Содержание к диссертации
Введение
1. Современные представления об основных процессах доменной плавки и основы математического моделирования основных явлений 11
1.1 Понятие теплового состояния доменной печи 11
1.2 Математические модели теплового состояния доменной печи 13
1.2.1 Функциональные (поведенческие) модели 13
1.2.2 Математические модели, основанные на уравнениях материального и теплового баланса 16
1.1.3. Модели, основанные на закономерностях тепло-и массообмена 21
1.3. Применение математических моделей в задачах управления динамикой доменного процесса 25
1.4. Математические модели дутьевого и газодинамического режимов доменного процесса 27
1.5. Математические модели процессов шлакообразования и шлаковых систем 29
1.6. Методы оценки распределения потоков шихты и газов в доменной печи 33
1.7. Постановка задач исследования 35
2. Предлагаемый подход к решению технологических задач 37
3. Совершенствование математической модели теплового состояния доменной печи 53
3.1. Основные положения модели теплового состояния доменной печи, разрабатываемой в УГТУ-УПИ 53
3.2 Уточнение модели теплового состояния низа доменной печи 60
3.3. Методики решения задач оценки влияния режимных параметров на показатели работы доменной печи 71
3.4 Проверка адекватности модели 96
3.5 Методика оценка эффектов действующих возмущений 101
3.6 Совершенствование модели теплового состояния верхней зоны доменной печи 108
3.7.Разработка методики оценки нелинейности доменного процесса 115
3.7.1 Общий подход к оценке нелинейности доменного процесса .115
3.7.2. Разработка методики аналитического определения коэффициента нелинейности доменного процесса 117
3.8. Выводы 123
4. Разработка блока анализа и прогноза шлакового режима доменной плавки 124
5. Разработка блока оценки газодинамического и дутьевого режимов доменной плавки 140
5.1 Анализ дутьевого режима 143
5.2 Анализ газодинамики верхней зоны доменной печи 146
5.3. Оценка газодинамики нижней зоны доменной печи 153
5.4. Выводы 160
6. Разработка блока моделирования неравномерности распределения потоков шихты и газов по радиусу печи 162
6.1. Методика оценки газораспределения в доменной печи 162
6.2. Разработка блока моделтрования укладки материалов 167
6.3. Выводы 175
7. Разработка методики оценки влияния возмущений на показатели работы печи 176
7.1. Общий подход к оценке потерь, связанных с действующими на процесс возмущениями 176
7.2. Разработка алгоритма моделирования переходных процессов 179
7.3. Влияние режимных параметров на динамические характеристики доменной печи 188
7.4. Выводы 201
8. Разработка блока формирования и оценки достоверности нформации 202
8.1. Подход к разработке методов оценки и повышения достоверности нформации 202
8.2. Блок оценки достоверности данных о химическом составе продуктов плавки 204
8.3 Блок оценки информации о химическом составе шихтовых материалов 210
8.4 Блок анализа достоверности информации о параметрах комбинированного дутья, составе колошникового газа и перепадах давления 219
8.5 Групповой анализ данных при решении задач статики 223
8.6. Выводы 226
Заключение 227
Литература 230
Приложение 258
- Математические модели, основанные на уравнениях материального и теплового баланса
- Методики решения задач оценки влияния режимных параметров на показатели работы доменной печи
- Оценка газодинамики нижней зоны доменной печи
- Блок оценки достоверности данных о химическом составе продуктов плавки
Введение к работе
Диссертация содержит основные результаты теоретических,
экспериментальных и прикладных исследований, которые можно
охарактеризовать как решение крупной научной проблемы в области производства
чугуна Работа направлена на совершенствование технологии доменной плавки,
что достигается путем прогноза и выбора обоснованных технологических режимов
при вынужденных или целенаправленных изменениях параметров процесса
Методы выбора технологических режимов базируются на использовании
балансовых и эмпирических моделей, реализованных в виде компьютерных
систем анализа и прогноза развития явлений, протекающих в печи.
