Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, постановка задач диссертационной работы 10
1.1. Особенности работы доменных печей в современных условиях 10
1.2. Технологические основы задувки доменных печей 15
1.3. Математическое моделирование в исследовании доменного процесса 29
1.4. Модельные системы поддержки принятия решений в доменном производстве 35
1.5. Задачи диссертационного исследования 40
Глава 2. Математическая модель расчета шихты заполнения доменной печи 42
2.1. Физическая постановка задачи 42
2.2. Математическая модель расчета состава шихты заполнения с регулируемым процессом восстановления и шлакообразования 47
2.3. Математическая модель расчета состава шихты заполнения для традиционной задувки 73
2.4. Моделирование дутьевого и газодинамического режимов доменной плавки в задувочный период 77
2.5. Прогнозирование состава чугуна 84
2.6. Оптимизационная модель шихты заполнения 86
2.7. Выводы 93
Глава 3. Разработка комплекса программ для компьютерной системы поддержки принятия решений 94
3.1. Принципы построения и особенности функционирования комплекса программ 94
3.2. Реализация пакета прикладных программ расчета шихты заполнения, выбора дутьевых и газодинамических параметров 109
3.3. Примеры решения задач расчета шихты заполнения, выбора дутьевых и газодинамических параметров 128
3.4. Выводы 142
Заключение 143
Библиографический список
- Технологические основы задувки доменных печей
- Модельные системы поддержки принятия решений в доменном производстве
- Математическая модель расчета состава шихты заполнения для традиционной задувки
- Реализация пакета прикладных программ расчета шихты заполнения, выбора дутьевых и газодинамических параметров
Введение к работе
Современная тенденция развития науки и техники характеризуется развитием, внедрением и широким использованием компьютерных систем поддержки принятия решений в АСУП и АСУ ТП, в основу которых положены методы математического моделирования.
Сегодня на передовых металлургических предприятиях России и стран СНГ функционируют или создаются мощные распределенные базы данных. Это позволяет практически полностью решать проблемы хранения, контроля, защиты, ввода, редактирования и извлечения информации, а также формирования необходимых отчетных данных. В то же время отечественный и зарубежный опыт убедительно доказывает, что развитие предприятий металлургического комплекса, решение проблем энергосбережения, повышения качества и конкурентоспособности продукции на мировом рынке требуют усовершенствования систем использования информации, применяемых как для управления технологическими процессами, так и управления производством в целом. Информация сама по себе зачастую мало что дает для анализа и прогноза, для принятия решений и контроля за их исполнением. Необходимы надежные способы оценки ее достоверности и переработки информационного «сырья» в готовый продукт. Интеллектуальным ядром такой переработки информации являются математические модели. Особенно актуальна данная проблема в таких сложных и энергоемких производствах как доменное, где проведение научных экспериментов на работающем агрегате крайне затруднено либо вообще невозможно. Сегодня становится очевидной роль алгоритмов и компьютерных программ для решения комплекса технологических задач в области доменного производства именно для верхних SCADA и MES уровней. Экономическая отдача от модернизации автоматизации, а также устойчивое безаварийное состояние и надежная работа агрегатов определяются во многом использованием эффективных систем диагностики, предупреждения, прогноза и оптимизации, которые основаны на математическом моделировании. Следует отметить, что в целом анализ состояния вопроса по реально используемым математическим моделям в практике технологии ведения доменной плавки показывает: в настоящее время разрыв между потенциальными возможностями средств автоматизации и реальными возможностями используемого программного обеспечения огромен.
В связи с этим следует выделить научные проблемы, первостепенными из которых являются:
• использование современных достижений в области математического моделирования, теории и практики доменной плавки, теории управления при разработке автоматизированных систем управления;
• разработка на основе современных принципов соответствующего математического, алгоритмического и программного обеспечения.
Наиболее важными задачами совершенствования доменного процесса являются сокращение расхода кокса, повышение качества продукции, повышение безопасности производства. В том числе это относится к периоду пуска доменной печи, т.е. периоду задувки, который значительным образом обуславливает дальнейшую многолетнюю работу печи. Решению вышеизложенных задач способствует внедрение современных информационно-моделирующих систем, совершенствование методов управления доменной плавкой.
