Розробка методології аналізу і оптимізації процесів виробництва чавуну і сталі на основі моделювання властивостей та взаємодії металургійних розплавів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка методології аналізу і оптимізації процесів виробництва чавуну і сталі на основі моделювання властивостей та взаємодії металургійних розплавів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеню доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Розробка шляхів удосконалення існуючих і принципіально нових технологій одержання металопродукції заданої якості при зниженні економічних витрат і покращення екологічних показників - це одна з найважливіших задач, поставлених перед вченими-металургами.

В сучасних умовах розвитку металургійного виробництва найбільш ефективними постають такі наукові розробки, які об'єднують високу економічну ефективність з сучасним рівнем комп'ютерізації управління технологічними процесами на принципах все більш глибокого розуміння їх фізико-хімічної суті.

В існуючих і розвиваючих процесах виробництва металу особливо важлива роль традиційно відводиться формуванню оптимального складу і фізико-хімічних властивостей шлакових і металевих розплавів, які утворюються в металургійних агрегатах з відповідних шихтових матеріалів в відновлювальних і окислювальних умовах.

В ліквідації створеного певного розриву між фундаментальними і прикладними дослідженнями в цій області основну роль призвані зіграти сучасні інформаційні комп'ютерні технології, які застосовно до металургії, на жаль, ще не одержали відповідної теоретичної проробки.

Необхідність комплексного поєднання теоретичних і прикладних розробок, систематизації фонду результатів експериментальних досліджень для створення таких технологій була обгрунтована в кандидатській дисертації автора, присвяченій питанню вибору базового режиму доменної плавки на основі комплексного використання методів математичного та фізико-хімічного моделювання. Широке обговорення методології і результатів роботи ініціювало постановку проблеми інформаційного забезпечення металургії на міжгалузевому рівні з акцентом на використанні досягнень фундаментальних наук.

Робота виконана відповідно з координаційними планами галузевого заказу Міністерства промислової політики по науково-технічним напрямкам «Доменне і сталеплавильне виробництво», Державної науково-технічної програми 7.6 ДКНТ «Комп'ютерне матеріаловедення і інформатизація створення нових сполучень і матеріалів», а також по ряду тем відомчого заказу НАН України, що додатково підтверджує її актуальність.

Мета роботи: Розробка наукових і методологічних основ, прикладних інструментальних засобів для аналізу і оптимізації технологій одержання металу і забезпечення якості металопродукції, яка включає:

- подальший розвиток теорії металургійних процесів шляхом конкретизації сучасних уявлень про роль міжатомної взаємодії в формуванні структури і властивостей розплавів;

- автоматизовані бази даних (БД) по фізико-хімічним і технологічним властивостям металевих і шлакових розплавів, залізорудних матеріалів;

- бази моделей (БМ фізико-хімічних систем і технологічних процесів;

- проблемно-орієнтовані прикладні програми (ПОП) для прогнозу на ЕОМ поведінки фізико-хімічних систем в технологічних агрегатах і оптимізації технологій виробництва чорних металів.

Задачі досліджень: - виконати аналіз інформаційної ситуації в галузі і розробити методологію створення інформаційно-аналітичних систем для забезпечення дослідників-металургів експериментальними даними про властивості залізорудних матеріалів та металургійних розплавів;

- обґрунтувати і вибрати фізико-хімічні критерії «згортки» інформації про хімічний склад багатокомпонентних залізорудних матеріалів, шлакових і металевих розплавів з метою підвищення точності опису їх властивостей і результатів взаємодії;

- розробити фізико-хімічні моделі для прогнозування по складу властивостей залізорудних матеріалів, шлакових розплавів і шлакоутворюючих сумішей;

- обґрунтувати критерії і розробити методику фізико-хімічного моделювання взаємодії в системі «метал-шлак» як кооперативного іонообмінного процесу і визначення ступеню його наближення до рівноваги;

- розробити базове прикладне і системне програмне забезпечення теоретичних досліджень, оперативного аналізу і оптимізації виробництва металопродукції в конкретних сировинних і технологічних умовах з використанням розроблених фізико-хімічних моделей і критеріїв;

- на основі получених результатів розробити і упровадити технологію комп'ютерізації науково-технічних служб металургійного підприємства, забезпечуючу «наскрізний» аналіз виробництва і якості металопродукції.

Наукова новизна получених результатів. Обгрунтований вибір критеріїв і розроблені моделі для прогнозування фізико-хімічних і технологічних властивостей металургійних шлаків на основі аналізу параметрів міжатомної взаємодії в розплавах.

Розроблена методика визначення кількісних фізико-хімічних критеріїв для оцінки впливу властивостей і локального оточення дифундуючого елементу середовища на його розподіл в системі «метал-шлак».

Розроблена фізико-хімічна модель доменної шихти, дозволяюча з єдиних теоретичних позицій узагальнити інформацію про вплив хімічного складу залізорудних матеріалів на їх фізико-хімічні і металургійні властивості.

Розроблені принципи систематизації і паспортизації фізико-хімічних і технологічних даних. Створена система інормаційного забезпечення досліджувачів-металургів фундаментальними фізико-хімічними даними про властивості металургійних розплавів і результатах їх взаємодії в вигляді баз даних «Шлак», «Шлакоутворюючі суміші», «Шихта», «Шлак-Метал-Газ».

Створена база ретроспективних даних про рівноважний розподіл сірки та фосфору між металом і шлаком і одержані моделі для прогнозування їх рівноважних коефіцієнтів розподілу в умовах відновлювальної та окислювальної плавок.

Вперше на системному рівні пророблене питання і розроблені основи для комплексної комп'ютерізації науково-технічних служб металургійного комбінату, створення АРМів - технологів для «наскрізного» аналізу виробництва і якості металу. Здійснено їх промислове упровадження.

Достовірність основних результатів забезпечена використанням фундаментальних положень системного аналізу, фонду документально-фактографічних експериментальних даних про властивості металургійних розплавів і шихтових матеріалів, узгодженням результатів, одержаних різними методами досліджень, перевіркою їх в виробничих умовах.

