Введение к работе
Актуальность проблемы. Наметившаяся в последние годы тенденция к повышению производства высококачественной стали и полупроводников, определила возрастающую потребность в производстве ферросплавов и кремния. Ферросплавы массового применения получают карботермическим способом, основанным на восстановлении металлов из их оксидов. Особенности способа заключаются в том, что реакции взаимодействия оксидов с углеродом осуществляются при высоких температурах с поглощением тепла и реализуются в электродуговых печах. Механизм и кинетика этих реакций изучены достаточно хорошо, определены и оптимизированы условия их протекания. Однако при реализации результатов этих исследований на практике возникают определенные трудности, обусловленные особенностями конструкции плавильного агрегата и технологии, не позволяющими достичь высоких технико-экономических показателей производства. Поэтому, интенсификация и повышение экономической эффективности ферросплавных технологий представляется актуальной народно-хозяйственной задачей.
Процессы восстановления металлов в электродуговых печах относятся к разряду энергоемких. Удельный расход электроэнергии при производстве различных сплавов колеблется от 3 до 20 МВтч/т. В условиях высоких, постоянно возрастающих цен на электроэнергию доля затрат на энергетику процесса в структуре себестоимости продукции существенно возрастает. Снижение качества руды и углеродистых восстановителей приводит к значительному ухудшению технико-экономических показателей производства, в том числе и снижению извлечения целевых элементов в сплав. В результате продолжающегося технического перевооружения ферросплавной отрасли единичная мощность печей возрастает, что значительно усложняет процедуру управления. В этих условиях, едва ли не единственным путем, позволяющим существенно повысить показатели производства, является рациональное управление технологическим процессом.
В последнее десятилетие, в связи с прогрессирующим развитием средств автоматизации и вычислительной техники, в ферросплавном производстве широко внедряются локальные АСУ, предназначенные для управления отдельными режимами технологии. Методическая основа таких систем, вследствие недостатка информации о состоянии процесса и оторванности их друг от друга, не может обеспечить важнейших функций - управления по принципу «вход-
состояние-выход» и согласованного воздействия на процесс отдельных подсистем.
Цель настоящего исследования — создание методов оперативного контроля состояния процесса и согласованного регулирования режимов технологии ферросплавов как основы повышения эффективности производства.
В соответствии с поставленной целью в число основных задач входили:
теоретическое обоснование и разработка метода идентификации нелинейной электрической схемы замещения рабочего пространства печи;
исследование закономерностей изменения и взаимосвязи параметров основных режимов технологии в циклах плавки;
теоретическое обоснование методов и выбор критериев и допустимых диапазонов регулирования основных режимов технологии.
Исследования выполнены по планам работ Института металлургии УрО РАН в соответствии с классификацией научных направлений АН РФ, раздел 2.26.2.3 «Теория пирометаллургических и электротермических процессов производства металлов и сплавов», по проблеме «Исследование основ управления процессами получения металлов и сплавов электротермическим методом».
Методы исследования. Применен системный подход к изучению сложного динамического стохастического объекта «электродуговая печь - восстановительный процесс». Для идентификации электрической модели процесса — схемы замещения рабочего пространства - использованы методы теории нелинейных электрических цепей и прикладные методы математического анализа. При разработке методов контроля параметров и регулирования отдельных режимов технологии применяли методы теории случайных процессов, в их числе, корреляционный и регрессионный анализ, а также методы построения динамических стохастических моделей по экспериментальным данным.
Достоверность научных положений диссертации подтверждается математическими выводами, компьютерным моделированием, результатами активных промышленных экспериментов и практической реализацией автоматизированной системы управления процессом выплавки ферросиликохрома.
Научная новизна работы состоит в создании методических основ согласованного регулирования шихтового, электродного и электрического режимов ферросплавных технологий на базе оперативного контроля и анализа параметров состояния процесса. На основании идентификации нелинейной электриче-
ской схемной модели разработан метод определения электрических параметров зон рабочего пространства печи. Показано, что эти параметры тесно связаны с параметрами технологии и отражают текущее состояние процесса.
Исследован характер распределения энергии по зонам рабочего пространства в шлаковых и бесшлаковых процессах. Подтверждено, что он различен для разных типов технологии. Отмечено, что в шлаковых процессах причиной переменного распределения мощности по зонам дуги и расплава в цикле плавки служит процесс накопления шлака. В бесшлаковых процессах основным фактором, определяющим интенсивность процесса восстановления и его кинетические характеристики (скорости схода шихты и лимитирующей стадии реакции восстановления кремния), является мощность дугового разряда.
Разработана структурная схема взаимосвязи технологических параметров. Определены критерии и целевые функции основных режимов технологии. Показано, что оптимальность отдельных режимов зачастую не отвечает основному требованию рационального управления. Для достижения высоких технико-экономических показателей процесса необходимо их согласованное регулирование.
Исследованы динамические характеристики переходных процессов при воздействиях на состав шихты. Полученные эмпирические зависимости позволяют определить степень отклонения состава шихты от стехиометрии, тип и меру управляющего воздействия, необходимого для исправления хода процесса.
Практическая ценность работы заключается в получении новой информации о состоянии процесса. Разработана автоматизированная система оперативного контроля состояния процесса. С ее помощью исследованы динамические характеристики и параметры основных режимов бесшлаковых и шлаковых технологий выплавки ферросплавов. Выявлены закономерности изменения этих параметров в циклах плавки и особенности различных типов технологии. Отмечено своеобразие шлаковых процессов, заключающееся в несоответствии в отдельные периоды цикла плавки тепловыделения в отдельных зонах их теплопо-требности. Этим определяется различие подходов к управлению процессами разного типа.
Обоснован принцип согласованного воздействия на входные параметры основных режимов технологии. При этом абсолютный приоритет отдан шихто-* вому режиму, обеспечивающему минимизацию дисбаланса углерода в шихтовой
зоне ванны печи. Недопустимо регулирование электродного и электрического режимов за счет нарушения стехиометрии восстановительной реакции. Рациональная посадка электродов, соответствующая максимуму энергетического КПД, обеспечивается посредством выбора рабочей ступени напряжения.
Обоснован выбор в качестве критерия регулирования электрического режима активного сопротивления полезной нагрузки. Оценены негативные последствия отбора сигналов напряжения с выходов трансформатора на эффективность регулирования процесса.
Определен подход к адаптации параметров технологических режимов к конкретным технологиям, агрегатам и изменяющимся условиям их эксплуатации. Разработана методика статистической оптимизации процесса, позволяющая определить рациональные значения критериев регулирования и диапазоны их изменения.
Апробация работы и публикации. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 16-ти всесоюзных, республиканских и региональных конференциях, научно-технических совещаниях и симпозиумах по электротермии и электротермическому оборудованию, металлургии марганца, производству кремния и кремнистых ферросплавов (Тбилиси, 1986; Никополь, 1987, 1996; Иркутск, 1987,1999; Магнитогорск, 1996; Днепропетровск, 1989, 1999; Новокузнецк, 1997; Санкт-Петербург, 1994, 1996, 1998, 2000, 2004, 2005; Каменск-Уральский, 2001).
Опубликованы 43 печатные работы, из них 18 тезисов докладов. Получены 2 авторских свидетельства и 1 патент на изобретения.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 200 наименований. Основной текст занимает 264 стр., включает 37 рисунков и 14 таблиц.
