33.1 32,7 34

»2 52,3 54,2 53,2 53

С02 2,6 2,6 2,5 3

ь^о 4,1 4*3. ; 4,„4; I 4

производительность, т/ч 69,0 64,0 60,2 57,3

степень ьосстаноьленщ% 93,1 96,7 97,5 97,1

общее содержание железа в мет.прод.% 90,7 92,5 92,4 92,7

окисленность колош. газа.атО/атСС+Н^ 0,419 0,427 0,435 0,417

Таблица 2

Сравнение результатов моделирования с данными работы шахтных

реакторов

параметры 1 вариант 2 вариант

объект моде.тт, объект модель

температура колошн. газа, К 7?3 737 723 811

температура мат-ла на уровне фурм, К 938 944 1140 1129

окисленность мет. продукта, атО/атРе 0,032 0,038

окисленность водорода, атО/ат!^ 0,418 0,429 С ,413 0,443

окисленность СО, атО/атС 0,420 0,431 0,453 0,446

окис-ть колошн. газа, атО/ат^+Р^) 0,419 0,430 0,427 , 0,440

степень восстановления мат-ла, % 84,4 82,3 ■ 89',5 ! 82,5

степень металлизации, % 93,05 93,0' ! 96,97 97,3

общее' сод^ие Ре в мет.продукте, % 90,7 91' ,8. ! 92,5 ! 92,9

производительность, т/ч 59,0 ' 59,0' ! 64,0 63,6

Продолжение таблицы 2

! параметры 3 вариант 4 вариант

объект модель объект модель

температура колошн. газа, К 723 725 723 739

температура мат-ла на уро! ,е фурм, К 955 1129 960 ■943

окисленность мет. продукта, атО/атРе 0,041 0,032

окисленность водорода, атО/ат!^ 0,433 0,449 0,420 0,422

окисленность СО, атО/атС •0,438 0,453 0,415 0,416

окисл-ть колошн. газа, атО/ат(С+Н ) - 0,435 0,450 0,417 0,420

степень восстановления мат-ла, % 90,1 82,3 84,5 82,5

степень металлизации, % 97,5 96,9 97,1 97,3

общее сод-ие Ре в мет.ггоодукте, % 92,4 92,6 ■ 92,6 92,7

производительность,- т/ч 60,2 60,1 57,3 57,0

?с> ЮО —----- * •

а) ВО ¿-О

60 И / ••X у ""•ос • У,

40 , /"*■ ••А 1 / X

20

г

_ ато хи '

Рис. {. Трмпзрдтурны? профили газа И ШИХТОВЫХ МАТОРИалов, ИЗМ0И<ЗНИ0 ФАЗОВОГО СОСТАВА ШИПОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОКИСЛОНМОСТЬ ГАЗА И шиповых МАТЕРИАЛОВ (о), ДИАГРАММА А. РИСТА (о/

со

^ 700

и

~..... .................

.'А........ 1 1 1............---

Ре

900

1000

шок

Рис. 2. РАСпРмемние тепловых эффектов реакций в твердой и гаювой фазах, изменение равновесной окисленности СО, Иг, их смеси и текущей окисленности газа

- 19 -

- распределение порозности и массовых С1 простей материалов и газа по радиусу шахты;

- расчет распределения показателей эффективности процесса по радиусу шахты;

- комплексную оценку плоских радиальных зон доменной печи с помощью диаграммы А.Риста;

- оценку фбрмы и положения зоны плавления.

Программный комплекс включает в себя визуализацию работы зонда с заполнением матриц., структуры шихтовых материалов и представлением вида сигнала, вырабатываемого датчиком вида шихтовых материалов. Структура слоев материалов, полученная при данной системе загрузки с помощью математической модели (в отличие от прямого измерения), изображается как равномерно чередующиеся слои кокса и агломерата с ярко выраженным гребнем на расстоянии 1000-3000 мм от стенки шахты и наклоном в 20-25°. Структура же шихтовых материалов, полученная в результате прямого измерения зондированием 02.10.92, тлеет существенные отличия (рисЗ.а). Границы слоев материалов р- зтти вследствие образования смесей кокса и агломерата (окатышей); слои коксл включают в себя микрообъемы агломерата и .окатышей, опустившиеся из верхнележащего слоя. ррко выражена гребневая зона слоев агломерата и чрезвычайно тонкий слой кокса (100-200 мм) под этой гребневой зоной, что позволяет утверждать о практически смыкаемых по вертикали гребневых зонах слоев агломерата и окатышей. Из-под- гребневой зош. агломерата кокс вытеснен (выброшен) к стенкам шахты при падении агломерата и окатышей с лотка. Воспроизведение структуры . осуществляется с помощью прямоугольных плоских элементов размером 80x90 мм.- Зондирование

