автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка новой версии программного обеспечения для сканирующего зонда на базе исследования закономерностей образования слоев шихтовых материалов с целью оптимизации загрузки доменных печей

На правах рукописи

Кокорин Дмитрий Сергеевич

РАЗРАБОТКА НОВОЙ ВЕРСИИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДА НА БАЗЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ СЛОЕВ ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ЗАГРУЗКИ ДОМЕННЫХ

ПЕЧЕЙ

Специальность 05.16.02 «Металлургия черных, цветных и редких металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 ОКТ 2010

Москва 2010

004611945

Диссертационная работа выполнена на кафедре: экстракции и рециклинга черных металлов

Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Кандидат технических наук Ведущее предприятие: ОАО «Косогорский металлургический завод»

Защита диссертации состоится « 28 » октября 2010 года в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.132.02 при Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС» по адресу:

119049, Москва, Ленинский пр., д. 6, корп. 1, МИСиС, в ауд. Л-305.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».

Юсфин Ю.С.

Сысоев Н.П. Мишин Ю.П.

Автореферат разослан «1% ¿<у<г*<Оя2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

А.Е. Семин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется потребностями доменного производства в разработке высокоэкономичных ресурсосберегающих и утилизационных технологий выплавки чугуна. Разработка подобных технологий неразрывно связана со специальными, и часто специфическими, системами загрузки доменной печи, реализация которых требует получения достоверной информации о распределении шихтовых материалов в доменной печи после загрузки. Результаты работы доменной печи во многом зависят от эффективности управления газовым потоком в пространстве доменной печи, что в свою очередь требует получения объективной информации о положении зон с низкой газопроницаемостью и оценки газодинамических параметров столба шихты.

Целью работы являлось исследование закономерностей образования слоев шихтовых материалов в доменной печи, установление связи между параметрами образующихся смесей и их газопроницаемостью и разработка на основе этих данных универсальной версии математического обеспечения системы контроля слоя для определения распределения кокса в столбе шихтовых материалов в работающей доменной печи. Развитее математического обеспечения заключалось в интерпретации результатов с учетом расширения профиля шахты доменной печи, разработке и реализации методики оценки распределения порозности по радиусу доменной печи, исследовании взаимосвязи распределения газового потока с формой и положением зоны плавления с разработкой и программной реализацией соответствующего алгоритма.

Научная новизна работы:

- Найдена и объяснена связь между электропроводностью компонентов шихты и структурой слоя в шахте доменной печи. На основе этой зависимости предложен новый метод оценки порозности смеси шихтовых материалов на основе контроля ее электропроводности. Сущность метода заключается в вероятностной оценке содержания кокса в сканируемом микрообъеме шихты и дальнейшего определения его порозности по «упрощенным кривым Фернеса».

- Разработан алгоритм, отражающий связь распределения смесей шихтовых материалов с формой и положением зоны плавления. Показано, что неизбежное образование смесей шихтовых материалов оказывает значительное и не учитываемое ранние влияние на распределение газовых потоков в шахте печи.

Практическая значимость работы заключается в создании инструмента, позволяющего производить оценку распределения смесей кокса с другими шихтовыми материалами с учетом профиля доменной печи, расположение зон с низкой

газопроницаемостью, распределения порозности и рудной нагрузки по радиусу печи и формы и положения зоны плавления.

Реализация результатов работы: Разработанное математическое обеспечение использовано для интерпретации промышленных результатов сканирующего зондирования на ДП (доменной печи) 5А ЭКО-Шталь.

- Разработанное математическое обеспечение будет использовано для интерпретации результатов зондирований на ДП 5 ОАО «НЛМК» после ввода системы сканирующего зондирования в эксплуатацию.

- Методические подходы использованные при реализации математического обеспечения, сам программный комплекс и результаты зондирований используются в учебном процессе в НИТУ «МИСиС».

Апробация работы. Материалы работы доложены на Международном конгрессе «Доменное производство - XXI век» в 2010.

Публикации. Результаты работы изложены в 5 статьях, список которых приведен в конце работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы из 57 наименований. Общий объем диссертации составляет 124 страницы, в том числе 11 табл. и 100 рис.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРЕННЕГО СОСТОЯНИЯ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Применение технических средств, получивших широкое распространение, для определения параметров внутреннего состояния доменной печи связано с параметрами газового потока (распределение температуры и состава газа на различных горизонтах ДП) и поверхности засыпи (скорости схода и геометрической формы).

Параметры газового потока, по сути, являются выходами объекта (ДП), описывающими его внутреннее состояние. Для их регулирования «сверху», т.е. загрузкой шихтовых материалов, необходима достоверная информация об их распределении в пространстве печи.

На некоторых печах с бесконусными загрузочными устройствами применяются контактные зонды для определения траекторий падения шихтовых материалов. Радарный профилемер позволяет определить профиль засыпи шиты. Разработан ряд зондов для определения параметров, связанных с распределением шихтовых материалов, не получивших распространения в промышленных масштабах в связи с определенной ограниченностью систем. Волоконный зонд с передачей изображения для определения крупности материалов на колошнике доменной печи, позволяющий определять крупность частиц материалов в любой точке радиуса колошника. Зонд, вводимый в печь выше уровня засыпи и оснащенный датчиками глубины шихты и оптического определения размеров кусков шихты, позволяет определить толщину слоев и тип и крупность материалов, их формирующих. Микроволновый аппарат, монтируемый вне кожуха печи в виде пояса на любом ее горизонте, позволяет определить толщину слоя, тип материалов и скорость схода шихты в пристеночной области.

