Разработка теоретических основ поведения шихтовых материалов доменной плавки для информационного обеспечения математической модели загрузки доменной печи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Михин, Роман Александрович

• Михин, Роман Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Михин, Роман Александрович

Введение

1 Загрузка шихтовых материалов и контроль их распределения в доменной печи

1.1 Управление загрузкой шихтовых материалов в доменную печь

1.1.1 Бесконусное загрузочное устройство

1.1.2 Математическая модель загрузки доменной печи

1.1.3 Перечень физических феноменов, учитываемых в модели загрузки

1.1.4 Метод крупных частиц

1.2 Контроль параметров доменной печи при помощи зондов

1.2.1 Сканирующие зонды

1.2.2 Система непрерывного сканирующего зондирования

1.2.3 Автоматическая зондовая система для измерения распределения кокса в доменной печи

1.2.4 Автоматическая зондовая сканирующая система на заводе EKO Stahl Arcelor Gruppe (Германия)

1.3Выводы по разделу

2 Теоретические основы математической модели загрузки и автоматической зондовой сканирующей системы

2.1 Теория перколяции

2.1.1 Основные понятия теории перколяции

2.1.2 Перколяция как критическое явление

2.1.3 Критические показатели и масштабная инвариантность

2.1.4 Основные постулаты теории перколяции (для сыпучих систем)

2.2 Моделирование «поведения» частиц внутри столба шихтовых материалов 47 2.2.1 Изучения процесса перколяции реальных шихтовых материалов на заводе EKO Stahl

2.3 Углы откоса

2.4 Порозность многокомпонентных сыпучих смесей

2.5 Выводы по разделу

3 Исследование порозности сыпучих многокомпонентных смесей

3.1 Проведение лабораторных опытов по измерению порозности сыпучих многокомпонентных смесей

3.1.1 Описание оборудования

3.1.2 Проведение экспериментов

3.1.3 Обработка результатов эксперимента

3.2 Выводы по разделу

4 Изучение свойств сыпучих шихтовых материалов

4.1 Опыты по измерению электрического сопротивления смесей металлических электропроводных шаров (ШЭПМ) диаметром 8 мм (имитирующих кокс) и металлических неэлектропроводных шаров (ШНЭПМ) диаметром 4,5 мм (имитирующих железорудные материалы), представляющих собой близкие к идеальным сыпучие смеси (с коэффициентом формы равным 1)

4.1.1 Описание оборудования

4.1.2 Проведение экспериментов

4.1.3 Математическая обработка полученных результатов

4.2. Опыты по измерению электрического сопротивления смесей металлических электропроводных шаров (ШЭПМ) диаметром 8 мм (имитирующих кокс) и неэлектропроводных шаров (ШНЭПМ) диаметром 4,5 мм (имитирующих железорудные материалы), представляющими собой близкие к идеальным сыпучие смеси (с коэффициентом формы равным 1) с использованием дополнительного уплотнения

4.2.1 Описание оборудования

4.2.2 Проведение экспериментов

4.2.3 Математическая обработка полученных результатов

4.3. Опыты по измерению электрического сопротивления смесей шихтовых материалов (кокса и агломерата) в условиях лаборатории МИСиС

4.3.1 Описание оборудования

4.3.2 Проведение экспериментов

4.3.3 Математическая обработка полученных результатов

4.4 Определение среднего размера кластера кокса

4.5 Статистическая обработка результатов лабораторных исследований

4.6 Выводы по разделу 118 5 Разработка датчика вида шихтовых материалов и его градуировка в условиях ОАО «HJIMK»

5.1 Промышленные опыты по измерению электрического сопротивления смесей шихтовых материалов (кокса и агломерата) в доменном цехе №1 на ОАО HJIMK ОАО «НЛМК»

5.1.1 Описание оборудования для градуировки

5.1.2 Проведение опытов

5.1.3 Математическая обработка полученных результатов

5.2 Сравнение полученных результатов с результатами промышленных опытов на заводе ЕКО Stahl Arcelor Gruppe (Германия)

5.3 Выводы по разделу 138 Заключение и выводы по работе 139 Публикации по материалам диссертации 144 Список использованных источников 145 Приложение 1 150 Приложение 2 167 Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка теоретических основ поведения шихтовых материалов доменной плавки для информационного обеспечения математической модели загрузки доменной печи»

Актуальность работы

Создание и применение бесконусных загрузочных устройств, оснащенных автоматизированными средствами контроля и управления, обладающих широкими возможностями управления распределением шихты, высокой долговечностью и ремонтопригодностью, явилось новым этапом в развитии оборудования и технологии плавки. Высокая эффективность применения бесконусных загрузочных устройств может быть достигнута при квалифицированном технологическом сопровождении; однако, производственная проблема заключается в том, что без визуализации работы загрузочного устройства и распределения шихтовых материалов технологический персонал не в состоянии использовать все регулирующие возможности БЗУ. Данная проблема может быть решена с помощью математической модели загрузки, которая позволяет визуализировать работу загрузочного устройства и распределения шихтовых материалов.

