Содержание к диссертации
Введение
1. Определение параметров внутреннего состояния доменной печи 6
1.1. Современные системы для определения внутреннего состояния доменной печи 6
1.2. Сканирующий зонд как эффективное средство диагностики доменной печи. Принцип сканирующего зондирования 14
1.3. Современные подходы к оценке порозности 20
1.4. Моделирование положения зоны плавления 27
2. Теоретические основы функционирования сканирующего зонда и интерпретации результатов сканирующего зондирования 29
2.1. Основные понятия теории перколяции 29
2.2. Метод опорных сопротивлений и методика их определения 37
2.3. Интерпретация результатов сканирующего зондирования с учетом перемещения материалов 43
2.4. Оценка распределения рудной нагрузки и порозности по радиусу доменной печи 47
2.5. Идентификация формы и положения зоны плавления 51
3. Разработка новой версии программного обеспечения сканирующего зонда 54
3.1. Состав системы сканирующего зонда и схема взаимодействия ее компонентов 54
3.2. Разработка и описание алгоритмов работы программного обеспечения 57
3.3. Описание работы программного обеспечения 68
4. Градуировка датчика вида шихтовых материалов и исследование «ошибки дискретности» измерения 88
4.1. Градуировка датчика вида шихтовых материалов для условий ОАО«НЛМК» 88
4.2. Исследование поведения датчика при его попадании на четкую границу раздела материалов доменной плавки 94
4.3. Оценка влияния скорости схода шихты на показания сканирующего зонда 97
5. Практические аспекты применения системы сканирующего зондирования 100
5.1. Вычислительный эксперимент и определение положения зон с низкой газопроницаемостью 100
5.2. Разработка методики оценки адекватности показаний сканирующего зонда 104
5.3. Разработка специальных режимов загрузки 112
5.4. Оценка ожидаемого экономического эффекта от внедрения сканирующего зонда 114
Выводы 118
Список публикаций по материалам диссертации 119
Список литературы
- Сканирующий зонд как эффективное средство диагностики доменной печи. Принцип сканирующего зондирования
- Метод опорных сопротивлений и методика их определения
- Разработка и описание алгоритмов работы программного обеспечения
- Исследование поведения датчика при его попадании на четкую границу раздела материалов доменной плавки
Введение к работе
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.
Сканирующий зонд как эффективное средство диагностики доменной печи. Принцип сканирующего зондирования
Существенным ограничением данной системы является то, что получаемая информация относится только к пристеночной области печи, что в свою очередь не позволяет использовать ее в качестве основы принятия управляющих решений. Волоконный зонд с передачей изображения для определения крупности материалов на колошнике доменной печи. Это зонд позволяющий определять крупность частиц материалов в любой точке радиуса колошника без нарушения их распределения представляет собой гибкую трубу диаметром 60,5 мм, внутри которой помещен оптоволоконный провод. Охлаждаемый с помощью воды, проходящей по трубкам спиральной конфигурации, и азотом. Гибкая трубка размещена внутри несущей трубы, установленной на рейке, перемещаемой в горизонтальном направлении. Для установки зонда в заданной точке гибкую трубу опускают до поверхности материалов. Изображение материалов передают в анализатор LUZEX-500, который определяет диаметр отдельных частиц и рассчитывает средний диаметр. Зонд рассчитан на крупность М 0,8-75 мм. Данные ситового анализа и зонда адекватны при крупности до 50 мм, а при большей крупности частиц преуменьшает размеры кусков материалов. При определении размеров крупных кусков кокса хорошие результаты замера обеспечиваются при увеличении расстояния от зонда до поверхности материалов. Зонд установлен на доменной печи №5 Чиба. С его помощью можно также определять состояние поверхности материалов на колошнике, переход материалов во взвешенном состоянии, их сползание к оси доменной печи и контролировать положение осевой горячей зоны [22], но невозможно анализировать залегание материалов, взаимопроникновения и т.д. [23].
Предложен зонд для определения распределения шихты на колошнике шахтной печи, вводимый в печь над уровнем засыпи. Зонд содержит два основных датчика. Датчик глубины шихты представляет собой гибкую трубку из отдельных звеньев, в поверхность которых вмонтированы кольцевые электроды. Трубка погружается в шихту; электрическое сопротивление между двумя соседними электродами зависит от наличия шихты и ее состава (руда, кокс). По величине этого сопротивления определяется количество электродов, замыкаемых рудой или коксом и, следовательно, толщина этих слоев. Второй датчик предназначен для оптического определения размеров кусков шихты и снабжен волоконной оптикой [24].