Теоретическая разработка различных явлений доменного процесса и методов практического управления им значительно выросла за последние годы. Однако до настоящего времени остается еще ряд вопросов, имеющих большое научное и практическое значение для доменного производства. К ним, в том числе, относятся вопросы задувки доменных печей. Анализ литературных источников показал, что данная область теоретически мало изучена.
Цель работы
Разработка математических моделей, алгоритмов и программного обеспечения для обеспечения нормального теплового, шлакового, дутьевого и газодинамического режимов работы доменной печи во время ее пуска.
Задачи исследования
• анализ существующих методов выбора состава шихты заполнения, выбора тепловых, шлаковых, дутьевых и газодинамических параметров доменной плавки в период задувки печи;
• формулировка общесистемной модели выбора состава шихты заполнения, ее расположения по высоте печи, а также дутьевых и газодинамических параметров во время пуска доменной печи;
• разработка математических моделей расчета шихты заполнения для различных способов задувки печи;
• создание оптимизационной модели расчета шихты заполнения, выбор и формализация ограничивающих факторов;
• разработка, адаптация и опытно-промышленное опробование программного обеспечения выбора оптимального состава шихты заполнения, дутьевых и газодинамических параметров.
Методы исследований
Методы исследований базируются на физических закономерностях основных процессов, протекающих в доменной печи, системном анализе, использовании современных принципов разработки и построения математических моделей, алгоритмического и программного обеспечения, предназначенных для автоматизированного управления сложными технологическими процессами в металлургии.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
• впервые разработан комплекс математических моделей расчета шихты заполнения, выбора дутьевых и газодинамических параметров
доменной печи при ее задувке;
• обоснованы и математически описаны лимитирующие параметры работы доменной печи во время ее задувки;
• создана оптимизационная модель расчета состава шихты заполнения, выбора дутьевых и газодинамических параметров;
• разработано соответствующее алгоритмическое и программное обеспечение.
Практическая значимость
Полученные в ходе выполнения работы результаты найдут практическое применение:
• при совершенствовании режимов функционирования доменных печей в условиях нестабильности их работы в процессе задувки, что позволит повысить технико-экономические показатели плавки и безопасность пуска доменных печей;
• создании и развитии прикладных инструментальных систем исследования, моделирования и обучения с учетом технических возможностей современных систем управления сложными агрегатами и комплексами в металлургии;
• разработке автоматизированных рабочих мест инженерно-технологического персонала;
• преподавании дисциплин для студентов соответствующих специальностей.
Достоверность полученных положений, выводов и рекомендаций доказывается сопоставлением результатов, полученных с использованием разработанных моделей, с производственными данными, а также общепризнанными закономерностями доменного процесса, подтверждается соответствием современным представлениям в области теории, технологии и математического моделирования доменной плавки.
Использование результатов работы
Разработанные математические модели явились основой практической реализации пакета прикладных программ «Расчет шихты заполнения», предназначенного для АРМ инженерно-технического персонала металлургических заводов, имеющих доменное производство.
Пакет «Расчет шихты заполнения» передан центру АСУ ОАО ММК и используется для расчета шихт заполнения доменных печей.
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс в ГОУ ВПО УГТУ-УПИ при преподавании следующих дисциплин:
• Специальность 230201 - Информационные системы и технологии. Направление 654700 - Информационные системы (дипломированные специалисты): «Проектирование пакетов прикладных программ», «Информационные системы в металлургии».
• Специальность 150103 - Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей. Направление 651300 - Металлургия (дипломированные специалисты): «Моделирование процессов и объектов в металлургии», «Информационные технологии в металлургии».
Личный вклад автора состоит в разработке математических моделей расчета шихты заполнения, создании соответствующего математического, алгоритмического и программного обеспечения.
