Моделирование взаимодействия компонентов шлаковой и металлической фаз при производстве стали, разработка алгоритмов и программного обеспечения для описания технологических процессов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат наук Комолова, Ольга Александровна

• Комолова, Ольга Александровна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Комолова, Ольга Александровна

Содержание

Введение

1 Обзор литературы

1.1 Типы математических моделей

1.2 Кислородный конвертер, как объект математического моделирования

1.3 Агрегат ковш-печь, как объект математического моделирования

2 Физико-химическое описание процесса взаимодействия между компонентами шлаковой и металлической фаз

3 Применение разработанного физико-химического описания взаимодействия между компонентами системы шлак-металл для создания динамических моделей процесса выплавки полупродукта в кислородном конвертере и внепечной обработки стали

3.1 Создание математического описания кислородного факела

3.1.1 Расчет присоединенной массы факела

3.1.2 Материальный баланс кислородного факела

3.1.3 Тепловой баланс кислородного факела

3.1.4 Проверка математической модели кислородного факела

3.2 Описание математической модели реакционной зоны

3.3 Проверка адекватности работы системы шлак-металл для условий ККП

3.4 Разработка динамической модели процесса обработки металла на агрегате ковш-печь (АКП)

3.5 Проверка адекватности работы разработанного программного

обеспечения "АКП"

Выводы

Библиографический список

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование взаимодействия компонентов шлаковой и металлической фаз при производстве стали, разработка алгоритмов и программного обеспечения для описания технологических процессов»

Введение

В современном мире конкурентной борьбы между металлургическими предприятиями за рынок все острее становится вопрос качества и себестоимости выпускаемой продукции. Повышение требований к качеству стали предопределяет необходимость точного попадания в узкий диапазон заданного химического состава для конкретных марок стали.

Для получения заданного качества готовой продукции необходимо контролировать и управлять процессом производства стали на каждом из этапов металлургического передела, начиная от расчета шихты до момента получения готовой продукции.

Технологический процесс отбора проб и замер температуры металла вызывает удлинение цикла обработки и позволяет оценивать характеристики металлической ванны с запаздыванием, а для эффективного управления высокоскоростными и высокотемпературными металлургическими процессами необходимо знать температуру и химический состав металла и шлака заранее. Заблаговременный прогноз позволит рассчитать оптимальные управляющие воздействия на технологический процесс. Поэтому в первую очередь необходимо создание прогнозирующих математических моделей, описывающих все основные переменные состояния системы. Это позволит эффективно использовать время и энергоресурсы, проводить процесс по наиболее рациональной траектории. Для создания прогнозирующих программных комплексов необходимо иметь физико-химические описания современных металлургических процессов и математические модели, учитывающие состав взаимодействующих фаз и тепловые режимы, отражающие динамические характеристики процессов плавления, растворения, интенсивности перемешивания, скорости взаимодействия между всеми компонентами шлаковой и металлической фаз, описывающие реакции процесса на управляющие воздействия.

В современном металлургическом производстве с каждым годом наблюдается унификация металлургических агрегатов. Если выделить основные процессы, которые происходят во время выплавки или внепечной обработки стали, то становится понятным, что на каждом из агрегатов происходят идентичные процессы. Разница заключается только в способе подвода энергии, физическом и химическом состоянии вводимых материалов, характеристики газовой фазы. Разработка математических моделей, основанных на законах термодинамики, гидро- и аэродинамики, тепло - и массопереноса и т.д., содержащих минимальное количество настроечных коэффициентов, позволит моделировать любой процесс, собирая его, как конструктор из деталей.

Интегрирующими, т.е. объединяющими все процессы, происходящие при выплавке и внепечной обработки стали, являются шлаковая и металлическая фазы (Рис. 1). Химический состав и температура шлаковой и металлической фаз практически полностью определяют траекторию развития процесса.

Печь-ковш

Усвоение легирующих и

шлкаообразующих _ материалов

Перемешивание

Электронагрев

ДСП

Расплавление и растворение твердой составляющей металлошихты

ТсвоениеТтегирующих и

шлкаообразующих _материалов

Перемешивание

Продувка кислородом (факел и реакционная зона)

Электронагрев

Кислородный конвертер

Расплавление и растворение твердой составляющей металлошихты

Усвоение легирующих и шлкаообразующих материалов

Перемешивание

Продувка кислородом (факел и реакционная зона)

Вакууматор

Усвоение легирующих и

шлакообразующих _материалов_

Перемешивание

Продувка кислородом (факел и реакционная зона)

Вакуумирование

Шлако - газо - металлическая система

Масса металла

Масса шлака

Химический состав шлака, металла, газа

Температура шлака и металла

Рис. 1. Система шлак-металл, как интегрирующая фаза

Целью данной диссертационной работы, было создание на базе положений термодинамики необратимых процессов легко трансформируемого физико-химического описания взаимодействия между компонентами шлаковой и металлической фаз, которое можно использовать при создании математических моделях выплавки полупродукта и внепечной обработки стали.

Динамические прогнозирующие математические модели, состоят из набора подмоделей, описывающих все основные зоны взаимодействия конкретного процесса. Для создания динамической модели кислородно-конвертерного процесса, необходимо было разработать физико-химическое описание и математическую модель процесса образования кислородного факела во время продувки, описывающую изменение его химического состава, температуры, массы, скорости и размеров по высоте. На базе разработанной математической модели формирования кислородного факела были разработаны алгоритмы и программное обеспечение "Кислородный факел" с дружелюбным пользовательским интерфейсом, позволяющее исследовать различные условия истечения газового потока. Проведена адаптация математических моделей по экспериментальным и литературным данным, отражены основные результаты исследований.

Разработанные модели были внедрены в динамическую систему прогноза кислородно-конвертерной плавки, которая позволяет производить расчет основных технологических переменных процесса во времени. Проведена проверка работоспособности математической модели по опытно-промышленным плавкам на кислородном конвертере.