производилось на расстоянии лишь 4000 мм от станки шахты вместо полного радиуса в 5860 мм, что связано с чрезвычайно высоким положением зоны плавления, отстоящей в центре печи всего на 2500-3000 мм от уровня засыпи. Лолученные данные были подтверждены пробами первичного шлака и расплавленного железа, взятыми зондом из центра доменной печи и их последующим анализом.

На рисв приведен рентгено-структурный анализ пробы, Извлеченной из зоны плавления на расстоянии 4400 мм от уровня засыпи. В пробе обнаружено свежевосстановленное металлическое а-келезо с,-содержанием углерода, близким к насыщенному (от 3,5 .*. до' 4%%), а также вкрапления первичного шлака черного цвета с 6-10Ж РеО. Структура железа пористая, что свидетельствует о его "кипении" на раскаленном Коксе коксовой насадки (реакция: РеО+С -> Ре+СО). Кремний почти не наблюдается (точки Б1 на диаграмме), либо его спектральная составляющая соизмерима с фоном спектра. Аналогичный спектр имеет марганец. •

• Применение 'зондовой сканирующей системы исключает осесимметричную постановку задачи по следующим причинам:

поск-зльку зондом регистрируется смесь материалов, невероятным является предположение об осесимметричном характере хаотически расположенных микрообъемов кокса и агломерата в смеси;

- 'отстугствуют достаточно* достоверные данные о том, насколько точно замыкаются кольцевые порции шихты, загружаемые в БЗУ. При точном фиксировании времени одного оборота БЗУ в 8- с время" истечения материала из бункера зависи'." от многих факторов, которые пока не контролируются (например, гранулометрический

- 21 -

состав шихтовых материалов в потоке).

Таким образом, все характеристики и .оценки относятся исключительно к плоскости зондирования; для объемного решения задачи необходимо по меньшей мере четыре зондирующих устройства.

На рис.4.О ' представлен график распределения рудной нагрузки. Результаты находятся в хорошем с -ответстЁии с оценками, произведенными по показаниям взвешивающих устройств: рудная нагрузка в данном цикле подач составляет 3,96, а рудная нагрузка измеренного слоя, :оторый включает в себя две .полные подачи - 3,93. Получены также распределения пс радиусу важнейших показателей процесса: порозности шихты, состава колошникового газа по радиусу (измерение производилось зондом ВДБ) (рис.4.г), температуры газа и степени испольгования (рис.4.в), потоков железа и'кислорода (рис.5.а), координат точек п и X диаграммы А.Риста (рис5'.<5), показателей восстановления (рис.5.г). Как следует из анализа рисунков гребневая зона характеризуется самым низким расходом газа-восстановителя и самой высокой степенью использования газа. Г 'о сопровождается малой (около 0,5) степенью косвенного восстановления . из-г>а низкого расхода'газа-восстановителя. В центральных зонах высокий расход газа-восстановитечя обуславливает высокую степень косвенного восстановления (до 0,85). Термодинамически избыточному расходу газа-восстановителя' соответствует низкая степень использования газа.

Экстремумы 'температуры и ^тепени использования газа с высокой точностью (+ 100 мм) накладываются на распределение масс и рудной нагрузки по радиусу, что подтверждает достоверность этих аппаратурно независимых видов измерений.

9

Рис.З. Влияние ндчальных условий по загрузка Аомешой печи на результаты опрелеления формы и положения зоны пламмия: а) по модели; о) измерение

го

' ■ ' ■ ■ ■ - ' - ■ ■. ■ ■ г ■ 4 ■ ■ ( ■ • ■ 1 I -Г ■,' ■ ' | ' ' -■ • Г ■ 1.....