Автор защищает
• математическая модель расчета шихты заполнения, выбора дутьевых и газодинамических параметров при задувке доменной печи;
•, обоснование и математическое описание лимитирующих параметров во время задувки доменной печи;
• оптимизационная модель и комплекс алгоритмов расчета шихты заполнения, выбора дутьевых и газодинамических параметров;
• программное обеспечения для расчета шихты заполнения доменных печей.
Апробация работы
Материалы исследований доложены на конференциях • международного уровня:
Конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии». Украина. Днепропетровск, 2002 г.; научно-технической конференции «Теория и практика производства чугуна». Украина. Кривой Рог, 2004 г.; 3-й научно-практической конференции Уральского регионального отделения академии инженерных наук им. A.M. Прохорова. Россия, Екатеринбург, 2004 г.; научно-практической конференции «Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее». К столетию со дня рождения М.А. Глинкова. Россия, Москва, 2006 г.; • Всероссийского уровня:
IV научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, наук и производстве». Новокузнецк, 2003 г.; Ш-ей Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике». Пенза, 2003 г.; Энергетика и металлургия -настоящему и будущему России. 6-я научно-практической конференции. Магнитогорск, 2005 г.; V научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве». Новокузнецк, 2005; 2-й научно-практической конференции «Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии», Новокузнецк, 2006. Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе 3 научных публикациях в изданиях, рекомендованных ВАК, 12 докладов в сборниках трудов конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа изложена на 154 страницах машинописного текста, включая 51 рисунок, 3 таблицы, и состоит из общей характеристики работы, 3 глав, заключения, библиографического списка из 163 источников отечественных и зарубежных авторов, 2 приложений.
Технологические основы задувки доменных печей
Задувка доменной печи и последующий раздувочный период являются ответственными операциями, от правильного выполнения которых зависит нормальная работа печи, продолжительность ее службы, количество и длительность промежуточных ремонтов [52-55].
При задувке должны быть обеспечены следующие условия: ? нормальное тепловое состояние печи; ? хороший дренаж жидких продуктов в горне; ? сохранность футеровки печи при заполнении шихтой заполнения, а также в период, когда поверхность кладки, еще незащищенная гарнисажем, легко подвергается воздействиям высокотемпературных процессов, происходящих в ее рабочем пространстве; ? безаварийность, отсутствие простоев, обеспечение безопасности персонала; ? возможно быстрый, но без излишнего форсирования переход к нормальной работе с получением заданных составов шлака и чугуна; ? достижение установленных технологических показателей плавки. Анализ работ различных авторов показал отсутствие общепризнанного определения понятия «задувка». Далее в работе под задувкой будем понимать пусковой период работы доменной печи после строительства или капитального ремонта, который начинается с момента загорания кокса после подачи дутья в печь, включает в себя первые выпуски продуктов плавки и завершается установлением в рабочем пространстве печи температурного поля, характерного для нормально работающей печи. Продолжительность задувки зависит от технологии, выбранного темпа форсировки, исправности оборудования и др., но, как правило, не превышает времени проплавки одного -двух печных объемов, чаще всего - одного объема.
В литературе также встречается термин «раздувка» - это следующий за задувкой этап работы печи. В этот период могут возрастать параметры дутьевого режима печи, если они не достигли нормального рабочего уровня в задувочном периоде. При задувке печи после строительства или капитального ремонта можно считать раздувочным периодом время выплавки чугуна с повышенным содержанием кремния.
Режимы задувок доменных печей России и стан ближнего зарубежья, опубликованные в научно-технической литературе [56-67] представлены в таблице 1.1.
Анализ имеющихся данных (см. табл.1.1) о проведении задувок на различных металлургических комбинатах показывает, что единых правил задувок доменных печей не существует из-за различий используемого оборудования, сырья, топлива, сложившихся на предприятии традиций. В то же время можно выделить основные принципы и закономерности этого важного процесса.
Состав шихты заполнения. Правильный выбор состава шихты заполнения особенно важен. Она должна обеспечить не только получение чугуна и шлака заданного состава, но и компенсировать тепловые потери в задувочный период, связанные с окончательным прогревом печи, термической подготовкой загруженных в нее шихтовых материалов и затратой тепла на последующее протекание восстановительных процессов в горне.