Производство чугуна в доменных печах является одним из основных
металлургических процессов, требующих больших энергозатрат
Совершенствование технологии доменной плавки за последние десятилетия было
связано с внедрением мероприятий, направленных на снижение удельного расхода
кокса. Практика работы подтвердила принцип, сформулированный в работах Р
Оккермана, МА. Павлова, относительно процессов усвоения тепла в печи
Согласно этому принципу « по мере совершенствования технологии доменного
процесса и приближения к некоторому предельному режиму эффективность всей
совокупности мероприятий по его дальнейшему улучшению снижается» Это
обусловлено закономерностями развития взаимосвязанных явлений доменной
плавки, которые находятся под действием большого количества как
контролируемых, так и неконтролируемых возмущений, которые приводят к
работе печи в переходных режимах Технология плавки, для каждой конкретной
печи, выбирается таким образом, чтобы изменения процессов в этих переходных
режимах не привели к расстройствам теплового состояния, газодинамики и
шлакового режима, то есть создаются необходимые резервы. Как правило, эти
резервы обеспечены «избыточным» расходом кокса. Минимизация таких резервов
является одним из путей совершенствования технологии доменной плавки
В современных условиях существенно изменился режим работы доменных
печей Причиной этого является нестабильность снабжения предприятий
железорудными материалами, коксом и ценовая политика естественных
монополий Эти изменения приводят к необходимости частых перешихтовок и
периодическому переводу печей на тихий ход. Нередко возникают задачи
выплавки чугуна по спецзаказам Железорудная база черной металлургии
постепенно сокращается. Для производства чугуна используются нетрадиционные,
для конкретного предприятия, руды. Таким образом, доля времени, в течение
которого печи работают в переходных режимах, существенно возрастает, а,
следовательно, возрастают потери, связанные с этими режимами работы.
Одним из основных путей совершенствования технологии доменной плавки является разработка и внедрение методов своевременной и адекватной компенсации изменений развития основных явлений, вызываемых действующими на процесс возмущениями Эти пути реализуется на основе расчетных методов прогнозной оценки хода процесса, что позволяют принимать необходимые меры и не допускать расстройств хода печи. Адекватная компенсация действующих на процесс возмущений достигается путем учета взаимосвязи развития процессов тепло - и массообмена, шлакообразования и условий движения встречных потоков шихты и газа
Расчетные методы, реализованные в виде математических моделей, ориентированы на количественную оценку взаимосвязи показателей работы печи с развитием основных явлений доменного процесса при изменении режимных параметров.
Рассматривая доменный процесс как объект моделирования необходимо отметить, что в его основе лежит организованный тепло-и массообмен в условиях движущихся в противотоке сыпучих материалов, расплавов и газов Характеристики потоков распределены в пространстве и изменяются во времени Современные методики анализа и прогноза развития процессов доменной плавки базируются на достижениях многих отраслей науки и техники.
Блестящей плеядой советских ученых, среди которых особо следует отметить Бардина И.П, Воскобойникова В. Г., Готлиба А. Д., Грузинова В К, Китаєва Б И., Красавцева Н.И , Некрасова З.И , Павлова М А., Похвинева А Н , Рамма А Н, Соколова И А, Сорокина В А., Стефановича М. А сформулированы основные положения теории доменной плавки. На основе этих положений развивалась и развивается теория и практика доменного процесса. Значительный вклад в становление современной теории и методов моделирования доменного процесса внесли отечественные ученые Авдеев В.П.,Андронов В.И , Бабарыкин Н Н , Вегман Е Ф , Доброскок В М., Дмитриев А Н., Ефименко Г Г., Жеребин Б Н, Захаров И И, Курунов И Ф., Ковшов В Н, Леонидов Н.К, Логинов В И, Овчинников Ю Н, Спирин Н А., Тараканов А.К., Тарасов В П, Тихомиров Е Н , Товаровский И Г, Торопов Е.В , Фиалков Б.С, Шаврин С В., Швыдкий В С , Шумилов К А , Юсфин ЮС, Ярошенко Ю. Г. и их ученики
Общепризнанно, что создание полной математической модели явлений доменного процесса в настоящее время невозможно Наиболее пригодными для решения задач анализа показателей работы печи оказались принципы натурно -математического моделирования. При таком подходе сердцевиной модели являются натурные (реальные объекты) в их тесном сопряжении с математическими моделями, описывающими отдельные стороны процесса
7 Применение этих моделей, работоспособных только в прямом информационном
сопряжении с самими объектами и предусматривающих математическую
обработку информации, сдерживается в большинстве случаев отсутствием
алгоритмов, которые обеспечивали бы достаточно надежное решение в условиях
неполной и зашумленной информации о параметрах процесса.