Фурменные зонды для контроля зоны циркуляции доменной печи, обычно водоохлаждаемые, вводят через сопло в фурму в потоке горячего дутья, что нарушает распределение температур, поток газов и ход реакций в зоне циркуляции. На доменной печи №5 завода Chiba фирмы Kawasaki Steel установлен наклонный фурменный зонд, позволяющий проводить наблюдения и замеры в зонах циркуляции кокса и неподвижных материалов, а также в межфурменном пространстве. Наклонный зонд вводят через отводную трубку, примыкающую к соплу, под углом к оси фурмы. Это позволяет исключить нарушение процессов в зоне циркуляции при вводе зонда, а также проводить замеры в пространстве между соседними зонами циркуляции и между ними и стеной доменной печи. Привод зонда гидравлический с цепной передачей. Замеры можно проводить на расстоянии до 3 м от фурмы. С помощью зонда можно отбирать пробы газа, пыли, расплавленного металла, шлака, замерять температуру, а также проводить наблюдения за внутренним состоянием доменной печи с использованием оптического волокна и телекамеры. Исследования распределения в металле, показали, что содержание Si у стен доменной печи, близко к содержанию в чугуне при выпуске (0,35%). С помощью зонда проведено также изучение горения угольной пыли при различных расходах, видах угля и температурах дутья. Содержание несгоревшего углерода в пробах пыли возрастает при увеличении расхода вдуваемой угольной пыли свыше 60 кг/т чугуна [25].
Рис. 1.1.7- Результат измерения многоточечного термозонда IRSID Специалистами института IRSID (Франция) предложен многоточечный термозонд одноразового применения, позволяющий определить распределение полей температур в пространстве доменной печи (рис. 1.1.7) [26].
Зонд представляет собой трубу длинной в радиус печи с запаянной в нее кассетой термопар. Он вводится в печь и движется в месте с шихтой вниз. Термопары связаны с внешним миром через жаропрочный кабель, по размотке которого определяется высотная координата зонда. Широкое применение зонда невозможно из-за высокой стоимости подготовки эксперимента, связанной в основном со сложностью изготовления жаропрочного сигнального кабеля.
Сканирующий зонд как эффективное средство диагностики доменной печи. Принцип сканирующего зондирования.
Сканирующий зонд измерят распределение кокса в доменной печи, и посредством программного обеспечения производится визуализация конфигурации слоев шихтовых материалов, включая зоны смесей кокса и железорудных материалов.
Принцип действия сканирующих зондов основан на непрерывном движении горизонтального зонда в доменной печи. На конце движущегося зонда устанавливают измерительную головку, которая определяет электрическое сопротивление протекающих вдоль нее микрообъемов (частиц) загружаемых в доменную печь материалов.
Принцип измерения электрической проводимости, загружаемых материалов с целью получения информации об их распределении известен давно. При этом используются различия в электрическом сопротивлении частиц кокса и железорудной шихты. В области температур до 600 С электрическое сопротивление частиц кокса составляет 0-4 Ом, а сопротивление частиц железорудной шихты - лежит в области МОм [27]. В литературе описаны подобные контактные зонды, причем некоторые из них были использованы в ходе проведения исследований в доменных печах [28, 29]
До настоящего времени по своей конструкции и методам измерения использовали устройства в виде стационарных зондов и измерительных балок. В случае использования таких устройств в печи ниже уровня колошника фиксируются только различия в сопротивлении по глубине установки (по радиусу печи). Однако устройства подобной конструкции не нашли широкого применения в промышленности из-за сильных изгибающих напряжений, действующих в печи на стационарную измерительную балку. Цель установки устройства выше уровня колошника заключается в определении электропроводности подаваемых при загрузке печи материалов. Даже при таком расположении устройства из-за ограниченного числа контактов по длине зонда (1 - 10 кусков) невозможно получить достоверную информацию о распределении шихты.