Следующим этапов данной работы было проведение проверки разработанного физико-химического описания взаимодействия между компонентами шлаковой и металлической фаз по опытно-промышленным плавкам для условий обработки металла на агрегате ковш-печь. Для этого было

разработана математическая модель, алгоритмы и программное обеспечение -"АКП", моделирующее процесс обработки металла на агрегате ковш-печь.

Научная новизна

1. На основе применения положений термодинамики необратимых процессов разработано физико-химическое описание взаимодействий между компонентами шлаковой и металлической фаз, учитывающих параллельное протекание реакций.

2. Разработана оригинальная, легко трансформируемая методика расчета скоростей реакций взаимодействия между компонентами шлаковой и металлической фаз для динамического моделирования технологических процессов, протекающих в кислородном конвертере и агрегате ковш-печь, учитывающая неравновесное состояние всей системы.

3. Создано физико-химическое описание и математическая модель образования кислородного факела при взаимодействии кислородной струи с атмосферой конвертера. Показано, что при моделировании кислородного факела необходимо учитывать массу, температуру, химический состав присоединенных конвертерных газов и процесс окисления {СО} до {СОг}, что оказывает значительное влияние на температуру, химический состав факела и конечный результат процесса.

Практическая значимость

1. Создано программное обеспечение "АКП" для динамического моделирования технологического процесса обработки металла в агрегате ковш-печь. Программное обеспечение было использовано для коррекции технологии внепечной обработки трубных марок стали для ОАО "ОМК-Сталь",

использовано в качестве учебного тренажера для обучения студентов и персонала металлургических предприятий, что подтверждено "Справкой".

2. Создано программное обеспечение "Кислородный факел" на базе разработанной математической модели, проведена проверка адекватности работы по экспериментальным данным промышленных плавок, программа используется в учебном процессе в НИТУ «МИСИС» для обучения студентов.

3. Разработанные математические модели интегрированы в тренажер "Кислородно-конвертерный процесс". Тренажер "Кислородно-конвертерный процесс" разработан в рамках программы развития НИТУ "МИСиС" и используется для обучения студентов (интернет ресурс http://www.rnisis.ru/tabid/1225/Default.aspx).

Апробация работы

Материалы диссертации доложены и обсуждены на XII международном Конгрессе сталеплавильщиков (г. Выкса, 22-26 октября 2012 г.), Международной научной конференций "Физико-химические основы металлургических процессов", посвященная 110-летию со дня рождения академика A.M. Самарина» (Москва, ИМЕТ РАН, 2012), IX Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, ИМЕТ РАН, 2012), X Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, ИМЕТ РАН, 22-25 октября 2013 г.).

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 117 страницах машинописного текста и содержит введение, 3 главы, общие выводы по работе, 35 рисунков, 12 таблиц, 4 приложения. Список использованной литературы состоит из 78 наименований.

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях из списка, рекомендованного ВАК.

1 Обзор литературы

1.1 Типы математических моделей

Современное металлургическое производство невозможно представить без активного использования автоматизированных систем управления. Корректная работа современных АСУ возможна только при наличии прогнозирующих математических моделей. С появлением высокоскоростных вычислительных машин особую роль с середины двадцатого столетия приобрело математическое моделирование [1]. Стало возможно с помощью математического моделирования сложных металлургических систем реализация задачи совершенствования управления. Любая математическая модель проходит три этапа развития: построение, идентификация и оптимизация [2]. Прогнозирование дальнейшего развития того или иного процесса для самых разнообразных видов хозяйственной деятельности всегда являлось актуальной задачей [3, 4, 5]. Исключением не стали процессы выплавки и внепечной обработки стали, для управления которыми необходимо учитывать сложные конструкции агрегатов, технологические операции, распределение и движение материальных и энергетических потоков и т.д. [6]. Математическое моделирование позволяет рассмотреть самые различные варианты исследуемого процесса и найти в рамках данной модели наилучший режим его осуществления.

Сталеплавильный процесс, как объект математического моделирования, представляет собой сложную систему, в которой действуют процессы, подчиняющиеся законам термодинамики, физики, тепло- и массопереноса,

кинетики и т. д. Теоретические и экспериментальные исследования этих процессов являются естественным базисом построения их математического описания [7, 8]. При построении математической модели реальное явление или процесс упрощается, схематизируется. Полученная схема описывается в зависимости от сложности явлений с помощью того или иного математического аппарата [9].

Управление технологическими процессами - это управление распределением масс и энергий между взаимодействующими фазами на основе соблюдения законов сохранения массы и энергии.

По своим свойствам модели сталеплавильных процессов подразделяются на статические и динамические. Статические модели отражают работу объекта в стационарных условиях, то есть когда характеристики процесса не меняются во времени. Соответственно математическое описание в статических моделях не включает время как переменную и состоит из алгебраических уравнений, либо дифференциальных уравнений в случае объектов с распределенными параметрами.

Использование статических моделей позволяет спрогнозировать поведение процесса при заданных значениях выходных координат и улучшить, таким образом, его технико-экономические показатели. На основе статических моделей не представляется возможным решить задачу оптимального управления или исследования технологического процесса.

Динамические модели отражают изменение объекта во времени. Математическое описание таких моделей обязательно включает производную по времени. Часто динамическую модель объекта строят в виде передаточных функций, связывающих входные и выходные переменные (представление динамических моделей в виде передаточных функций особенно удобно для целей управления объектом) [9]. Динамические модели могут использоваться

как для решения технологических задач, так и для исследования и разработки новых технологий [7].

Анализ математических моделей показал, что большинство из них представляют собой "черный" или "серый" ящик, связь между входными и выходными параметрами в котором осуществляется за счет статистических уравнений, получаемых в результате анализа термодинамических параметров и обработки массива промышленных плавок. Данные модели способны адекватно работать в узком диапазоне изменения входных характеристик для конкретной технологии. При нарушении этого условия, достоверность моделей сводится к минимуму [13]. Такое жесткое ограничение связано с тем, что металлургические процессы являются высокотемпературным и высокоскоростным, с большим количеством быстро изменяющихся технологических операций. Именно поэтому важно уметь рассчитать реакцию системы на управляющее воздействие заранее, чтобы не привести к аварийной ситуации и провести процесс по траектории близкой к оптимальной.