Актуальность работы определяется необходимостью совершенствования технологии доменной плавки в условиях, когда доля времени работы печей в переходных режимах возрастает. Решение задач выбора наилучших условий работы доменных печей, как в стационарных условиях, так и при переходных режимах, основано на использовании балансовых и эмпирических моделей, реализованных в виде компьютерных технологий анализа и прогноза хода плавки Эти технологии позволяют учитывать взаимосвязи тепло- и массообменных явлений и тем самым снизить потери при переходных режимах, вызванных вынужденным изменением режимных параметров Совершенствование существующих и разработка новых методов анализа процессов доменной плавки является актуальной задачей
Цель работы. Цель исследования состояла в определении путей совершенствования технологии доменной плавки на основе использования балансовых, эмпирических и динамических моделей, реализованных в виде компьютерных систем анализа и прогноза развития основных процессов, протекающих в печи.
Достижение этой цели потребовало:
анализа современного состояния теории и практики производства чугуна, а также конкретизации технологических задач, решение которых обеспечивает совершенствование технологии доменной плавки,
обобщения опыта моделирования процессов, протекающих в печи и уточнение структур вычислений (на основе натурно - модельного подхода) при решении конкретных технологических задач;
совершенствования методов оценки развития явлений доменной плавки на основе математических моделей с переменной структурой, ориентированных на многовариантный анализ производственных данных;
формирования информационной базы для решения технологических задач на основе разработки алгоритмов оценки и повышения достоверности информации,
прогнозирования влияния возмущений на развитие основных явлений плавки с учетом особенностей распределения потоков шихты и газов по радиусу печи,
адаптации методов анализа и прогноза развития явлений доменной плавки и внедрение разработанных алгоритмов
Научная новизна диссертации заключается в следующем
1 Установлено, что влияние возмущений на развитие всех процессов доменной
плавки возрастает при нестабильных сырьевых условиях. Это обусловлено общей тенденцией снижения затрат тепла на выплавку чугуна, которые сопровождаются изменением динамических характеристик печи.
2 Обобщены подходы и предложены методы создания систем сбора, повышения
достоверности и анализа информации, основанные на современных
представлениях о закономерностях тепло - и массообмена в доменной печи
Уточнены и реализованы методы многовариантной оценки информации для структурной адаптации математических моделей и анализа хода процессов доменной плавки.
Разработана методика оценки нелинейности доменного процесса, позволяющая определять интервалы изменения режимных параметров, при которых погрешность оценок, получаемых из решения балансовых уравнений, находится в допустимых пределах. Тем самым расширяется возможность моделирования процесса на основе детерминированных математических моделей.
5 С использованием принципов натурно - модельного подхода уточнены
методики оценки взаимосвязей между процессами, протекающими в доменной
печи На основе этих методик и функциональных (поведенческих) способов
описания динамики переходных процессов разработаны и внедрены алгоритмы
прогноза основных явлений доменной плавки.
Математические модели, основанные на уравнениях материального и теплового баланса
В настоящее время, для решения технологических задач используют математические модели, которые в зависимости от принятых методов и полноты математического описания доменного процесса можно условно разделить на три группы: -функциональные (поведенческие) модели; -балансовые модели, описывающие природу явлений на основе законов сохранения вещества и энергии в интегральной форме; -кинетические модели, описывающие закономерности тепло- и массообмена в доменной плавки в объеме печи.
Функциональные модели построены на использовании методов математической статистики Обобщение результатов построения и использования этих моделей на основе корреляционного и регрессионного анализа приводится в работе В. И. Коробова /31/. Современный подход к построению таких моделей сформирован научной школой СибГИУ /32-36/ Функциональные модели основаны на анализе поведения исследуемого объекта В общем случае эти модели представлены в виде эмпирических соотношений типа полученных в результате математической обработки (обычно методами регрессионного анализа) экспериментальных, как правило, производственных, данных Здесь Y, - значение і - ой выходной переменной, а01 и К}1 -соответствующие коэффициенты эмпирического уравнения; X j - значения режимных параметров.
В зависимости от характера обрабатываемой информации функциональные модели условно делятся на две группы.