Основными компонентами шихты заполнения являются: ? кокс; ? железорудные материалы (агломерат, руда); ? шлакообразующие и флюсующие материалы (термозит, доменный или конвертерный шлак, известняк, кварцит, доломит и другие материалы).
К шихтовым материалам шихты заполнения предъявляются особые требования:
1. Кокс должен быть малосернистым. Это требование обусловлено высоким удельным расходом кокса в шихте заполнения, значительным поступлением в печь серы и возникающими проблемами с удалением серы из чугуна.
2. Железорудные материалы должны иметь повышенную восстановимость. Выполнение этого требования связано с тем, что в момент задувки степень прямого восстановления оксидов железа велика и это требует увеличения расхода кокса.
3. Шихтовые материалы должны иметь повышенную механическую прочность. Это связано с особенностями их загрузки, когда из-за большой высоты падения шихты в незаполненную печь, возможно образования большого количества мелких фракций, что вызывает подвисание шихты при подаче в печь дутья, что недопустимо в процессе задувки печи. Ввод шлакообразующих добавок необходим для уменьшения влияния золы кокса с повышенным содержанием глинозема (до 25 %) и возможных колебаний теплового режима на химический состав шлака, а также стабилизации условий шлакообразования в объеме печи. При этом обеспечивается равномерный прогрев столба материалов, аккумуляция тепла в его верхней части и перенос тепла в нижнюю часть, благодаря чему создаются условия получения шлака с достаточной жидкотекучестью при температурных колебаниях по сечению печи и устойчивого гарнисажа, улучшается процесс десульфурации.
Расположение шихт и рудная нагрузка. Существуют различные методики составления шихт заполнения. В ряде случаев выход шлака увеличивают за счет ввода в больших количествах бедной сырой руды, для компенсации основности вводят сырой известняк. В других - количество и заданную основность шлака обеспечивают за счет применения в шихте шлакообразующих добавок [56-67].
При расчете шихт заполнения расход кокса принимают значительно больший, чем в обычной шихте. Это вызвано необходимостью дополнительной затраты тепла: ? на нагрев холодной футеровки печи до рабочих температур; ? на нагрев шихтовых материалов до температур, при которых нормально совершаются процессы восстановления, образуются чугун и шлак; ? на восстановление железной руды (агломерата) прямым путем; ? на расплавление повышенного по сравнению с обычным количеством шлака.
В первый период задувки необходимо, прежде всего, прогреть кладку и загруженные в печь материалы. Поэтому в нижнюю часть печи загружают холостые подачи. Первая порция шихты заполнения - «нулевая» шихта состоит из одного кокса. В последующие холостые подачи включают шлакообразующие материалы, причем основность шлаков, полученных из всей шихты заполнения, должна быть близка к единице. Важно, чтобы шлак, особенно из первых шихт, был жидкоподвижным, обеспечивая хороший дренаж жидких продуктов плавки в горне. Между тем, холостые подачи вносят много золы, содержащей повышенное количество глинозема, который вызывает образование вязких шлаков. Поэтому в шихты заполнения включают шлакообразующие материалы, подавляющие это явление.
После холостых подач в шихте увеличивают рудную нагрузку. Загрузка шихты в печь прекращается при достижении уровня засыпи 2,0-2,5 м.
Известны два основных принципа составления шихты заполнения, представленные на рис. 1.1, от которых зависит технология задувки: 1. Классическая (традиционная) задувка [54,55,59,64]. 2. Форсированная задувка [61,62,65].
Классическая (традиционная) задувка. Расположение шихт зависит от выбранной технологии задувки. При классической задувке доменной печи (см. рис.1.1.6) обычно уже в заплечиках располагают флюс для ошлакования золы кокса, а начиная с распара или несколько выше, загружают железорудные материалы, постепенно (ступенчато) повышая рудную нагрузку чаще всего от 0,5 до 2,0. Таким образом, классическая (традиционная) шихта заполнения, или шихта заполнения, включает в себя «нулевую» шихту и несколько шихт (до 5-7) с постепенно увеличивающейся рудной нагрузкой.
