автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и применение алгоритмов и математических моделей в автоматизированной системе управления доводкой стали в ковше

О /

ОАО "Кузнецкий металлургический комбинат" Новокузнецкий государственный педагогический институт

На правах рукописи

ШТАЙГЕР АЛЕКСАНДР ФЕДОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ДОВОДКОЙ СТАЛИ В КОВШЕ

Специальность 05.13.07 «Автоматизация технологических процессов и производств»

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель д.т.н., профессор Кошелев А.Е.

Научный консультант к.т.н., доцент Веревкин В.И.

Новокузнецк 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................... 4

1. ОСНОВЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ.......................... 7

1.1. Анализ технологии внепечной обработки стали и возможностей ав- 7 томатизации...............................................

1.2. Состояние и перспективы развития алгоритмизации технологических процессов производства стали........................... 17

1.3. Формирование направления научных исследований и разработок.. 24

1.3.1. Задача математического моделирования вынужденного конвективного тепло-массопереноса в сталь-ковше...................... 24

1.3.2. Задача математического моделирования свободного конвективного тепло-массопереноса в сталь-ковше........................... 25

1.3.3. Алгоритмизация учета текущего состояния фурмы для оценки координатных возмущений объекта.............................. 27

1.3.4. Алгоритмизация назначения ферросплавов при доводке расплава в ковше..................................................... 30

1.4 Выводы................................................... 37

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВОБОДНОГО И ВЫНУЖДЕННОГО КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛО- И МАССООБ-МЕНАВКОВШЕ........................................... 39

2.1. Универсальный подход к моделированию свободного и вынужденного конвективного тепло-массообмена........................ 39

2.2. Моделирование осесимметричного вынужденного конвективного тепло-массообмена в ковше.................................. 42

2.3. Моделирование свободного конвективного тепло-массообмена в ковше со сталью........................................... 53

2.4. Моделирование массопереноса в ковше на примере вдувания порошкообразного материала................................... 56

2.5. Моделирование асимметричного вынужденного конвективного те-

пло- массообмена в ковше......................................................................61

2.6. Проверка адекватности математических моделей конвективного

теплопереноса..........................................................................................68

2.7 Выводы......................................................................................................70

3. АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПРОЦЕССА ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ В КОВШЕ..........72

3.1. Алгоритм назначения ферросплавов в ковш..........................................72

3.2. Алгоритмы управления продувкой стали в ковше................................85

3.2.1. Алгоритм оценки состояния продувочной фурмы................................85

3.2.2. Алгоритм распознавания свищей продувочной фурмы........................95

3.3 Структура автоматизированной системы управления внепечной обработкой стали....................................................................................100

3.4 Выводы......................................................................................................107

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛО- МАССООБМЕНА........................................................................................................108

4.1. Поведение гидродинамических и тепловых процессов при продувке стали в ковше в случае осесимметричной продувки........................108

4.2. Массоперенос в ковше при вдувании порошкообразного ферросилиция ..........................................................................................................125

4.3. Поведение гидродинамических и тепловых процессов при продувке стали в ковше в случае асимметричной продувки............................137

4.4 Выводы......................................................................................................139

ВЫВОДЫ..................................................................................................149

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ 1......................................................................................162

ПРИЛОЖЕНИЕ 2......................................................................................168

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Постоянно возрастающие требования к снижению материальных и энергетических затрат на производство стали могут быть реализованы за счет оптимизации процессов производства стали, предотвращения возникновения внештатных и аварийных ситуаций. Важную роль при этом имеет разработка и внедрение в технологический процесс автоматизированных систем управления с использованием математического моделирования.

Особенность работы состоит в комплексном рассмотрении одного из процессов производства стали - внепечной обработки стали в ковше. При этом объект автоматизации и исследования рассматривается как сложный нелинейный объект с распределенными параметрами, реализация задач автоматизации которого требует разработки численно-аналитических методик, инструментальных систем расчета и моделирования.

Цель работы.

Разработка и создание программного обеспечения для оценки, отображения текущего состояния объекта управления, расчета и выдачи рекомендаций технологическому персоналу по управлению процессом внепечной обработки стали в ковше, прогнозирования состояния расплава. Исследование влияния различных режимов ведения процесса на тепло- массоперенос в ковше с расплавом. Разработка алгоритмов оценки состояния и управления процессом внепечной обработки.

Научная новизна.

1. Разработан новый комбинированный алгоритм управления доводкой металла в ковше, использующий математические модели свободного и вынужденного теплопереноса в расплаве и оценки текущего состояния продувочной фурмы.

2. С использованием математической модели теплопереноса исследовано влияние асимметричности расположения и состояния продувочной фурмы в ковше на гомогенизацию расплава.