К первой группе относятся модели, построенные на основе данных о нормальной эксплуатации доменной печи. Применение моделей данного типа ограничено в силу нестационарности доменного процесса, что доказано в работах /32,39/ Нестационарность процесса приводит к тому, что коэффициенты эмпирических уравнений изменяются в широких пределах Данный факт подтверждается как литературными данными, обобщенными в работе /37/, так и результатами собственных исследований.
Недостатком этих моделей является также и то, что они, удовлетворительно отражая технологические связи процесса, довольно поверхностно учитывают информационные взаимосвязи доменной печи как управляемой технологической системы, особенно специфику оперативного управления, действие возмущений и компенсирующих их воздействий /39/.
Вторая группа функциональных моделей характеризуется тем, что в их основе лежат натурные данные о характерных периодах работы печи Необходимость выделения информативных участков натурных данных для описания сложных технологических систем достаточно доказана /32-36/ Однако, методики (корректной с математической точки зрения) выбора характерных участков не предлагается.
М А Стефанович /40/ показал, что оценка изменения удельного расхода кокса и производительности печи, найденная с использованием балансовых методов расчета отличается от практических данных (полученных в характерные периоды) в 1,5 - 2 раза. Это отличие он объясняет тем, что модельные оценки не учитывают многих факторов сопровождающих изменение содержания железа в шихте При этом М. А. Стефанович делает вывод о том, что для решения практических задач балансовые модели должны быть дополнены эмпирическими соотношениями. Этот вывод подтверждается в работе /41/ Найденные методом математической обработки экспериментальных данных пересчетные коэффициенты, характеризующие влияние изменения режимных параметров на технико-экономические показатели работы печей часто используются и в балансовых моделях /41-44/
Разработанные ЦНИИЧМ /44/ и дополненные конкретными рекомендациями ИЧМ /45-50/ функциональные модели доменного процесса широко используются для решения задач нормирования материальных и энергетических ресурсов и оценки эффективности планируемых мероприятий доменного производства. Нелинейность доменного процесса, проявляющаяся в изменении его статических характеристик при изменении условий плавки, учитывается разными значениями пересчетных коэффициентов для выделенных диапазонов изменения ряда параметров. Такой подход к использованию функциональных моделей для анализа технико-экономических показателей работы печи позволил расширить сферу их применения. Следует отметить, что метод пофакторного анализа прост, приведен в справочной литературе /48-49/ и многие годы использовался для решения задач нормирования и организации доменного производства в рамках предприятия и отрасли в целом. В этом случае изменения отчетных показателей обычно невелики, тщательно выверены, а результаты расчетов анализируются и могут быть скорректированы опытными специалистами доменных лабораторий. Подробный анализ применения рассматриваемого метода для оценки работы отдельных доменных печей приведен в работе Л.Ю Гилевой. /50/. Выявлены существенные расхождения между модельными оценками и промышленными данными. Главной причиной такого расхождения следует считать методологическую ошибку, связанную с использованием линейных соотношений для нелинейного объекта. Как известно, для нелинейных объектов применение правила аддитивности ограничено. Наиболее значимые результаты при использовании функционального подхода получены при описании динамики доменного процесса. Здесь, в основном, изучались модели вида «вход-выход». Анализ многочисленных экспериментальных данных, опубликованных в литературе /51-75/, показывает, как существенные различия в значениях найденных переменных, так и отсутствие научно обоснованной стратегии описания динамики доменного процесса Это, прежде всего, проявляется в том, что один и тот же переходный процесс описывается разными математическими моделями. Основным способом повышения достоверности оценки динамических характеристик доменной печи, является использование закономерностей тепло и - массообменных процессов /8, 21, 23, 24, 25, 27, 30, 33, 41, 50, 54,73, 76-78/ Детальный анализ методов к описанию динамики переходных процессов и конкретных результатов исследования приведен в работах / 79, 80/. В целом, анализируя научные достижения и результаты описания доменного процесса с использованием функционального (поведенческого) подхода, следует отметить 1 Для каждого конкретного случая имеется возможность построения адекватной математической модели типа «режимные параметры-показатели процесса» Перенос полученных данных на другие доменные печи не всегда правомерен 2 Наиболее универсальные результаты получены при описании взаимосвязи между комплексными показателями развития процессов доменной плавки Это подтверждает, как возможность, так и необходимость использования функционального подхода при разработке конкретных методик расчета
