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

- вибір оптимального (з того, що маємо) набору сплавів при легуванні сталі в конвертері;

- вибір засобу досягнення заданого в готовій сталі вмісту вуглецю - з навуглецюванням і без навуглецювання металу в ковші;

- вибір засобу досягнення заданої температури металу при дефіциті металобрухту з різними засобами охолодження;

- вибір засобу досягнення заданої температури металу при дефіциті чавуну;

- вибір оптимального набору сплавів для розкислення і легування сталів в ковші;

- вибір засобу досягнення заданого вмісту сірки та фосфору в сталі;

- прогнозування у змінних шихтових та температурних режимів відхилень ходу процесу від оптимального.

Підсистема «Розливщик» спирається на машинний паспорт переділу розливки і інформацію, яка приходить на сервер НВО з цехової АСУТП. На робочій станції у відділі розливки створено інтегровану базу даних і забезпечено сервісні засоби оперативного просмотру, коректировки, пошуку, обробки показників переділу, який містить 98 полів адресно-технологічної інформації і 54 поля, які характеризують режими водно-повітряного охолодження. Розроблено підсистему інженерних розрахунків аналізу показників плавки за любий період та програмні засоби формування Наскрізного Паспорту Плавки.

Усі АРМи забезпечено базою даних нормативно-технічної інформації на продукцію комбінату «Гости».

Етап промислового опробування розробок не тільки підтвердив ефективність технології комплексної комп'ютерізації науково-технічних служб комбінату на базі локальної комп'ютерної мережі, але і став поворотним моментом у реалізації виробленої на відправному етапі концепції, тому що функціонування мережі стало невід'ємною частиною процесу виробництва співробітників НВО.

Таким чином, утворено технологічні основи для наскрізного аналізу виробництва металопродукції та вибору раціональних технологічних схем виробництва металопродукції за принципом «Сировина+Технологія = Виробництво + Якість», як на інформаційному, так і на модельному рівнях.

Наявність фонду моделей по переділам і єдина методологія їх створення на модульному принципі (кожний варіант технології показаний відповідним модулем) дозволяє забезпечити їх нарощування у процесі розвитку алгоритмів і здійснити генерацію моделей металургійних процесів в єдину наскрізну модель з метою організації оптимальної схеми виробництва металу заданної якості.

У вигляді ілюстрації методології розв'язку цієї задачі на основі розроблених в ІЧМ за участю автора моделей по переділам [25] в роботі описано результати обчислювального експерименту на прикладі техніко-економічного аналізу шляхів досягнення низьких концентрацій сірки в сталі по критерію сумарних експлуатаційних витрат (СЕВ) у комплексі доменний цех (ДЦ) - установка доводки чавуну (УДЧ) - конвертерний цех (КЦ) - пристрій доводки сталі (ПДС).

В результаті було встановлено наступне:

- з підвищенням ступеню десульфурації чавуну СЕВ, як правило, знижуються, виняток складають випадки з незадовільним скачуванням шлаку - вже при вмісту сірки після УДЧ менш 0.02% вага сірки у шлаці перевищує вагу сірки у чавуні, при подальшому зниженні сірки витрати на десульфурацію підвищуються, але вміст сірки у сталі помітно не знижується, що потребує підвищити кількість додувок для її виведення;

- самий економічний реагент для десульфурації чавуну - магній; самий дорогий - карбід кальцію (вапно займає проміжне положення);

- старанне відведення шлаку після УДЧ зменшує СЕВ, незважаючи на додаткові витрати чавуну при цьому;

- збільшення ступеню десульфурації чавуну приводить до зниження СЕВ у комплексі ДЦ-УДЧ-КЦ-ПДС, навіть при наявності десульфурації сталі;

- боротьба з сіркою у процесі доменної плавки супроводжується збільшенням сумарних експлуатаційних витрат у комплексі ДЦ-УДЧ-КЦ-ПДС;

- найбільш економічним шляхом вирішення проблеми є десульфурація чавуну, потім іде позапічна десульфурація сталі і збільшення ступеню десульфурації у доменній печі. Найбільш дорого коштує збільшення ступеню десульфурації у конвертері.