Практичну цінність работи складають:

- моделі для прогнозування фізико-хімічних і технологічних властивостей шлакових розплавів - в'язкості, плавкості, твердості, електропровідності, поверхносного натягу, сіркопоглинаючої здатності;

- моделі для прогнозування властивостей залізорудних матеріалів - плавкості, міцності, відновлювальності, ступінь металізації, газопроникнення;

- моделі для прогнозування коефіцієнтів розподілу сірки, марганцю, кремнію, фосфору в системі «метал-шлак» в умовах відновлювальної і окислювальної плавок;

- бази документально-фактографічних даних про основні властивості шлакових розплавів доменного і сталеплавильного переділів, позапічної обробки чугуну і сталі (ШЛАК, ШОС);

- база даних про фізико-хімічні і металургійні властивості залізорудних матеріалів «Шихта»;

- базове прикладне програмне забеспечення для аналізу фізико-хімічної і технологічної інформації, які включають засоби роботи з базами, сервіс роботи з багатомірними даними і інструментальні засоби «згортки» фізико-хімічної і технологічної информації, оригінальні засоби багатокритеріальної оптимізації технологічних процесів;

- інформаційно-математичне забезпечення АРМів-технологів і досвід «наскрізної» комп'ютерізації на їх основі науково-технічних слубж комбінату ім. Дзержинського.

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи докладені на 29 Міжнародних, Всесоюзних і республіканських семінарах, нарадах і конференціях, в тому числі: Всесоюзних конференціях по теорії і практиці виробництва чавуну і сталі і їх позапічної обробки (м. Москва 1985, Дніпропетровськ 1990); VІ і VІІ Всесоюзних конференціях по будові і властивостях металевих і шлакових розплавів (м. Свердловськ 1986 р.; м. Челябінськ 1990 р.), Всесоюзних науково-технічних нарадах по застосуванню ЕОМ в наукових дослідженнях і розробках (м. Москва 1988 р.; м. Дніпропетровськ 1989 р.), Всесоюзних міжгалузевих нарадах по базах фізико-хімічних і технологічних даних для оптимізації металургійних технологій (м. Дніпропетровськ 1988 р.; м. Курган 1990 р.; м. Новокузнецьк 1991 р.), Міжнародній конференції по удосконаленню технології окускування сировини і виробництва чавуну і феросплавів (Болгарія 1990 р.), Міжнародних конференціях по виробництву сталі (м. Москва 1994 р.; м. Дніпропетровськ 1998 р.), Міжнародних конференціях по аглодоменному виробництву (м. Дніпропетровськ 1995 р.; м. Маріуполь 1997 р.), ІІІ і ІV Російському семінарах по комп'ютерному моделюванню фізико-хімічних властивостей скла і розплавів (м. Курган 1996 и 1998 р.р.), ІV Міжнародному конгресі сталеплавильників (м. Москва 1996 р.), V Міжнародному конгресі доменщиків (м. Дніпропетровськ, Кривой Ріг 1999).

Предмет захисту. На захист виносяться:

- Системне подання проблеми інформаційного забезсечення металургії, методологія створення баз даних і моделей металургійних систем, організованих по принципу взаємної доповненості, засоби багатокритеріальної оптимізації технологічних процесів.

- Система інформаційного забезпечення дослідників-металургів даними про фізико-хімічні і технологічні властивості металургійних шлаків і залізорудних матеріалів.

- Вибір фізико-хімічних критеріїв для «згортки» інформації про хімічний склад багатокомпонентних залізорудних матеріалів, шлакових і металевих розплавів для опису їх властивостей і результатів взаємодії.

- Фізико-хімічні моделі для прогнозування властивостей залізорудних матеріалів, шлаків і шлакоутворюючих сумішей.

- Критерії і методика моделювання взаємодії в системі «метал-шлак» як коперативного іонообмінного процесу і визначення ступеня її приближення до рівнодії.

- Базове прикладне і системне програмне забезпечення для аналізу на цій основі фізико-хімічної і технологічної інформації.

- Результати запровадження методологічних і технологічних розробок при наскрізному аналізі виробництва і якості продукції металургійного комбінату.

Публікації. Результати роботи викладені в брошюрі і 35 основних статтях в наукових журналах і збірниках, а також має 50 статей і тезісів докладів по темі дисертації, які не ввійшли в прикладений список праць.

Структура і об'єм роботи. Робота складається із вступу, п'яти розділів і висновків, викладена на 431 сторінках, включаючи 49 таблиць, 77 малюнків, 6 додатків і список використаних літературних джерел з 242 назв.

Особистий вклад автора в виконану роботу. Автор з 1974 р. була керівником тем і НДР, а також відповідальним керівником робіт по удосконаленню і оптимізації виробництва металопродукції, приймала безпосередню участь в постановці задач, розробці методик досліджень і фізико-хімічних моделей, створення баз даних, їх алгоритмічного і програмного забезпечення, теоретичному обгрунтуванні одержаних результатів. Узагальненння результатів, написання статей сукупно з авторами відбулося при безпосередній участі автора. Основні ідеї, наукові і теоретичні положення, показані в роботі, розроблені автором особисто.

Автор висловлює щиру подяку докт. техн. наук, проф. Приходько Е.В., ст. наук. співроб., канд. техн. наук Жмойдіну Г.І., докт. техн. наук, проф. Яковлеву Ю.М., співробітникам технологічних відділів ІЧМ НАН України за плідне співробітництво при виконанні досліджень, а також генеральному директору металургійного комбінату ім. Дзержинського к.т.н. Бродському С.С., ведучим спеціалістам науково-технічних служб металургійних комбінатів ім. Дзержинського, Ілліча, ЗСМК, завдяки сприянню яких одержані результати доведені до практичного використання.

Вважаю своїм обов'язком висловити особливу вдячність групі програмістів, які впродовж багатьох років працювали під моїм керівництвом, співробітникам відділу фізико-хімічних проблем ІЧМ за їх професіональну підтримку і розуміння.

Основний зміст роботи

програмний прикладний металург дослідник

Робота показує собою результат теоретичних і прикладних досліджень, виконаних автором з 1974 по 1999 р. в Інституті чорної металургії ім. З.І. Некрасова, а також на підприємствах України і Росії.

В вступі обґрунтована актуальність, наукова новизна і достовірність виконаних в роботі досліджень, сформульовані цілі і задачі роботи.