Модельные системы поддержки принятия решений в доменном производстве
Модельные системы поддержки принятия решений и соответствующие им информационные технологии появились в основном в 80-е годы, чему способствовали развитие теории моделирования, математики, в особенности численных методов решения, широкое распространение персональных компьютеров, пакетов прикладных программ. Эти системы нашли применение при поиске путей компенсации возмущений, влияющих на развитие основных процессов доменной плавки, и при решении задач минимизации затрат материальных и энергетических ресурсов на выплавку чугуна.
Модельные системы поддержки принятия решений представляют собой вид компьютерных информационных систем, помогающих лицу, принимающему решение (ЛПР), в принятии решений при наличии плохо структурированных задач посредством прямого диалога с компьютером с использованием данных и математических моделей [19,24-27,36-42].
Главной особенностью модельных систем поддержки принятия решений является качественно новый метод организации взаимодействия человека и компьютера. Выработка решения, что является основной целью этой технологии, происходит в результате итерационного процесса (рис. 1.2), в котором участвуют: система поддержки принятия решений в роли вычислительного звена и объекта; человек как управляющее звено, задающее входные данные и оценивающее полученный результат вычислений на компьютере.
Окончание итерационного процесса происходит по воле человека (оператора, технолога, лица, принимающего решение). Рассмотрим в самом общем виде структуру модельной системы поддержки принятия решений.
В состав модельной системы поддержки принятия решений входят три главных компонента (рис. 1.3): 1) база данных; 2) база моделей; 3) система управления интерфейсом между пользователем и компьютером. База данных в модельной системе поддержки принятия решений играет важную роль, поскольку данные могут использоваться непосредственно пользователем для расчетов при помощи математических моделей [123].
База моделей (комплекс различных моделей) используется для описания и оптимизации процесса. Без моделей осуществлять процессы в информационных системах можно только методом проб и ошибок («дерганья» металлургических систем), что, конечно же, неприемлемо в современной металлургии. Заметим, что комплекс математических моделей является основой модельной системы поддержки принятия решения. Пользователь имеет возможность получить недостающую ему информацию для принятия решения путем установления диалога с моделью, что облегчает выработку и оценку альтернатив решения.
Система управления базой моделей (СУБМ) должна обладать следующими возможностями: создавать новые модели или изменять существующие, поддерживать и обновлять параметры моделей (осуществлять идентификацию параметров), манипулировать моделями.
Система управления интерфейсом определяет язык пользователя, язык сообщений компьютера, организующий диалог на экране дисплея. Язык пользователя - это те действия, которые пользователь производит в отношении системы путем использования возможностей клавиатуры, мыши и т.п. Язык сообщений - это то, что пользователь видит на экране дисплея, данные, полученные на принтере, звук и т.п. В процессе диалога пользователь должен реализовать свои знания. Сюда относится не только план действий, находящийся в голове у пользователя, но и инструкции, справочные данные, выдаваемые компьютером по команде о помощи. Инструкции и справочные данные, выдаваемые системой по просьбе пользователя, обычно не стандартны, а специализированы с точки зрения сложившейся ситуации.
Анализ особенностей построения математических моделей показал, что их адекватность реальным процессам зависит от степени изученности процессов. Поскольку параметрическая идентификация в реальных условиях по параметрам внутреннего состояния возможна лишь очень приближенно (скорее качественно), ее производят по выходным параметрам (расход кокса, производительность, параметры чугуна, шлака и колошникового газа), что не позволяет дать однозначную оценку адекватности модели реальным процессам. На данной стадии разработки требуемая степень адекватности модели определяется целью функционирования и характером решаемой задачи, а достигнутая степень адекватности - возможностями изучения процессов плавки. Одна и та же модель может быть адекватна процессу плавки при одном способе функционирования и не адекватна при другом. В силу этого при моделировании доменного процесса всегда требуется четкая постановка функциональной задачи модели. В зависимости от этой постановки одни явления описывают более детально, другие - упрощают, третьими - пренебрегают. В некоторых случаях важна не столько детальность описания отдельных явлений, сколько полнота учета всех наиболее существенных факторов.
