Разработка логико-динамической модели с целью повышения эффективности выплавки чугуна в доменной печи Истомин Александр Сергеевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Состояние вопроса, постановка основных задач диссертационной работы 10

1.1 Особенности управления доменной плавкой в современных условиях 10

1.2 Применение модельных и экспертных систем для управления доменной плавкой 12

1.3 Особенности переходных процессов в доменной печи 18

1.4 Постановка задач диссертационного исследования 23

Глава 2. Структура логико-динамической модели поддержки принятия решений для управления доменной плавкой в режиме реального времени 25

2.1 Структура модели 25

2.2 Функциональная модель автоматизированной логической подсистемы поддержки принятия решений 27

2.3 Разработка структуры логико-аналитической модели диагностики отклонения доменной плавки от нормального режима 36

2.4 Разработка структуры динамической модели прогнозирования хода доменной плавки 38

2.5 Выводы 40

Глава 3. Математическое, алгоритмическое и информационное обеспечение логической подсистемы диагностики хода доменной плавки 42

3.1 Математическое обеспечение подсистемы распознавания нормального режима работы доменной печи 42

3.2 Математическое обеспечение подсистемы распознавания видов отклонения от нормального режима работы доменной печи 48

3.3 Выводы 62

Глава 4. Математическое, алгоритмическое и информационное обеспечение подсистемы прогнозирования хода доменной плавки в режиме реального времени 63

4.1 Математическое моделирование и исследование особенностей переходных процессов в нижней ступени теплообмена 63

4.2 Структура модели исследования переходных процессов доменной плавки 70

4.3 Расчет переходных процессов газодинамического сопротивления слоя шихты, теплового состояния доменной печи при изменении свойств и состава загружаемых железорудных материалов и параметров комбинированного дутья 79

4.4 Выводы 90

Глава 5. Решения технологических задач анализа и прогнозирования работы доменных печей с использованием логико-динамической системы 91

5.1 Принципы разработки системы поддержки принятия решений 91

5.2 Реализация и описание логической модели диагностики хода доменной плавки 95

5.3 Реализация и описание модели прогнозирования хода доменной плавки в режиме реального времени 99

5.4 Использование логико-динамической системы поддержки принятия решений для анализа и прогнозирования работы доменных печей 104

5.5 Выводы 125

Заключение 127

Список литературы 129

Приложение 1 Технологические основы распознавания вида отклонения доменной плавки от нормального режима 144

Приложение 2 Фрагменты DFD-диаграмм расчетов динамических характеристик газодинамического сопротивления слоя шихты при изменении свойств и состава загружаемых железорудных материалов 156

Приложение 3 Примеры расчетов распознавания видов отклонения от нормального режима работы доменной печи 164

Приложение 4 Акт испытаний пакета программ «Распознавание вида отклонений доменной плавки от нормального режима» 172

Приложение 5 Акт испытаний пакета программ «Моделирование динамики доменного процесса при изменении состава и свойств железорудного сырья и кокса, дутьевых параметров» 175

Приложение 6 Акт внедрения результатов работы в учебных процесс 178

• Особенности переходных процессов в доменной печи
• Математическое обеспечение подсистемы распознавания видов отклонения от нормального режима работы доменной печи
• Структура модели исследования переходных процессов доменной плавки
• Использование логико-динамической системы поддержки принятия решений для анализа и прогнозирования работы доменных печей

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Для совершенствования технологии выплавки чугуна и решения задач

управления такими сложными и энергоёмкими технологическими агрегатами как доменные печи должны использоваться интеллектуальные системы управления, включая блок прогнозирования. Анализ состояния вопроса по реально используемым математическим моделям в практике управления доменной плавкой в режиме реального времени позволяет констатировать, что в настоящее время такие методы и соответствующее программное обеспечение практически не разработаны, что определяет актуальность работы.

Степень разработанности темы исследования

Степень разработанности темы исследований недостаточна. Практически отсутствуют математические модели, позволяющие в режиме реального времени с учетом динамики процесса, прогнозировать тепловой, газодинамический и шлаковый режимы доменной плавки.