С точки зрения получения информации о распределении материалов наиболее информативной является обработка информации радарного профилемера в комбинации с данными по загрузке, с их дальнейшим визуальным представлением в виде распределения слоев шихтовых материалов. Однако данный подход не учитывает перемещение шихтовых материалов после их попадания на поверхность засыпи, например связанных с перколяцией (в первом приближении, просачиванием) материалов и эффектом выгона кокса.

Сканирующий зонд позволяет посредством прямого измерения определять распределение шихтовых материалов в работающей доменной печи по всему ее радиусу с учетом уже произошедших взаимных перемещений шихтовых материалов.

Принцип сканирующего зондирования основан на циклическом возвратно-поступательном движении горизонтального зонда, расположенного в доменной печи под уровнем засыпи. На конце движущегося зонда находится датчик вида шихтовых материалов,

который измеряет электрическое сопротивление микрообъемов (кусков) шихты, находящихся рядом с ним. При этом используется большая разница электрического сопротивления кусков кокса и железорудных материалов. При температуре до 600 "С кокс при контакте с датчиком имеет электрическое сопротивление от 0,1 до 0,4 Ом, железорудные материалы — порядка нескольких МОм.

Горизонтальная развертка осуществляется считыванием информации линейного перемещении Зонда. При этом считывается информация о сопротивлении шихтовых материалов. Вертикальная развертка осуществляется за счет схода шихты.

Интерпретация результатов сканирующего зондирования производится математическим обеспечением методом опорных сопротивлений. В простейшем случае измеренное сопротивление сравнивается с одним опорным и исследуемый микрообъем шихты идентифицируется либо как кокс, либо как «остальные материалы». При работе математического обеспечения в режиме смеси (рис. 1) используется три опорных сопротивления, получаемых градуировкой датчика вида шихты.

Информация о распределении смесей шихтовых материалов в пространстве доменной печи может служить основой для определения распределения порозности по ее радиусу. Начало работ по исследованию зависимости порозности от состава смеси было положено К. Фернесом в 20-х годах прошлого века и получило развитие в работах Н. Стандиша, В.П. Тарасова, Н. Очимуры и Т. Танаки, В.Н. Ковшова.

Несмотря на широкий спектр работ в этом направлении можно заключить, что в настоящий момент общей теории определения порозности слоя по информации о составляющих его компонентах не существует. Тем не менее, можно выделить основные положения экспериментальных и теоретических исследований, позволяющих разработать практический метод упрощенной оценки порозности смеси шихтовых материалов:

- минимальная порозность бинарной смеси сфер различного диаметра соответствует составу смеси с содержанием крупной фракции, равной 66'/з % по объему;

- для несферических тел, минимум порозности находится в приделах от 55 до 67 % крупной фракции по объему;

- в троичной смеси минимальная порозность достигается при смешивании крупной и мелкой фракции в отсутствии фракции среднего размера, а добавление фракции среднего размера имеет «разрыхляющий» эффект и увеличивает общую порозность смеси.

Рис. 1 - Интерпретация результатов сканирующего зондирования в режиме смеси.

Зондирование произведено 03.07.2000г. на ДП 5А ЭКО-Шталь. А - смесь шихтовых материалов с содержанием кокса от 0 до 25 % по объему, В - смесь шихтовых материалов с содержанием кокса от 25 до 55 % по объему, С - смесь шихтовых материалов с содержанием кокса от 55 до 75 % по объему, Б - смесь шихтовых материалов с содержанием кокса от 75

до 100 % по объему

Зона плавления, являясь распределителем газа, в значительной степени определяет распределение газовых потоков, оказывающих огромное влияние на ход доменного процесса, что обуславливает необходимость получения информации о ее форме и положении. Исследование разрезов охлажденных доменных печей Японии позволило установить связь формы и положения зоны плавления с распределением параметров газового потока.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДА И ИНТЕРПРЕТАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Оценка содержания кокса в анализируемом микрообъеме шихты основана на сравнении эклектического сопротивления этого микрообъема с опорными сопротивлениями, значения которых определяются при градуировке датчика вида шихтовых материалов. Методика градуировки заключается в многократном измерении (~ 25 измерений) электрического сопротивления контрольных смесей кокса и агломерата с содержанием кокса от 0 до 100% с шагом 20% (рис. 2).

% кокса по объему в смеси с агломератом

Рис. 2 - Результаты измерения электрического сопротивления контрольных смесей кокса и агломерата доменного цеха 1 ОАО «НЛМК»

Определение значений опорных сопротивлений основано на том факте, что граница двух соседних смесей соответствует тем значениям логарифмов электрических сопротивлений, где их вероятности равны. На рисунке 3, в качестве примера, выделена точка равновероятного сопротивления для смесей с содержанием кокса 60% и 80%.

Справедливость такого подхода доказывают соответствующие положения теории перколяции, которые сводятся к тому, что в смесях с определенным содержанием кокса, с максимальной долей вероятности, будут образовывать кластеры (скопления) кусков кокса определенной конфигурации и соответственно обладающие определенным электрическим сопротивлением.

,00„

А60

-во I 1 Точка равновероятного / \ 1 \ / сопротивления

ill \ /

-20 0

40___/ \ / \

II \1 \ / \

г 0 2 4 в 8

Электрическое сопротивление, 1дГ1

Рис. 3 - Графическая иллюстрация применения метода равновероятных сопротивлений. Цифры у кривых показывают содержание кокса в контрольной смеси с агломератом в % по объему, кривые отражают вероятность возникновения определенного электрического сопротивления при введении датчика вида шихтовых материалов в смесь

Интерпретация результатов сканирующего зондирования в виде прямоугольной области не в полной мере отражает реальную ситуацию. Логичным представляется изображать результаты измерения распределения шихтовых материалов на профиле доменной печи, что так же упрощает оценку полученной информации технологическим персоналом. Различные исследования, включая анализ разрезов охлажденных доменных печей Японии, показали, что сход шихты в доменной печи происходит в основном равномерно. Тогда можно предположить, что слой микрообъемов шихты при движении вниз будет иметь постоянный объем, а его геометрические характеристики, такие как высота и длина, будут меняться в зависимости от изменения профиля печи по высоте. Иллюстрация данного подхода представлена на рисунке 4.