Розділ 1. РОЗРОБКА НАУКОВИХ ОСНОВ ІНФОРМАТИЗАЦІЇ ТЕОРЕТИЧНОЇ І ПРИКЛАДНОЇ МЕТАЛУРГІЇ НА ОСНОВІ СУЧАСНИХ КОМП'ЮТЕРНИХ ТЕХНОЛОГІЙ.

В розділі виконаний аналіз сучасних вітчизняних і зарубіжних інформаційних систем, орієнтованих на металургію і викладено стан питання в галузі.

Обговорена системна стратегія ліквідації відставання інформатизації вітчизняної металургії як умова забезпечення її сучасного науково-технічного рівня, вироблена на всесоюзних нарадах по створенню міжгалузевого банку даних «Металургія», і запропоновані напрямки, які можуть розвиватися в нашій галузі, забезпечує їй паритетне партнерство з зарубіжними інформаційними службами. В комп'ютерізації наукових досліджень в теперішній час домінірують два основних напрямки. Перше зв'язано з виробництвом продуктів інформаційного профілю в вигляді банків і баз даних різнотипної предметної орієнтації. Більш актуальним, на наш погляд, постає другий напрямок, зв'язаний з створенням фонду моделей, призначений для опису і прогнозування поведінки фізико-хімічних систем, металургійних агрегатів і технологічних процесів з авторизованим програмним забезпеченням [9], створених професіоналами-дослідниками. Розробки першого напрямку частіше всього фігурують як інформаційні-пошукові системи (ІПС), другі частіше називають експертними системами (ЕС). Процесс інтеграції розробок цих напрямків, об'єднаних єдиною ідеологією їх створення в поєднанні з нетрадиційними засобами аналізу і обробки різнотипних даних, забезпечує створення елементів інтегрірованої бази знань (БЗ) [10-12].

Саме з таких методологічних позицій нами в Інституті чорної металургії були розгорнуті роботи по створенню інформаційного забезпечення досліджень металургійних систем і процесів, протікаючих в результаті їх взаємодії, по схемі склад-структура-властивості.

В літературі маємо велику кількість теоретичних робіт, присвячених загальним питанням логічного і імітаційного моделювання, теоріям інтелектуальних систем і методів класифікації, аналізу людських помилок в взаємодії з комп'ютерними системами. Не зменшуючи значимості і переваги цих робіт треба відмітити, що в періодичній печаті і наукових збірниках, а тим більш орієнтованих на чорну металургію, майже відсутні приклади описання реального досвіду створення діючих обчислювальних систем з високим рівнем моделювання предметної області, інтерактивної інтелектуальної взаємодії з Користувачем. Нема методичних розробок по проектуванні таких систем, формалізації набутого предметного математичного і справочного матеріалу, не ясно, як використати науковий потенціал ведучих досліджувачів і експертів, як зробити його доступним непідготовленому Користувачу, який вирішує практичні задачі, як стартувати з уже освоєних рубежів і поставити нові проблеми.

Враховуючи вище сказане, наші роботи по створенню системи інформаційного забезпечення досліджень впливу складу на фізико-хімічні і технологічні властивості металургійних систем були сгруповані в чотири напрямки:

1) Створення фактографічних баз експериментальних і технологічних даних про властивості металевих і шлакових (в першу чергу - шлакових) розплавів і результати їх взаємодії;

2) Створення фонду теоретичних і емпіричних моделей, які використовуються в літературі для опису впливу складу на структуру і властивості цих розплавів;

3) Розробка оригінальних напівемпіричних моделей структури багатокомпонентних розплавів на базі кількісних крітеріїв, які характеризують міжатомну взаємодію в них;

4) Створення інтерактивних діалогових засобів комплексного аналізу технологічної і фізико-хімічної інформації, яка реалізує взаємозв'язані методи оцінки достовірності експериментальних даних і роботоздатність моделей різного рівня.

Рішення зазначених задач реалізує проблемно-орієнтований комплекс «Метал», структурна схема інфологічної моделі якої показана на мал. 1.

В роботі сформульовані основні вимоги до системотизації, методикам оцінки достовірності і узагальнення експериментальних даних, які вносяться в бази первинної інформації. Обгрунтовані принципи паспортизації даних баз попередніх «зглажувань» і обробок. Показана необхідність розробки на основі бази моделей формалізованих засобів експертизи для видачі Користувачу рекомендованих даних.

Принципіальне значення має розробка фізико-хімічних і термодинамічних критеріїв, які дозволяють «згорнути» інформацію про склад багатокомпонентних систем, знизити параметричність описуваних моделей і підвищити ефективність математичних методів узагальнення експериментальної інформації.

Перспективними в зв'язку з вище висловленим є розвинуті нами методи фізико-хімічного моделювання, суть яких викладено в розділі 2 і складається у вводі в зв'язок між складом і властивостями розплавів проміжної ланки - комплексу інтегральних і парціальних параметрів міжатомної взаємодії, які характеризують хімічний і структурний стан цих речорин. Дослідження зв'язку «склад» - «властивість» - при цьому розчленяється на дві частини. Перша - зводиться до вибору для досліджуваних розплавів фізико-хімічної моделі, адекватно відбиваючої особливості їх будови і специфіку властивостей. Друга - зв'язана з установленням кореляцій властивостей з модельними параметрами і використання сучасних математичних моделей для розробки на базі цих кореляцій статистичних моделей для прогнозування властивостей багатокомпонентних розплавів по результатам вивчення відносно простих.

В виді першочергових інформаційних систем фундаментального напрямку були вибрані інформаційно-пошукові системи по властивостям шлакових розплавів і шлакоутворюючих сумішей, а також властивостей залізорудних матеріалів.

База фундаментальных фізико-хімічних даних про властивості шлакових расплавів орієнтована на задоволення інформаійних потреб теоретичної і прикладної металургії. Паспорт експериментальних даних складається із трьох блоків, які повністю характеризують умови і результати експеримента (текстовий опис і числові характеристики).

Для збереження логічної цілосності інформаційного матеріалу показаного в виді статей, справочних видань і неопублікованих експериментальних даних, забезпечені системні засоби вводу і організації даних, які вміщують різнотипні по структурі фактографічні частини заразом в одну базу (наприклад, в базу «Шлак» вводиться інформація про другі властивості - електропровідність, плавкість і т.д.).