Анализ современного состояния управления доменной плавкой позволяет сделать вывод о том, что в первую очередь следует сосредоточиться на решении следующих научных проблем:

разработке и исследованию динамической математической модели доменного процесса в целом и по отдельным каналам контроля и управления;

- поиску, исследованию, идентификации параметров состояния и прогнозу показателей доменного процесса.

Цель работы: повышение эффективности выплавки чугуна на основе разработки логико-динамической модели доменной плавки.

Задачи исследования:

1. Разработка структуры и функциональной модели логико-динамической подсистемы поддержки принятия решений для анализа и прогноза доменной плавки с учетом требований технологического персонала.

2. Усовершенствование математической модели доменного процесса УрФУ-ММК за счет учета динамики процесса и введения логической подсистемы диагностики хода доменной плавки.

3. Разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения логико-динамической подсистемы поддержки принятия решений доменной плавки.

4. Интеграция логико-динамической подсистемы в информационно-моделирующую систему поддержки принятия решений доменного процесса УрФУ-ММК и решение технологических задач оценки и прогнозирования хода доменной плавки.

Научная новизна:

5. Разработана функциональная модель логико-динамической подсистемы поддержки принятия решений для управления доменной плавкой.

6. Усовершенствована математическая модель диагностики состояния и прогнозирования хода доменной плавки УрФУ-ММК за счет разработки логической подсистемы, использующей комплекс контролируемых параметров и расчетных по модели показателей.

7. Усовершенствована математическая модель доменного процесса УрФУ-ММК, позволяющая рассчитывать переходные процессы по различным каналам воздействий и прогнозировать параметры доменной плавки в реальном времени в количественном выражении.

8. Создана совокупность алгоритмов модельной системы поддержки принятия решений, позволяющих количественно оценивать ход доменной плавки и распознавать виды и вероятность отклонения плавки от нормального режима.

9. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение логико-динамической подсистемы диагностики и прогноза хода доменной плавки.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость

Разработаны принципы создания логико-динамической модели подсистемы поддержки принятия решений для стабилизации параметров доменной плавки в режиме реального времени.

- При создании математического, алгоритмического и программного
обеспечения учтены значительные запаздывания в объекте, существенная
инерционность в развитии процессов тепло- и массообмена и многовариантность
возможных решений.

Практическая значимость

Разработанные математическое, алгоритмическое и программное обеспечения найдут практическое применение:

при решении комплекса технологических задач по управлению доменной плавки в режиме реального времени;

- при совершенствовании режимов работы и систем управления
технологическими, в частности металлургическими объектами;

при разработке автоматизированных рабочих мест инженерно-технологического персонала сложных технологических объектов в металлургии;

- в преподавании дисциплин для студентов вузов соответствующих
специальностей.

Использование результатов работы. Пакеты прикладных программ «Распознавание вида отклонений доменной плавки от нормального режима», «Моделирование динамики доменного процесса при изменении состава и

5 свойств железорудного сырья и кокса, дутьевых параметров» переданы управлению информационных технологий ОАО «ММК» для испытаний. Материалы диссертации внедрены в учебный процесс в ФГАОУ ВО УрФУ для подготовки магистров по направлениям: 22.04.02 – «Металлургия», образовательная программа «Металлургия черных, цветных и редких металлов; 09.04.02 – «Информационные системы и технологии», образовательная программ «Информационные системы и технологии в металлургии»; бакалавров по направлению 22.03.02 – «Металлургия», образовательная программа «Металлургия»; 09.03.02 – «Информационные системы и технологии», образовательная программа «Информационные системы и технологии в металлургии».

Методология и методы исследования

Базируются на закономерностях физико-химических, гидрогазодинамических процессов, протекающих в доменной печи; положениях теории тепло- и массообмена; на обобщении опыта инженерно-технологического персонала по управлению доменной плавкой; на использовании методов математического моделирования; на современных принципах разработки алгоритмического и программного обеспечения.