Создание оригинальных физико - химических описаний и математических моделей, основанных на применении положений термодинамики, законах тепло- и массообмена, процессах растворения вводимых раскислителей, модификаторов, шлакообразующих материалов и ферросплавов, позволяющих моделировать состояние системы в каждый момент времени с учетом протекания высокотемпературных окислительно-восстановительных реакций в системе шлак-металл, необходимо для разработки управляющих моделей. Модели данного класса не нуждаются в большом количестве настроечных коэффициентов. Они являются основой для создания динамических имитационных моделей и программного обеспечения. При разработке математических динамических моделей, проводится комплексный анализ всех возможных взаимодействий, происходящих в ванне, становится возможным определение ведущих факторов и зон риска,

определение закономерностей, которые при однофакторном анализе не поддаются идентификации.

статистические модели динамические модели

, ■ моделирование всехзшТ ■ процесса I оазис- это законы 1 сохранения массы и 1 энергии + ТНП

адекватность при :■ ' технолог ■ стабильность работы при 1 I изменении технологии 1

ШШЩ ВтШОЖность Г|Р°ведения ■ «ИР и отработки новых 1 технологий 1

Рис. 2. Сравнение возможностей статистических и динамических моделей

В настоящее время коллективы ведущих фирм мира (Siemens, Danielli и т.д.), занимающиеся установкой автоматизированных систем управления на металлургических предприятиях, активно работают в направлении создания программных комплексов, моделирующих и управляющих сталеплавильными процессами [10, 11]. На данный момент большинство из существующих моделей основываются на использовании статистических закономерностей или уравнений. Для создания подобных моделей, их адаптации и корректной работы необходимы большие массивы экспериментальных данных. Данные модели не способны адекватно реагировать на различные управляющие воздействия в широком диапазоне изменения условий протекания процесса.

В настоящее время для оценочных термодинамических расчетов широко

используются такие программные комплексы, как АСТРА (ТЕРРА),

Outokumpu, ChemSage (FactSage), ОРАКУЛ, ГИББС, которые позволяют

11

проводить термодинамические расчеты в гетерогенных многокомпонентных системах [12]. Негативными характеристиками для программ АСТРА (ТЕРРА), ОиШкитри, СЬет8а§е (FactSage) является то, что их трудно адаптировать и использовать при моделировании металлургических процессов [13].

ОРАКУЛ, ГИББС- позволяют рассчитать процесс установления равновесия между компонентами шлаковой и металлической фаз в целом [14, 15, 16, 17, 18, 19, 20], но металлургические процессы являются неравновесными, поэтому оценка химического состава металла и шлака может быть существенно искажена.

Все рассмотренные модели в основном базируются на классической теории достижения равновесия между всеми компонентами системы шлак — металл. Методы классической термодинамики дают возможность судить о направлении развития тех или иных процессов, оценивать возможность достижения конечного результата. Это относится исключительно к системам закрытым и равновесным.

Металлургические процессы - это процессы необратимые. Они представляют собой открытые системы с непрерывными или дискретными потоками масс, как на входе, так и на выходе. Следствием этого является то, что траектории этих процессов не могут соответствовать равновесным состояниям. Ведущие металлурги-ученые XX века В.Е. Грум-Гржимайло, М.М. Карнаухов, В.И. Баптизманский, В.И. Явойский [21, 22] и многие другие подчеркивали, что равновесие в сталеплавильных процессах недостижимо.

Поэтому динамическая математическая модель должна включать кроме балансов масс компонентов по взаимодействующим фазам, общего баланса масс и тепла, особую систему уравнений, описывающую неравновесную связь между компонентами различных фаз.

1.2 Кислородный конвертер, как объект математического

моделирования

Общей целью управления производством является получение продукта с заданными характеристиками, в заданное время с минимальными экономическими затратами при выполнении ограничений по экологии.

Задачей управления кислородно-конвертерным процессом (ККП) является получение к концу продувки металла с заданным химическим составом [23] и температурой, причем одновременно, а также выполнение ограничений по определенным переменным (сера, фосфор и т.д.).

Кислородно - конвертерный процесс с точки зрения управления сложен: он характеризуется высокими скоростями протекания реакций, сложным взаимодействием жидкой, твердой и газовой фазами, присутствием большой доли стохастической составляющей, большой неопределенностью начального состояния, а также трудностями с получением достоверной апостериорной информации и т.д. [24].

Основные характеристики и особенности ККП как объекта управления:

- агрегат без дополнительных источников тепла;

- возникновение бурного и неконтролируемого подъема шлака, приводящего к выбросам;

- сложности с остановкой процесса в требуемой области по углероду и температуры металла одновременно;

- пусковой период плавки характеризуется сложностями, связанными с намораживанием чугуна.

Перед началом процесса в конвертер загружаются известь и лом, имеющие температуру окружающей среды, а во время залива чугуна происходит процесс "размывания" лома, что приводит к снижению концентраций примесей в чугуне и повышению температура плавления, в то же время температура получаемого расплава падает, происходит "намораживание" чугуна на лом. Причем этот эффект тем сильнее, чем больше доля легковесного

лома в шихте, так как с уменьшением фракции, возрастает поверхность взаимодействия лом-чугун.

Характерной особенностью ККП является необходимость обеспечения активного участия шлаковой фазы во всем технологическом процессе получения металла при ограниченном времени для наведения шлака. Быстрое шлакообразование в значительной мере определяет такие звенья технологического процесса, как рафинирование металла от вредных примесей, улучшение стойкости футеровки, а также снижение потерь металла с выносами. По физическим свойствам шлак должен быть гомогенным и обладать достаточной жидкоподвижностью.

Кислородно-конвертерный процесс условно можно представить набором взаимосвязанных математических моделей: моделью реакционной зоны, моделью шлак-металл, моделью факела и т.д. [24, 25].