В даний час в базу «Шлак» введено більш як 500 документів, які містять відомості про властивості більш як 8000 складів. По хімічному складу і призначенню показані шлаки практично всіх систем, які використовуються в чорній металургії, ураховані еталонні результати основних шкіл вітчизняних і зарубіжних авторів.

Локальна документально-фактографічна база даних «Шлакоутворюючі суміші для розливки сталі» в даний час включає більш як 300 опублікованих джерел інформації (публікації, винаходи, проспекти), які вміщують відомості про склад, властивості призначення ШОС і безперервно поповнюються.

Створена база може бути рекомендована для використання при розробці нових ефективних і екологічно безпечних шлакоутворюючих сумішей, а також для вибору ШОС і оцінки їх властивостей при шихтових умовах, які змінюються при розливці сталі різного складу в заготовки любого сортаменту.

В останній час в найбільш досконалих АСУ технологічними процесами все частіше стали використовувати детерміновані моделі. Використання детермінованих моделей різко підвищує надійність, стійкість, швидкодійність АСУ, потребує мінімальної «піддержуючої» інформації. Крім того, такі моделі здатні вирішувати задачі, зв'язані з створенням нових технологічних процесів і, накінець, вони можуть грати важливу роль в розвитку теорії, систематизації знань в тій чи другій області.

Найбільш загальною основою для побудови детермінованих моделей плавки в теперішній час постає термодинаміка, яка вимагає належної забезпеченості фундаментальними фізико-хімічними даними і константами.

База «Шлак-Метал-Газ» містить елементний опис складу контактуючих фаз. Доцільність елементного опису складу (зокрема шлаку) підтверджується рядом обставин: а) всі види аналізу (хімічний, спектральний і т.д.) дають елементний склад фаз, який потім перераховується на сполучення виключно для зручності і в силу звички користувачів; б) об'єктивні дані про наявність сполук в розплавах при температурах металургійних процесів відсутні, всі передбачені структурні утворення являються модельними припущеннями; в) в ряді випадків використання елементного складу фаз дозволяє описувати дані експерименту з великою адекватністю в порівнянні з молекулярним підходом.

Накопичений фонд експериментальних даних тільки по домішкових елементах містить більш як 40 оригінальних публікацій і описує більш як 2000 експериментів. Ці експериментальні дані характеризують сорбційну здібність шлаків по відношенню до домішок. На основі даних про розподіл домішкового елементу між фазами з урахування окислювально-відновного потенціалу системи, яка розглядається, може бути розрахована сульфідна, фосфатна ємкість шлаку, розчинність в шлакові вуглецю, водню, азоту і т.д.

База «Шихта» створена на основі накопичених в ІЧМ власних експериментальних даних і літературних публікацій інших авторів.

Систематизовані відомості про хімічні склади і властивості більш 750 різних залізорудних матеріалів (окатишів, руд, агломератів). В тім числі дані про властивості в початковому стані (твердість, пористість, ударна міцність, стираємість, гранулометрія, опір стисненню) і властивостях, які характеризують процес відновлення (відновленість, ступінь металізації, розм'якшення, міцнісні і теплофізичні характеристики та інші).

Створена база даних постає основою для слідуючих розробок моделей для розв'язання задач прогнозування властивостей залізорудних матеріалів на основі їх хімічного складу і одержання матеріалів з заданими оптимальними властивостями.

Через те, що переробка «інформаційної сировини» з документально-фактографічних БД в проблемно-орієнтовану інформаційну продукцію потребує істотної адаптації традиційних СУБД, нами була розроблена власна технологія організації і ведення складно-структурованих баз даних і програмно реалізована в пакеті ІNPІPE [14,15]. В даний час система працює на дослідному полігоні в відділі фізико-хімічних проблем ІЧМ НАНУ, в відділі відновлення заліза в ІМЕТ ім. Байкова і в локальній обчислювальній мережі НВО комбінату ім. Дзержинського.

Викладена в роботі методологічна основа створення Фонду моделей основується на багаторічному досвіді автора по моделюванню металургійних процесів і систем при виконанні галузевих НДР, а також матеріалах Всесоюзних нарад по створенню галузевого фонду моделей, каталог яких є складовою частиною банку даних «Металургія».

На ринку сучасних програмних засобів існує великий вибір пакетів обробки даних. Однак, ситуація яка склалася, зв'язана з необхідністю «встроювати» оброблюючі програми в керуючі комплекси АСУТП, потребує розробки саморегулюючих гнучких засобів обробки і аналізу даних, побудованих по модульному принципу, які дозволяють підключення і адаптацію до складних виробничих умов. Ця задача вирішена нами при розробці автоматизованої системи обробки даних «АСОД», яка показує собою дружелюбну сервісну систему. Шляхом багатопланового проєціювання і широкої візуалізації даних, оригінальними прийомами геометричної інтерпритації і сортування по заданим «пороговим» значенням багатомірних даних постійно актуалізуючих засобів АСОД являється для дослідників ІЧМ НАНУ і ряду підприємств галузі ефективним інструментом для повномасштабного аналізу «розмитих» і «зашумлених» даних і виявлення прихованих закономірностей.

АСОД є складовою частиною комплексу «Метал». Спеціальні інтерфейси забезпечують обмін інформацією між підсистемами «АСОД» - «Розплав», які реалізовують вирішення задач по моделюванню розплавів як окремих підсистем «Шлак», «Метал», «Шихта», а потім «згортають» їх в систему інтегральних критеріїв, які характеризують структуру досліджуваних підсистем, з метою побудови конкретних технологічних моделей, чим, в значній мірі, вирішається проблема «згортки» фізико-хімічної і технологічної інформації і зниження розмірності простору параметрів досліджувальних процесів.