Слой Ь в момент времени I

Слой Ь в момент времени I + т

у,=У2

11,^2

Рис. 4 - Иллюстрация метода решения задачи опускания шихтовых материалов. Границы слоя Ь в момент времени I показаны линиями и в момент времени 1+т пунктиром. V/ и Уг -объем слоя, Л/ и Ьг - толщина слоя.

В итоге, задача сводится к определению высоты «нового» слоя и размеров составляющих его элементов после опускания слоя на высоту вертикального разрешения зонда. Параметры, описывающие изменение слоя и его положение в доменной печи приведены на рисунке 5.

Необходимыми и достаточными параметрами, описывающими слой являются его высота Я, длина пристеночного элемента /, остаточная длина пристеночного элемента 10Ст. и длина элемента После их определения можно переходить к определению параметров «нового» слоя.

Новая длина верхней границы слоя, после его опускания, увеличится на длину пристеночного элемента:

К„. = Л + /.

(1)

Высота слоя будет равна:

Н,

(2)

нов.

Рис. 5 - Определение параметров, описывающих изменение слоя и его положение в ДП. Л -длина верхней границы слоя; йвов - длина верхней границы слоя после его опускания на заданную величину; - радиус колошника; - радиус распара; Нсз - расстояние от

металлургического нуля до оси сканирующего зонда; Нк - высота колошника; На -расстояние от металлургического нуля до верхней границы «базового» слоя; Нш - высота шахты; Я - высота слоя; Ннов - высота слоя после его опускания; I - длина пристеночного элемента; /ост. - длина элемента, формирующего совместно с пристеночным площадь, равную площади среза микрообъема; /„. - длина микрообъема; а - угол наклона шахты; -площадь среза микрообъема; &,„,,„. - площадь пристеночного элемента; 5«. - площадь слоя

Порозность микрообъема смеси шихтовых материалов предлагается определять по упрощенной схеме, соответствующей теоретическим представлениям закономерностей формирования смесей.

По трем реперным точкам (порозность кокса, порозность железорудной смеси, порозность смеси (кокс + железорудные материалы) в близи точки порога перколяции (60 % по объему кокса + 40 % по объему железорудной смеси)) определяются, в аналитическом виде, две зависимости, описывающие порозность как функцию от содержания кокса. Одна в

диапазоне от 0 % до 60 %, другая от 60 % до 100 %. В общем виде функции будут имеют следующий вид:

где: /; и порозность смеси в диапазонах содержания кокса от 0 до 60 % по объему и от 60 до 100 % по объему соответственно, еа - порозность слоя железорудной смеси,

бя/л - порозность смеси кокса и агломерата в близи точки теоретического

порога перколяции, К - объемное содержание кокса (в %), а/ наг - коэффициенты. Коэффициента а; и а2 рассчитываются следующим образом:

где: ек - порозность слоя кокса.

Таким образом, получается, что, зная содержание кокса в смеси можно определить порозность смеси. Т.к. сканирующий зонд дает возможность определять содержание кокса смеси в определенном интервале значений, то для определения порозности микрообъема смеси предлагается использовать значения, соответствующие серединам интервалов.

Графическая иллюстрация метода оценки порозности смеси шихтовых материалов доменной плавки представлена на рисунке 6.

Общая порозность столба микрообъемов шихты определяется, как средневзвешенная по объему:

где: п, - количество микрообъемов в слое, соответствующих смеси ¡; е, - порозность микрообъема, соответствующего смеси ¡; N - количество микрообъемов в слое.

Для определения рудной нагрузки вносимой одним микрообъемом отношение доли кокса к железорудной части принимается по середине интервала содержания кокса, соответствующего данному микрообъему шихты.

// = ЕА- а,К,

12 = Ет1„ - а2(К - 60),

(4)

(5)

(8)

Рис. 6 - Графическая иллюстрация метода оценки порозности смеси кокса и агломерата

Данные исследований о распределении кокса и агломерата по радиусу доменной печи и о конфигурации зоны плавлениям позволяют разработать надежные уравнения, связывающие форму и положение зоны плавления с распределением порозности в столбе шихтовых материалов.

Уравнения вертикальных координат для верхней и нижней изотерм зоны плавления соответственно имеют вид:

Н"=Нт -2° +к"„-е1 , (9)

Н" ~ - 2" + • - , (10)

где: Нш - высота интегрирования, мм,

2? - начальные условия зоны плавления (нижняя изотерма), мм, 2!* - конечные условия зоны плавления (верхняя изотерма), мм, е-порозность, м3/м3

Иан - высота аномальной зоны (коэффициент учитывает влияние распространения

газового потока над фурменными очагами на положение зоны плавления), мм, к" - настроечный коэффициент (нижняя граница), к" - настроечный коэффициент (верхняя граница).

Область решения задачи, т.е. объем, ограниченный верхней кромкой зонда и осью фурм, покрывается нерегулярной прямоугольной сеткой. Определение параметров узлов сетки, в целом, идентично решению задачи опускания материалов, т.к. микрообъемы шихты, перемещаясь, несут с собой соответствующее им поле порозности. Для вертикальных координат, определенных по формулам выше, подбором определяются горизонтальные координаты соответствующих узлов сетки.