Физическую картину взаимодействия окислительных газов с металлом можно представить в виде схемы (Рис. 3).

Щ

Влияние аэродинамических характеристик кислородного факела на скорости формирования оксидов компонентов ванны было известно с самого начала развития кислородно-конвертерного процесса [26, 27, 28], также в литературе отмечалось влияние высоты фурмы и расход кислорода на процесс окисления [29, 30].

Кислородно-конвертерный процесс характеризуется сложной системой взаимодействия твердой, жидкой и газообразной фаз, высокой температурой газошлакометаллической системы и большими скоростями окислительно-восстановительных реакций. Процесс рафинирования металла происходит, как за счет шлако - металлической системы, так и в реакционной зоне. Из физической химии известно, что на скорость окисления компонентов влияет состав и температура зоны взаимодействия, поэтому необходимо знать температуру и состав не только реакционной зоны, но кислородного факела при встрече с металлом.

При работе многосопловой кислородной фурмы в рабочем пространстве конвертерного агрегата, кислородные струи распространяются в атмосфере высокотемпературных газов, являющихся продуктом окисления, главным образом, углерода.

Результаты изучения аэродинамики промышленных кислородных струй [31] и предположение о протекании окислительных реакций в них до равновесия позволили оценить изменение их химического состава и температуры по мере удаления от среза сопла. За основу была принята система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих турбулентный пограничный слой струи [32, 33]. Молекулярной диффузией и теплопроводностью по сравнению с турбулентным переносом тепла и масс пренебрегали. Для всех газов было принято среднее значение теплоемкости. Значения турбулентных чисел Прандля для тепло и массопереноса приняли одинаковыми. Тепло торможения и изменение в связи с этим энтальпии не учитывали (менее 10 % от общего прихода тепла). Использовали массоые доли отдельных элементов, они не меняются при химических взаимодействиях.

15

1.3 Агрегат ковш-печь, как объект математического моделирования

На данный момент в мире наблюдайся следующая тенденция в выплавке стали: в конверторах и электродуговых печах выплавляют полупродукт, а на этапе внепечной обработки доводят металл до нужного химического состава и температуры. После выплавки стали в сталеплавильных агрегатах металл сливают в сталеразливочный ковш, в котором и проводят всю последующую внепечную обработку металла. При производстве высококачественной стали широко применяются агрегаты внепечной обработки металла, в данной работе рассмотрен агрегат ковш-печь (АКП).

Для создания математической модели обработки металла на агрегате ковш-печь необходимо описать основные технологические задачи, решаемые на АКП:

1. Получение металла с заданной температурой.

Если температура металла превышает необходимую температуру, то металл охлаждают за счёт продувки инертным газом. Зачастую на производстве наблюдается обратная ситуация, когда необходимо повысить температуру металл, для этого используют два способа нагрева:

а) электрический - используется тепло электрических дуг;

б) химический - используется тепло химических реакций, протекающих в

расплаве.

2. Получение металла с заданным химическим составом:

а) десульфурация металла, с помощью наведения специального шлака;

б) легирование металла;

в) раскисление металла.

3. Продувка металла инертным газом проводят для следующих целей:

а) усреднение металла по химическому составу и температуре;

б) продувка металла инертным газом влияет на интенсивность перемешивания металла и, соответственно, на усвоение добавок шлакометаллической системой;

в) удаления неметаллических включений.

Конструкция сталеразливочного ковша

Конструкция сталеразливочного ковша состоит из стального сварного, либо клепанного кожуха и футеровки, состоящую из трех, четырех слоев: теплоизоляционного, арматурного, рабочего и защитного (Рис. 4).

Рис. 4. Составные части сталеразливочного ковша 1-окружающая среда, 2 - кожух, 3- теплоизоляционный слой, 4-арматурный слой, 5-рабочий слой.

Теплоизоляционный слой предназначен для компенсации теплового расширения в радиальном направлении, снижения температуры кожуха и тепловых потерь в рабочее пространство цеха.

Арматурный слой предназначен для защиты кожуха сталеразливочного ковша от жидкого металла.

Рабочий слой непосредственно контактирует с жидким расплавом и подвержен, как химическому так и физическому воздействию шлако -металлической системы. В следствии этого наблюдается износ рабочего слоя футеровки сталеразливочного ковша, при котором составляющие компоненты футеровки переходят в шлако - металлическую систему, что влияет на состав металла и шлака, поэтому необходимо очень тщательно подходить к процессу выбора огнеупорных материалов, которые обязаны отвечать следующим требованиям:

- обеспечивать длительную стойкость футеровки;

- материал огнеупоров при переходе из твердого состояния в жидкое должен оказывать минимальное влияние на физико-химические процессы, проистекающие в ванне агрегата ковш - печь.

Перед выпуском стали из печи для снижения температурных перепадов и как следствие разрушения целостности футеровки проводят технологическую операцию разогрева внутренней поверхности сталеразливочного ковша до температуры 900-1000 °С.

При подготовке футеровки для сталеразливочных ковшей используют все виды высокоглиноземистых огнеупоров:

- корундовые;

- муллитокорундовые

- муллитовые

- муллитокремнеземистые.

Поскольку футеровки приходится испытывать как воздействие металла, так и шлака, то футеровку стальковша выполняют комбинированной. Таблица 1 содержит основные марки огнеупоров и область их применения [34, 35].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Комолова, Ольга Александровна, 2014 год

Библиографический список

1. Цымбал В.П. Математическое моделирование сложных систем в металлургии: учебник для вузов. - Кемерово; М.: Издательское объединение "Российские университеты": Кузбассвузиздат-АСТШ, 2006. -431 с.

2. Гартман Т.Н., Клушин Д.В. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов. - Москва: ИКЦ "АКАДЕМКНИГА", 2006, 415 с.

3. Дьячко А.Г. Математическое и имитационное моделирование производственных систем. -Москва: МИСиС, 2007, 538 с.

4. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. - М.: Высшая школа, 2001. 343 с.