Проблема багатомірності при аналізі фізико-хімічної (багатокомпонентність систем) і технологічної (багатопараметричність процесів) інформації ініціює підключення програм багатомірного зрівнювального аналізу - факторного аналізу і таксономії. Перший виявляє взаємозв'язані параметри, їх взаємний вплив і об'єднує в окремий інтегральний фактор. Таксономія - агрегує дані по їх схожості (плавки з одинаковою технологією, сировинними умовами, видами чавуну і т.д.). На основі факторного аналізу можна виявити параметри, які показують вплив на розглядуваний відклик і який визначає на даному етапі, технологічний резерв для управління з урахуванням конкретних сировинних і технологічних умов.

В роботі на основі методів багатомірного зрівнювального аналізу запропонована методика формалізованої експертизи даних. Наприклад, розшарування експериментальних даних по поверхневому натязі () при «згортанні» інформації про склад шлаків на основі факторного аналізу на мал. 2 поясняється особливостями хімічного складу кожної з груп (різні системи, вплив поверхневих добавок).

В системі АСОД запропонований метод багатокритеріальної оптимізації, в відповідності з яким кожний з критеріїв розглядається як поверхня - відгук в гіперпросторі параметрів оптимізації. Суперпозиція таких поверхонь в вибраних координатних перетенів дає можливість порівняти локальні оптимуми всіх поверхонь одночасно і раціонально вибрати параметри, які задовольняють зазначеним вимогам. Задача оптимізації зводиться, таким чином, до побудови математичних моделей для точкових експериментальних функцій-відкликів з послідовною геометричною інтерпритацією в виді трьохмірних картограм на ЕОМ. В якості функцій-відкликів в залежності від мети досліджень використовуються продуктивність печі, витрати коксу, склад і фізико-хімічні властивості чавуну і шлаку і ін.

Вибір координат для побудови об'ємних картограм має принципове значення. Осі повинні бути незалежними і мати чіткий фізичний зміст. Так, в випадку вибору оптимального шлакового режиму для забезпечення заданої якості чавуну, доцільно вибрати за осі таку композицію компонентів хімічного складу (CaO, SіO₂, Al₂O₃, MgO і т.д.), яка дозволяє враховувати кооперативний характер впливу всіх складових на закономірності змін властивостей розплаву - в'язкості, плавкості і т. п.

Розроблена сучасна методика пройшла промислове випробування при виборі стійкого шлакового режиму, який забезпечує виплавку заданої якості чавуну при заданих обмеженнях на витрати коксу і продуктивність для умов комбінатів НЛМК, ЗСМК, НТМК, ім.Ілліча, комбінату ім. Дзержинського. Так, для умов ДП-8 комбінату ім. Дзержинського, в результаті аналізу картограм (див. фрагмент на мал. 3) був зроблений висновок про перехід на більш стійкий шлаковий режим, який визначається відношенням: CaO/SіO₂=1.15-1.17; Al₂O₃/MgO=1.2-1.25, що забезпечило більш високі і стабільні показники роботи печі (S0.027%, Sі1.1%, витрата коксу 585 кг/т при продуктивності 1871 т/добу.

Розділ 2. ВИБІР КРИТЕРІЇВ ТА РОЗРОБКА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПРОГНОЗУВАННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ І ТЕХНОЛОГІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МЕТАЛУРГІЙНИХ РАЗПЛАВІВ.

Металургійні розплави супроводжують усі основні переділи виробництва металу і їх властивості визначають якість кінцевої металопродукції. Саме тому у цій роботі особпива увага приділяється моделюванню металургійних розплавів та прогнозуванню їх властивостей.

Існуючі теорії будови металургійних розплавів, методи розрахунку їх властивостей та результатів взаємодії відрізняються великою різноманітністю. Незважаючи на велику кількість досліджень у цьому напрямку, проблема ще не до того вивчена, щоб загальні фізико-хімічні положення теорії рідинного стану було можливо застосувати для прогнозування кінцевих результатів технологічних процесів.

В основі підходу, з позицій якого у дисертації розглядається зазначена проблема, лежить теорія фізико-хімічного моделювания розплавів, розроблена Е.В. Приходько. Її відправним положенням є уявлення про змінність зарядового стану атомів кожного з компонентів як шлакового, так і металевого розплавів у залежності від їх конкретного кристалохімічного оточення. При цьому металургійні розплави розглядаються як хімічно єдині системи, зміна складу яких впливає на комплекс їх фізико-хімічних властивостей та реакційну здібність крізь супутню зміну параметрів їх структури і характеристик міжатомної взаємодії. Модель парної міжатомної взаємодії у розплавах докладно описана у публікаціях Е.В. Приходько і розвинена у наших суміcних працях [3,5, 6,12,17,21].

Автором дисертації розроблена і впроваджена методика розрахунку та використання нових критеріїв цих моделей, що розвинуло можливості використання цієї методології у різних галузях теорії металлургійних процесів.

Основними парціальними параметрами моделі залізовуглецевих розплавів з'являються (табл. 1) ефективні заряди компонентів (Z_і), що визначаються для кожної пари реагентів (Zі_і-j), а також середньостатистичні значення (Zі_ср.), які характеризують зарядовий стан кожного з компонентів у розплаві.

Інтегральними характеристиками електронної структури розплаву як хімічно єдиної системи являється її хімічний еквівалент (Z^Y), який узагальнює дані про заряди компонентів з урахуванням можливостей утворення зв'язків різного типу, а також структурний параметр (d), характеризуючий середньостатистичну відстань між атомами у квазихімічному приближенні.

Базова модель структури шлакових розплавів була розроблена згідно з моделями упорядкованних структур кристалічних і молекулярних сполучень.

Використання цих параметрів, як зазначає аналіз, виявилось дуже ефективним засобом «згортки» інформації про склад багатокомпонентних оксидних розплавів при вивченні закономірності формування їх властивостей. На першому етапі цих досліджень (у рамках кандидатської дисертації автора) були одержані рівняння для розрахунку в'язкості () при різних температурах, поверхневого натягу (), електропровідності (), густини (d), плавкості (Т) шлаків доменного переділу. Подальші дослідження дисертанта дозволили розвинути та заглибити цей напрямок досліджень.

Методологія фізико-хімічного моделювання шлакових і металевих розплавів програмно реалізована автором у підсистемах «Шлак» і «Метал».