РАЗРАБОТКА НОВОЙ ВЕРСИИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДА

Систему сканирующего зондирования можно условно разделить на три узла: сама зондовая система, система управления зондом, реализованная на ПЛК, и математическое обеспечение системы. Сама зондовая система состоит из копья зонда, сложной сальниковой системы, гидравлических приводов, станции гидравлики и других узлов. ПЛК управляет зондом, и получат от него измерительный сигнал, произведя его первичную обработку, он формирует на персональном компьютере два файла, в одном из которых содержится информация о зондировании, в другом - непосредственно результат зондирования. Состав системы сканирующего зондирования и схема взаимодействия ее компонентов представлена на рисунке 7.

Сама зондовая система:

Рис. 7 - Состав системы сканирующего зондирования и взаимодействие ее компонентов

Для передачи информации от системы управления к программному обеспечению был выбран наиболее простой вариант обмена данными в виде файлов.

Интерпретация полученных результатов, содержащихся в описанных выше типах файлов, начинается с определения структуры столба шихтовых материалов. При известных значения опорных сопротивлений алгоритм расшифровки сводится к простому последовательному сравнению измеренного сопротивления с опорными (рис. 8). Пример результатов работы алгоритма приведен на рисунке 9.

• Копье зонда

• Сальниковая система ^

• Система гидравлики и др.

Система управления зондом

ПЛК

ПК

с установленным на нем программным обеспечением

Рис. 8 - Алгоритм работы блока расшифровки сигнала

Щ' Режим "Смеси" - Scanning Probe

Рис. 9 - Результат работы алгоритма расшифровки сигналов сканирующего зонда в окне программы. Результаты относятся к зондированию, произведенному на ДП 5А завода ЭКО-Шталь 23.03.2000 при выплавке предельного чугуна

На основании структуры распределения материалов внутри печи производится оценка распределения порозности и рудной нагрузки по радиусу печи (рис. 10). Результаты работы алгоритма приведены на фоне эквивалентного слоя, т.е. структуры распределения материалов, в которой микрообъемы упорядочены по содержанию в них кокса. Алгоритмом последовательно определяются порозность и рудная нагрузка для каждого микрообъема в каждом слое, на основании которых рассчитывается общая порозность и рудная нагрузка столбцов микро объемов.

Рудная нагрузке и порозность - Scanning Probe

-5

1000 1500 2000 2500 3000 3500

0-25% Кокса 25-55ХКок са 557КШки 75-1Ш Кокса

Число прояодв: | ^

Порозность

Рваная нагрузка

OK

Сохранить результат как картинку

Печать

Рис. 10 - Результат работы модуля определения распределения рудной нагрузки и порозности по радиусу доменной печи в окне программы. Результаты относятся к зондированию, произведенному на ДП 5А завода ЭКО-Шталь 23.03.2000 при выплавке

предельного чугуна

По данным распределения порозности по радиусу печи производится оценка формы и положения зоны плавления. Алгоритм по соответствующим формулам последовательно определяет вертикальные координаты верхней и нежней изотерм зоны плавления для каждого столбца микрообъемов. Определение горизонтальных координат производится по следующему алгоритму (рис. II) для каждой из двух изотерм: рассчитанная вертикальная координата сравнивается с координатами верхних левых узлов соответствующих ячеек /'-ой и (¡+1)-й строк сетки (строки нумеруются сверху вниз), если вертикальная координата попадает в этот придел, то горизонтальная координата принимается равной соответствующей горизонтальной координате верхнего левого узла г'-ой строки.

Рис. 11 - Алгоритм определения горизонтальных координат изотерм зоны плавления. ] -

счетчики; ,1тах - число строк сетки, покрывающей область решения задачи; У-вертикальная координата верхнего левого узла ячейки сетки; у - вертикальная координата участка изотермы; X - горизонтальная координата верхнего левого узла ячейки сетки; х -горизонтальная координата участка изотермы.

В программе форма и положение зоны плавления визуализируется на профиле доменной печи (рис. 12). Этот модуль так же включает результаты работы алгоритма

18

интерпретации результатов сканирующего зондирования с учетом расширяющегося профиля шахты доменной печи. В правой верхней части окна изображается один полный цикл зондирования в увеличенном масштабе.

Рис. 12 - Результат работы модуля идентификации формы и положения зоны плавления и интерпретации результатов сканирующего зондирования с учетом расширения профиля шахты ДП. Результаты относятся к зондированию, произведенному на ДП 5А завода ЗК0-Шталь 23.03.2000 при выплавке предельного чугуна, и приведены в окне программы

Помимо основных, описанных выше, аналитических модулей программа включает в себя широкий диапазон сервисных интерфейсов и алгоритмов, позволяет изменять всевозможные параметры, начиная от цветов отображения материалов до настоечных коэффициентов уравнений. Общие принципы работы с программой соответствуют философии ХУтёохуб-приложений.

ГРАДУИРОВКА ДАТЧИКА ВИДА ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ «ОШИБКИ ДИСКРЕТНОСТИ» ИЗМЕРЕНИЯ

Градуировка датчика вида шихтовых материалов (ДВШМ) для условий ОАО «НЛМК» проводилась на смесях кокса и агломерата с содержанием кокса 0, 20, 40, 50, 60, 80 и 100 % по объему. Материалы отбирались на шихтоподаче ДП 5 в месте их загрузки в скипы, после чего тщательно перемешивались и засыпались в заземленную металлическую емкость, в которую многократно с усилием вводили макет ДВШМ и измеряли электрическое сопротивление образующейся цепи. Схема данной измерительной установки показана на рисунке 13, схема ДВШМ на рисунке 14.