В силу изложенного, как уж отмечалось ранее, для прогноза выходных характеристик плавки на данном этапе развития целесообразно использовать относительно простые зависимости для описания тепломассобмена, газодинамики и других процессов, совмещенные с балансовыми уравнениями. Опыт математического моделирования в различных областях показал, что полезно начинать с простых расчетных моделей. В дальнейшем на их основе можно будет создать достаточно сложную оптимизационную модель. Однако даже при наличии достоверной информации в практическом использовании математических моделей, формировании вариантов решения и принятии окончательных решений активная и решающая роль все же принадлежит человеку.
К настоящему времени вопросы информационного обеспечения доменных процессов в значительной мере разработаны. Однако вопрос об автоматизированном управлении доменной печью остаётся открытым. Верхний уровень управления АСУ ТП практически не реализован на доменных печах.
Это объясняется многими причинами, в том числе тем, что не отработаны модели, которые могут работать в режиме on line и решать задачи интеллектуального уровня с использованием человеко-машинных интерфейсов. Тем не менее, усилия по решению этой проблемы продолжают наращиваться, но при этом весьма важно определиться с ролью, которую математические модели разного уровня могут играть при решении задач управления.
Математическая модель расчета состава шихты заполнения для традиционной задувки
Сера является вредным для чугуна и стали элементом. Присутствие серы в стали вызывает низкую прочность при нагреве (красноломкость). В литейном чугуне избыток серы приводит к увеличению вязкости. В зависимости от дальнейшего использования содержание серы в чугуне обычно не должно превышать 0,03-0,05%.
В разделе приводится методика определения свойств шлака и прогнозного содержания серы в чугуне, получающегося из шихты заполнения. Прогнозное содержание серы в чугуне рассчитывается по балансу серы, который составляется из всех серосодержащих компонентов шихты, шлака и чугуна: [S] = г ;—fi %, (2.81) 1 0,01 ф+ !/] V где mi - расход /-го материала в шихте заполнения, т; S, - содержание серы в /-м материале, кг/кг.
Коэффициент распределения серы между чугуном и шлаком Ls определяется многими факторами, в частности температурой шлака, активностью СаО в шлаке, парциальным давлением СО в области прямого восстановления железа и др.
Значение фактического коэффициента распределения серы между шлаком и чугуном определяется по уравнению, предложенному авторами работы и полученному на основании обработки опытных данных работы доменных печей ММК, НЛМК, ЧерМК [27]. h Р, IgL ao-lgB + a t -a.-lgrj + a.-lgf , (2.82) где Рсо - парциальное давление СО в горновом газе; f[S]- коэффициент активности серы в чугуне; В - "обобщенная" основность шлака; ао, аі, аг, аз - постоянные коэффициенты, определяемые методом параметрической идентификации.
Применительно к условиям работы ММК коэффициенты принимают следующие значения: а0 = 7,324; аі = 0,0004194; а2 = 0,184; а3= 0,6758.
Парциальное давление СО в горновом газе при давлении горячего дутья Рд в начале задувки печи составляет: где /?- доля СО в горновом газе, м3/м3
Коэффициент активности серы в чугуне равен: lg f[S] = 0,11 [С]экв + 0,006 [С]2ЖВ (2.83) Содержание «эквивалентного углерода» в чугуне: [С]ЭКВ=[С} +0,63-[Si] +0,4[Р], (2.84) где [C],[Si]- содержание углерода и кремния в чугуне, %. «Обобщенная» основность шлака определяется из уравнения: (CaO) + a-(MgO) В = (Si02) + 0,6 -{А12Оъ) (CaO) + a.(MgO) (Si02) (2.85)
В уравнение «обобщенной» основности шлака входит коэффициент а, который рассчитывается следующим образом: am-(SiO2)-0,9-(CaO) (SiO2) + 0,9-(MgO) Содержание оксидов СаО, БЮг, АЬОз, МдО в шлаке определяется по формулам: СаО =Ю0х - % SiO, = Ю0х _ % иш иш А1,Оэ = 100х- % MgO = ЮО х- - % 2 3 и и 11111 V III It где U0KCUd - выход оксида из шихты, т ии1Л - выход шлака из шихты, т
Полученное значение содержания серы в чугуне сравнивается с браковочным пределом. Для получения чугуна с меньшим содержанием серы необходимо скорректировать расход флюсов и, как следствие, изменится состав шлака.
