Содержание к диссертации
Введение 5
ГЛАВА 1. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДЕЛА
ВАНАДИЕВЫХ ЧУГУНОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 10
ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Роль ванадия и ванадиевая отрасль России 10
1.2. Технология передела ванадиевых чугунов Чусовского
металлургического завода , 12
Технология передела ванадиевых чугунов НТМК 24
Постановка научной задачи исследования 29
Постановка практической задачи исследования 33
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ КОНВЕРТЕРНОГО ПЕРЕДЕЛА
ВАНАДИЕВЫХ ЧУГУНОВ КАК ОБЪЕКТА
УПРАВЛЕНИЯ 36
2.1. Применение термодинамики необратимых процессов для
описания процессов в конвертере , 36
2.2 Основные подсистемы объекта управления 40
2.2.1 Подсистема «Газовая струя - шлако-металлический
расплав» 42
2.2.1.1, Нижняя продувка 44
2.2.1.2. Верхняя продувка 57
2.2.2. Подсистема «Реакционная зона» 61
2.2.3. Подсистема «Шлаковый расплав-металлический
расплав» 73
2.2.4 Подсистема «Футеровка конвертера-шлако-
металлический расплав»... 81
2.2.5. Подсистема «Твердые охладители - шлако-
металлический расплав» 83
2.2.6 Подсистема «Шлако-металлическиЙ расплав -
внешняя среда» 89
2.2.7 Подсистема «Газовая струя - атмосфера
конвертера» 90
2.3. Управляющие воздействие и их влияние на ход
процесса 90
ГЛАВА 3. СИНТЕЗ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ
МОДЕЛИРОВАНИЯ КОНВЕРТОРНОГО ПЕРЕДЕЛА
ВАНАДИЕВЫХ ЧУГУНОВ.., 93
3.1. Общая структура программного комплекса и
взаимосвязи составляющих его математических моделей 93
Алгоритмы расчета профиля конвертера 98
Алгоритмы расчета дутьевых устройств 101
Математическая модель взаимодействия газовых струй с конвертерной ванной при нижней продувке 102
Математическая модель взаимодействия газовых струй с конвертерной ванной и атмосферой конвертера при верхней продувке 116
3.6. Математическая модель процессов ассимиляции
жидкой ванной твердых шихтовых материалов и
добавок 122
3.7. Расчет температуры в реакционной зоне конвертеров с
нижним и верхним дутьем , 123
3.8. Математическая модель окисления примесей в
реакционной зоне 128
3.9. Математическая модель окисления примесей в зоне
металл-шлак , 133
3.10. Тепловой и материальный балансы конвертерной
плавки , 138
ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА
«КОНВЕРТЕР», ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ И АНАЛИЗ
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 140
4.1. Реализация программного комплекса 140
4.2. Методы адаптации математических моделей
программного комплекса . 146
Проверка адекватности программного комплекса по данным ЧусМЗ , 147
Проверка адекватности программного комплекса по данным НТМК 150
Перспективные области применения программного комплекса...., 155
4.5 Л.У правление технологическими процессами, 155
4.5 ^.Формирование стратегии и тактики развития
производства , 158
4.5.3.Научные исследования 159
4.5.4. Применение программного комплекса в учебном
процессе , 159
Заключение и выводы 161
Список литературы....... 162
Приложения 171
Введение к работе
Черная металлургия бывшего СССР, и в том числе России, традиционно занимает одно из ведущих мест в мире по объемам производства металлопродукции. Состояние отрасли сильно влияет на формировании макроэкономических показателей отечественной промышленности. На долю черной металлургии приходится более 5% численности работающих, около 7% объема производства товарной продукции и более 6% налоговых поступлений всей промышленности.
В мире производится около 770 млн. т стали в год, из них около 65% -современными конвертерными способами. К настоящему времени существует большое количество модификаций конвертерного процесса [1, 2], работы в направлении его совершенствования продолжаются.
Можно выделить три основных типа конвертерного процесса: с донной, верхней и комбинированной продувкой. Наиболее перспективным признан конвертерный процесс с комбинированной продувкой кислородом через верхнюю водоохлаждаемую фурму и инертным газом через донные фурмы или пористую пробку снизу..
Наряду с обычными технологиями конвертерного передела, существуют также специализированные процессы, ориентированные на специфические задачи. Одной из таких задач является передел природно-легированных ванадиевых чугунов. В Российской Федерации извлечение ванадия из бедных титаномагнетитовых руд позволило сделать рентабельной их переработку и; значительно расширило сырьевую базу ряда предприятий Урала.
По данным VANITEC (Vanadium International Technical Committee -Международный технический комитет по ванадию), в 1995 г. доля России в мировом производстве ванадия составила 23,7%. Для сравнения - в ЮАР в 1995 году было произведено 46,7% от общего количества ванадия в мире, в Китае-18,4%, в США-14,2% [3]. Таким образом, несмотря на наблюдающееся в последние годы падение уровня промышленного производства в России,
б ванадиевый комплекс нашей страны все же сохранил второе место в мировом производстве ванадия [4].
