Актуальность темы
.
Постоянно возрастающие требования к снижению материальных и энергетических затрат на производство стали могут быть реализованы за счет оптимизации процессов производства стали, предотвращения возникновения внештатных и аварийных ситуаций. Важную роль при этом имеет разработка и внедрение в технологический процесс автоматизированных систем управления с использованием математического моделирования.
Особенность работы состоит в комплексном рассмотрении одного из процессов производства стали — внепечной обработки стали в ковше. При этом объект автоматизации и исследования рассматривается как сложный нелинейный объект с распределенными параметрами, реализация задач автоматизации которого требует разработки численно-аналитических методик, инструментальных систем расчета и моделирования.
Цель работы.
Разработка и создание программного обеспечения для оценки, отображения текущего состояния объекта управления, расчета и выдачи рекомендаций технологическому персоналу по управлению процессом внепечной обработки стали в ковше, прогнозирования состояния расплава. Исследование влияния различных режимов ведения процесса на тепломассоперенос в ковше с расплавом. Разработка алгоритмов оценки состояния и управления процессом внепечной обработки.
Научная новизна.
1. Разработан новый комбинированный алгоритм управления доводкой металла в ковше, использующий математические модели свободного и вынужденного теплопереноса в расплаве и оценки текущего состояния продувочной фурмы.
2. С использованием математической модели теплопереноса исследовано влияние асимметричности расположения и состояния продувочной фурмы в ковше на гомогенизацию расплава.
3. Разработан новый способ оперативной оценки состояния продувочной фурмы (степени ее заметалливания и укорочения) в процессе продувки стали в ковше, основанный на анализе временной зависимости давления газа перед фурмой. Предложен алгоритм управления продувкой стали при постоянном и переменном положении продувочной фурмы на основе оперативной оценки ее состояния.
4. Разработан обобщенный алгоритм назначения масс раскислителей и легирующих для корректировки химического состава стали при ее диффузионном раскислении (с подачей кусковых ферросплавов на шлак) и при прямом раскислении (со вводом порошковых ферросплавов непосредственно в металл).
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
— удовлетворительной сходимостью результатов, полученных расчетными (математическое моделирование) и экспериментальными методами;
— высокой эффективностью предложенных технологических разработок, подтвержденных результатами промышленных исследований.
Практическая значимость.
С использованием математического моделирования проведено исследование процессов теплопереноса при сливе металла в ковш, поведения расплава в ковше в межоперационный период и во время продувки газом и порошкообразным ферросилицием, на основании которого даны рекомендации по режиму продувки, обеспечивающему качественную гомогенизацию расплава.
Установлено влияние укорочения и заметалливания продувочной фурмы на качество перемешивания расплава, найдены предельно допустимые значения укорочения и заметалливания, при достижении которых нарушается процесс гомогенизации стали.
Внесены изменения в действующую технологическую инструкцию, касающиеся порядка смены продувочных фурм и нормативной длительности продувки.
Предложенные алгоритмы назначения масс ферросплавов, оценки текущего состояния фурмы, управления продувкой стали, математические модели процессов тепло-массопереноса в ковше доведены до уровня рабочих программ и применимы к ряду подобных технологий внепечной обработки стали.
Результаты исследований и предложенные алгоритмы внедрены в промышленную эксплуатацию в составе системы автоматизации установки продувки стали азотом. Экономический эффект от внедрения составил 1 089 766 тыс. руб. (в ценах 1991т).
Восемь предложенных в работе технических решений защищены патентами РФ. Внедрение одного из технических решений (новая конструкция продувочной фурмы) дало экономический эффект 21 876 тыс. руб. (в ценах 1997г).
Апробация работы.