При определении оптимального состава шихты заполнения, рациональных дутьевых параметров неизбежно решение оптимизационных задач, т.к. приходится при выборе оптимальных управляющих воздействий учитывать комплекс ограничивающих и лимитирующих параметров [137-140].
Постановка задачи выбора оптимального состава шихты заполнения, дутьевых и газодинамических параметров во время задувки доменной печи, а также последовательность решения задачи оптимизации отражена на рис. 2.19а, 2.196, 2.19в, где очевидны назначение и функции отдельных этапов.
Особенность решения сложных оптимизационных задач математического программирования связана с тем, что в процессе решения могут возникнуть такие случаи, когда ограничения, наложенные на тепловой, газодинамический и шлаковый режимы работы печи во время задувки противоречивы, т.е. отсутствует область допустимых решений. В связи с этим в алгоритме предусмотрен этап анализа решения задачи. В случае отсутствия области решения задачи и противоречивости условий необходимо воспользоваться этапом коррекции, т.е. оценить корректность использования шихтовых материалов, ограничений, надежность исходной информации и т.д.
В связи с этим важным этапом решения задачи выбора оптимального состава шихты заполнения является формирование технологических ограничений на тепловой, дутьевой, газодинамический и шлаковый режимы плавки.
В общем случае эти ограничения сводятся к следующему: обеспечение нормального теплового состояния печи, т.е. достаточного количества тепла для процессов восстановления, шлакообразования и нагрева жидких продуктов плавки; реализация рационального дутьевого и газодинамического режима; обеспечение нормального шлакового режима; получение чугуна требуемого химического состава с допустимым содержанием в нем серы.
Оптимизационная модель в общем случае сводится к следующему. В начальный (пусковой) период очень важно обеспечить получение жидкотекучего шлака, поэтому технологический персонал ориентируется при выборе состава шихты в первую очередь на основность получаемого шлака из шихты заполнения. При этом заданная основность для каждой части шихты, как показывает практика, может изменяться, постепенно увеличиваясь по ходу.
Реализация пакета прикладных программ расчета шихты заполнения, выбора дутьевых и газодинамических параметров
1. С использованием современных принципов построения и реализации пакетов прикладных программ создано программное обеспечение «Расчет шихты заполнения», предназначенное для автоматизированного рабочего места инженерно-технологического персонала металлургических предприятий.
2. Разработан универсальный интерфейс доступа к библиотекам функций пакета Microsoft Excel для решения задач поиска оптимальных параметров шихты заполнения и формирования отчетов.
3. Пакет прикладных программ позволяет: рассчитать оптимальные состав и расположение компонентов шихты, дутьевые и газодинамические параметры при форсированной задувке печи с регулируемым процессом шлакообразования и восстановления; вести справочники конструктивных и режимных параметров работы доменных печей, шлакообразующих материалов и флюсов, железорудных материалов, кокса; производить выбор и настройку пакета на конкретные условия функционирования объектов; осуществлять многовариантный расчет состава шихты заполнения и дутьевых параметров при любых комбинациях входных параметров; решать задачу оптимального выбора состава шихты заполнения, дутьевых параметров с учетом ограничений на тепловой, шлаковый, газодинамические режимы и качество получаемого чугуна; представлять результаты в виде табличной, графической формах, осуществлять экспорт в электронные таблицы Excel; сохранять и использовать в дальнейшем различные варианты расчетов в базе данных.
4. Показано, что разработанное программное обеспечение позволяет оперативно решать оптимизационные задачи выбора состава шихты заполнения, дутьевого, газодинамического и шлакового режимов, исследовать влияние различных входных факторов на выбор состава шихты заполнения и дутьевых параметров.