Положения, выносимые на защиту:

1. функциональная модель и структура логико-динамической подсистемы поддержки принятия решений доменной плавки;

2. усовершенствованная динамическая математическая модель доменного процесса, позволяющая прогнозировать параметры доменной плавки в реальном времени;

3. совокупность алгоритмов модельной системы поддержки принятия решений, позволяющих по реально доступной информации количественно оценивать ход доменной плавки и распознавать виды и вероятность отклонения плавки от нормального режима;

4. алгоритмическое и программное обеспечения логико-динамической подсистемы диагностики и прогноза хода доменной плавки.

Степень достоверности полученных результатов доказана соответствием полученных результатов современным закономерностям доменного процесса, сопоставлением результатов моделирования с производственными данными, соответствием общепринятой системе оценки явлений доменной плавки, а также использованием современных методов, технологии и средств разработки программного обеспечения, предназначенного для решения технологических задач.

Личный вклад автора состоит в разработке функциональной модели и структуры логико-динамической подсистемы поддержки принятия решений доменной плавки; усовершенствовании математической модели диагностики состояния и прогнозирования хода доменной плавки УрФУ-ММК; разработке

алгоритмического и программного обеспечения логико-динамической подсистемы диагностики и прогноза хода доменной плавки; анализе технологических показателей доменной плавки.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на конференциях международного уровня: «Многоконцептуальность в науке» (Екатеринбург, 2011); «Творческое наследие В. Е. Грум-Гржимайло: история, современное состояние, будущее» (Екатеринбург, 2014); «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология» (Москва, 2014), «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (Екатеринбург, 2015); «Современные научные достижения металлургической теплотехники и их реализация в промышленности» (Екатеринбург, 2015); всероссийского уровня: III и IV научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве TИM’2014, TИM’2015» (Екатеринбург, 2014, 2015); IX и X научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве AS'2013, AS'2015» (Новокузнецк, 2013, 2015); III и IV научно-практической конференции «Моделирование и наукоемкие информационные технологии в технических и социально-экономических системах» (Новокузнецк, 2011, 2016).

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 16 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, из них 2 статьи представлены в изданиях, индексируемых в Scopus (WOS), а также получено 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 181 странице машинописного текста, включая 41 рисунок, 18 таблиц, и состоит из общей характеристики работы, 5 глав, заключения, библиографического списка из 133 источников отечественных и зарубежных авторов, 6 приложений.

Особенности переходных процессов в доменной печи

В реальных условиях работы доменной печи любое изменение параметров плавки – изменение рудной нагрузки, состава дутья, его температуры, влажности и пр., является нарушением (возмущением) стационарного состояния, в результате чего возникает переходный процесс к новому стационарному состоянию. Переходные процессы в доменных печах, связанные с перестройкой температурных и концентрационных полей, полей давления и скоростей газа, носят нестационарный характер.

Обстоятельный анализ выполненных исследований динамики переходных процессов доменной плавки представлен в фундаментальных работах проф. Товаровского И.Г. [62, 63]. Там же представлены обобщения результатов определения динамических характеристик доменных печей, выполненных различными исследователями как в России [56, 74, 75, 78], так и за рубежом [51].

Исследование динамических свойств доменной печи осуществляется с использованием:

– статистических методов по данным нормальной эксплуатации доменной печи;

– по результатам активного эксперимента при подаче тестовых сигналов на вход объекта;

– кинетико-математическим моделям доменного процесса.

Определение динамических характеристик с применением статистических методов корреляционных методов по данным нормальной эксплуатации применительно к условиям доменного процесса практически невозможно из-за:

– коррелированности помех, неэргодичности входных сигналов;

– наличия обратных связей;

– нестационарности как возмущений, так и свойств объекта,

– нелинейности динамических и статических характеристик объекта;

– низкой точности оценки корреляционных функций, обусловленной недостаточной длиной реализации случайного процесса.

В связи с этим наряду со статистическими методами определения динамических характеристик распространение получили детерминированные способы исследования динамики доменной плавки путем отбора характерных периодов работы печей, содержащих входные сигналы желаемого типа, или нанесения искусственного возмущения на вход. Методика проведения экспериментов и обработки их результатов общеизвестна и не вызывает каких-либо затруднений. Однако проведение активных экспериментов на действующих доменных печах практически невозможно из-за огромных затрат на исследования.