Викладені тут результати одержані в конкретних умовах Дніпровського металургійного комбінату і тому не є безумовними і остаточними. В інших умовах (наприклад, при наявності низькосіркового коксу) результати можуть змінитися. Важливо те, що маємо інструментарій, який дозволяє вибрати оптимальний варіант виробництва в конкретних сировинних і технологічних умовах.

Основні висновки

1. Розроблено алгоритми розрахунку інтегральних та парціальних параметрів «згортки» хімічного складу шлакових та металевих розчинів на основі теорії направленого хімічного зв'язку. Показано, переклад інформації про склад багатокомпонентних систем на мову модельних параметрів дозволяє «уніфікувати» набір фізико-хімічних критеріїв та забезпечити мінімальним їх надлишок при моделюванні термодінамічних властивостей металевих та шлакових розплавів та результатів взаємодії в системі «Метал-Шлак».

2. Розроблено нові фізико-хімічні критерії ??e, ?Z^y та ?d, які характеризують ступінь відхилення параметрів структури оксидних і металевих розплавів як хімічно єдиних систем від механічної суміші їх компонентів. Результатами аналізу представницького матеріалу про термодінамічні властивості бінарних та багатокомпонентних розплавів показано, що використання комплексу цих критеріїв дозволяє враховувати вплив мікронеоднорідності будови розплавів на їх властивості.

3. На основі зібраних в базах ретроспективних фундаментальних даних розроблено моделі для оцінки рафінуючої здібності шлакових розплавів в умовах окислювальної та відновної плавок. Зроблено порівняльний аналіз сульфідної ємкості шлаків доменного та сталеплавильного процесів, позапічної обробки чавуну та сталі.

4. Розроблено концептуальні вимоги до баз даних, методологія систематизації і принципи паспортизації даних. Обговорено проблеми та принципи організації баз даних про властивості шлакових розплавів і шлакоутворюючих сумішей, термодинамічних даних систем «Шлак-Метал-Газ» і властивостей залізорудних матеріалів. Проблемно методологічні питання утворення фонду моделей металургійних систем і процесів їх взаємодії на макро- і мікрорівнях, які забезпечують тандем взаємної доповненості з інформаційним середовищем.

5. З метою інформаційного забезпечення дослідників-металургів експериментальними даними про фізико-хімічні і технологічні властивості металургійних систем утворено бази документально-фактографічних даних про властивості шлакових розплавів «Шлак», шлакоутворюючих сумішей «ШУС», термодинамічних даних «Шлак-Метал-Газ», фізико-хімічних і металургійних властивостей залізорудних матеріалів «Шихта».

6. З позицій теорії фізико-хімічного моделювання виконано аналіз зібраних в базах ретроспективних даних про фізико-хімічні властивості шлакових розплавів і уточнено прогнозні моделі для в'язкості, плавкості, електропровідності, поверхневого натягу, густини у діапазоні хімічного складу доменного та сталеплавильного виробництв. Розроблено моделі для прогнозування вказаних властивостей шлакових сумішей для безперервної розливки сталі, а також плавкості бетонів. Розрахунок вказаних властивостей реалізовано у програмному комплексі «Оксид» і включено в склад технологічних АРМів ДМК, комбінату ім.Ілліча, ЗСМК.

7. Встановлено важливу роль перезарядки при переході іонів сірки, фосфору, марганцю та кремнію крізь межу метал-шлак. Розвинутий тезис, який сформулював І.С. Куліков, згідно якому термодинамічний аналіз рівноваг у системі метал-шлак повинен базуватися на аналізі системи, як такої, а не окремих хімічних реакціях між компонентами вибраними на свій погляд. Показано, що сполучення інтегральних модельних параметрів ?e і ? (для шлаку) і Z^y та d (для металевих розплавів) характеризують хімічну індивідуальність будь-якого конкретного складу металургійного розплаву. Їх використання дозволяє відмовитися від розглядання кооперативних іонообмінних процесів як суми окремих реакцій.