5. Самарский А. А., Михайлов А.П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. - М.: Наука. Физматлит.ю 2001. — 320 с.

6. Б.Н. Окороков, Б.Н. Трушина, С.В. Коминов и др. Оборудование сталеплавильных цехов. - М.: МИСиС, 1990.

7. Сургучев Г.Д. Математическое моделирование сталеплавильных процессов. - М.: Металлургия, 1978.

8. Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. - Москва: Металлургия, 1969, 252 с.

9. Кафаров В. В., Глебов М. Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств. - М.: Высшая школа, 1991.

10. М. Hiebler, С. Bruckner, S. Hofmger, G. Wimmer, F. Hartl. Hard and software solutions for optimal process control for converter steelmaking // 5th International congress on the science and technology of steelmaking 2012, Dresden, Oct. 1-3. Paper ID: 1228

11. G.J. Apelldoorn, J.S. Vries, V. Podlin, W.E. Heijne. Achievements in

automation of the BOF process // International conference Advances in

metallurgical processes and materials, May 27-30, 2007, p. 381-394

109

12. Синярев Г.Б., Ватолин H.A., Трусов Б.Г., Моисеев Г.К. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов - М.: Наука, 1982, 263 с.

13. Толстолуцкий A.A.. Анализ и оптимизация технологии выплавки и внепечного рафинирования стали с использованием обобщенной термодинамической модели сталеплавильных процессов. Диссертация канд. техн. наук. - Москва, 2004. - 191 с.

14. Управление сталеплавильными процессами на основе современных физико-химических представлений. А.Г. Пономаренко, П.И. Околуцкий, С.Ф. Храпко, С.Н. Иноземцев. Труды IV конференции сталеплавильщиков. -М. 7-10. февраль 1996. - М.: ОАО Черметинформация 1998., с. 34-40.

15. А.Г. Пономаренко, Д.А. Пономаренко, К. Л. Косырев и др. Перспективы использования системы "ОРАКУЛ" в металлургическом образовании. Металлургия и Металлурги XXI века. Сборник трудов каф. Металлургии стали МИСиС, М.: 2001 г, 24-26 с.

16. Д.А. Пономаренко, В.И. Симонов, Сысоев В.В. и др. Система ОРАКУЛ - от автоматизации к оптимальному управлению. Металлургия и Металлурги XXI века. Сборник трудов каф. Металлургии стали МИСиС, М.: 2001 г, 164-169 с.

17. Моделирование процессов обезуглероживания высоколегированных сплавов в электропечах с помощью компьютерной системы ГИББС. Н.С. Съёмщиков, Г.И. Котельников, A.A. Толстолуцкий и др. Труды 7-го конгресса сталеплавильщиков 2002. Магнитогорск, Черметинформация, 2003 г., с. 305-306.

18. Моделирование плавки низколегированной стали в электропечи с использованием компьютерной системы ГИББС ТМ. A.A. Толстолуцкий, Г.И. Котельников, Н.С. Съёмщиков, и др.. Труды 7-го конгресса сталеплавильщиков 2002. Магнитогорск, Черметинформация, 2003 г.

19. Промышленное освоение системы управления внепечной обработкой стали (печь-ковш-вакууматор) ГИББС на БМЗ. Р.В. Синяков, М.П.Гуляев, A.B. Харченко и др. Теория и практика кислородно-конвертерных процессов. XI Международная научно-техническая конференция. Металл и литье. Украина 2005 №№3-4, 98-100 с.

20. Пономаренко А.Г., Храпко С.А. Разработка и внедрение программного обеспечения на базе моделей пакета ОРАКУЛ для системы АСУ ТП выплавки стали на ДСП, - М.: Центр ПромСервис, 2000. - 63 с.

21. Карнаухов М.М. Металлургия стали Ч. I. Бессемеровский и Томасовский процессы. - Петроград.: НТОВСНХ. - 1923. - 253 е., ЧН: ОНТИ.-1929.-267 с.

22. Явойский В.И. Теория процессов производства стали. М.: "Металлургия". -1967. -732 с.

23. Бигеев A.M., Колесников Ю.А. Основы математического описания и расчеты кислородно-конвертерных процессов. - М.: Металлургия, 1970, 232 с.

24. Окороков Б.Н. Разработка научных основ и методов управления высокотемпературными газотвердожидкофазными металлургическими системами на примере конвертерного процесса: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.- М: МИСиС. 1997. - 602 с.

25. Рожков И.М. Математические модели сталеплавильных процессов. - М.: Металлургия, 1982, 253 с.

26. Баптизманский В. И. Теория кислородно-конвертерного процесса. -М.: Металлургия. -1975. -375 с.

27. Баптизманский В. И., Охотский В. Б. Физико-химические основы кислородно-конвертерного процесса. -Киев-Донецк.: Вища школа. -1981. -184 с.

28. Баптизманский В. И. Механизм и кинетика процессов в конвертерной ванне. -М.: Металлургия. -1960. -с. 283.

29. Явойский В.И., Кряковский Ю.В., Григорьев В.П., Нечкин Ю.М., Кравченко В.Ф., Бородин Д.И. Металлургия стали. - М.: Металлургия, 1983, 584 с.

30. Туркенич Д. И. Управление плавкой стали в конвертере. -М.: Металлургия. -1971. -360 с.

31. Явойский В.И., Голятин В.Н., Окоровов Б.Н. и др. Некоторые вопросы аэродинамики кислородной струи, истекающей из многосопловой фурмы. //Изв. Вузов Ч.М.-1967.-№10. С.76-80

32. Гинзбург И.П. Аэродинамика. - М: Высшая школа.-1966.-457 с.

33. Геневский А. С. Метод интегральных соотношений в теории турбулентных струйных течений // В сб.: "Промышленная аэродинамика", вып. 27, "Струйные течения". -М.: Машиностроение. -1966. -с. 5-30.

34. Маркин А.Д., Маркин М.А. Практический анализ тепловых процессов в энергетике и металлургии: Справочное пособие. - М.: МИСИС, 2008.-208 с.