Недостатком разработанной ранее математической модели загрузки является задание экспертом-технологом неизменного значения порозности шихты, в то время как в реальности значение порозности существенно колеблется и зависит от фракционного состава шихты.

Одной из задач данной работы является получение информации о значении порозности в функции от фракционного состава шихтовых материалов, а также создания алгоритма учета порозности загружаемой смеси в модели загрузки.

Математическая модель загрузки позволяет в режиме «ОФФ-ЛАЙН» разрабатывать различные методы и системы загрузки и прогнозировать результаты их применения. Для получения реальной информации о распределении шихтовых материалов в работающей доменной печи применяется Автоматическая зондовая сканирующая система (АЗСС).

Автоматическая зондовая сканирующая система - это эффективное средство для диагностики распределения шихтовых материалов в доменной печи, не имеющее в настоящее время альтернативы.

Сканирующее зондирование предоставляет надежную информацию для диагностики работы доменной печи. Технико-экономический эффект от применения АЗСС обусловлен получением достоверной информации о распределении кокса и железорудных материалов в работающей доменной печи. Применение автоматической зондовой сканирующей системы позволяет сравнивать результаты зондирования с результатами моделирования в модели загрузки с целью оценки достоверности моделирования и внесения корректировок и уверенно разрабатывать специфические системы загрузки для утилизации в доменной печи шихтовых материалов с пониженными газодинамическими свойствами. На основе структуры столба шихтовых материалов производится оценка такого важнейшего газодинамического параметра как распределение порозности по радиусу колошника. Поле порозности шихтовых материалов в плоскости зондирования служит основой для определения газового потока в пространстве доменной печи.

Необходимым условием для получения достоверных данных распределения сыпучих материалов в доменной' печи является проведение исследования их свойств с целью метрологической сертификации автоматической зондовой сканирующей системы (АЗСС), а также анализ факторов, влияющих на размывание порога перколяции смесей кокса и агломерата.

Также задачей данной работы является рассмотрение основных теоретических основ, опираясь на которые, функционирует автоматическая зондовая сканирующая система и принципы работы самой системы.

Необходимым условием адекватной расшифровки сигналов датчика вида шихтовых материалов (ДВШМ) является проведение промышленных опытов по его градуировке. Градуировка ДВШМ (в условиях ОАО «НЛМК») и является третьей задачей данной работы.

Научная новизна работы

1. Получена новая информация о свойствах и поведении шихтовых материалов (кластерообразование, воспроизведение теоретического порога перколяции, образование вложенных порогов перколяции в смеси материалов различных фракций (>2), зависимость порозности смеси от ее гранулометрического состава) позволяющая техническому персоналу металлургических комбинатов и заводов производить оценку порозности в работающей доменной печи.

2. Введено понятие «эквивалентного слоя» - слоя из смеси фракций разного диаметра, эквивалентного слою шихтовых материалов в промышленных условиях в доменной печи, позволяющее с помощью расчетов давать оценку газопроницаемости (порозности) столба шихтовых материалов в работающей доменной печи.

3. В работе доказана недостоверность результатов применения известных ранее аналитических уравнений для оценки связи гранулометрического состава многокомпонентной смеси (число фракций >2) с ее порозностью. Предложено использовать новую алгоритмическую схему для анализа порозности столба шихтовых материалов - разработанный программный комплекс МАРС, основанный на методе оптимального приближения реальной смеси к экспериментальным данным.

Практическая значимость

1. Разработан программный комплекс МАРС, который позволяет с достаточной для практических нужд точностью производить оценку порозность в работающей доменной печи, что позволяет использовать его для математического обеспечения сканирующего зонда и модели загрузки и с высокой достоверностью производить оценку формы и положения зоны плавления в работающей доменной печи.

2. Разработан датчик вида шихтовых материалов; произведена его градуировка в промышленных условиях для применения на ДП5 ОАО «НЛМК» и предложена его классификация.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Михин, Роман Александрович

5.3 Выводы по разделу

1) Факторы, влияющие на размывание порога перколяции смесей кокса и агломерата, указывают на необходимость отдельного исследования условий контакта датчика с кластерами кокса.