5. Использование подсистемы расчета шихт заполнения на ОАО ММК в рамках современных автоматизированных систем управления доменной плавкой свидетельствует об адекватности разработанной оптимизационной модели, корректности используемого вычислительного алгоритма, возможности адаптации модели, настройки пакета на конкретные условия функционирования системы и позволяет в режиме "советчика" выбирать виды материалов и их оптимальные расходы для шихты заполнения, а также дутьевые параметры по ходу раздувки доменных печей.
Целью исследований, составивших основу настоящей диссертации, была разработка математических моделей, алгоритмов программного обеспечения для обеспечения нормального теплового, шлакового, дутьевого и газодинамического режимов доменной печи во время ее пуска.
Основные научные и практические результаты диссертационной работы:
1. Разработан комплекс математических моделей для расчета шихты заполнения, ее расположения по высоте печи, выбора оптимальных дутьевых и газодинамических параметров: при задувке с регулируемым процессом шлакообразования и восстановления; традиционной задувке.
Основой этих моделей являются фундаментальные представления о процессах доменной плавки. Анализ имеющихся знаний в области теории и практики современного доменного процесса показал, что в рамках решаемых задач необходимо учитывать взаимное влияние подсистем теплового, шлакового, дутьевого и газодинамического режимов.
2. При разработке комплекса математических моделей и их настройке использовались современные принципы задувки доменных печей и опыт инженерно-технологического персонала передовых металлургических предприятий России (ОАО ММК, ОАО НЛМК, ОАО «Северсталь» и др.). Это обусловлено тем, что процессы, происходящие в доменной печи, не поддаются полному математическому описанию на фундаментальном уровне, т.е. относятся к классу недостаточно структурированных систем.
3. Сформулированы общие принципы выбора состава шихты заполнения, дутьевых и газодинамических параметров. Дано физическое обоснование и математическое описание лимитирующих параметров работы доменной печи во время ее задувки. Создана оптимизационная модель расчета шихты заполнения, выбора оптимальных дутьевых и газодинамических параметров доменной плавки.
4. Создано программное обеспечение «Расчет шихты заполнения», предназначенное для автоматизированного рабочего места инженерно-технологического персонала доменной печи.
5. Показано, что разработанное программное обеспечение позволяет оперативно решать оптимизационные задачи выбора состава шихты заполнения, дутьевого, газодинамического и шлакового режимов, исследовать влияние различных входных факторов на выбор состава шихты заполнения и дутьевых параметров.
6. Пакет прикладных программ «Расчет шихты заполнения» передан центру АСУ ОАО ММК для расчета шихт заполнения доменных печей. Материалы диссертации внедрены в учебный процесс в ГОУ ВПО УГТУ-УПИ при преподавании соответствующих дисциплин.
Таким образом, в диссертационной работе представлено решение новых задач по разработке математических моделей, алгоритмов, программного обеспечения и применению их в системах управления сложными объектами в металлургии во время их пуска (на примере доменной плавки).
Автор диссертации приносит глубокую благодарность ведущему специалисту доменного цеха, заслуженному металлургу РСФР, Лауреату премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники Косаченко И.Е., начальнику отдела АСУ агло-доменного производства, к.т.н. Рыболовлеву В.Ю., заместителю начальника технического управления ОАО ММК по агло-доменному производству Гибадулину М.Ф. и другим работникам ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» за неоценимую помощь и. советы при постановке, обсуждении и внедрении результатов исследований.
За ценные советы, постоянное внимание и поддержку в работе признателен научному руководителю д.т.н., профессору Спирину Н.А., главному научному сотруднику ГНЦ РФ ОАО «Уральский институт металлов», доценту, к.т.н. Онорину О.П., доценту, к.т.н. Лаврову В.В. и другим сотрудникам кафедры "Теплофизика и информатика в металлургии" ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ".
Автор диссертации благодарит заслуженного деятеля науки и техники РФ, профессора, д.т.н. Ярошенко Ю.Г. за внимательное прочтение рукописи и ценные замечания, которые способствовали улучшению содержания представленного материала.