35. Стариков B.C., Темлянцев М.В., Стариков В.В. Огнеупоры и футеровки в ковшевой металлургии. - М.: МИСИС, 2003. - 328 с.

36. Михайлов Г.Г., Антоненко A.B. Термодинамика металлургических шлаков: учеб. пособие. - М.: Изд. Дом МИСиС, 2013. -173 С.

37. Окороков Б. Н., Применение расширенного принципа Ле-Шаталье-Брауна к процессу окисления углерода в конвертерной ванне / Б. Н. Окороков // Известия вузов. Черная металлургия. - 2013. - № 3. - С. 38-47.

38. П. Глинсдорф, И. Пригожин Термодинамическая теория структуры устойчивости и флуктуаций. —М.: Мир. — 1973. -280 с.

39. Грум-Гржимайло В.Е.. Производство стали. -М.-Л.: ГНТЦ, -1931 -408 с.

40. Иванов П.И. Основы динамики мартеновского процесса. — М. — Л.: ГНТИ литература по черной и цветной металлургии: 1940. -188 с.

41. Окороков Б.Н. Термодинамика необратимых процессов и процессы сталеплавильного производства. Международная конференция — диспут. Металлургия и Металлурги XXI века. Сборник трудов каф. Металлургии стали МИСиС, М.: 2001 г, 454-499 с.

42. Агеев Е.П.. Неравновесная термодинамика в вопросах и ответах. -М. "Отдел оперативной полиграфии Химического факультета". - МГУ. 1999.-114 с.

43. Яковлев Ю.Н., Голуб И.В.. Расчет неравновесности процессов в сталеплавильных ваннах. Теория и практика кислородно-конвертерных процессов XI Международная научно-техническая конференция. Металлы и литье. Украина 2005, №№3-4, стр. 27-29.

44. Пономаренко А.Г., Окоукони П.И., Храпко С.А., Ипозенцева E.H. Управление сталеплавильными процессами на основе современных физико-химических представлений // Труды IV конференции сталеплавильщиков. -М. 10 января 1996 г. - М. ОАО Черметинформация. - 1997 г. - с. 35-40.

45. Пономаренко А.Г., Гуляев М.П., Деревянченко И.В. и др. Промышленное освоение компьютерного управления выплавкой стали на БМЗ и ММЗ на основе физико-химической модели "ОРАКУЛ" // Труды пятого конгресса сталеплавильщиков. - М. ОАО Черметинформация. — 1999. -с. 174-177.

46. Пономаренко А.Г., Пономаренко Д.А., Косырев К.Л. и др. Перспективы использования системы "ОРАКУЛ" в металлургическом образовании // Международная конференция - диспут "Металлургия и металлурги XXI века": Сборник трудов - М.: Кафедра Металлургия стали МИСиС. 2001.-с. 24-26.

47. Съемщиков Н.С., Котельников Г.И., Толстолуцкий A.A. и др. Моделирование процессов обезуглероживания высоколегированных сплавов в электропечи с помощью системы ГИББС // Труды 7-го конгресса сталеплавильщиков 2002. Магнитогорск, Черметинформация, 2003. с. 305308.

48. Толстолуцкий A.A., Котельников Г.И., Съемщиков Н.С. Моделирование плавки низколегированной стали в электропечи с использованием компьютерной системы ГИББСТМ // Труды 7-го конгресса сталеплавильщиков 2002. Магнитогорск, Черметинформация, 2003.

49. Синяков Р.В., Гуляев М.Л., Мартынов Р.Н., Храпко A.B., Пономаренко Д.А., Козлук Е.Л, Промышленное освоение системы управления внепечной обработки стали (печь-ковш - вакууматор) ГИББС БМЗ // Металл и литье Украины, 2005, №3-4, с.98-100

50. Сабирзянов Т.Г. Об использовании классической термодинамики в теории сталеплавильных процессов // Международная конференция -диспут "Металлургия и металлурги XXI века": Сборник трудов - М.: Кафедра Металлургия стали МИСиС. 2001. - с. 397-409.

51. Томилин И.А. Замечание к статье "Прогнозирование состава расплава в процессе плавки стали в ДСП" // Электрометаллургия. 2006. №1. С. 30-33.

52. Стомахин А .Я. К вопросу о суммировании химических реакций и их термодинамических характеристик // Сталь. 2006. №6. С. 60-61.

53. Стомахин А.Я. К вопросу о суммировании химических реакций и их термодинамических характеристик // Электрометаллургия. 2006. №7. С. 40-41.

54. Окороков Б.Н., Вишкарев А.Ф. Термодинамика необратимых процессов, методологическая основа построения ФФХММ. // Изв. АН РАН "Металлы". 1993. №4, с. 60-69.

55. Ферми Э. Термодинамика // Харьков. Харьковский университет. 1969.-139 с.

56. Жуков H.H., Окороков Б.Н., Коминов C.B. Определение погрешности работы балансовых систем расчета шихты на кислородно-конвертерный процесс // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. -1986. -№5. - с.29-31.

57. Строганов А.И., Распределение кислорода между металлом и шлаком при сталеплавильном процессе // Изв. Вузов. Черная металлургия. — 1963.-№3.-с. 46-52.

58. Огрызкин E.H. Закономерности установления определенной окисленности шлака в кислородном конвертере // Сб.: "Теория и практика интерпретации процессов в конвертерных и мартеновских печах". Труды совещания. — М.: Металлургия. - 1965. - с. 215-222.

59. Коминов C.B., Явойский A.B., Окороков Б.Н. и др. Взаимосвязь параметров конвертерной ванны в конце продувки // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. -1976. - №7. - с. 45-50.

60. Григорян В.А., Белянчиков Л.Я., Стомахин А.Е. Теория электросталеплавильных процессов, Москва: Металлургия, 1987.

61. Технология производства стали в современных конвертерных цехах/ C.B. Колпаков, Р.В. Старов, В.В. Смоктий и др.; Под общей ред. C.B. Колпакова. — М.: Машиностроение, 1991. -464 с.