В результате обработки полученных значений были определены следующие значения опорных сопротивлений:

Таблица 1 - Значения опорных сопротивлений для условий ОАО «НЛМК»

Доля кокса в смеси, % Логарифм сопротивления, Ом Опорные сопротивления, Ом

100

-0,497 0,318

80

0,104 1,271

60

1,083 12,106

40

3,277 1892,344

20

5,479 301300,602

0

«Ошибка дискретности измерения» сканирующего зонда может быть связана с измерением сопротивления на четкой границе раздела материалов и фактом непрерывного схода шихты в момент зондирования.

Для исследования влияния первого фактора был проведен эксперимент, в ходе которого в испытательной емкости искусственно формировалась четкая граница раздела материалов, и модель ДВШМ вводилась в емкость на различном удалении оси датчика от границы раздела по обе ее стороны (рис. 15).

В результате эксперимента (рис. 16) было установлено, что датчик теряет чувствительность на расстоянии половины своего радиуса от границы раздела. Подобная ситуация может возникать в реальных условиях, например, на границе двух крупных кластеров. При удалении датчика на один радиус от границы раздела идентификация материала производится с высокой точностью, таким образом, влияние данного фактора на результаты измерения в масштабе доменной печи и с учетом толщины слоев шихтовых материалов является не значительным.

о>

♦

♦ ♦

♦ "1 ♦ ♦ ♦ ♦

♦

♦

♦

---,-----В- ♦ г *

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Смещение оси ДВШМ относительно гарницы раздела материалов (кокс-агломерат), мм

Рис. 16 - Результаты измерения электрического сопротивления вблизи границы раздела кокса и агломерата. Отрицательное смещение соответствует смещению датчика в сторону агломерата, положительное - в сторону кокса

Во время сканирующего зондирования, когда зонд совершает проходы от стенки печи к ее центру и обратно, сход шихты продолжается. Таким образом, в течение зондирования одного микрообъема зондируемый слой опустится на некоторую высоту и к началу зондирования следующего микрообъема этот микрообъем, как бы будет состоять из нескольких слоев (рис. 17). Для скорости схода в 9,5 см/мин были получены следующие результаты: смещение одного элемента, относительно другого составляет 0,9 мм, смещение первого элемента в слое относительно последнего - 30,6 мм.

Сканирующий

зонд

Слой шихтовых материалов

Т"

Микрообъем шихты в слое

/

(А)

(В)

Рис. 17 - Иллюстрация проблемы влияния непрерывного схода шихты на показания системы сканирующего зондирования. А - положение зонда относительно слоя шихты в момент времени г, В - в момент времени I + г, V- скорость перемещения зонда; V-скорость схода

шихты

Несмотря на то, что отношение общего смещения к высоте слоя является достаточно значительным, эта величина очень мала по отношению к радиусу зондирования (3500 мм), и составляет порядка 0,8 %. Следовательно, влияние данного явления незначительно и его компенсация не требуется.

ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ СКАНИРУЮЩЕГО

ЗОНДИРОВАНИЯ

Методика оценки адекватности результатов сканирующего зондирования

основана как на их сравнении с результатами работы других систем (модель загрузки, радарный профилемер), так и на проверке системы самой себя с использованием тестовых матриц загрузки, реализующих легко прогнозируемые изменения в расположении слоев шихтовых материалов.

В качестве тестовых матриц предложено использовать матрицы, реализующие загрузку двух подач кокса вместо чередования подач кокс-агломерат, при этом зондом должно фиксироваться пропорциональное утолщение слоя кокса относительно базового варианта; выгрузку тонкого кольца кокса на середину радиуса печи; выгрузку из бункера смеси кокса с агломератом. При сравнении результатов с показаниями модели слоев профилемера следует учитывать влияние на них эффекта выгона кокса и корректировать режим загрузки для исключения его влияния на период проведения теста путем расположения материалов с наклоном к стенкам лечи и выгрузкой железорудной части шихты за большее количество оборотов лотка загрузочного устройства.

Эмпирические формулы, использованные для определения координат зоны плавления, так же используются и в математической модели загрузки «Пауль Вюрт -МИСиС». В сою очередь адекватность применения данных формул в модели загрузки «Пауль Вюрт - МИСиС» была проверена прямым измерением при помощи многоточечного термозонда ИШЭ.

Роль сканирующего зонда в разработке систем загрузки заключается в предоставлении достоверной информации о распределении шихтовых материалов внутри доменной печи и параметрах газового потока, которая служит отправной точкой для последующих действий. Непосредственно подбор матрицы загрузки должен производиться на модели загрузки доменной печи методом итеративного интеллектуального поиска. Выбранный режим загрузки должен подвергаться проверке зондированием после его установки на ДП.

выводы

1. Показано, что сканирующий зонд предоставляет наиболее полную информацию о внутреннем состоянии доменной печи, необходимую для эффективного управления доменным процессом, получение которой другими методами является невозможным.

2. На основе новых данных о поведении слоя шихтовых материалов разработана новая версия программного обеспечения для интерпретации результатов сканирующего зондирования и аналитической обработки этой информации, применение которой возможно в условиях любых доменных печей.

3. Путем многократного измерения электрического сопротивления контрольных смесей шихтовых материалов произведена градуировка датчика вида шихтовых материалов для условий ДП № 5 ОАО «НЛМК».

4. Предложен и программно реализован новый метод оценки порозности смеси шихтовых материалов на основе контроля ее электропроводности.

5. Разработан и программно реализован алгоритм, отражающий закономерность распределения смесей шихтовых материалов с формой и положением зоны плавления.

6. Произведения оценка влияния дискретности измерения на показания сканирующего зондирования и показана ее незначительность.