Різність хімічних потенціалів кожного компоненту у шлаку та металі являється рушійною силою процесу, що визначає повноту переходу речовини з однієї фази в другу, а також значно впливає на швидкість процесів. У зв'язку з цим знаходженню хімічних потенціалів і поєднаних з ним активностей (a_і) компонентів у теорії металлургійних процессів надається особлива увага.

Для більшocті протікаючих на межі «метал-шлак» реакцій константи рівноваги було здобуто експериментальним шляхом, і вираз для їх розрахунку залежить від вибору авторами модельних уявлень про механізм взаємодії структурових частин у розплавах. При відносно невеликій кількості домішок у розплавах заліза (до 6-10%), до числа яких відноситься більшість марок сталей і чавунів, прийнято, що активність заліза у металургійному розплаві рівняється одиниці a_[Fe]=1, а для інших компонентів у практиці металургії найбільше поширення здобули розрахунки активностей через параметри взаємодії (параметри Вагнера). Для шлаків найбільш частіше застосовують модель регулярних іонних розчинів (РІР) В.А. Кожеурова, модель шлаку, як фази з коллективними електронами А.Г. Пономаренко (КЕ), а також полімерну модель.

По мірі накоплення у базі «Шлак-Метал-Газ» даних про термодинамічні властивості шлакових і металевих розплавів було виконано аналіз існуючих ставлень до прогнозування активностей компонентів у шлакових розплавах. На прикладі зробленого В.К. Новіковим із співавторами розрахунку активності оксиду марганцю у багатокомпонентних алюмосілікатних системах MnO-CaO-SіO₂; MnO-SіO₂-Al₂O₃; MnO-CaO-SіO₂-Al₂O₃; MnO-CaO-SіO₂-FeO-MgO проведено порівняльний аналіз цих моделей з розробленою нами, з точки погляду на точність описування експериментальних значень, активності MnO.

Під час аналізу вперше була зазначена необхідність урахування, поряд з інтегральними параметрами е і , при рішенні задач такого рівню парціальних параметрів взаємодії - у даному випадку заряду марганцю Z_Mn.

Використання поєднання інтегральних і парціальних фізико-хімічних критеріїв дозволило об'єднати усі склади зазначених вище систем у єдину вибірку та одержати модель для прогнозування активності MnO у шестикомпонентній системі MnO-CaO-SіO₂-FeO-MgO-Al₂O₃:

а_MnO=-2,17 - 0,107е + 3,174 + 0,182Z_(Mn) R=0.99 (3)

де R - коефіцієнт кореляції.

Наведені у роботі результати свідчать про те, що при не дуже великій кількості SіO₂ і Al₂O₃ (SіO₂ 30, Al₂O₃ 10) усі чотири моделі задовільно описують експериментальні дані по всьому вивченому інтервалі складів. При переході до систем з високою кількістю SіO₂ і Al₂O₃ розрахунок активності за методом РІР і КE дає значні відхилення від досліду.

По мірі відхилень взаємодіючих систем від рівноваги збільшується роль заряду елемента Z_Є і параметра перезарядки (?Z_Є=Z_Ємет - Z_Єшл), який характеризує зміну електронного стану компонента при переході з одної фази в іншу.

Так, при дослідженні накопичених у базах ретроспективних виробничих даних по показникам виплавки фосфористого і малофосфористого чавунів 25 металургійних виробництв світу було зазначено вплив зарядового стану на хімічну активність дифундуючого елементу.

Проведені розрахунково-аналітичні досліди показали, що взаємодія у системі «Метал-Шлак» веде до зміни і активності компонентів шлаку і металу. Цей результат є логічним, якщо трактувати взаємодію розплавів як кооперативний іонообмінний процес.

Накопичені у базах дані створили репрезентативне інформаційне середовище для вибору фізико-хімічних критеріїв для того, щоб оцінити рафінуючі властивості шлаків по параметрам фізико-хімічної моделі структури шлакових розплавів, а також дозволили зробити порівняльний аналіз різних методик визначення рафінуючої здібності шлаків по різним відношенням між концентраціями основних і кислих оксидів у шлаці.

Також проаналізовані різні підходи до розрахунку сіркопоглинаючої здібності шлаків з позицій термодинаміки, включаючи використання оптичної основності ? (мал. 6).

Ці досліди свідчать про те, що функцією показника «основності» з'являється поєднання величин ?e і ?.

Вище зазначену прогнозну модель було перевірено на масиві експериментальних даних Г.І. Жмойдіна для системи CaO-Al₂O₃-SіO₂-CaF₂. Точність апроксимації експериментальних даних для цих шлаків прогнозної залежності (8) характеризується коефіцієнтом корреляції R=0.96. Широке охоплення концентрацій різних компонентів шлакових розплавів та діапазону їх зміни дозволяє рекомендувати здобуту залежність (8) для оцінки сіркопоглинаючої здібності промислових шлаків усіх металургійних переділів.

Щоб обгрунтувати вибір фізико-хімічних критеріїв для оцінки рафинуючої здібності шлаків у якості ілюстрації по аналогічній схемі досліджено склади синтетичних шлаків, що застосовуються у ківшевій металургії. Оскільки переваги і недоліки кожної з використаних композицій залежать від конкретних умов їх застосування і від мети, поставленої дослідниками, теоретичне узагальнення накопичених знань відсутнє.

Аналіз літературної інформації указує на те, що склади шлаків, що знаходяться у зонах І, ІІІ частіше застосовуються для глибокої та часткової десульфурації металу, в зоні ІІ - для десульфурації та часткової дефосфорації металу, в зоні ІV - переплавні та зварюючі шлаки.

Зрозуміло, цей поділ дуже умовний, тому що він не ураховує зміну складу шлаку при взаємодії з металом у ковші. Тим не менш, ориєнтуючись на таксономію мал. 8, можливо у першому приближенні оцінити корисність і напрямок впливу коректировок хімічного складу ковшевих шлаків при запічній обробці сталі.

Використані критерії ?e і Z^Y характеризують розплави, як гомогенні системи. Це припущення певним чином ідеалізує стан їх структури. Пошук шляхів додаткового урахування впливу мікронеоднорідності на властивості розплавів дозволив установити, що такий системний облік можливо забезпечити, розрахувавши надмірні значення параметрів Z^Y і d. Відповідні значення Z^Y і d визначаються як різниця між Z^Y і d, розрахованими для розплаву як для хімічно одної системи, а також Z^Y_см і d_см для суміші відповідних компонентів.