62. Использование статистической модели для управления кислородно-конвертерной плавкой на Ново-Липецком металлургическом заводе / И. Д. Чиграй, С. В. Колпаков, А. Н. Нехорошев и др. // Сталь. -1970. -№12.-с. 1078-1081.

63. Окороков Б.Н., Смирнов Е.А. Управление сталеплавильными процессами, как открытыми неравновесными термодинамическими системами. -Сталь. -1989. -№7, -с. 19-23.

64. В.И. Баптизманский, М.Я. Меджибожский, В.Б. Охотский. Конвертерные процессы производства стали. Киев — Донецк «Вища школа». -1984.-с. 343.

65. Капустин Е.А и др. Исследование присоединенной массы сверхзвуковой струи на газодинамическом участке // Ждановский Металлургический Институт. Тепло - и массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов. -М.: Металлургия. 1975 г. - с.19-35.

66. Капустин Е. А., Кузьменко Р. Д., Большаков В. А. и др. Газодинамика кислородных струй, истекающих из продувочных фурм // Сталь. -1973. -№5. -с. 404-407.

67. Капустин Е. А., Кузьменко Р. Д., Николаевич В. А. и др. Изменение концентрации газа по длине сверхзвуковой нерасширенной струи // В сб.: "Тепло- и массообменные процессы в ванных сталеплавильных агрегатов". -М.: Металлургия. -1975. -с. 46-50.

68. Капустин Е.А., Куземко Р.Д., Рудман В.Д. Некоторые особенности структуры сверхзвуковой струи. // В сб.: "Тепло- и массообменные процессы в ванных сталеплавильных агрегатов". -М.: Металлургия. -1975. -с. 7-19.

69. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - Москва. 1969 г.

-824 с

70. Кривандин В.А., Арутюнов В.А., Мастрюков Б.С. и др. Металлургическая теплотехника. - М.: Металлургия, 1986. 424 с.

71. Яковлев В. В., Филиппов С. И., Нечаев JI.C., Горлов С. М. и др. Исследование закономерностей составов дутьевых потоков в подфурменной зоне кислородного конвертера. Сообщение 1. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1973. -№3. -с. 23-25.

72. Яковлев В. В., Филиппов С. И., Нечаев JI.C., Горлов С. М. и др. Исследование закономерностей составов дутьевых потоков в подфурменной зоне кислородного конвертера. Сообщение 2/ // Изв. вузов. Черная металлургия. -1973. №7.-c.33-35.

73. Яковлев В. В. Закономерности процессов взаимодействия газообразных потоков окислителей с металлическими расплавами // Диссертация на соискании ученой степени доктора технических наук. -М.: МИСиС. -1976. -673с.

74. Яковлев В. В., C.B. Горлов., В.А. Белоусов и др. Исследование составов окислительных струй применительно к дутьевым режимам

кислородно-конвертерной плавки. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1973. -№. -с. 38-41.

75. Маатч Ю. Дискуссия. // В сб.: "Производство стали с применением кислорода". -М.: Металлургия. -1966. -с. 215-217.

76. Явойский В. И. Теория процессов производства стали. -М.: Металлургия. -1967. -792 с.

77. Хемдан Саббах Солиман Омар Разработка системы расчеты шихты для конвертерного процесса в условиях "Iron and steel Со" и изучение динамики окисления компонентов ванны в начальный период наведения шлака. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1990.

78. Лузгин В.П., Казаков C.B. Металлургия стали: Внепечная обработка: Учебное пособие. - М.: МИСИС, 2003. - 47 с.