Метод опорных сопротивлений и методика их определения
Конструктивная особенность зонда состоит в том, что на его переднем конце для определения вида материала столба шихты установлена измерительная головка, представляющая собой высокопрочный и теплостойкий контактный элемент -двухконтактная измерительная схема изолирована от массы или земли. Последнее имеет особое значение, поскольку собственное сопротивление образующих контактный мост частиц измеряется независимо от того, является ли проводящим или нет слой загружаемых материалов. Тем самым можно обойти, например, влияние так называемого «перколяционного барьера», когда доля кокса в смеси превышает 60 % (теоретический перколяционный барьер для хаотических систем составляет: 59,27 % [31]). В этом случае кокс образует сплошную проводящую сетку, и всё загружаемые материалы становятся проводящими. Таким образом, каждая измерительная схема, реагирующая в целом на проводимость загружаемых материалов, не фиксирует находящиеся в коксовой смеси примерно 40 % железнорудной шихты.
После завершения измерительного цикла (30-60 измерений) получают матрицу значений проводимости сканируемых микрообъемов шихты в виде плоской диаграммы с размерами, например, 100 х 100 мм.
Один из простейших методов дешифровки матрицы заключается в установлении базового (эталонного) уровня, значения электрического сопротивления, выше которого сигнал идентифицируете как железорудная шихта, ниже - как кокс [32]. Это решение позволяет получить матрицу, которая приблизительно соответствует истинному распределению кокса и шихтовых материалов. Практическое использование системы непрерывного зондирования в крупных агрегатах с учетом ряда специфических технических особенностей не представляет никаких проблем. При этом надежность и износостойкость контактной конструкции измерительной головки представляют собой основное требование.
Измерительное устройство разработано в Московском институте стали и сплавов и успешно апробировано в 1991-1996 гг. на Новолипецком металлургическом комбинате и комбинате «Северсталь», Череповец [33]. В Череповце на доменной печи № 5 полезным объемом 5580 м , которая оснащена двумя проникающими зондами типа НМ8 210/550 фирмы Dango&Dienenthal (DDS) для измерения температуры и состава газа в шахте печи, параллельные измерения системы сканирования — зондирования продемонстрировали полное совпадение между измеренными значениями распределения шихты и температуры и состава газа. Это позволило разработать и реализовать технологию загрузки печи при использовании большего количества коксовой мелочи без ухудшения газодинамических характеристик [34].
С июня 1999 г. на доменной печи № 5А завода ЭКО-Шталь в промышленных условиях начали применять современную систему сканирования - зондирования, которая основана на введенном в 1998 г. в эксплуатацию фирмой DDS проникающем зонде HMS 210, который наряду с классическим принципом непрерывного измерения (сканирующий режим) рассчитан для определения температуры и состава газа по радиусу печи. Это позволило легко заменить классическую измерительную головку на датчик нового типа для определения электрического сопротивления элемента столба шихты в печи и создать таким образом систему сканирования - зондирования DDS-AS, предствленую в настоящий момент на рынке под названием сканирующий зонд.
Опыт эксплуатации новой измерительной системы позволяет сделать следующие выводы. Система зондирования в целом достаточно надежна и может эксплуатироваться полностью в автоматическом режиме. Такая оценка относится также к наиболее уязвимому звену системы — измерительной головке, которая подвергается сильным механическим, абразивным и термическим нагрузкам в агрессивной газовой среде. Измерительную головку исследовали после более чем 300 введений зонда (3-х измерительных циклов в течение двух недель) и установили, что износ кольцеобразных изолирующих элементов происходит интенсивней на нижней кромке, очевидно, из-за высоких абразивных нагрузок при выдвижении зонда внутрь столба шихты. В настоящее время срок службы изолирующих элементов измерительной головки можно оценить в 600—800 введений зонда (20-25 измерительных циклов). С учетом того, что соответствующие измерения рационально используются только при изменении распределения шихты, при особых производственных условиях или для коррекции математической модели загрузки (то есть не для систематических измерений в каждом слое или каждый день), полученный результат можно считать полностью удовлетворительным.
Интерпретация результатов зондирования производится методом опорных сопротивлений, полученных при градуировке датчика вида шихты. Математическое обеспечение может интерпретировать результаты в двух режимах: «кокс / железорудные материалы» и «смеси», пример получаемой информации для этих двух режимов приведен на рисунках 1.2.2 и 1.2.3 соответственно (результаты относятся к одному зондированию).
На основании проведенных испытаний можно сделать вывод, что система сканирования-зондирования представляет собой эффективное измерительное устройство для диагностики распределения шихты, которому в настоящее время нет альтернативы [35].
Путем дальнейшего развития измерительной системы является совершенствование математической обработки измеренных данных для получения более точной модели распределения шихты в доменной печи, при этом необходимо учитывать не только неравномерное опускание столба шихты, но и конусность шахты [36].