2) В результате исследования, градуировки и изучения градуировочных характеристик датчика вида шихтовых материалов (ДВШМ) было получено достоверное соответствие результатов градуировки общей теории перколяции:

2.1) соответствие экспериментального порога перколяции 60% теоретическому 59,27%;

2.2) уверенная индикация 3-х видов кластеров кокса:

- размер измеряемого кластера существенно меньше размера датчика (область высоких сопротивлений - 32 КОм);

- размер измеряемого кластера существенно превышает размер датчика (большие и бесконечные кластеры) (область кластеров после порога перколяции, область сопротивлений 3,2 Ом);

- размер кластера сопоставим с размером датчика (область сопротивлений 30-500 Ом). При этом происходило уверенное разрушение (деформация) этих кластеров движущимся датчиком, что приводило к разрывам в массиве сопротивлений в этой области.

3) Градуировочная характеристика ДВШМ является индикаторным массивом сопротивлений, соответствующих тем или иным кластерам смеси кокса и железорудных материалов.

Заключение и выводы по работе

Результаты, полученные в настоящей работе, позволят более эффективно использовать БЗУ Пауль Вюрт, математическую модель загрузки и автоматическую зондовую сканирующую систему для загрузки доменных печей, разработки новых методов загрузки и контроля распределения шихтовых материалов в работающей доменной печи.

БЗУ Пауль Вюрт и математическая модель загрузки уже установлены на многих отечественных и зарубежных металлургических предприятиях (ОАО «HJIMK», ОАО «ММК», ОАО «КМЗ», EKO Stahl Arcelor Gruppe (Германия)) и дают положительные результаты. В таблице 1 представлены результаты применения БЗУ Пауль Вюрт однотрактного типа, математической модели загрузки и автоматической зондовой сканирующей системы на доменной печи 5А EKO Stahl Arcelor Gruppe (Германия) [13]. Базовый период - период до применения на печи модели загрузки и нового программного- обеспечения АЗСС. На протяжении всего периода эксплуатации системы диагностики наблюдается устойчивая тенденция доменной плавки к улучшению технико-экономических показателей. В таблице 2 представлены некоторые конструктивные особенности ДП 5А.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Михин, Роман Александрович, 2010 год

1. Вегман Е.Ф. Краткий справочник доменщика. М., «Металлургия», 1981, с. 240.

2. Автоматическое управление металлургическими процессами: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп.// Беленький A.M., Бердышев В.Ф., Блинов О.М., Каганов В.Ю. М.: Металлургия, 1989.

3. Лапшин И.В. Алгоритмизация задач управления технологическими процессами черной металлургии. М: МИСиС, 1995;

4. Липухин Ю.В., Булатов Ю.И. Автоматизация основных металлургических процессов. М.: Металлургия, 1990;

5. Тарасов В. П. Загрузочные устройства шахтных печей. — М.: Металлургия, 1974. — 311 с.

6. А. с. 125573 СССР. Засыпной аппарат для доменной печи / Е. Ф. Вегман, А. А. Вагин // Открытия. Изобретения. I960; №2. С.121- 125.

7. А. с. 81143 СССР. Вращающийся распределитель шихты для шахтных печей / А. Г. Кошелевский // Открытия. Изобретения. 1966. №9. С. 113-115.

8. Моделирование роторного загрузочного устройства в масштабе 1:1: Отчет НИР. ЦЛАМ ЗСМК. 1987.

9. Пат. 2067792 РФ / ЗАО "Научно-производственный и коммерческий центр ТОТЕМ" // Изобретения. Заявки и патенты. 1996. № 28.

10. Роторное загрузочное устройство // Сталь. 1998 . № 11. С. 15-17.

11. Большаков В. И. Теория и практика загрузки доменных печей. — М.: Металлургия, 1990. —256с.

12. A.M. Беленький, О.М. Блинов и др. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов. М., 1993;

13. Разработка и промышленное применение методов, алгоритмов и инструментальных средств идентификации для системы компьютерной диагностики доменного процесса. Мернитц И.: Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. М.: 2002,- 258 е., ил.

14. Новые методы математического моделирования и эксперементального исследования поведения шихтовых материалов доменной плавки. Загитов Р. Э: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 1998, 29 с.

15. Новые методы экспериментального исследования и математического моделирования поведения шихтовых материалов доменной плавки. Загитов Р.Э. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

16. Тарасов В.П. Комплексное исследование и оптимизация газодинамики в шахте доменной печи//Дис. на соиск. уч. ст. д.т.н.- Днепропетровск, 1980.