В практике регулирования доменной плавки сравнительно редко наблюдаются изменения какого-либо одного воздействия. На реакцию системы при ступенчатом (импульсном, гармоническом или ином) входном воздействии, как правило, накладываются и переходные процессы, обусловленные другими воздействиями, а на объект одновременно действует и комплекс неконтролируемых возмущающих воздействий. Эти обстоятельства затрудняют получение достоверных результатов.

Анализируя результаты исследований динамических характеристик отечественных и зарубежных ученых, опубликованные в научной литературе и полученные различными способами, можно констатировать, что они имеют не только количественно, но и качественное различие [62]. Такое, даже качественное различие динамических характеристик по одни и тем же каналам, объясняется наличием существенных погрешностей их определения.

Применение кинетико-математических моделей необходимо для анализа переходных процессов и расчета динамических характеристик, т.к. другими методами определить эти параметры даже качественно практически невозможно. Отметим, что исследования переходных процессов с использованием кинетико- математических моделей были выполнены в BISRA [131], МИСиС и ЦНИИЧМ (Россия) [56].

Фундаментальные исследования этих закономерностей выполнены уральской школой металлургов [86–89]: в Уральском государственном техническом университета (УрФУ) [90–94], ВНИИМТ [74, 75, 78].

Следует отметить, что перспективным является подход, впервые предложенный в диссертационной работе Гилевой Л.Ю. [90] (УГТУ–УрФУ). Данный подход предусматривает задание динамических характеристик объекта по каналам передачи входных параметров в виде последовательного соединения инерционного звена первого порядка и звена чистого запаздывания. По всем каналам передачи переходные процессы носят монотонный не колебательный характер. При этом коэффициенты передачи определялись из математической модели доменного процесса УрФУ (модель статики). Динамические же параметры (постоянная времени объекта и время чистого запаздывания) по различным каналам воздействий принимались или по литературным данным, или на основании известных ранее решений задачи нестационарного теплообмена в противоточно движущемся слое при условии постоянства значении отношения теплоемкостей потоков шихты и газа по высоте печи [87, 88, 90]. Данный подход позволяет, используя готовые решения задач нестационарного теплообмена в слое и модель статики доменного процесса, оценивать изменения динамических характеристик доменной печи. Такие допущение является весьма приближенным, т.к. отношение теплоемкостей потоков изменяется по высоте печи в 3,0–3,5 раза, при этом наблюдается принципиальное различие в закономерностях теплообмен и переходных процессов в верхней и нижней доменной печи при наличии я взаимосвязь процессов в этих зонах.

Выполнить более глубокий анализ можно только с использованием полных динамических моделей, позволяющих учитывать основные явления в доменной печи от уровня засыпи до уровня чугунных леток. Такой анализ был выполнен, Б.А. Боковиковым и В.И. Мойкиным с использованием математической модели доменного процесса (модель ВНИИМТ) [74, 75, 78], рисунок 1.1.

В этих работах показано, что переходный процесс, оцениваемый по содержанию кремния в чугуне, имеет апериодический (не колебательный) характер по каналу рудной нагрузки, когда при увеличении (уменьшении) последней содержание кремния в чугуне и его температура монотонно падают (возрастают) и стремятся к новому установившемуся значению.

Однако при воздействиях по расходу природного газа и технологического кислорода такого апериодического характера переходного процесса не наблюдается. Переходный процесс для этих случаев носит знакопеременный (колебательный) характер. Если в первый момент времени после снижения содержания кислорода в дутье температура в горне также снижается, что приводит к уменьшению содержания кремния в чугуне, то после прохождения примерно одного оборота материалов, происходит разогрев продуктов плавки за счет снижения скорости опускания материалов, повышения температуры в шахте и увеличения степени восстановления в верхней ступени теплообмена.

Противоположная картина возникает при снижении расхода природного газа. В начальный момент времени в результате повышения температуры в горне содержание кремния в чугуне возрастает, однако по истечении времени, равного одному обороту материалов, доменная печь начинает холодать. Это обусловлено увеличением скорости схода материалов, уменьшением степени восстановления материалов в шахте из-за снижения в этом участке печи температуры, как газа, так и шихты, а также уменьшения содержания водорода в восстановительном газе. В настоящее время динамическими кинетико-математическими моделями могут пользоваться только их разработчики. К сожалению, за последние почти 30 лет нет никаких сведений в научной и производственной литературе об использовании не только кинетико-математической модели ВНИИМТ, но и других моделей для исследования переходных процессов.