7. Впервые разработана методика оценки адекватности показаний сканирующего зонда, применение которой возможно на доменных печах с любым уровнем оснащенности средствами измерения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Д.С. Кокорин. Автоматическое измерение распределения кокса в работающей доменной печи посредством Сканирующего Зонда// Сборник докладов конференции «63-и дни науки студентов МИСиС». 2008. с. 92-94.

2. Д.С. Кокорин. Интерпретация результатов работы Сканирующего Зонда с учетом расширяющегося профиля доменной печи// Сборник докладов конференции «64-е дни науки студентов МИСиС». 2009. с. 112-114.

3. В.А. Доброскок, Д.С. Кокорин, P.A. Михин, Ю.С. Юсфин. Измерение распределения кокса по радиусу в работающей доменной печи// Изв. вузов. Черная металлургия. 2010. № 1. с. 3-5.

4. В.А. Доброскок, Д.С. Кокорин, P.A. Михин, Ю.С. Юсфин. Исследование кластерной структуры шихтовых материалов доменной плавки на основе измерения их электрического сопротивления// Изв. вузов. Черная металлургия. 2010. № 3. с. 3-5.

5. Д.С. Кокорин. Автоматическое измерение распределения кокса в работающей доменной печи сканирующим зондом и развитие математического обеспечения системы// Сталь. 2010. № 4. Тезисы докладов международного конгресса доменщиков, с. 26-27.

6. V.A. Dobroskok, D.S. Kokorin, R.A. Mikhin, and Yu.S. Yusfin. Measuring the Coke Distribution over the Radius in an Operational Blast Furnace// Steel in Translation, 2010. Vol. 40, No. l,pp. 1-3.

Заказ № 154-аУ09/10 Подписано в печать 23.09.2010 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,25

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru ; е-таИ:irtfo@cfr.ru

Введение.

1. Определение параметров внутреннего состояния доменной печи

1.1. Современные системы для определения внутреннего состояния доменной печи.

1.2. Сканирующий зонд как эффективное средство диагностики доменной печи. Принцип сканирующего зондирования.

1.3. Современные подходы к оценке порозности.

1.4. Моделирование положения зоны плавления.

2. Теоретические основы функционирования сканирующего зонда и интерпретации результатов сканирующего зондирования.

2.1. Основные понятия теории перколяции.

2.2. Метод опорных сопротивлений и методика их определения.

2.3. Интерпретация результатов сканирующего зондирования с учетом перемещения материалов.

2.4. Оценка распределения рудной нагрузки и порозности по радиусу доменной печи.

2.5. Идентификация формы и положения зоны плавления.

3. Разработка новой версии программного обеспечения сканирующего зонда.

3.1. Состав системы сканирующего зонда и схема взаимодействия ее компонентов.

3.2. Разработка и описание алгоритмов работы программного обеспечения.

3.3. Описание работы программного обеспечения.

4. Градуировка датчика вида шихтовых материалов и исследование ошибки дискретности» измерения.

4.1. Градуировка датчика вида шихтовых материалов для условий

ОАО «НЛМК».

4.2. Исследование поведения датчика при его попадании на четкую границу раздела материалов доменной плавки.

4.3. Оценка влияния скорости схода шихты на показания сканирующего зонда.

5. Практические аспекты применения системы сканирующего зондирования.

5.1. Вычислительный эксперимент и определение положения зон с низкой газопроницаемостью.

5.2. Разработка методики оценки адекватности показаний сканирующего зонда.

5.3. Разработка специальных режимов загрузки.

5.4. Оценка ожидаемого экономического эффекта от внедрения сканирующего зонда.

Выводы.

Список публикаций по материалам диссертации.

Актуальность работы определяется потребностями доменного производства в разработке высокоэкономичных ресурсосберегающих и утилизационных технологий выплавки чугуна. Разработка подобных технологий неразрывно связана со специальными, и часто специфическими, системами загрузки доменной печи (ДП), реализация которых требует получения достоверной информации о распределении шихтовых материалов в доменной печи после загрузки. Результаты работы доменной печи во многом зависят от эффективности управления газовым потоком в пространстве доменной печи, что в свою очередь требует получения объективной информации о положении зон с низкой газопроницаемостью и оценки газодинамических параметров столба шихты.

Целью работы являлось исследование закономерностей образования слоев шихтовых материалов в доменной печи, установление связи между параметрами образующихся смесей и их газопроницаемостью и разработка на основе этих данных универсальной версии математического обеспечения системы контроля слоя для определения распределения кокса в столбе шихтовых материалов в работающей доменной печи. Развитее математического обеспечения заключалось в интерпретации результатов с учетом расширения профиля шахты доменной печи, разработке и реализации методики оценки распределения порозности по радиусу доменной печи, исследовании взаимосвязи распределения газового потока с формой и положением зоны плавления с разработкой и, программной реализацией соответствующего алгоритма.

Научная новизна работы:

- Найдена и объяснена связь между электропроводностью компонентов шихты и структурой слоя в шахте доменной печи. На основе этой зависимости предложен новый метод оценки порозности смеси шихтовых материалов на основе контроля ее электропроводности. Сущность метода заключается в вероятностной оценке содержания кокса в сканируемом микрообъеме шихты и дальнейшего определения его порозности по «упрощенным кривым Фернеса».

- Разработан алгоритм, отражающий связь распределения смесей шихтовых материалов с формой и положением зоны плавления. Показано, что неизбежное образование смесей шихтовых материалов оказывает значительное и не учитываемое ранние влияние на распределение газовых потоков в шахте печи.

Практическая значимость работы заключается в создании инструмента, позволяющего производить оценку распределения смесей кокса с другими шихтовыми материалами с учетом профиля доменной печи, расположение зон с низкой газопроницаемостью, распределения порозности и рудной нагрузки по радиусу печи и формы и положения зоны плавления.