Методики решения задач оценки влияния режимных параметров на показатели работы доменной печи
Высокие технико-экономические показатели доменной плавки могут быть получены только при оптимальном шлаковом режиме. Шлаковый режим в значительной степени связан с химическим составом продуктов плавки, развитием как теплового, так и газодинамического режимов Целью управления шлаковым режимом является получение чугуна требуемого химического состава, и шлака, обладающего надлежащими свойствами в ходе всего процесса шлакообразования При оценке шлакового режима выделяют следующие стадии размягчение железорудного материала, образование первичного шлакового расплава, фильтрация этого шлака в коксовой насадке и получение конечного шлака, состав которого изменяется за счет присоединения золы кокса
В монографиях /40, 95, 203-216/, учебниках /91, 97/ и научных работах /214-253/ закономерности процессов шлакообразования рассматриваются в последовательности, определяемой превращениями, происходящими в доменной печи Это процессы твердофазного минералообразования, размягчения железорудных материалов, образования первичного, промежуточного и конечного шлаков и процессы фильтрации расплавов через коксовую насадку Обобщенный анализ литературных данных приводится в монографиях /79, 97,201, 203, 204, 210- 212, 214/
В процессе твердофазного минералообразования происходит образование твердых растворов и различных минеральных фаз из оксидов, входящих в состав железорудного сырья Считается /201,204-206, 239 ,242 ,243/, что кинетика процессов минералообразования во взаимосвязи с кинетикой восстановления оксидов железа определяет горячую прочность агломерата и температуру начала его размягчения. То есть процессы минералообразования взаимосвязаны с газодинамикой верхней и нижней зон доменной печи.
Данные о температурах начала твердофазного минералообразования и температуры плавления минералов приведены в литературе. /203-205, 243, 244, 247, 252/
Процессы размягчения сопровождаются изменением геометрии кусков железорудного материала (ЖРМ). Под воздействием возрастающих температур и давления от массы вышерасположенных шихтовых материалов, кусковый железорудный материал превращается в вязкие тестообразные массы. Появление таких масс в зоне шлакообразования сопровождается уменьшением газопроницаемости этой зоны в связи с заполнением вязким тестообразным шлаковым расплавом межкусковых пространств кокса Размягчение железорудного материала происходит в интервале температур - температурном интервале размягчения.
Современные представления о влиянии основных факторов на процессы первичного шлакообразования в доменной печи, сформировавшиеся в результате многочисленных исследований отечественных и зарубежных исследований /201, 203, 205, 207- 212, 214, 215, 217, 220- 233, 236-244, 246-250/, позволяют выделить следующее.
Начало размягчения ЖРМ обусловлено появлением в кусках первых порций жидкой фазы, состав которой определяется исходным составом железорудного сырья и развитием процессов восстановления оксидов железа. При этом роль процессов восстановления оксидов железа на температуру начала размягчения оценивается неоднозначно В.З. Кацман на основании экспериментальных данных показал /243, 244/, что температура размягчения определяется исходным составом железорудных материалов Вместе с тем, многочисленные экспериментальные исследования, обобщенные в работах /19, 201-204/ показано, что на процессы первичного шлакообразования существенное влияние оказывает содержание FeO в первичном шлаке.
Определение температуры начала размягчения материалов целиком и полностью базируется на экспериментальных данных, которые обобщаются в виде эмпирических уравнений или диаграмм состояния систем.
Общепризнанно, что основной характеристикой первичного шлака является температура, при которой возможно его вытекание из коксовой насадки. По данным /201/ эта температура соответствует для шлаков, не содержащих FeO, вязкости 2,5 Пас Обобщенные в работах /79, 203, 227/ данные свидетельствуют о существенном влиянии на эту температуру гранулометрического состава кокса
В рамках современных представлений о движении первичного шлака в коксовой насадке признается, что одним из главных факторов, определяющих процессы фильтрации, является содержание в нем FeO Однако единой трактовки причин этого явления нет /4, 19, 26, 203/ Это объясняется исключительной сложностью протекания процессов шлакообразования в доменной печи
Согласно взглядам М.А Павлова /91/ первичный шлак, характеризующийся повышенным содержанием в нем монооксида железа, и обладающий вследствие этого высокой плотностью и малой вязкостью сравнительно быстро движется внутри межкусковых пространств коксовой насадки. Такой шлак образуется при низкой температуре (при малой величине tnjI), он имеет низкое теплосодержание Приходя в горн печи этот шлак «холодит горн». Предлагаемый механизм объясняет взаимосвязь свойств шлака с процессами восстановления оксидов трудновосстановимых элементов.