Анализ динамики доменной плавки на основе кинетико-математических моделей позволяет принципиально качественно оценить характер переходных процессов по отдельным каналам воздействий. Выводы, сделанные на основе результатов расчетов по этим моделям справедливы только при условии выполнения допущений, положенных в их основу и для конкретных исходных данных. При решении реальных задач динамики доменной плавки требуется проведение дополнительных научных исследований.

Математическое обеспечение подсистемы распознавания видов отклонения от нормального режима работы доменной печи

Все отклонения от такого режима можно объединить в три группы.

1. Нарушение устойчивости газового потока (периферийный, центральный и канальный газовые потоки).

2. Нарушение теплового режима плавки (горячий и холодный ход плавки, похолодание и разогрев печи).

3. Нарушение ровного схода шихты в печи (верхнее и нижнее подвисание шихты, тугой ход).

Для выявления вида отклонения плавки от нормального режима целесообразно сравнивать между собой два периода - базовый, для которого значения параметров плавки Xf являются настройкой модели и характеризуют его нормальный режим работы. Для распознавания видов отклонения от нормального режима работы доменной печи выбирается проектный период, в котором производится сбор информации за межвыпускной период после базового периода.

При наличии отклонения от нормального режима доменной плавки разность значений / признакаАXi, характеризующего работу печи в базовом X?и проектном периодах X/7 превышает допустимое значения АX?оп AXt = (Xf -X?) AXfоп (3.3) Если условие (3) выполняется («Истина»), то значению i-го идентификатора признака Рi присваивается значение «1», в противном случае («Ложь») – значение «0». При этом все признаки ранжируются. Каждому из них присваивается значение его ранга Ri изменяющегося в диапазоне от «0» до «1», определяемого методом экспертного оценивания.

Вероятность распознавания видов отклонения от нормального режима значение критерия Bон т рассчитывается по соотношению, аналогичному уравнению 3.2:

Перегрев печи является обычно следствием малой рудной нагрузки, иногда – неконтролируемым улучшением качества железорудного сырья. Признаки горячего хода плавки отражены в таблице 3.4.

Горячий ход доменной плавки характеризуется еще несколькими признаками, которые, как правило, не измеряются имеющимися техническими средствами. К таким признакам относятся, в частности, следующие.

1. При разогреве печи сход шихты характеризуется подстоями и обрывами, а также неустойчивым положением уровня засыпи.

2. На диаграмме давления колошникового газа появляются резкие пики, направленные в сторону повышения давления.

3. Разогрев печи сопровождается более ярким свечением воздушных фурм.

Признаки похолодания доменной плавки перечислены в таблице 3.5. К числу признаков, которые не могут быть зафиксированы техническими средствами относятся следующие.

1. При похолодании печи фурмы работают интенсивно, но «холодно», на них периодически появляется шлак и неподготовленный материал.

2. Понижается выход пара в системе испарительного охлаждения (или температурный перепад охлаждающей воды из холодильников при проточной системе охлаждения печи).

Нарушение в сходе шихты в доменной печи – это наиболее распространенный вид нарушения нормального хода плавки. К этим видам нарушения относятся: тугой ход и подвисания шихты. По своему характеру подвисания шихты различаются на верхние и нижние. В зависимости от нагрева печи подвисания бывают на горячем и холодном ходу.

Этот вид нарушения плавки чаще всего связан с чрезмерным сокращением периферийного газового потока при недостаточной газопроницаемости центральной зоны печи. Это в свою очередь является результатом работы печи с пониженным уровнем засыпи, с работой печи на увеличенной подаче, с увеличением доли мелкой фракции в загружаемой шихте, при работе печи на шлаках повышенной основности.

Признаки тугого хода доменной печи представлены в таблице 3.6.