Введення цих критеріїв стало дуже корисним для теоретичного узагальнення, в першу чергу, даних про термодинамічні властивості розплавів. Наприклад, для теплот змішування при різних температурах 103 розплавів систем Nі-Sі, Fe-Sі, Fe-Nі, Cu-Nі, Cu-Fe (табл. 3), досліджених у роботах Вертмана А.А. і Самарина А.М., загальним з'являється рівняння:

H = -103,7 + 4,89Z^Y + 23,4d - 9,0Z^Y + 59,3d + 0,023T R=0.94

Узагальнення такого роду раніше не було можливим.

Розроблена методика урахування потенціальної мікронеоднорідності структури оксидних розплавів базується на кількісному визначенні ступені відхилення хімічного еквіваленту і структурного параметру реальних розплавів від розрахованих для механічних сумішей початкових компонентів.

Розділ 3. МЕТОДИКА ОЦІНКИ РІВНОВАЖНОСТІ СИСТЕМИ «МЕТАЛ - ШЛАК» В ВІДНОВЛЮВАНИХ, НЕЙТРАЛЬНИХ І ОКИСЛЮВАЛЬНИХ УМОВАХ.

Сучасна теорія металургійних процесів базується, в основному, на розгляданні процесів взаємодії як результату деяких, практично незалежних реакцій між домішкою та використаним реагентом, при цьому звичайно постулюється заряд атомів домішки та реагенту в розплаві і склад сполук, які утворюються.

Для опису результатів взаємодії зараз використовуються різні критерії (енергія зв'язку, коефіцієнти активності та параметри взаємодії компонентів розплавів, основність).

При аналізі фактичних даних про поведінку компонентів в системі «метал-шлак» за допомогою таких критеріїв постають два питання:

1) як оцінити достовірність експериментальних результатів і вибрати найбільш вірогідні з дуже протирічних даних різних авторів;

2) як використати інформацію, яка одержана на бінарних та моноатомних системах для прогнозування властивостей багатокомпонентних.

Розглянені фізико-хімічні критерії, які характеризують структуру розплавів, є тими інваріантами, котрі забезпечують перехід від простих систем до багатокомпонентних, а їх використання при аналізі їх взаємодії дозволяє побічно враховувати фізико-хімічні властивості шлакових розплавів.

В термінах цих критеріїв металургійні розплави описуюються як хімічно єдині системи, а не суміш деяких компонентів чи їх сполук. Як слідство, приймається, що окремі компоненти (в першу чергу сірка, фосфор, кремній, марганець) взаємодіють не з CaO, MgO чи FeO, а з усім розплавом. Тим самим конкретизується висунутий І.С. Куліковим тезис про кооперативний іонообмінний характер між взаємодіючими розплавами.

Для конкретизації цих уявлень в роботі розглянені фактичні дані про склад реагуючих розплавів при виплавці сталі в різних агрегатах. Кінетика зміни параметрів Z^Y і е у ході конвертерного процессу підтверджує цей тезис.

Розділ 4. МЕТОДИКА ПРОГНОЗУВАННЯ МЕТАЛУРГІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЗАЛІЗОРУДНИХ МАТЕРІАЛІВ.

Поліпшення техніко-економічних показників роботи доменних печей є однією з важливіших задач чорної металургії. Особливе значення у практиці доменного виробництва надається своєчасності і вірогідності інформації не тільки про склад, але і властивості шихтових матеріалів.

Основними характеристиками залізорудних матеріалів, що визначають їх поведінку у доменній печі, є плавкість, міцність у початковому стані та при відновно-тепловій обробці і відновність.

Відомі методи прогнозування зазначених властивостей базуються на використанні окремих компонентів складу CaO, SіO₂, MgO, Al₂O₃, Fe_заг, або їх співвідношень та сполучень (CaO/SіO₂, (CaO+MgO)/SіO₂, Al₂O₃/MgO, суми шлакоутворюючих і т.і.). Звичайно подібні рівняння забезпечують точність розрахованих величин тільки в умовах конкретної вибірки складів, що використані для їх виводу.

З метою розробки методики узагальнення дослідних даних у формі, придатній для розв'язання задач прогнозування, виконана розробка фізико-хімічних критеріїв для комплексного обліку впливу всіх компонентів складу на формування властивостей залізорудних матеріалів і проведено з їх допомогою дослідження комплексу металургійних властивостей агломератів і окатишів в широкому діапазоні коливання їх хімічного складу.

Враховуючи досвід моделювання структури шлакових розплавів і бетонів, а також традиційний підхід технологів до оцінки окисленості залізорудних матеріалів, за базові модельні характеристики їх складу запропоновані параметри: ? - показник стехіометрії та ?e, який виконує функцію хімічного еквіваленту складу окисної системи.

Розділ 5. УТВОРЕННЯ МЕТОДОЛОГІЧНИХ І ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОСНОВ НАСКРІЗНОГО АНАЛІЗУ ВИРОБНИЦТВА І ЯКОСТІ ПРОДУКЦІЇ МЕТАЛУРГІЙНОГО КОМБІНАТУ

«Суцільна комп'ютерізація» науково-технічних служб на основі сучасних інормаціних технологій є основною передумовою для наскрізного аналізу виробництва металопродукції і стратегічним капіталовкладенням, який в значній мірі визначає успіх підприємства в боротьбі за «виживання».

Головною задачею комп'ютерізації науково-технічних служб комбінату є забезпечення спеціалістів науково-технічних і інженерних служб заводуправління оперативною інформацією і сучасними інструментальними засобами для поглибленого аналізу техніко-економічних показників і оптимізації управління виробництвом за рахунок притягнення сучасних досягнень академічної і галузевої науки відповідних технічних засобів та організації роботи технолога з інормаційно-аналітичною системою у режимі тандема взаємної доповнюваності.

Найкращою формою організації такого середовища є АРМи. Критерієм ефективності АРМа є його інтелектуальні можливості, які характеризуються рівнем задач, які вирішуються - оцінкою надійності даних і їх логіко-аналітичною обробкою для оптимізації, одержанням дедуктивних висновків для інтелектуального синтезу.