о 1 2 3 С,м О ' 2 >5 Г,М

Рис. 4 Рдспрелшш ХАРАКТЕРИСТИК газа и шипы по ра анусу шахты по РЕЗУЛЬТАТАМ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО зондирования: а) структура слога шихтовых материалов; порозн^сть и рулная нагрузка в измеренном ело?; Ь) тсмпзратура и окисленность газа на уровне зондирования; г) состав газа

НА УРОВНв 30НАИРО6АНИЯ

Комплексная оценка эффективности работы радиальных плоских зон печи производилась с помощью диаграммы А.Риста.

Поскольку известно распределение шихтовых материалов по радиусу шахты, могут быть рассчитаны следующие характеристики процесса, распределенные по радиусу с шагом сканирующего зондирования 80 мм:

- массовая (молярная) скорость потока железа шихты, моль/м кв*с;

- порозность радиальной плоской зоны, доли ед.; массовая (молярная) скорость потока кислорода, дутья, моль/м кв*с.

Отношение молярных скоростей кислорода дутья и железа шихты ,цаст -нижнюю точку (приближенную оценку координаты уп) операционной прямой диаграммы А.Риста:

уп=атОд/атРе (26)

2. По составу колошникового газа в данной плоскости зондирования (измерения зондом БШ) может быть рассчитана горизонтальная координата X операционной прямой диаграммы, имеющая физический смысл окисленности газа-восстановителя:

Х=(С02+'Н20>/(С0^С02+Н2+Н20) (27)

1120=Т'Н2/(1"1ТЦ2)' (28)

где - степень использования ^ в данной зоне.

3. Поскольку известна окисленность шихты на колошнике, то с помощью математической модели м-ссообмена производится приближенная оценка окисленности шихты на том горизонте шахты, где производится анализ газа зондом БЮ (8200 мм от уровня

засипи). При этом будет получена вертикальная координата у0 верхней точки операгионной прямой:

У0=атОщ/атРе (29)

Таким образом, операционная прямая являе.тся полностью определенной. Из известных соотношений диаграммы ■. выводятся следующие характеристики:

- расход газа-восстановителя или услоь.^й расход кокса;

- степени косвенного и прямого во становления;

- оценка теплового состояния нижней зоны по отклонению операционной прямой от точки "Р", характеризующей нормальный тепловой баланс нижней зоны (тепловой баланс нормального хода ■ доменной печи);

- отклонение текущего состава газа-восстановителя от равновесного для фазового перехода "вюстит-железо" по смещению операционной прямой от точки

На рис.6 изображена область расположения семейства операционных прямых, характеризующих работу радиальных плоских зон с шагом зондирования 80 мм. Гребневые зоны работают с недостатком тепла, относительно среднего теплового состояния юткней части шахты, (операционная прямая расположена достаточно близко относительно точки равновесия фазового перехода "вюстит-железо" и выше точки Р, характеризующей нормальное тепловое состояние нижней • части печи)Эти зоны отличаются вырожденными температурными профилями ввХду близкого к . единице отношения водяных эквивалентов материала и газа, высокими значениями рудной нагрузки и степени использования газа-. При интенсификации хода печи при прочих равных условиях существует опасность опускания зоны плавления в области гребня" до уровня

-Ь-4-

г, м

и

\С/шо ■ р

(,' / 1

ы* 1 1 738 к

|р| 1 .1 ¿с

1 ! 3 4 5 6

сталь ЧЫГУН

Ре Ки

л РеК*

0.6 02 П ■ кг/м'с ' 45 .5 "

0.4 0 2

0,3 \

0.2 . 0 .

и 0,&

ив

0,2

1 £

№ &

Ч Я «

105

О-^тО

ат(С*нг)

о.а x

е, м

Рис.-5 РАспмуюленм рдсчитных показателей ломенной плавки порааиусу шахты (по линиям тока); а)потоков гжлорола аутья ижшза шихты; о) точек п их анаграммы АРиста; г)покл-

2АТШЙ ВОССТАИОВЛвШЛ 2с1 и с. РвнТГено- СП-УгтНРН. анализ ПРОВЫ (5).