Выводы

1. Показано, что сканирующий зонд предоставляет наиболее полную информацию о внутреннем состоянии доменной печи, необходимую для эффективного управления доменным процессом, получение которой другими методами является невозможным.

2. На основе новых данных о поведении слоя шихтовых материалов разработана новая версия программного обеспечения для интерпретации результатов сканирующего зондирования и аналитической обработки этой информации, применение которой возможно в условиях любых доменных печей.

3. Путем многократного измерения электрического сопротивления контрольных смесей шихтовых материалов произведена градуировка датчика вида шихтовых материалов для условий ДП № 5 ОАО «НЛМК».

4. Предложен и программно реализован новый метод оценки порозности смеси шихтовых материалов на основе контроля ее электропроводности.

5. Разработан и программно реализован алгоритм, отражающий закономерность распределения смесей шихтовых материалов с формой и положением зоны плавления.

6. Произведения оценка влияния дискретности измерения на показания сканирующего зондирования и показана ее незначительность.

7. Впервые разработана методика оценки адекватности показаний сканирующего зонда, применение которой возможно на доменных печах с любым уровнем оснащенности средствами измерения.

Список публикаций по материалам диссертации

1. Д.С. Кокорин. Автоматическое измерение распределения кокса в работающей доменной печи посредством Сканирующего Зонда// Сборник докладов конференции «63-и дни науки студентбв МИСиС». 2008. с. 92-94.

2. Д.С. Кокорин. Интерпретация результатов работы Сканирующего Зонда с учетом расширяющегося профиля доменной печи// Сборник докладов конференции «64-е дни науки студентов МИСиС». 2009. с. 112-114.

3. В.А. Доброскок, Д.С. Кокорин, P.A. Михин, Ю.С. Юсфин. Измерение распределения кокса по радиусу в работающей доменной печи// Изв. вузов. Черная металлургия. 2010. № 1. с. 3-5.

4. В.А. Доброскок, Д.С. Кокорин, P.A. Михин, Ю.С. Юсфин. Исследование кластерной структуры шихтовых материалов доменной плавки на основе измерения их электрического сопротивления//Изв. вузов. Черная металлургия. 2010. № 3. с.3-5.

5. Д.С. Кокорин. Автоматическое измерение распределения кокса в работающей доменной печи сканирующим зондом и развитие математического обеспечения системы// Сталь. 2010. № 4. Тезисы докладов международного конгресса доменщиков, с. 26-27.

6. V.A. Dobroskok, D.S. Kokorin, R.A. Mikhin, and Yu.S. Yusfin. Measuring the Coke Distribution over the Radius in an Operational Blast Furnace// Steel in Translation, 2010. Vol. 40, No. 1, pp. 1-3. 1.

1. Автоматическое управление металлургическими процессами: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп.// Беленький A.M., Бердышев В.Ф., Блинов О.М., Каганов В.Ю. М.: Металлургия, 1989.

2. Carman P.C.//Trans. Inst. Chem. Eng. -1937.-N15. -p.150.

3. Ergum S.//Chem.Eng. Progress, 1952. -N48. -p.89-92.

4. Клемперт B.M. Похвиснев А.Н.//Сталь. -1972. -N10, c.878-882.

5. Рамм A.H. Определение технических показателей доменной плавки (расчетные бланки и справочные данные). -Ленинград: Изд. ЛПИ, 1960.6: Дурнов В.К. Сб. трудов ВНИИМТ.- М., Металлургия, 1970.-С.77-90.

6. Стефанович М.А. Анализ хода доменного процесса. -М.: Металлургиздат, 1960.

7. Колесанов Ф.Ф. Движение газов через слой кусковых материалов. -М.: Металлургиздат, 1956. -с. 68.

8. Чернятин А.И. Металлург, 1966. -N2. -с. 3-7.

9. Шаповалов М.А. Теория и практика металлургии. -1937, N3.

10. Ешар Р. Черные металлы. -1971. -N12. -с.1-40.

11. В.П. Тарасов, П.В. Тарасов. Теория и технология доменной плавки// Москва, «Интремет Инжиниринг», 2007

12. Тарасов В.П. Комплексное исследование и оптимизация газодинамики в шахте доменной печи//Дис. на соиск. уч. ст. д.т.н.- Днепропетровск, 1980.

13. Бугаев K.M. Распределение газов в доменных печах. М.: Металлургия, 1974. -с.175.

14. Bogdandy L. von. Kinetic and dynamic mathematical model of the blast furnace process.//Prac. Int. Conf. Sei. And Technol Iron and Steel. -Tokyo, 1970.- Part Tokyo.- 1971.-p.131-136. Discuss.

15. P. С. Тахаутдинов, С. H. Ушаков, В. И. Сединкин и др. Технологические аспекты работы доменных печей с БЗУ "PAUL WURTH"// Сталь, 2008, № 11, с. 15-17.

16. Курунов И.Ф. К вопросу об эффективности применения на доменных печах различных загрузочных устройств// Металлург, № 11, 2009, с. 34-41.

17. Клемперт B.M., Френкель M.M., Гришкова A.A. Контроль и управление газораспределением доменной печи. М.: Металлургия, 1993.

18. Официальный сайт фирмы ТМТ www.tmt.com.

19. Patent application No. JP20060186559 20060706. Apparatus ford detecting behavior of charge in blast furnace. Hasegawa Noboru and others.

20. Image fiber probe for detection of furnace top burden particle size. Murakawa Shigemi, Taguchi Seiji, Konishi Yukio, Hamada Takao. Kawasaki Stell Techn Rept. -1988.- №19.- pp. 120-122.