К числу признаков, характеризующий тугой ход печи, которые невозможно отобразить на компьютере относятся следующие.

1. При тугом ходе печи давление колошникового газа становится неустойчивым – на диаграмме появляются пики повышенного давления.

2. Выход колошникового газа становится неустойчивым.

3. Из-за отсутствия на печах ОАО «ММК» устройств для фиксации содержания СО2 по радиусу колошника отсутствует признак повышения его концентрации на периферии при тугом ходе печи.

Таким образом, для распознавания тугого хода печи имеется 12 признаков. Если из числа этих признаков удовлетворяется 9, то с большой долей вероятности можно судить о том, что печь выходит на «тугой ход».

Нижнее подвисание как правило вызывается нарушениями теплового и шлакового режимов плавки, в результате которых происходит перераспределение газового потока в печи, охлаждение полурасплавленных шлаковых расплавов с потерей их текучести, а иногда и со снижением фильтрующей способности коксовой насадки. Причиной нижнего подвисания может быть и переполнение горна печи жидкими продуктами плавки. Признаки нижнего подвисания представлены в таблице 3.8.Верхнее подвисание шихты связано с кострением материалов в верхней зоне печи и может возникать при любом нагреве печи. Такой вид подвисания возникает, как правило, с ухудшением качества шихтовых материалов (низкая механическая прочность кокса, большое содержание мелочи в железорудном сырье). Возникновение верхнего подвисания может быть следствием несоответствия качества шихтовых материалов дутьевому режиму.

Признаки верхнего подвисания шихты доменной печи отражены в таблице 3.7.

Структура модели исследования переходных процессов доменной плавки

Исследование переходных процессов доменной плавки осуществляется использованием аналитических, теоретических моделей, описывающих закономерности тепло- и массобмена с учетом кинетики протекающих в объеме печи химических реакций; методами пассивного и активного экспериментов, но данным нормальной эксплуатации печи с применением статистических методов, а так же на основе результатов специально поставленных экспериментов или путем отбора характерных периодов нормальной работы печи, содержащие входные сигналы желаемого типа. Каждое из этих направлений имеет очевидные преимущества и недостатки, широко освященные в научной литературе [58, 59, 62, 104, 105].

Аналитические модели, построенные на основе физики процессов, позволяют теоретически оценивать характер динамических характеристик процессов в любых условиях доменной плавки при отсутствии помех [74, 75, 78]. Однако ввиду сложности процессов доменной плавки, проблематичности полного описания процессов, сложности решения системы дифференциальных уравнений, разработанные динамические модели не учитывают в полной мере все особенности протекания процессов, а информация по реально используемым в промышленности динамическим моделям этого класса за последние 30–лет отсутствует.

Основой динамической модели являются фундаментальные знания по теории и практике современного доменного процесса, использование закономерностей процессов тепло- и массобмена, газодинамики, процессов шлакообразования в современной доменной плавке. При этом широко используется математическое, алгоритмическое и программное обеспечение, разработанное ранее научной школой УрФУ в области разработки программного обеспечения для управления доменной плавкой [9, 27, 61, 90–94, 101–103, 123].

Это программное обеспечение позволяет решать комплекс технологических задач только для статического режима работы объекта и рассчитывать коэффициенты передачи по различным каналам воздействий и прогнозировать работу печей без учета динамики процесса.

При решении задачи предусматривается использование аналитической, (полученной на основании фундаментальных знаний), но линеаризованной динамической модели доменного процесса, принципа малых отклонений и опорно-возмущенного движения.

В связи с этим требуется выполнить оценку диапазона изменения входных параметров относительно базового значения, в пределах которых коэффициенты динамической модели можно принять постоянными. Модель работает в отклонениях относительно предшествующего прогнозу базового периода (опорное движение).

Моделирование осуществляется в следующей последовательности.

По усредненным данным работы печи в базовом периоде (10 часов):

1. Расчет доменной шихты. После ввода исходных данных, как для базового, так и прогнозного вариантов выполняется расчет доменной шихты с определением удельного расхода кокса и железорудных материалов по методу А.Н. Рамма [60] с вводом в методику ряда дополнений, выполненных авторами работы.