В соответствии с представлениями Б И Китаєва, С В. Шаврина, И Н Захарова, А А Гиммельфарба, К И Котова и других исследователей /4, 19, 26, 203/ FeO первичного шлака взаимодействует с углеродом кокса. В результате такого взаимодействия наблюдается «торможение» движения шлака в коксовой насадке Трактовки возможного характера механизма такого «торможения» рассмотрены в работе /203/.
Признано, что одной из основных характеристик конечного шлака является его вязкость. Именно изучению температурных зависимостей вязкости шлака посвящено большое количество работ / 214,215,221,234,241,244,247,249/
Вязкость доменного шлака оказывает воздействие на большинство процессов, происходящих в доменной печи Жидкоподвижный шлак быстро освобождает межкусковые пространства коксовой насадки, улучшая газодинамику зоны шлакообразования. Кроме того, подвижный шлак обеспечивает эффективную десульфурацию чугуна как при прохождении его капель через слой шлака в горне печи, так и в процессе совместного выпуска расплавов в канале чугунной летки. При подвижном шлаке наблюдается снижение потерь металла со шлаком, уменьшается вероятность прожигания металлом деталей шлаковой летки, происходит снижение трудозатрат при подготовке желобов к новому выпуску
Реальный доменный шлак нагрет до температур, находящихся между точками солидуса и ликвидуса и представляет из себя гетерогенную шлаковую систему, в которой наряду с жидкой фазой присутствуют и твердые частицы различных минеральных фаз. Корректные методики оценки степени гетерогенности шлака отсутствуют. Поэтому приходится рассматривать изменение вязкости за счет изменения его химического состава.
Оценка газодинамики нижней зоны доменной печи
Совершенствование технологии доменной плавки в современных условиях связано как с реализацией мероприятий, направленных на снижение энергозатрат, так и со своевременной компенсацией действующих возмущений Своевременная компенсация действующих возмущений позволяет снизить потери, вызванные переходными режимами и избежать расстройств хода печи.
Анализ работ, отражающих современное состояние теории, технологии и методов моделирования доменного процесса, показал, что имеются все предпосылки совершенствования технологии доменной плавки на основе практического применения методов моделирования взаимосвязанных явлений
Основная проблема моделирования доменного процесса связана с необходимостью использования «зашумленной» информации. Именно математические модели ориентированные на использование реально контролируемых параметров работы доменной печи позволяют решать комплекс технологических задач
В основе научно обоснованного выбора мероприятий, направленных на компенсацию эффектов действующих возмущений, лежат математические модели, реализованные в виде компьютерных систем поддержки принятия решений Поиск путей совершенствования технологии доменной плавки на основе разработки и использования методов моделирования теплового состояния, газодинамики, шлакового режима и параметров распределения потоков шихты и газов в доменной печи явилось основной задачей диссертационного исследования.