Робота над створенням конкретного АРМу починається з вивчення інформаційних потоків. Інформацію структуруємо за рівнем (технологічний, управлінський, системний), за призначенням (агломерат, чавун, сталь, прокат). Оночасно розробляється поетапна програма робіт, в основу якої покладена стратегія утворення інтегрірованої розгалудженої комп'ютерної мережі, яка містить бази даних фундаментальної, технологічної та нормативно-довідкової направленості, в обчислювальний комплекс для всебічної математичної обробки даних і проблемно-орієнтовані комплекси з інтелектуально-логічними елементами для аналізу, прогнозування і оптимізації технологічних процесів. Особлива увага надається процедурам стиснення інформації у вигляді звітних форм графіків, картограм, які передаються по каналам мережі для аналізу Верхнього Рівня Управління.

При створенні інформаційного Середовища доцільно використовувати технологію розподілених баз даних.

Концептуальна схема комп'ютерізації науково-технічних служб металургійного комбінату показана на мал. 12.

Розроблена концепція комп'ютерізації науково-технічних служб металургійного комбінату, яка охоплює наскрізний аналіз виробництва металопродукції, пройшла досвідно-промислове виробування в умовах Дніпропетровського металургійного комбінату [23] і введена в експлуатацію.

По ходу цієї роботи спеціалісти комбінату притягувались як консультанти і експерти, оволодівали основами комп'ютерної грамотності, приймали участь в алгоритмізації розробок по переділам. Разом з спеціалістами загальнозаводської АСУ зроблено аналіз інормаційних потоків, пророблено питання створення структури баз, розроблено інтерфейси їх стиковки. Так, наприклад, при розробці АРМів по переділам було охоплено 22 ведучих спеціалісти комбінату, в тому числі начальники аглодоменного і сталеплавильного відділів, відділу розливки, стандартизації і нормування.

Найбільш повну проробку і опробацію пройшли розробки відносно до агломераційного, доменного, сталеплавильного процесів, а також безпереривної розливки. В даний час проробляється питання створення АРМа заключного переділу «Прокатчик».

Система аналізу виробництва чавуну реалізована в АРМах «Агломератчик» і «Доменщик».

АРМ «Агломератчик», як і усі інші АРМи є відкритою експертною системою, яка містить формалізований досвід технологів, поєднаний з розробленими нами [34] методами обробки даних та інженерних розрахунків. Система має інформаційний, проблемний, прикладний та системний блоки. Інформаційний блок вміщує фіксовані в АСУТП та спеціально поповнені в ручному режимі показники про роботу переділу, спеціальний інтерфейс, забезпечує стиковку баз даних з Пакетом статистики засобами багатокритеріальної оптимізації, проблемними програмами.

Створено програмні засоби організації, накопичення, аналізу та графічної інтерпритації сучасної інформації про шихтовку, виплавку агломерату, порівняльного аналізу розрахункового складу агломерату з фактичним, засоби графічного сервісу і генерації звітних форм.

Підсистема інженерних розрахунків забезпечує рішення прикладних задач:

- оперативний аналіз результатів роботи аглофабрики за деякий вказаний період і формування звітних форм для прийняття рішень на Верхньому Рівні Управління;

- розрахунок хімічного складу і властивостей агломерату по витратам із складу матеріалів з різним періодом дискретності: бригада, зміна, доба і т.д.;

- прогнозування на основі параметрів структури шлакової зв'язки і вмісту Fe₂O₃ (%) металургійних властивостей агломерату, перелічених в розд. 4. На мал. 13 як приклад зображено функціональну схему організації накопичення та аналізу добових даних про роботу доменних печей у складі АРМа «Доменщик».

Проблемний блок дозволяє вирішувати комплекси задач:

- матеріальний та тепловий баланс (з дискретністю зміна - доба - будь-який вказаний період);

- розрахунок шихти;

- прогноз складу і властивостей продуктів плавки по складу подачі;

- аналіз показників плавки за будь-який досліджуваний період (до 6 порівнювальних періодів);

- розрахунок ступеню відхилення системи «метал-шлак» від рівноваги;

- приведення показників роботи печей до порівнюємих умов і др.

Аналогічну структуру мають докладно описані в роботі АРМи інших переділів.

Аналіз показників плавки проводять базуючись на інженерних розрахунках доменної шихти з метою поглибленого аналізу відновної роботи горна. Насамперед, обчислюється ступінь прямого відновлення, індекс непрямого відновлення, теоретична температура горіння, кінетична енергія дуття, ступінь використання водню і СО. Ці параметри потім використовуються для аналізу ефективності роботи печі, для технологічних і науково-дослідницьких цілей. Інформаційно-пошукова система забезпечує вибірку і середньозваження даних їх БД за будь-який досліджений період. Є можливість аналізу декількох періодів одночасно.

Реалізований пофакторний аналіз виробництва печі та витрат коксу. Засобами АСОД уточнюються частки впливу аналізованих факторів («ресурсів») на вивчаємий параметр. Всього передбачено аналіз більш як 40 різних градацій основних факторів з виразом їх у відсотках збільшення або зменшення виробництва печі та витрат коксу. Вихідна форма має динамічну структуру і генерується в залежності від вказаних Використувачем факторів.

Аналіз технологічних процесів у сталеплавильних агрегатах реалізовано в АРМах «Сталеплавильщик» та «Розливщик» в повній відповідності з сумарною технологією утворення АРМів на рівні експертних систем.

Підсистема «Сталеплавильщик» спирається на інформаційну базу даних, яку засновано на фактично діючому паспорті даних ВТК і цеховому АСУТП. Підсистема забезпечена сервісними засобами вибірки та злиття баз за різні періоди, пофакторним аналізом техніко-економічних показників плавки, а також моделями, які забезпечують рішення слідуючих задач:

- розрахунок витрат коефіцієнтів і остаточного вмісту марганцю, сірки та фосфору в сталі при зміні складу та витрат чавуну рідкого і твердого, металобрухту, феросплавів чи їх відходів, вапна, вапняка, залізорудних матеріалів, кисню та потрібних кінцевих параметрів - температури сталі, основності шлаку, вмісту вуглецю після зупинки продувки;