2. Определяется удельный выход шлака и его состав, расход флюса при заданной основности шлака, а также свойства конечного шлака (вязкость шлака, градиенты вязкости и др.) [61, 101–103]. Блок-схема расчета свойств конечного шлака и перечень определяемых параметров представлен на рисунке 4.3.

3. Моделирование газодинамического режима доменной плавки. Блок-схема моделирования газодинамического режима доменной плавки и перечень основных расчетных параметров представлен на рисунке 4.4 [61, 101–103].

4. Определение расположения и конфигурации зоны вязкопластичного

состояния железорудных материалов. Блок-схема расчета параметров зоны вязкопластичного состояния железорудных материалов приведена на рисунке 4.5 [61, 101–103].

5. Осуществляется определение коэффициентов для проведения факторного анализа (коэффициентов передачи по различным каналам воздействий) по алгоритму УрФУ [61, 101–103] и оценка области применения линеаризованных моделей по методике, представленной в работах [61, 90, 91].

6. Выполняется расчет времени от начала загрузки до момента прихода шихты к фурмам (время одного оборота шихты) Блок-схема расчета времени одного оборота шихты представлена на рисунке 4.6 [61].

7. Расчет переходных процессов газодинамического сопротивления слоя шихты при изменении состава железорудной части и содержания мелочи в агломерате (фр. 0–5 мм).

8. Расчет переходных процессов доменной плавки по различным каналам управления:

– воздействие изменения рудной нагрузки на производительность печи и содержания кремния в чугуне;

– воздействие изменения расхода природного газа на содержание кремния в чугуне;

– воздействие изменения расхода кислорода на производительность печи и содержание кремния в чугуне;

– содержания кремния в чугуне при изменении влажности и температуры дутья, а также основности доменного шлака.

9. По данным изменения входных параметров во времени в проектном периоде осуществляется прогнозирование газодинамического и теплового режима доменной плавки в реальном времени на длительность проектного периода, равного 2,0–2,5 оборотам шихты. В дальнейшем осуществляется сдвиг во времени на два часа и за базовый период принимается новый интервал времени.

Таким образом, в целях повышения надежности оценок в модели использованы соотношения в приращениях, позволяющие исключить влияние инструментальных и систематических погрешностей информационных каналов. Анализ нелинейности доменного процесса показал, что при решении задач прогнозирования в силу относительно небольшого отклонения параметров от базового состояния достаточно использовать линеаризованные зависимости.

Время запаздывания при изменении свойств и расходов шихтовых материалов было принято равным времени одного оборота шихты. Для определения вида и показателей переходного процесса (апериодический, колебательный, величина максимального динамического отклонения, перерегулирования длительность переходных процессов, оценивая в оборотах материалов) использовали результаты расчетов переходных процессов по модели ВНИИМТ, представленные в работах [74, 75, 78].

Использование логико-динамической системы поддержки принятия решений для анализа и прогнозирования работы доменных печей

Для проверки заложенных в вычислительную программу алгоритмов выполнены расчеты по данным работы доменной печи № 10 ОАО «ММК» за один из характерных периодов 2015 г.

Выбраны два периода работы печи – в одном случае в результате принимаемых решений содержание кремния в чугуне в последующие моменты работы снижалось с [Si] = 1,402% (выпуск № 56862, табл. 1) до [Si] = 0,677% (выпуск № 56869). Во втором выбранном периоде работы печи при установлении параметров базового варианта в дальнейшем наблюдалось повышение концентрации кремния в чугуне с [Si] = 0,78 % (выпуск № 56864) до [Si] = 1,402% (выпуск № 56862), (см. таблицу 5.1). Особенность этих периодов заключалась в том, что химический состав железорудных компонентов шихты и свойства кокса практически не изменялись в течение этого периода. В тоже время осуществлялась корректировка рудной нагрузки и параметров комбинированного дутья (расхода природного газа, содержания кислорода в дутье, температуры горячего дутья).