Разработка и описание алгоритмов работы программного обеспечения
При разработке новой версии программного обеспечения сканирующего зонда требовалось учесть необходимость унификации программного комплекса для работы в условиях любых доменных печей. Унификация касается как непосредственно параметров агрегата и процесса, например, геометрии профиля доменной печи и физических параметры используемых шихтовых материалов, так используемой технической инфраструктуры. Эти задачи были решены путем создания необходимых интерфейсов и алгоритмов, а также соответствующей схемы взаимодействия компонентов системы.
Состав системы сканирующего зонда и схема взаимодействия ее компонентов Систему сканирующего зондирования можно условно разделить на три узла: сама зондовая система, система управления зондом и математическое обеспечение системы. Сама зондовая система состоит из копья зонда, сложной сальниковой системы, гидравлических приводов, станции гидравлики и других узлов. Система управления зонда реализуется на программируемом логическом контролере (ПЛК) и имеет визуальный интерфейс, позволяющий управлять системой и представляющий информацию о состоянии ее основных узлов. Зонд оснащен местным пультом управления, используемым только при вводе зонда в эксплуатацию, его техническом обслуживании и в аварийных ситуациях.
Универсальная версия программного обеспечения сканирующего зонда является самостоятельным программно независящим от системы управления зонда решением. Для передачи информации от системы управления к программному обеспечению был выбран наиболее простой вариант обмена данными в виде файлов. Состав системы сканирующего зондирования и схема взаимодействия ее компонентов представлена на рисунке 3.1.1. Сама зондовая система:
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. Файл информации о зондировании должен иметь расширение PAR, в нем содержится информация о файле непосредственно данных (сигналов зонда), дате и времени начала зондирования, числе проходов и контрольных точек, горизонтальном шаге (разрешающей способности) зонда. В общем виде файл имеет следующую структуру:
Обработка результатов зондирования начинается с верификации файла, содержащего результаты зондирования. Практика показала, что в файлах передаваемых на обработку математическому обеспечению сканирующего зонда могут содержаться ошибки определенного рода. Суть этих ошибок заключается в том, что в файле данных недостает некоторой их части или они присутствуют в избыточном количестве. Например значений сопротивлений меньше (или больше) чем должно быть, или подобная ситуация касается значений, свидетельствующих об обратном движении зонда (т.е. «-1»).
Т.к. возникновение ошибок наблюдалось в исключительно редких случаях, их причины отдельно не исследовались. Однако, не смотря на редкость их появления, было принято решение перед обработкой файла подвергать его проверке, и при необходимости, дальнейшей «нормализации». Т.е. приведению его к виду, когда число записей в файле равно произведению числа проходов на число контрольных точек и для каждого прохода число сигналов обратного движения зонда равно числу, измеренных им, сопротивлений и равно заданному.
В соответствии с приведенными выше правилами опишем логику работы блока нормализации. Программа поочередно считывает элементы файла, и каждый элемент последовательно проверяет на соответствие четырем условиям:
реализует следующие действия, соответствующие конкретному условию. При выпадении условий 1 или 2 текущее значение сигнала просто сохраняется. При выпадении условия 3 делается еще одна проверка, если число элементов относящихся к этому проходу зонда меньше заданного, то создаются недостающие элементы со значением «-10», свидетельствующем об ошибке, если число элементов больше, то удаляются лишние с конца. Для условия 4, действия аналогичны условию 3, за исключением того, что вносится информация не об ошибке, а лишь об обратном движении зонда. Алгоритм работы этого блока приведен на рисунке 3.2.1. С НАЧАЛО J
Значения считываются из файла последовательно, а сигналом для увеличения счетчика] на еденицу, т.е. переход к следующему проходу, является условие текущее значение не равно «-1» и предыдущее значение равно «-1» (S(i;j) -lANDS(i-l;j) = -l).
Полученная матрица сигналов преобразуется в графическое представление распределения смесей шихтовых материалов в пространстве доменной печи. Для этого каждый элемент матрицы сигналов сравнивается последовательно с опорными сопротивлениями и определяется, какой смеси соответствует данное сопротивление. Определив, кокой смеси соответствует сопротивление данного микрообъема шихты, программа рисует его в масштабе цветом, заданным для данной смеси. Алгоритм работы этого блока приведен на рисунке 3.2.3. S - Измеренное сопротивление
Исследование поведения датчика при его попадании на четкую границу раздела материалов доменной плавки
В условиях современного доменного производства применение в больших количествах углеродсодержащих добавок, заменяющих кокс, ведет к извлечению кокса из столба шихтовых материалов в доменной печи и, как следствие, к ухудшению газодинамики и гидродинамики доменной плавки. Актуальным является и использование утилизационных добавок к базовым шихтовым материалам. Что требует разработки специальных систем режимов загрузки, т.е. некоторых новых эффективных систем загрузки, принципиально отличающихся от традиционно применяемых в доменном производстве [55].