3

4- 27 -

Рис. б. Расположение опетиоиных прямых,

ЯДРАК7РРИЭУЮЩИХ ^Бота КОЛЬЦОВЫХ зои 40МРМН0Й печи N5 Ч?РМК .

фурм. В центральнгх зонах наблюдается избыток тепла, низкая степень использования газа операционная прямая удалена от точкг равновесия фазового перехода "вюстит-железо" и лежит ниже точю Р. Перёферийные зоны характеризуются 'екоторш средним режимов работы по отношению к гребневым и центральным зонам (средняя кривая). •

ВЫВОДЫ

1. Разработйн специальный класс математических моделей, классифищфованных как диагностические для диагностики хода процессов- в шахтных металлургических печах. Диагностическая модель в качестве входов использует входы и выходы реального функционирующего объекта и в качестве собственного выхода имеет параметры состояния объекта, недоступные для прямого измерения.

2. Разработан класс "быстрых" диагностических моделей, в которых разрывается ряд внутренних обратных связей и решение дифференциальных уравнений заменяется явными функциями, рассчитанными в лабораторных условиях для ■ характерных технологических ситуаций, включая аварийные.

3. Прг. совместном решении уравнений тепломассообмена количественная, оценка тепловых эффектов реакций

. позволяет оценить' скорость массообмена по логической цепочке: "изменение концентрации реагентов - тепловые эффекты реакции -температура реагентов - изменение скорости реакции". Произведена оценка дили водяного газа, находящегося в промышленных условиях в равновесии для температурного интерчала 600-1000 К (не ' более 30 Чо). В данных условиях влияние водяного газа на конечный 'результат н,постановления пренебрежимо мало.

- 29 -

4. Совместное решение кинетических уравнений массообмена в открытой неравновесной реакционной системе "газ - твердое" и "газ - газ" невозможно в едином масштабе времени из-за большой разности скоростей этих реакций и времени пребывания реагентов в реакторе (для твердых материалов - часы, для газа - секунды). Разработан и успешно реализован метод решения си тем уравнений массообмена с шагом по времени, выбранным по наиболее медленной реакции (например, восстановления оксидов железа). В пр~ делах данного шага (например, ' 0-200 с) реакция в газовой фазе моделируется скачкообразным изменением концентрации реагентов, а величина этого скачка определяется термодинамическими условиями реакции.

5. Диагностическая модель реализуется в рамках краевых задач и требует в качестве входной информации определения краевых функций. Для доменных печей такой ' важнейшей характеристикоа является распределение порозности шихтовых материалов в пространстве шахты, что, в свою очередь, определяет массовые скорости потоков газа-восстано! теля. Повышение достоверности модели может быть 'достигнуто ' за счет прямого измерения структуры столба цихтпвых материалов с _ • помощью сканирующего зонда с соответствующим математическим обеспечением. Разработано и успешно реализовано на доменной печи N5 ЧерМК математическое обеспечение . зондовой сканирующей системы, позволяющее снизить погрешность моделирования с 10-15 до 3-6 процентов относительных.

9. На основе проведенных . исследований и разработок реализован диагностический программный комплекс для доменных и шахтных печей металлизации (Мидрекс-процесс), адаптироватшй к

использованию на промышленных объектах. Элементы программного комплекса внедрены в промышленное производство на ЧерМК и на ММК. .

Основное содерже.'ше диссертационной работы отражено в следуют" опубликованных работах: '

1. Доброскок В.А., Бурова C.B., Чистякова Л.А., Мартиросян •Э.Г. Разработка и исследование диагностического программного комплекса для шахтных металлургических печей. Деп. в Черматинформации 25.09.92, N 5898, 29 е., 7 ил.

2. Применение персональных компьютеров при подготовке .•.инженеров-металлургов // Известия ВУЗов. Черная металлургия,

1993,.N3.

>

Заказ.¿ST/oqbeM 1 п.л. Тираж 100 экз. Типография 303 МИСиС, ул. Орджоникидзе, 8/9.