В таблице 5.2 приведены исходные данные для выполнения расчетов по переходным процессам, когда наблюдалось возрастание содержание кремния с [Si] = 0,78 % (выпуск № 56864) до [Si] = 1,402% (выпуск № 56862), а в таблице 5.3. при снижении содержание кремния в чугуне с [Si] = 1,402% (выпуск № 56862) до [Si] = 0,574% (выпуск № 56870).

Основные расчетные показатели, характеризующие технико-экономические показатели плавки, показатели газодинамического, дутьевого и шлакового режима, свойства зоны вязкопластичного состояния материалов (зоны когезии) в эти же периоды приведены в таблице 5.4.

На рисунке 5.8 представлена динамика основных входных параметров: рудной нагрузки, расхода природного газа, содержание кислорода в дутье температуры горячего дутья, а на рисунке 5.9 расчетное влияние каждого из отмеченных факторов в отдельности на содержание кремния в чугуне.

Предполагая линейность и стационарность системы используя принцип суперпозиции рассчитывалось в дальнейшем прогнозное содержание кремния в чугуне при одновременном изменении входных параметров.

На рисунке 5.10 приводится сопоставление фактического и расчетного изменения кремния в чугуне для рассматриваемых случаев.

Сопоставление фактической и расчетной динамики изменения кремния в чугуне показывает на вполне удовлетворительное согласование прогнозных и фактических значений содержания кремния в чугуне.

Таким образом, предлагаемый алгоритм решения задачи по рассмотрению динамики изменения теплового состояния плавки (по содержанию кремния в чугуне) достаточно хорошо описывает динамику состояния процесса как при установлении воздействий, направленных на повышение нагрева печи, так и на снижение ее нагрева.

В связи с ожидаемым переводом доменных печей ММК на работу с высокой долей окатышей в шихте в связи с реконструкционными работами на аглофабрике ОАО «ММК», выполнен прогнозный вариант расчета с учетом переходных процессов, связанных с изменением основных режимных параметров плавки – составом и расходом железорудных компонентов, а также с необходимостью изменения шлакового и дутьевого режимов плавки.

Задача решалась для двух периодов – базового и прогнозного.

В качестве базового периода были взяты результаты работы доменной печи № 9 ММК за один месяц 2015 г.

В прогнозном периоде использовался агломерат основностью (CaO/SiO2) = 2,1 (максимальная основность агломерата, производимая на аглофабрике ММК) с повышенной долей Михайловских и Соколовских окатышей, суммарная доля которых была взята равной ок = 0,6.

В прогнозном периоде менялись и дутьевые параметры плавки.

Расчетный состав агломерата повышенной основности, выполненный по методу проф. Коротича В.И. [133], показан в таблице 5.5.

При выполнении сравнительного анализа базового и прогнозного периодов фракционный состав кокса был взят одинаковым: (+80 мм) – 34,45 %, (60–80 мм) – 36,21 %, (40–60мм) – 24,41 %, (25–40 мм) – 3,59%, ( 25 мм) –1,34%. Фракционный состав агломерата в базовом периоде был принят следующим: ( 25 мм) – 41,73%, (10–25 мм) – 30,02%, (5–10 мм) – 22,17%, ( 5 мм) – 6,09%.

В прогнозном периоде содержание мелочи в агломерате было принято равным ( 5 мм) – 5,00 % с целью проверки подпрограммы расчета прогнозного изменения верхнего перепада давления газа с использованием измененного фракционного состава ЖРМ. Другие параметры прогнозного периода были приняты по следующим соображениям.

Температура горячего дутья. Принята равной 1120 0С. В период работы д.п. № 9 в мае 2015 г. такая температура достигалась.

Содержание кислорода в дутье. В прогнозном периоде принято равным 26 %. Такая концентрация кислорода на печи достигалась и кроме того в прогнозный период расход природного газа принимался, равным 90 м3/т чугуна в связи с относительно низким расходом газа в базовом периоде (он был равен 74,7 м3/т).

Расход природного газа в прогнозный период. Для сравнительных расчетов был принят равным 90 м3/т чугуна.

Правомерность установления параметров дутья в прогнозном и базовом периодах – его температуры, концентрации кислорода в дутье и расхода природного газа проверяется в дальнейшем при установлении теоретической температуры горения и соответствия ее технологической инструкции ММК.