21. Новые методы экспериментального исследования и математического моделирования поведения шихтовых материалов доменной плавки. Загитов Р.Э. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

22. Mesure optigue de la granulometrie des matieres, chargees au haut fourneau. Moretti J.M., Tondo F.//Rev. Met.-1990-87- №12.- c. 1093-1100.

23. Sideways tuyere probe for measuring of blast furnace raceway zone./ Takeda Kanji, Taguchi Seiji, Hamada Takao, Nakai Toshikazu, Kato Haruo.// Kawasaki Stell Techn Rept.-1988.-№19.-pp. 123-125.

24. IRSID. Отчет многоточечного зондирования ДП № 3 завода Patutal. 01.03.2001.

25. Загитов Р. Э., Киреев С. В., Чижиков А. Г. Зависимость электропроводимости агломерата и кокса от температуры //Изв. вузов. Чёрная металлургия.-1998.-№7.

26. Электрические зонды для определения распределения материалов на колошнике доменной печи/Н.А. Савчук, С.Б. Ященко, И.Ф. Курунов//Бюллетень ин-та "Черметинформация". Черная металлургия.-1985 -N22.-c.36-3 8.

27. A.c. 1133295 СССР, МКИ с 216 В 7/24 N1. Зонд для контроля параметров шихты в доменной печи/И.Ф. Курунов, H.A. Савчук , В.А. Доброскок и др.(СССР).-Ы 3521494/22-02; Заявл. 15.12.82; Опубл. в Б.И. 1985.

28. Доброскок В.А., Курунов И.Ф., Савчук H.A. и др. Патент 2002809 РФ. Система для контроля распределения шихтовых материалов в доменной печи, Изобретения. Заявки и патенты. 1993. № 41-42

29. Гулд X., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике: Т.2.-М.:Мир, 1990.- 359 с.

30. Доброскок В.А. Загитов Р.Э. Измерение структуры столба шихтовых материалов в доменных печах // Изв. ВУЗов. Черная металлургия, 1996. № 9. с. 81-82.

31. Kurunov I, Dobroskok V., Karabasov J. and others. EUROPEAN PATENT SPECIFICATION EP 1 496 128 Bl, Sensor for defining the distribution of burden material in metallurgical units.

32. Доброскок В. А., Курунов И. Ф., Агарышев А. И., Нетронин В. И., Логинов В. Н. Загрузка коксовой мелочи в доменную печь. Металлург, 1995, № 10, с. 19 -20.

33. Бухвальдер И., Мернитц И., Данго Р. и др. Автоматическая зондовая система для измерения распределения кокса в доменной печи.// Национальная металлургия. Доменное производство.-2001 №1.-с. 48-52

34. Разработка и промышленное применение методов, алгоритмов и инструментальных средств идентификации для системы компьютерной диагностики доменного процесса. Й. Мернитц. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

35. Furnas, С. С. Ind. Eng. Chem. 1931, 23, 1052.

36. N. Standish, Principles in burdening and bell-less charging.

37. Porosity estimation from particles size distribution. Norio Ochiyama, Tatsuo Tanaka. Ind. Eng. Chem. Fundam, 1986, 25, 125-129.

38. Экспериментальные исследования движения шихты и газа в доменной печи. Ковшов В.Н., Петренко В.А., Институт технологии, Днепропетровск, 1996

39. New approach for the determination of the blast furnace cohesive zone. SERT D. ; DANLOY G. ; HAVELANGE O. ; SAIZ DE AYALA J. EUR ISSN 1018-5593 -2004, no20941, LEN.

40. G. Danloy, J. Mignon, R. Munnix, G. Dauwels, L. Bonte. A Blast Furnace Model to Optimize the Burden Distribution // Publication on CRM official web-site www.crm-eur.com

41. J. Buchwalder, V. Dobroskok, E. Lonardi, R. Goffin, G. Thillen, S. Kohler. Contemporary blast furnace top charging practices // Stahl und Eisen. 4/2008. p. 4754

42. IRSID. Отчет многоточечного зондирования ДП № А завода ЕКО Stahl. 2001.

43. Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы: Учебное пособие. М.: Едиториал УРСС, 2002. 112 е., илл.

44. Займан Дж. Модели беспорядка. Теоретическая физика, однородно неупорядоченных систем. -М.: Мир, 1982.

45. Эфрос A.JI. Физика и геометрия беспорядка; главная редакция физико-математической литературы. Москва, Наука, 1982.

46. Кестен X. Теория просачивания для математиков. Москва, Мир, 1986.

47. Giulli I. and others. Investigation of burden dissent in the Blast Furnace // Proceeding of the Sixth Int. Iron and Steel Congress. 1990. c. 521-526.

48. Porosity estimation for random packings of spherical particles. Norio Ochiyama, Tatsuo Tanaka. Ind. Eng. Chem. Fundam, 1984, 23, 490-493.

49. Восстановление железных руд. Людвиг фон Богданди, Ганс-Юрген Энгель. Москва, «Металлургия», 1971 г. 520 с.

50. Текамото Я. и др. Определение формы зоны плавления доменной печи // Тэцу то хаганэ. 1982. N 11- с. 781

51. Chen J. Akiyama Т., Yagi J. Effect of Burden Distribution Pattern on Gas Flow in a Packed Bed // ISIJ Int. 32. 1992 c. 1259-1267.

52. Доброскок В.А. Специальные системы загрузки доменных печей // Черные металлы. 2007. - №9

53. Й. Бухвальдер, Й. Хунгер, М. Клёппель, В. Доброскок, Р. Данго, Г.О. Кройц. Использование системы зондов для измерения распределения шихты в доменной печи // Черные металлы. 2001. № 5. С. 22-26.