3. Разработан новый способ оперативной оценки состояния продувочной фурмы (степени ее заметалливания и укорочения) в процессе продувки стали

в ковше, основанный на анализе временной зависимости давления газа перед фурмой. Предложен алгоритм управления продувкой стали при постоянном и переменном положении продувочной фурмы на основе оперативной оценки ее состояния.

4. Разработан обобщенный алгоритм назначения масс раскислителей и легирующих для корректировки химического состава стали при ее диффузионном раскислении (с подачей кусковых ферросплавов на шлак) и при прямом раскислении (со вводом порошковых ферросплавов непосредственно в металл).

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- удовлетворительной сходимостью результатов, полученных расчетными (математическое моделирование) и экспериментальными методами;

- высокой эффективностью предложенных технологических разработок, подтвержденных результатами промышленных исследований.

Практическая значимость.

С использованием математического моделирования проведено исследование процессов теплопереноса при сливе металла в ковш, поведения расплава в ковше в межоперационный период и во время продувки газом и порошкообразным ферросилицием, на основании которого даны рекомендации по режиму продувки, обеспечивающему качественную гомогенизацию расплава.

Установлено влияние укорочения и заметалливания продувочной фурмы на качество перемешивания расплава, найдены предельно допустимые значения укорочения и заметалливания, при достижении которых нарушается процесс гомогенизации стали.

Внесены изменения в действующую технологическую инструкцию, касающиеся порядка смены продувочных фурм и нормативной длительности продувки.

Предложенные алгоритмы назначения масс ферросплавов, оценки текущего состояния фурмы, управления продувкой стали, математические модели процессов тепло-массопереноса в ковше доведены до уровня рабочих программ и применимы к ряду подобных технологий внепечной обработки стали.

Результаты исследований и предложенные алгоритмы внедрены в промышленную эксплуатацию в составе системы автоматизации установки продувки

стали азотом. Экономический эффект от внедрения составил 1 089 766 тыс.руб. (в ценах 1991т).

Восемь предложенных в работе технических решений защищены патентами РФ. Внедрение одного из технических решений (новая конструкция продувочной фурмы) дало экономический эффект 21 876 тыс.руб. (в ценах 1997г).

Апробация работы.

Материалы работы докладывались и обсуждались на :

- федеральной научно-технической конференции «Метрология и автоматизация - 95», 1995 г., Новокузнецк;

- межгосударственной научно-технической конференции «Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века», 1996 г., Магнитогорск;

- научно-практической конференции «Качество подготовки и проблемы повышения конкурентоспособности выпускников педвузов на рынке труда», 1997 г., Новокузнецк;

- научно-практической конференции «Взаимодействие муниципальных, образовательных и предпринимательских структур крупного промышленного города», 1998 г., Новокузнецк.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 12 статей, получено 7 патентов РФ на изобретения и 1 положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, содержит 161 страницу основного текста, список литературы из 132 наименований и приложений.

1. ОСНОВЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

1.1 Анализ технологии внепечной обработки стали и возможностей автоматизации

Современное состояние металлургии характеризуется коренным, революционным изменением масштабов производства качественной и высококачественной стали и ее доли в общем производстве металла.

Для решения проблем повышения качества стали были разработаны новые способы обработки металла как в самом агрегате (конвертер, электропечь, мартеновская печь), так и вне его. Это привело к заметному увеличению масштабов производства стали и сплавов, имеющих пониженное содержание газов в стали, неметаллических включений и других нежелательных примесей и достаточно хорошо гомогенизированных по химсоставу.

В связи с повышением требований к стали все шире применяются способы вторичной металлургической обработки стали. Весь спектр известных установок можно разделить на несколько классов:

- установки для обработки стали вакуумированием;

- установки для доводки стали в ковше по химсоставу;

- установки для продувки стали инертными газами.

Среди наиболее известных зарубежных установок, относящихся к продувке расплава в ковше инертными газами можно выделить следующие:

- установка для дегазации металла в ковше на металлургическом заводе фирмы Крупп Маннесман в Дуйсбурге-Хукингене. Здесь работают две установки для обработки металла в ковше. Благодаря интенсивной продувке инертным газом в ковше с основной футеровкой наряду с заданным составом стали и температурой разливки достигаются очень низкие содержания серы и высокая степень чистоты по оксидным включениям. Продувка осуществляется

через пористые вставки в днище ковша. Ковш при этом помещается в специальную вакуум-камеру [130].

- установка для обработки жидкой стали путем вдувания специальных твердых материалов фирм Тиссен шталь, SKW Тростберг, Штандард Мес-со ферфаренстехник. Продувка осуществляется через погружную футерованную фурму. При этом достигается значительное снижение содержания серы и очень низкое содержание кислорода в стали [130].