Наиболее эффективным и не имеющим в настоящее время равноценной альтернативы является режим работы доменной печи с коксовой отдушиной в центре и развитым центральным газовым потоком. Такой режим работы печи достигается загрузкой концентрированной порции (например, одного скипа) крупного кокса строго в центр печи и соответствующей конфигурацией слоев железорудных материалов и мелкого кокса.
Загрузка мелкого кокса, в качестве утилизационного материала, может производиться в виде узких кольцевых зон в центральной части радиуса печи или его загрузки в смеси с агломератом. Загрузка мелкого агломерата малыми порциями в смеси с каким-либо материалом недопустима, как и недопустима его загрузка вплотную к стенке шахты либо в центр печи. Единственно целесообразным способом загрузки мелкого агломерата является его размещение в средней радиальной зоне достаточно крупной порцией (например, один полный скип в цикле из нескольких подач), уложенной, по возможности, узким кольцом в 0,2-0,3 радиуса колошника.
Пример режима загрузки многокомпонентной шихты, состоящей из кокса, агломерата, мелкого агломерата, мелкого кокса в смеси с агломератом и сырой железной руды, реализованного на.ДП № 5А завода ЭКО-Шталь с применением БЗУ Paul Wurth показан на рисунке 5.3.1. Визуализация распределения материалов смоделирована на модели загрузки доменной печи.
Одним из необходимых условий успешного поиска и реализации специальных систем загрузки является наличие на доменной печи сканирующего зонда, роль которого заключается в предоставлении достоверной информации о распределении шихтовых материалов внутри доменной печи и параметрах газового потока, которая служит отправной точкой для последующих действий [56]: Непосредственно подбор матрицы загрузки должен производиться на модели загрузки доменной печи методом итеративного интеллектуального поиска [57].
Таким образом, схему разработки специального режима загрузки можно свести к следующей последовательности:
Оценка ожидаемого экономического эффекта от внедрения сканирующего зонда Эффективность применения сканирующего зонда в сочетании с моделью загрузки предлагается оценить по результатам их применения на ДП № 5А завода ЭКО-Шталь в 2001 г. Основные технико-экономические показатели работы печи в базовом и трех опытных периодах приведены в таблице 5.4.1. За базовый принят период до внедрения систем в эксплуатацию. Данные соответствуют среднесуточным показателям в периоды отсутствия регулирующих воздействий и переходных процессов, остановок, аварий, смены шихтовых условий и пр.
Как видно из таблицы, от периода к периоду происходит улучшение технико-экономических показателей, что связано не только с применением самих систем, но и интенсивным обучением технологического персонала доменного цеха.
Лучшие достигнутые в опытных периодах показатели составляют: по расходу крупного кокса 279 кг/т чугуна против 344 кг/т чугуна в базовом периоде; по тепловым потерям в шахте печи 8,73 МВт против 22 МВт; по расходу мелкого кокса 87 кг/т чугуна против 19 кг/т чугуна; по средней температуре колошникового газа 64С против 120С.
Анализируя тренды развития производительности чугуна (рис. 5.4.1) и удельного расхода крупного и мелкого кокса (рис. 5.4.2) видно, что увеличение средней производительности к концу третьего опытного периода составило 400 т/сут., т.е. 5,36 т/сут. с м площади пода, а среднесуточный расход кокса (крупного + мелкого) сократился приблизительно на 30 кг/т чугуна. Тогда можно предположить, что при освоении системы в условиях ДП № 5 ОАО «НЛМК» производительность может увеличиться на 0,1340 %/сут. с м площади пода, а уменьшение расхода кокса может составить до 7,5%. При этом однако, следует учитывать, что система сканирующего зондирования как в составе человеко-машинной системы компьютерной диагностики, так и отдельно от нее, на прямую не влияет на технико-экономические показатели работы доменной печи. Эффективность работы агрегата будет определяться эффективностью принимаемых технологическим персоналом решений на основании представляемых системой данных о внутреннем состоянии агрегата.