8. З позицій концепції кооперативного характеру іонообмінних процесів розглядено поведінку фосфору, сірки, кремнію, марганцю у системі метал-шлак. Одержано точні регресійні рівняння, які описують у модельних термінах розподіл цих елементів, їх концентрації та активності у різних умовах взаємодії розплавів. Утворено базу ретроспективних даних про рівноважний розподіл сірки і фосфору між металом і шлаком. Одержано прогнозні моделі для рівноважних коефіцієнтів розподлу сірки і фосфору в умовах відновної і окислювальної плавки.

9. На основі ретроспективних даних бази «Шихта» вивчено комплекс властивостей агломерату і окатишів практично всіх окомкувальних фабрик країн СНД у широкому діапазоні концентрацій компонентів складу і властивостей.

Проаналізовано з використанням факторного аналізу рузні варіанти «згортки» хімічного складу залізорудних матеріалів через інтегральні фізико-хімічні критерії, які характеризують склад шлакової зв'язки. Встановлено, що найбільш доцільно використовувати для «згортки» шлакову зв'язку крім Fe₂O₃, виділяючи концентрацію Fe₂O₃ як самостійний параметр.

10. Розроблено моделі для прогнозування основних фізико-хімічних і технологічних властивостей агломератів та окатишів. Стосовно до шихтових умов ДМК реалізовано методику оцінки впливу хімічного складу на металургійні властивості агломерату та вибір його оптимального складу при Fe_заг в межах 49-54%.

11. Запропонована методологія прогнозування коефіцієнтів розподілу елементів у системі «Метал-Шлак» як функцій конкретних шихтових та технологічних умов. Моделі включено в склад АРМу «Доменщик», який функціонує в середовищі локальної обчислювальної мережі ДМК з метою вибору оптимального складу подачі, яка забезпечує заданий шлаковий режим.

12. Розроблено базове прикладне і системне програмне забезпечення для аналізу фізико-хімічної та технологічної інформації, яка містить засоби роботи з багатомірними даними та інструментальні засоби «згортки» фізико-хімічної та технологічної інформації, оригінальні засоби багатокритеріальної оптимізації технолгічних процесів.

Розроблено та випробувано в промислових умовах методологічні та технологічні основи утворення системи наскрізного аналізу виробництва і якості металопродукції шляхом утворення АРМів по переділам. Викладено досвід «наскрізної» комп'ютерізації науково-технічних служб ДМК.

13. Реалізована методологія рішення задач оптимізації наскрізних технологій на прикладі техніко-економічної оцінки різних варіантів досягнення низьких концентрацій сірки в сталі у вигляді наскрізної моделі виробництва рідкого металу у комплексі Доменна піч - Установка доводки чавуну - Конвертерний цех - Установка доводки сталі.

Основний зміст дисертації відображено в слідуючих публікаціях

Тогобицкая Д.Н. Информационно-математическое моделирование шлаковых и железоуглеродистых расплавов // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1998. - N4. - С. 7-10.

Тогобицкая Д.Н. Моделирование межфазного распределения элементов в системе «металл-шлак» при выплавке чугуна // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1999. - N1. - С. 8-11.

Приходько Э.В., Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н. Физико-химические критерии для оценки свойств оксидных расплавов в металлургии // Вопросы теории и практики производства чугуна. - М.: Металлургия - 1986. - С. 25-28.

Тогобицкая Д.Н., Хамхотько А.Ф., Варивода О.И., Лихачев Ю.М. Моделирование на ЭВМ свойств оксидных систем // Изв.ВУЗов. Чеpная металлургия.-1991 г. - №12.С. 41-45.