В СССР были разработаны технологии дуплекс-процесса переработки ванадиевого чугуна, с получением на первой стадии ванадиевого шлака в бессемеровских конвертерах на Чусовском металлургическом заводе или в кислородных конвертерах на Нижнетагильском металлургическом комбинате. Оба способа, несмотря на многолетнюю практику, не лишены ряда недостатков: жесткие требования к содержанию углерода и кремния в чугуне и конечному содержанию углерода в полупродукте, недостаточно глубокая степень деванадации, неудовлетворительное разделение ванадиевого шлака и металла-полупродукта, большое количество отходящих газов с токсичной ванадийсодержащей пылью и ручная задержка шлака при выпуске (в бессемеровских конвертерах ЧусМЗ).
В связи с этим, актуальной задачей становится анализ потенциальных возможностей развития существующих технологий деванадации чугуна. Экономически эффективное производство ванадиевых продуктов возможно на основе сочетания научного подхода, современных технологий, опыта отечественных металлургов и использования систем управления и прогнозирования хода процесса. Создание подобных систем базируется на использовании математических моделей, адекватно отражающие реальные процессы в металлургическом агрегате.
Математическая модель процесса, адекватная для различных вариантов передела, позволяет провести анализ экономических показателей и ответить на вопрос об эффективности изменения технологии. Она также может быть применена для прогнозирования хода процесса, став составной частью АСУ ТП цеха, что позволит улучшить показатели его работы за счет более эффективного управления.
Таким образом, задача моделирования деванадации
природнолегированных чугунов в конверторе имеет большую актуальность и практическую значимость.
Целью данной работы является создание программного комплекса динамического моделирования конверторного процесса с использованием аппарата термодинамики необратимых процессов для изучения поведения основных компонентов ванадиевого чугуна при выплавке полупродукта и получении ванадиевого шлака при различных реализациях технологии передела в конвертерах с донным воздушным и верхним кислородным дутьем. На основании расчетов, полученных с использованием моделирования, можно сделать выводы о возможности использования программного комплекса для повышения эффективности существующей технологии деванадации и анализа перспектив реконструкции цехов Чусовского металлургического завода.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, среди которых:
обобщение и систематизация существующей информации о деванадации природно-легированных ванадием чугунов по технологиям ЧусМЗ и НТМК, а также научных исследованиях, посвященных моделированию конвертерного процесса.
выбор теоретической основы для разрабатываемого комплекса моделей.
разработка математических моделей, описывающих параметры гидродинамики при продувке конвертерной ванны, динамической модели окисления примесей на базе термодинамики необратимых процессов и ряда вспомогательных алгоритмов.
создание программного комплекса для ПЭВМ, позволяющего проводить расчеты по разработанным моделям и алгоритмам.
адаптация и проверка адекватности программного комплекса путем сравнения результатов моделирования с соответствующими промышленными и литературными данными по ЧусМЗ (донная продувка) и НТМК (верхняя кислородная продувка).
анализ протекания процессов в конвертерной ванне при деванадации с помощью разработанного программного комплекса.
разработка вариантов применения программного комплекса для прогноза
поведения примесей при продувке и управления процессом в составе
АСУ ТП цеха.
В результате проведенных исследований создан программный комплекс «Конвертер» для динамического моделирования конвертерного процесса, позволяющий проводить расчеты в диалоговом режиме и оперативно анализировать получаемые расчетные данные.
Особенность разработанного программного комплекса заключается в его структурном соответствии реальному агрегату и анализе большого количества факторов, влияющих на ход процесса в динамике с небольшим шагом интегрирования (0,05-0,5 сек). Это стало возможно благодаря появлению высокопроизводительных ПЭВМ, позволяющих производить подобные расчеты в режиме реального времени.
В работе определена возможность применения созданного программного комплекса для управления процессом, прогноза поведения металлургической системы, анализа технико-экономических показателей реконструкции и изменения технологии, обучения технологического персонала, сформулированы ограничения применимости модели.
Научная новизна данной задачи заключается в следующем:
разработан метод совместного описания физико-химических и гидродинамических процессов, протекающих в конвертерной ванне при различных способах подачи и видах дутья на основе принципов термодинамики необратимых процессов;
созданы динамические математическая модель конвертерного передела, предназначенные для прогнозирования параметров процесса деванадации природно-легированных чугунов в агрегатах с различными способами подачи дутья;
установлены соотношения между скоростями окисления компонентов расплава по ходу продувки с учетом особенностей протекания процессов в реакционной зоне и зоне «металл-шлак»;
получены расчетным путем численные оценки температуры реакционной зоны при донной воздушной продувке в конвертере.
Программный комплекс синтезирован с минимальным применением эмпирических зависимостей, относящихся к конкретному агрегату, позволяет оценивать все значимые характеристики процесса, и предназначен для адаптации и трансформации к различным агрегатам без необходимости изменения структуры модели.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 177 страницах, состоит из 4 разделов, приложений и списка литературы. В тексте содержаться 76 рисунков и 20 таблиц. Библиография включает 100 наименование.