Приложение 1. Алгоритм расчета окисления компонентов в

реакционной зоне

Приложение 2. Изменение энергии Гнббса

Реакция Ав = АН - Д£ • Т, Дж/моль

АН Д5

1 {502}=[8]+2[0] 55120 87,62

2 (Ре 0)=[Ре]+[0] 121000 52,00

3 (Мп0)=[Мп]+[0] 244530 109,00

4 (Са0)=[Са]+[0] 836260 255,00

5 (МЕ0)=[Мё]+[0] 692060 249,3

6 (8Ю2)=[8П+2[0] 593840 233,00

7 (А12Оэ )=2[А1]+3 [0] 1204580 283,6

8 (РА)=2[Р]+5[0] 962030 450,00

9 [8]+2[0М502> -55120 -87,62

10 [8]+(Ре0)=[Ре8]+[0] 58000 -1,12

11 [8]+(Мп0)=[Мп8]+[0] 35030 -3,02

12 [8]+(Са0)=[Са5]+[0] 53160 -258,52

13 [8]+(Мё0)=[М§8]+[0] 149060 9,48

14 2[8]+(8Ю2)=[8182]+2[0] 692640 168,84

15 3 [8]+(А1203 )=[А12Б3 ]+3 [0] 794180 89,44

16 [Ре]+[0]=(Ре0) -121000 -52,00

17 |Те]+[5]=Ре8 -63000 -53,12

18 [Ре]+(МпО)=(РеО)+[Мп] 123530 57,00

19 [Ре]+(СаО)=(РеО)+[Са] 715260 203,00

20 [Ре]+(М§0)=(Ре0)+[М§] 571060 197,30

21 [Ее]+|(8102)=(Ре0)+|[81] 175920 64,50

22 [Ре]+1(Л1203)=(Ре0)+|[А1] 280527 42,53

23 [Ре]+^(Р205)=(Ре0)+|[Р] 71406 38,00

24 [Мп]+[0]=(Мп0) -244530 -109,00

25 [Мп]+[8]=Мп5 -209500 -112,02

26 [Мп]+(РеО)=(МпО)+ [Ре] -123530 -57,00

27 [Мп]+(СаО)=(МпО)+[Са] 591730 146,00

28 [Мп]+(М§0)=(Мп0)+[М£] 447530 140,3

29 [МП]+^(8Ю2)=(МПО)+^[81] 52390 7,50

30 [Мп]+^(А1203)=(МП0)+|[А1] 156997 -14,47

31 [Мп]+1(Р205)=(Мп0)+|[Р] -52124 -19,00

32 [Са]+[(Э]=(СаО) -836260 -255,00

33 [Са]+[Б]=Са8 -783100 -258,52

34 [Са]+(РеО)=(СаО)+[Ре] -715260 -203,00

35 [Са]+(МпО)=(СаО)+[Мп] -591730 -146,00

36 [Са]+(Мё0)=(Са0)+[Мё] -144200 -5,70

37 [Са]+1(5Ю2)=(СаО)+^[81] -539340 -138,50

38 [Са]+1(А1203)=(Са0)+|[А1] -434733 -160,47

39 [Ca]+i(P205)=(Ca0)+|[P] -643854 -165,00

40 [Mg]+[0]=(Mg0) -692060 -249,30

41 [Mg]+[S]=MgS -543000 -239,82

42 [Mg]+(FeO)=(MgO)+[Fe] -571060 -197,30

43 [Mg]+(MnO)=(MgO)+[Mn] -447530 -140,30

44 [Mg]+(CaO)=(MgO)+[Ca] 144200 5,70

45 [Mg]+i(Si02)=(Mg0)+^[Si] -395140 -132,80

46 [Mg]+l(Al203)=(Mg0)+|[Al] -290533 -154,77

47 [Mg]+l(P205)=(Mg0)+|[P] -499654 -159,30

48 [Si]+2[0]=(Si02) -593840 -233,00

49 [Si]+2[S]=SiS2 98800 -64,16

50 I[Si]+(Fe0)=I(Si02)+[Fe] -175920 -64,50

51 ^[Si]+(Mn0)=|(SiO2)+[Mn] -52390 -7,50

52 i[Si]+(Ca0)=I(SiO2)+[Ca] 539340 138,50

53 |[Si]+(Mg0)=i(SiO2)+[Mg] 395140 132,80

54 [Si]+|(Al20,)=(Si02)+|[Al] 209213 -43,93

55 |[Si]+(P205)=|(Si02)+2[P] -522570 -132,50

56 2[A1]+3[0]=(A1203) -1204580 -283,60

57 2[AI]+3[S]=AI2S3 -410400 -194,16

58 |[Al]+(Fe0)=i(Al2O3)+[Fe] -280527 -42,53

59 |[Al]+(Mn0)=i(Al203)+[Mn] -156997 14,47

60 |[Al]+(Ca0)=i(Al203)+[Ca] 434733 160,47

61 |[Al]+(Mg0)=i(Al203)+[Mg] 290533 154,77

62 ^[Al]+(Si02)=|(Al203)+[Si] -209213 43,93

63 y[Al]+(P205)=|(Al203)+2[Pl -1045603 -22,67

64 2[P]+5[0]=(P2Os) -962030 -450,00

65 |[P]+(Fe0)=j(P205)+[Fe] -71406 -38,00

66 •j[P]+(MnO)= j (P2Os )+[Mn] 52124 19,00

67 |[P]+(CaO)=i(P2Os)+[Ca] -71406 -38,00

68 |[P]+(MgO)=j(P205)+[Mg] 499654 159,30

69 2[P]+|(S¡02)=(P205)+|[Si] 522570 132,50

70 2[P]+|(AIA)=(PA)+j[A1] 1045603 22,67

71 [C]+[0]={CO} -23660 39,07

72 [C]+2[S]=CS2 4460 -56,54

73 [C]+(FeO)=[Fe]+{CO} 97340 91,07

74 [C]+(MnO)=[Mn]+{CO} 220870 148,07

75 [C]+(CaO)=[Ca]+{CO} 812600 294,07

76 [C]+(MgO)=[Mg]+ {CO} 668400 288,37

77 2[C]+(Si02)=[Si]+2{C0} 546520 311,14

78 3[C]+(A1203)=2[A1]+3{C0} 1133600 400,81

79 5[C]+(P205)=2[P]+5{CO} 843730 645,35

Приложение 3. Справка об использовании на ОАО "ВМЗ" результатов

диссертационной работы

СПРАВКА

Об использовании на ОАО «ВМЗ» результатов диссертационной работы Комоловой O.A. «Моделирование взаимодействия компонентов шлаковой и металлической фаз при производстве стали, разработка алгоритмов и программного обеспечения для описания технологических процессов», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 «Металлургия черных, цветных и редких металлов».

Разработанное Комоловой O.A. программное обеспечение «АКП» для динамического моделирования технологического процесса обработки металла на агрегате ковш-печь было протестировано специалистами инженерно-технологического центра ОАО «ВМЗ» и использовано для анализа технологии внепечной обработки трубных марок стали в условиях литейно-прокатного комплекса (филиал ОАО «ОМК-Сталь» в г. Выкса). Программное обеспечение «АКП» также может быть использовано в качестве учебного тренажера для обучения персонала предприятия.

Начальник отдела по математическому

моделированию ИТЦ ОАО «ВМЗ»

О.С. Хлыбов

Директор ИТЦ ОАО «ВМ

П.П Степанов

Приложение 4. Тренажер "Кислородно-конвертерный процесс" на сайте

НИТУ "МИСнС"

4- С %1ум т1Я5 ги

и! и**! на мипс-рми гонвестерныи етапннс'се яда- гесеание Цена *20 тьс р.С

кратка енгес о тренаж ер»

Трена.'-»р С.мам »ч*скэя им 1та_ ымая {

сист« »1 расчета и 1*-»а "»э^с * ,,

Эютрончь и у-^Сн и е>с£.гт в соиист» -э^д из трена* »Р1Е

крзтюе вез о трвна*ере

I

I

#

н.ш1ич1.1 11.пы11 пил«; {»мглы ын1

|е\п»юг ичеемш мни ерспгет "МШ'иС"

* 1,т К'рн К<-т;г(>{'¡'НЫП !!р"Цг< < 1

п >14 истечя Г';кче( itni-.il г

I /»■ Т I Г ( к

¡н^ * г и >1 ь л

л * л ""

ут&тшк т ККТ1

нлчлп, мо »ушройлш»