Приходько Э.В., Тогобицкая Д.Н. Физико-химическое моделирование процессов межатомного взаимодействия в металлургических расплавах // Вестник Приазовского государственного технического университета: Сб.науч. тр. - Вып.7. - Мариуполь. - 1999. - С. 72-82.

Тогобицкая Д.Н., Приходько Э.В. Система «металл-шлак» как объект моделирования // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. - Киев. - Наукова Думка. - 1998. - С. 98-104.

Горбачев В.П., Янковский А.С., ЛаптевА.И., Марьясов М.Ф., Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н. Прогнозирование свойств магнезиально-глиноземистых доменных шлаков // Изв.вузов. Черная металлургия. - 1988. - N12. - С. 15-18.

Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н., Головко Л.А., Гарафутдинов Р., Балдаев Б.Я. Свойства шлаков для непрерывной разливки корозионностойких сталей // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1994. - №4. - С. 15-17.

Жмойдин Г.И., Тогобицкая Д.Н. Авторизованный компьютерный продукт в отечественной металлургии // Известия РАН. Металлургия. Металлы. - 1996. - №1. - С. 29-45.

Жмойдин Г.И., Тогобицкая Д.Н. Проблема информационного обеспечения теоретической и прикладной металлургии // Известия АНССР. Металлы. - 1991. - №3. - С. 218-223.

Тогобицкая Д.Н., Бродский С.С., Жмойдин Г.И. От баз данных к базам знаний в металлургии - технологический уровень // Изв.АН. Металлы. - 1998. - №6. - С. 27-43.

Приходько Э.В., Тогобицкая Д.Н. Методология создания базы знаний о свойствах сталей и сплавов // Металознавство та обробка металів. - Киев. - 1996. - N3. - С. 50-55.

Литвинов Л.Ф., Дымченко Е.Н., Старов Р.В., Тогобицкая Д.Н. Оценка влияния FeO и Fe₂O₃ на окислительную способность конвертерных шлаков по ходу продувки // Металлургическая и горнорудная промышленность. -1998. - №2. - С. 25-27.

Тогобицкая Д.Н., Хамхотько А.Ф., Лихачев Ю.М. Оптимизация металлургических технологий и концепция создания информационно-интеллектуальных систем: Сб.н.т. // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. - Киев. - Наукова Думка. - 1995. - С. 242-249.

Тогобицкая Д.Н., Григянец Р.Б. Системное, прикладное и проблемное программное обеспечение банка данных «Металлургия» // Известия АНССР. Металлы. - 1991. - №4. - С. 217-220.

Жмойдин Г.И., Приходько Э.В., Тогобицкая Д.Н., Хамхотько А.Ф., Лихачев Ю.М. О паспортизации экспериментальных материалов для банка данных «Металлургия» // Изв.ВУЗов. Черная металлургия. -1988. - N8. - С. 136-139.

Приходько Э.В., Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н. База данных и модели для прогнозирования плавкости железорудных материалов // Сталь. - 1998. - N9. - С. 7-9.

Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н., Дегальцев Ю.Г., Головко Л.А. Прогнозирование плавкости бетонов // Неорганические материалы. - 1994. - №2. - Т.30. - С. 269-271.

Приходько Э.В., Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н., Байрака М.Н. Оптимизация шихтовых и технологических условий доменной плавки на основе физико-химического и математического моделирования // Совершенствование технологии доменного производства. - М.:Металлургия. - 1988 г. - С. 52-56.

Тогобицкая Д.Н., Хамхотько А.Ф. Оптимизация состава доменной шихты с использованием физико-химического моделирования с целью экономии кокса // Экономия кокса в доменных печах. - М.: Металлургия. - 1986. - С. 66-70.

Приходько Э.В., Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н., Гребенкин Н.А., Шепетовский Э.А., Зевин С.Л. Роль химического состава железорудных материалов в формировании их металлургических свойств. // Обзорная информация. Серия. Подготовка сырьевых материалов к металлургическому переделу и производство чугуна. - Вып.5. - 42 с. - М.: Ин-т Черметинформация. -1987. - С. 1-25.

