Введение к работе
Актуальность проблемы. Разработка научно обоснованных методов и алгоритмов управления металлургическими процессами с целью интенсификации производства, повышения качества металла, экономии материальных и энергетических ресурсов требует достоверных данных о теплофизических свойствах металлических расплавов металлургического производства, глубокого понимания природы металлических расплавов. В настоящее время резко возросла потребность в точности и быстроте в получении, обработке и воспроизведении результатов - получения точных показателей теплофизических свойств металлических расплавов в режиме реального времени. Такие результаты можно получить только за счет применения современных информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), позволяющих осуществлять все более быстрый и эффективный контроль и управление процессами, протекающими в агрегатах расплава металлов. Использование ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов обеспечивает более высокие показатели производства сталей.
Этому способствуют следующие положительные изменения:
уменьшение средней продолжительности выплавки;
повышение производительности конвертеров и печей;
сокращение корректирующих операций по химическому составу и температуре;
сокращение расхода легирующих материалов, раскислителей, ферросплавов и
энергоносителей;
улучшение качества и увеличение выхода годного металла за счет оптимизации
процесса выплавки.
Применение таких ИИУС является необходимым условием успешной металлоплавильной практики.
Однако, как правило, построение ИИУС на базе промышленного оборудования приводит к избыточности аппаратных средств, несогласованности ее функциональных блоков между собой и превращению ИИС в подобие прибора с жесткой структурой, где микропроцессор выполняет только функцию вычислителя.
Такой подход часто является экономически невыгодным. Поэтому повышение качества ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов за счет обеспечения точности и быстродействия при обработке полученных данных является необходимой и актуальной научно-технической задачей.
Целью диссертационной работы является повышение точности и сокращение времени определения теплофизических данных металлических расплавов за счет интеграции результатов измерений в производственной ИИУС.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:
на основе анализа методов определения теплофизических свойств металлических
расплавов необходимо определить виды первичных преобразователей, являющихся
наиболее эффективными для решения задачи определения теплофизических свойств
металлических расплавов;
разработать обобщенную структуру информационно-измерительной и
управляющей системы определения теплофизических свойств металлических расплавов;
разработать алгоритмы работы информационно-измерительной и управляющей
системы определения теплофизических свойств металлических расплавов;
разработать базовую математическую модель информационно-измерительной и управляющей системы определения теплофизических свойств металлических расплавов на основе теоретического анализа функциональной схемы;
провести метрологическую оценку информационно-измерительной и
управляющей системы определения теплофизических свойств металлических
расплавов;
разработать и практически реализовать структурно - алгоритмические и
схемотехнические решения новых информационно-измерительных и управляющих
систем определения теплофизических свойств металлических расплавов и выработать
дополнительные рекомендации по проектированию на основе полученных результатов
практических исследований.
Методы исследования
Для достижения поставленной цели в качестве аппарата исследований использованы: теория систем, теория автоматического управления, теоретическая электротехника, электроника и микропроцессорная техника, теория автоматизированного электропривода, теория вероятностей, прикладная комбинаторика. Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана обобщенная структура информационно-измерительной и
управляющей системы определения теплофизических свойств металлических расплавов,
обеспечивающая ее построение на основе унифицированных функциональных узлов и
адаптацию к различным режимам работы.
Разработана математическая модель информационно-измерительной и управляющей системы определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющая целенаправленно формировать структуру и параметры ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов с целью обеспечения заданной точности и быстродействия.
Предложена модель принятия решения в информационно-измерительных и управляющих системах, позволяющая оценить показатели эффективности функционирования информационно-измерительных и управляющих систем и оперирующая параметрами исследуемых металлических расплавов, условиями и методами измерений с учетом структуры ИИУС и критериев оценки результатов измерения.
Разработан алгоритм функционирования информационно-измерительных и управляющих систем определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающий получение достоверной информации о теплофизических свойствах расплавов при воздействии дестабилизирующих факторов.
5. Разработан алгоритм оперативного определения теплофизических свойств
металлических расплавов, позволяющий сократить время измерения на 20 %.
6. Разработаны измерительные зонды для оперативного определения
теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющие сократить время
измерения на 30%.
Практическая значимость работы заключается в том, что: на основе научных результатов, полученных в диссертационной работе, разработана методика проектирования информационно-измерительных и управляющих систем определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающих заданные показатели качества. Предложены структуры новых ИИУС, позволяющих оперативно определять теплофизические свойства металлических расплавов, защищенные патентами на изобретения и внедренные на ряде предприятий металлургической отрасли.
Достоверность результатов работы подтверждается:
совпадением расчетных результатов с экспериментальными;
положительным опытом работы разработанных ИИУС определения
теплофизических свойств металлических расплавов.
Реализация и внедрение результатов работы:
Созданы и внедрены в промышленное производство ИИУС производственного уровня, обеспечивающие повышение точности оценки качества металла за счет сокращения времени определения теплофизических данных металлических расплавов
ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов применены в разработках и изделиях ООО «Нординкрафт-Сенсор» (г. Череповец) и имеют высокие технико-экономические показатели, что подтверждено соответствующим актом о использовании.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре «Приборы и информационно-измерительные системы» Московского государственного университета приборостроения и информатики, в ОАО ЦНИТИ, на отраслевых совещаниях в 000 «Нординкрафт-Сенсор», ОАО «Северсталь», VIII Всероссийской НПК «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве», г. Новокузнецк, Международной НПК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики» г. Сочи, Личный вклад автора
Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения, интерпретации полученных результатов.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ в виде статей в журналах, трудах российской и международной научно-практических конференций, из них 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных положений диссертационных работ.
Структура и объем диссертации