Материалы работы докладывались и обсуждались на :
— федеральной научно-технической конференции «Метрология и автоматизация — 95», 1995 г., Новокузнецк;
— межгосударственной научно-технической конференции «Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века», 1996 г., Магнитогорск;
— научно-практической конференции «Качество подготовки и проблемы повышения конкурентоспособности выпускников педвузов на рынке труда», 1997 г., Новокузнецк;
— научно-практической конференции «Взаимодействие муниципальных, образовательных и предпринимательских структур крупного промышленного города», 1998 г., Новокузнецк.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 12 статей, получено 7 патентов РФ на изобретения и 1 положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, содержит 161 страницу основного текста, список литературы из 132 наименований и приложений.
4.4. Выводы.
В главе приведены результаты исследования на математической модели процессов тепло-массообмена в ковше во время продувки расплава и в межоперационные периоды. Исследования показали:
1)Во время простоя ковша с расплавом металла (межоперационный период) в нем нарастает расслоение по температуре. В расплаве образуется множество локальных контуров перемешивания, характерных для свободной конвекции жидкости, что приводит к существенной дегомогенизации расплава по температуре с АТ=7° при простое 10 минут до АТ=14° при 40 минутном простое.
2) Хорошее перемешивание расплава наблюдается при продувке на глубине погружения фурмы 2.25 — 2.5 м при мгновенном расходе газа 30−50 м3/час. В этом случае усреднение расплава по температуре (АТ=3°) достигается за 2 — 3 минуты продувки. При продувке на глубине менее 2.0 м перемешивание ухудшается и даже увеличение времени продувки не приводит к достижению.
Рис. 4.32. Распределение температуры в расплаве в сечении ф=0, к 1=120 с, 1п2=50м3/час.
Н£=2.5 м (а), ШИ.4 м (б), ШИ.4 — 2.5 м (в).
СО t=f.
S in.
9-S Я и a) F o> о M.
CD.
5 g О ев, а и Я.
6 ^.
СЧ 4—' CL, 5 s a s u о S «n II ^.
L> i-> m «2 u О ^ s ля.
СЛ m ^ cj.
S рц чипа.
ГЦ 11 !¦¦!¦
Рис. 4.34. Вертикальная и радиальная скорости движения расплава в сечении ср=½тс, 3/2п г=120 с, 1п2=50м3/час.
2.5 м (а), № 1.4 м (б), Н¥-=1.4 — 2.5 м (в).
Рис. 4.35. Азимутальная и радиальная скорости движения расплава в сечении ъ-2.5 м 1=120 с, 1п2=50м3/час.
Н£=2.5 м (а), Ш=1.4 м (б), № 1.4 — 2.5 м (в) и).
Рис. 4.36. Азимутальная и радиальная скорости движения расплава в сечении х=1.5 м ^ 120 с, 1п2=50м3/час.
Н£=2.5 м (а), Ш=1.4 м (б), Ш=1.4 — 2.5 м (в).
S' H ю si s Q.
Рис. 4.38. Распределение вертикальной и радиальной скоростей расплава при йг=0 1=120 с, Ь2=50м3/час.
2.5 м (а), Ш=1.4 м (б), ШИ.4 — 2.5 м (в).
Рис. 4.39. Распределение температуры в расплаве при йг^О.З м 1=120 с, 1п2=50м3/час ШИЛ — 2.2 м (а), Ш=0.8 — 1.9 м (б).
I—> <1.
6. По результатам натурно-модельного и натурного исследования процесса внепечной обработки стали в ковше оптимизированы программы автоматического управления продувкой и внесены изменения в действующую технологическую инструкцию, касающиеся порядка смены продувочных фурм и нормативной длительности продувки.
7. Разработанные алгоритмы и математические модели внедрены в промышленную эксплуатацию в составе модернизированной системы управления установками продувки стали азотом электросталеплавильного цеха № 2 ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат». Экономический эффект от внедрения составил 1 089 766 тыс. руб. (в ценах 1997г).
8. Предложенные технические решения, способы и алгоритмы защищены 8 патентами РФ. Одно из изобретений, касающееся повышения стойкости продувочных фурм внедрено в эксплуатацию с экономическим эффектом 21 876 тыс. руб. (в ценах 1997 г).