Тогобицкая Д.Н. Система анализа и выбора рациональных режимов работы металлургических агрегатов на ЭВМ // Черная металлургия. Наука-Технология-Производство. МЧМ СССР. - М.:Металлургия. - 1989. - С. 384-390.

Бродский С.С., Тогобицкая Д.Н., Несвет В.В. Опыт компьютеризации научно-технических служб Днепровского меткомбината // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1998. - №2. - С. 125-128.

Тогобицкая Д.Н., Хамхотько А.Ф., Белькова А.И. Информационное, алгоритмическое и программное обеспечение для решения задач оптимизации доменной шихты // Металлург. - Москва, - 1999. - №6. - С. 42-43.

Старов Р.В., Тогобицкая Д.Н., Харахулах В.С., Гладков Н.А., Матухно Г.Г. Сквозная модель производства жидкого металла, включающая технологию доменной и конвертерной плавок, внепечной обработки чугуна и стали // Металл и литье Украины. - Киев. - 1995. - №1. - С. 14-17.

Приходько Э.В., Тогобицкая Д.Н. Базы физико-химических и технологических данных для создания информационных технологий в металлургии. // Металлургическая и горнорудная промышленность. -1999. - №3. - С. 17-21.

Айзатулов Р.С., Анохин А.Б., Тогобицкая Д.Н. и др. Проблемы и политика энергоснабжения на Западно-Сибирском металлургическом комбинате // Сталь. - 1997. - №8. - С. 70-78.

Тогобицкая Д.Н., Гармаш Л.И. Физико-химические критерии для моделирования ионообменных процессов в системе металл-шлак применительно к неравновесным условиям окислительной и восстановительной плавок // Тр.н-т-конференции «Теория и технология производства чугуна и стали». - Липецк. - 1995. - С. 18-23.

Гладков Н.А., Тогобицкая Д.Н., Нестеров А.С. Особенности формирования жидких фаз и их физико-химическая интерпретация // Тр. Международной научно-технической конференции «Теория и технология аглодоменного производства посв. 100 летию со дня рождения А.Д. Готлиба». - 1996. - С. 83-87.

Приходько Э.В., Тогобицкая Д.Н. Базы теоретических и технологических данных для информационных технологий в металлургии // Черная металлургия России и СНГ в ХХІ веке. Сб.трудов международной конференции. - Металлургия. - 1994. - С. 178-180.

Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н., Лихачев Ю.М., Головко Л.А. База данных «Шлакообразующие смеси для разливки стали. // Сб.тр. н-т-конференции «Теория и технология производства чугуна и стали». - Липецк. - 1995. - С. 287-290.

Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н., Головко Л.А., Варивода О.И. База данных и модели для прогнозирования свойств шлакообразующих смесей // Тр.ІX МНТК «Теория и практика кислородно-конвертерных процессов. - Днепропетровск. - 1998. - С. 69-71.

Тогобицкая Д.Н. Инструментальные средства для выбора базовых режимов работы металлургических агрегатов и экспертной оценки новых технологических решений // Тр.І-й МНТК «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства». - Череповец. - 1998. - С. 166-169.

Тогобицкая Д.Н., Хамхотько А.Ф., Цымбал Г.Л., Руденко Ю.Р., Деркач Н.В. Компьютерная система анализа показателей агломерационного передела в среде локальной вычислительной сети ДМК // Тр. V международного конгресса доменщиков «Производство чугуна на рубеже столетий». - Днепропетровск. -1999. - С. 130 - 133.

Старов Р.В., Тогобицкая Д.Н., Гладков Н.А. и др. Технико-экономическая оценка различных вариантов достижения низких концентраций серы в стали // Труды ІV-го конгреса сталеплавильщиков. - Москва. - 7-10 октября 1996. - С. 417-420.

Размещено на Allbest.ru