Конкретными задачами исследования являются. 1 Разработка структурного подхода к решению технологических задач на основе изучения особенностей доменной плавки в современных условиях и обобщения опыта моделирования процессов, протекающих в печи. 2 Создание методов формирования информационной базы для решения технологических задач на основе предлагаемых способов оценки и повышения достоверности информации. 3 Изучение особенностей взаимного влияния условий тепло - массообмена, газодинамических явлений и закономерностей протекания процессов шлакообразования. Разработка на этой основе системы комплексного анализа работы доменных печей. 4 Совершенствование методов оценки теплового состояния доменной печи 5 Разработка методов учета и прогноза влияния возмущений на развитие основных явлений доменной плавки и подхода к оценке требуемого для исключения аварийных ситуаций запаса тепла. 6 Анализ процессов, определяющих неравномерность распределения потоков шихты и газов в шахте доменной печи. Разработка способов формирования столба шихтовых материалов. 7 Разработка методов анализа нелинейности доменного процесса. Оценка такого интервала изменения режимных параметров, при котором балансовые уравнения позволяют находить прогнозные значения показателей хода плавки с допустимой погрешностью. 8 Создание программного обеспечения, позволяющего решать технологические и информационные задачи доменной плавки 9 Опробование и внедрение разработок в современных условиях работы доменных печей и оценка перспективности их использования. 2. Разработка общего подхода к решению технологических задач Колебания характеристик железорудных материалов, свойств кокса и параметров комбинированного дутья (возмущения) могут быть как контролируемыми, так и неконтролируемыми. В общем случае, эти колебания сопровождаются изменением взаимосвязанных процессов теплообмена, восстановления, шлакообразования движения газов и расплавов. Это приводит к изменению структуры столба шихтовых материалов во всем объеме печи Технология доменной плавки и практика управления ходом печи ориентирована на получение чугуна заданного состава при минимальных энергозатратах. Оптимальность технологии доменной плавки оценивается по удельному расходу кокса, производительности печи, коэффициенту использования полезного объема и колебаниям химического состава продуктов плавки Следствием как контролируемых, так и неконтролируемых возмущений является изменение технико-экономических показателей плавки и химического состава чугуна Методы компенсации отклонений работы печи от заданного режима являются составной частью технологии доменной плавки и регламентируются технологическими инструкциями. Именно за счет адекватной и своевременной компенсации эффектов действующих возмущений достигается снижение «потерь» и колебаний химического состава продуктов плавки. Поэтому одним из направлений совершенствования технологии доменной плавки является своевременная компенсация отклонений основных процессов доменной плавки при изменении шихтовых условий То есть выбор соотношения компонентов шихты в подаче, параметров комбинированного дутья и программы загрузки при которых либо минимизируются «потери», либо достигается максимальный эффект. Принято, что основным способом решения поставленной задачи является модельная оценка прогнозных изменений основных явлений доменной плавки Необходимость использования модельных методов при определении величины воздействия для компенсации того или иного возмущения обусловлена нестабильностью коэффициентов передачи, что общепризнанно. Количественная оценка влияния изменений режимных параметров на состав продуктов плавки, производительность печи и удельный расход кокса при фактических условиях плавки - конечная цель задач моделирования работы доменной печи. При анализе работы доменной печи ее следует рассматривать как управляемую технологическую систему. Упрощенно комплекс доменной печи может быть представлен схемой, приведенной нарис 2.1. Современная доменная печь является организованной управляемой интерактивной системой Состояние этой системы, оцениваемое показателями состояния (комплексными показателями (S)), определяется закономерностями основных процессов, протекающих в доменной печи, особенностями технологии, зависящей от конкретных топливно-сырьевых условий и оборудования доменной печи, включающего системы подготовки шихты, комбинированного дутья, систему отработки продуктов плавки и принятым способом управления процессом. Поэтому, при оценке эффективности доменной плавки следует анализировать не процесс выплавки чугуна в доменной печи с его физическими, тепло-и массообменными закономерностями, а организованную функционирующую систему с блоком управления в контуре обратной связи Под блоком управления понимаются как используемые средства контроля с присущими им метрологическими особенностями, так и участвующие в управлении технологи, целенаправленные действия которых обеспечивают выполнение производственной программы Критерием экономичности доменного производства принято считать удельный расход кокса (Куд) Он определяется потребностью протекающих в доменной печи процессов в углероде кокса, как теплоносителе, так и восстановителе.
Блок оценки достоверности данных о химическом составе продуктов плавки
Действия неконтролируемых возмущений проявляются в изменении химического состава продуктов плавки и восстановительной работы газового потока Влияние этих факторов на показатели работы печи должно учитываться путем моделирования переходных процессов происходящих, как вследствие действия самих возмущений, так и за счет управлений, направленных на компенсацию этих возмущений
Разработанные структуры учета взаимосвязи между изменением режимных параметров позволяют решать широкий круг практических задач управления доменным процессом при разработке соответствующих моделей и методик расчета Основными из этих задач являются. 1 Сопоставимый анализ работы доменных печей на основе математической модели теплового состояния доменной печи с учетом взаимного влияния тепловых и восстановительных процессов 2 Прогноз показателей работы доменной печи при изменении режимных параметров (здесь реализован комплексный подход, учитывающий тепловое состояние, процессы газодинамики, шлаковый режим и режим загрузки шихтовых материалов) 3 Прогноз изменения показателей работы доменной печи при изменении химического и гранулометрического состава загружаемой шихты. 4 Контроль распределения потоков шихты и газов в доменной печи по составу колошникового газа 5 Прогноз изменения распределения материалов по радиусу доменной печи с учетом особенностей формирования столба шихтовых материалов при их загрузке 6 Оценка достоверности исходных данных в системах контроля доменного процесса и разработка информационной структуры систем управления доменным процессом 7 Прогноз состава продуктов плавки в реальном масштабе времени Подход к решению перечисленных технологических задач управления основан на концепции помехозащищенности, основные положения которой рассмотрены ниже. При решении любой технологической задачи необходим определенный объем априорной информации о физических закономерностях процесса, о действующих возмущениях, о начальном состоянии объекта, о требованиях к качеству управления и об ограничениях на изменение режимных параметров Для большинства современных объектов задача получения всей требуемой информации с заданной точностью остается практически неразрешимой.