- установка для внепечной обработки стали на заводе фирмы Хёш шталь в Дортмунде. Внепечная обработка осуществляется продувкой расплава через пористые блоки в донной части фурмы инертным газом (азотом, аргоном) с одновременной присадкой десульфурирующих добавок на поверхность расплава, легирующих добавок, охлаждающего скрапа. Ковш сверху прикрывается крышкой [131].

- установки для вакуумной дуговой дегазации. По этому процессу ковш располагается в закрытом резервуаре, во время нагрева интенсивно продувается газом через многочисленные донные сопла, так что в результате снижается парциальное давление СО [130].

Характерным примером АСУ процессом продувки стали аргоном в ковше является системы, используемая на заводе фирмы «Thyssen Edelstahlwerke AG» в Крефельде (ФРГ) [87]. Здесь продувка осуществляется сбоку под высоким давлением через пять сопел, расположенных над днищем агрегата. Расход газа составляет примерно 1м /т-мин. Все легирующие и присадки загружаются автоматически непрерывно или порциями из бункеров через весы и транспортер. Для управления процессом применяется ЭВМ типа «Сименс». Данные о химическом составе материалов и стали получаются от ЭВМ заводской лаборатории. Основными функциями применяемой в АСУ ЭВМ является расчет массы легирующих добавок, массы извести в зависимости от содержания кремния стали, температуры металла и массы охладителя в зависимости от химсостава стали, расхода азота (аргона) на продувку;

Другим примером АСУ внепечной обработкой стали в ковше является АСУ, применяемая на заводе фирмы «Republic Steel Согр» (США). Управление процессом также осуществляется с помощью ЭВМ. При этом обработка осуществляется продувкой расплава в ковше азотом через донные пористые вставки. АСУ выполняет функции расчета добавок, необходимых для получения заданных состава и температуры, прогноз температуры и содержания кремния, марганца и углерода в стали к концу времени обработки.

На металлургических заводах России и стран СНГ в основном используются установки для продувки расплава в ковше через погружную фурму. Такие установки функционируют на Дальневосточном заводе, Кузнецком металлургическом, Западно-сибирском, Магнитогорском металлургических комбинатах, на заводах в Мариуполе («Азовсталь», Украина), Запорожье, и т.д. Управление процессом обработки металла на установках с верхней продувкой чаще всего осуществляется в полуавтоматическом режиме, когда расчет требуемого количества ферросплавов осуществляется на ЭВМ на основе данных химанализа стали и измеренной окисленности стали, а продувка осуществляется по разработанным программам изменения глубины погружения фурмы, времени продувки и расхода газа. При этом не учитывается изменение состояния продувочной фурмы, что приводит к нарушению технологии обработки металла в ковше. Существующие способы управления ходом продувки металла в ковше рассмотрены в [1, 26, 27, 30].

Интенсивное развитие методов внепечной обработки, в свою очередь оказывает существенное влияние на масштабы производства ферросплавов и их сортамент, так как, во-первых, получение чистых от нежелательных примесей сталей позволяет при наличии соответствующей термообработки уменьшить (или даже совсем исключить) количество вводимых легирующих для обеспечения необходимых эксплуатационных характеристик; во-вторых, современные методы внепечной обработки позволяют заменять (без ущерба для качества) дорогие и дефицитные чистые ферросплавы дешевыми и более доступными; в-

третьих, внеиечная обработка позволяет разделить технологический процесс получения стали на две стадии:

- получение полупродукта в печи;

- доводка получившегося полупродукта на агрегате внепечной обработки до требуемых технологических показателей.

Это означает, что отпадает необходимость доводки металла в печи, что снижает экономические затраты на выплавку стали, требования к технологии, уменьшает временные затраты на производство стали.

Быстрое распостранение в широких масштабах внепечной обработки объясняется комплексом причин, в том числе следующими:

- заменой двухшлаковой технологии в электропечах одношлаковым процессом без скачивания шлака (при этом сокращаются время плавки, расход электроэнергии, трудовые затраты и т.п.);

- упрощением технологии электросталеплавильного производства;

- распостранением непрерывной разливки стали на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), для успешной высокопроизводительной работы которых требуется точная, неизменная от плавки к плавке регулировка температуры и химического состава стали;

- непрерывно нарастающими масштабами производства стали ответственного назначения, которые трудно получить при обычной технологии плавки;

- расширением производства коррозийностойких сталей и сталей с особо низким содержанием углерода;

- изменением структуры и типа потребляемых ферросплавов и рас-кислителей, снижением требований к их химсоставу и соответствующим удешевлением [103,104].

В настоящее время работа сверхмощных дуговых печей в электросталеплавильном цехе №2 ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат» предусмотрена совместно с установками продувки стали аргоном или азотом (далее по тексту УПСА). В печи производят плавление металла и окислительное ра-

финирование, дальнейшие технологические операции (доведение по химсоставу, температуре, гомогенизация расплава стали, удаление неметаллических включений и т.д.) ос