Реальные требования к объему и достоверности информации, а также к структуре математической модели, во многом определяются сложностью технологической задачи и фактором времени
Основная проблема математического моделирования доменного процесса связана с разрешением противоречий между сложностью математической модели и необходимостью решения технологической задачи за заданный интервал времени при реально контролируемой информации. Безусловно, что это относится главным образом к задачам принятия решений в конкретной ситуации и не в полной мере распространяется на задачи оптимизации доменной плавки или работы цеха
Однако, фактор времени существенен и для тех технологических задач, решение которых требует получение дополнительной информации. Основой концепции помехозащищенности является ориентация математических моделей на научно обоснованные и экспериментально подтвержденные закономерности основных физико-химических процессов, протекающих в технологическом агрегате. Для задач управления сложными технологическими процессами, функционирующими в условиях существенной неопределенности могут применяться математические модели, использующие три основных принципа построения Первый принцип заключается в выборе такой структуры модели, в которой наименее достоверные данные используются таким образом, что ошибки, вызванные этими данными, не приводят к существенным погрешностям результатов моделирования. При этом используется известный факт, заключающийся в том, что заданные требования к точности вычислений могут быть достигнуты с помощью различных структур вычисления Основными методами, используемыми при построении таких моделей, является методы теории чувствительности. Второй подход основан на использовании избыточных элементов в математической модели Под избыточностью следует понимать использование дополнительных источников информации, вычисление одинаковых физических величин по различным теоретическим или эмпирическим соотношениям. Третий подход связан с использованием интервальных оценок результатов моделирования При этом интервальные оценки получаются на основе использования, так называемых, грубых моделей. В рамках сформулированных выше подходов задачи построения математических моделей должны во многом определяться конкретными технологическими задачами, существующими системами сбора информации и технологическим оборудованием Это связано с тем, что неопределенности обусловлены конструкцией оборудования и системами сбора информации Основным принципом, используемым при построении помехозащищенных моделей доменного процесса, является принцип натурно - модельного подхода Сущность этого подхода заключается в декомпозиции задачи моделирования и использовании линеаризованных путем разложения в ряд Тейлора соотношений При таком подходе модель доменного процесса в формальной записи представляется одним из следующих соотношений Первые составляющие уравнений (2 1) и (2 2) является детерминированной составляющей и используется для оценки изменения выходных переменных при условии AZ/т) -Constant Вторые составляющие этого уравнения является приведенным возмущением При известной взаимосвязи между Y и X уравнения (2 3) и (2 4) решается относительно AZ, что позволяет выявить эффекты неконтролируемых возмущений. В задачах статики анализ AZ используется для оценки культуры производства. В задачах динамики ставится задача прогнозирования действующих возмущений и на основе этого прогноза прогнозируется изменение выходных переменных Одно из преимуществ такого подхода заключается в том, что при моделировании появляется возможность учитывать влияние только тех переменных, которые реально изменяются, и, тем самым, упростить математическую модель Разработанный комплекс математических моделей можно разделить на две части - модели базового состояния и прогнозирующие модели Модели базового состояния по усредненным показателям за базовый период работы печи позволяет ретроспективно оценивать состояние процесса. При этом используется вся доступная информация о параметрах шихты, комбинированного дутья, колошникового газа и продуктов плавки. Прогнозирующие модели на основании результатов, полученных с помощью модели базового состояния, позволяет оценить показатели доменного процесса в случае изменения условий плавки.