17. В.А. Доброскок. Специальные системы загрузки доменных печей. // Чёрные металлы, перевод с немецкого, сентябрь 2007 г., с. 13-21.

18. Доброскок В. А., Загитов Р.Э. Моделирование распределения шихтовых материалов в доменных печах методом крупных частиц. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 1996, №11.

19. B.A. Доброскок, Ю.В. Липухин, И.Ф. Курунов, В.Н. Логинов. Разработка режима загрузки и опыт применения мелкофракционного кокса в мощной доменной печи. Сталь, №8, 1998, с.7-13

20. Официальный сайт фирмы ТМТ www.tmt.com.

21. Метрологическое обеспечение технологических процессов черной металлургии (метрология и информатика). Серов Ю.В.: Справ, изд. в 2-х кн. Кн.

22. М.: Металлургия, 1993. - 272 с

23. Метрологическое обеспечение технологических процессов черной металлургии (метрология и информатика). Серов Ю.В.: Справ, изд. в 2-х кн. Кн.

24. М.: Металлургия, 1993. - 352 с.

25. Загитов Р. Э., Киреев С. В., Чижиков А. Г. Зависимость электропроводимости агломерата и кокса от температуры //Изв. вузов. Чёрная металлургия.-1998.- №7.

26. Электрические зонды для определения распределения материалов на колошнике доменной печи/Н.А. Савчук, С.Б. Ященко, И.Ф. Курунов//Бюллетень ин-та "Черметинформация". Черная металлургия.-1985 -N22.-c.36-38.

27. A.c. 1133295 СССР, МКИ с 216 В 7/24 N1. Зонд для контроля параметров шихты в доменной печи/И.Ф. Курунов, H.A. Савчук , В.А. Доброскок и др.(СССР).-Ы 3521494/22-02; Заявл.15.12.82; Опубл. в Б.И. 1985.

28. Метрологическое обеспечение технологических процессов черной металлургии (метрология и информатика). Серов Ю.В.: Справ, изд. в 2-х кн. Кн.1 -М.: Металлургия, 1993. 272 с

29. Метрологическое обеспечение технологических процессов черной металлургии (метрология и информатика). Серов Ю.В.: Справ, изд. в 2-х кн. Кн.

30. М.: Металлургия, 1993. — 352 с.

31. Доброскок В.А., Курунов И.Ф., Савчук H.A. и др. Патент 2002809 РФ. Система для контроля распределения шихтовых материалов в доменной печи, Изобретения. Заявки и патенты. 1993. № 41-42.

32. Гулд X., Тобочкник Я. Компьютерное моделирование в физике: В 2-х частях. Часть 1: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 349 е., ил.

33. Гулд X., Тобочкник Я. Компьютерное моделирование в физике: В 2-х частях. Часть 2: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 400 е., ил.

34. Доброскок В.А. Загитов Р.Э. Измерение структуры столба шихтовых материалов в доменных печах // Изв. ВУЗов. Черная металлургия, 1996. № 9. с. 81-82.

35. Kurunov I, Dobroskok V., Karabasov J. and others. EUROPEAN PATENT SPECIFICATION EP 1 496 128 Bl, Sensor for defining the distribution of burden material in metallurgical units.

36. Доброскок В. А., Курунов И. Ф., Агарышев А. И., Нетронин В. И., Логинов В. Н. Загрузка коксовой мелочи в доменную печь. Металлург, 1995, № 10, с. 19-20.

37. Й.Бухвальдер, Й. Мёрнитц (ЕКО Stahl), Р. Данго, Г.-О. Кройц (ТМТ) В. Доброскок, И.Курунов (МИСиС) «Автоматическая зондовая система для измерения распределения кокса в доменной печи».// Национальная металлургия, №1,2001, с. 48-52.

38. Й. Бухвальдер, Й. Хунгер, М. Клёппель, В. Доброскок, Р. Данго, Г.-О. Кройц «Использование системы зондов для измерения распределения шихты в доменной печи». Чёрные металлы, №5,2001, с.22-26.

39. Доброскок В.А., Загитов Р.Э. Измерение структуры столба шихтовых материалов в доменных печах. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 1996, №9, с. 81-82.

40. Доброскок В.А., Титов И.А., Загитов Р.Э. Математическая обработка результатов измерений структуры шихтовых материалов в доменной печи. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 1997, №1, с. 73-74.

41. J.Buchwalder, V.Dobroskok, E.Lonardi, R.Goffin, G.Thillen, S.Koehler. Contemporary blast furnace top charging practices. Stahl und Eisen, 4/2008, p.47-54.

42. Buchwalder J., Hunger J., Kloppel M. et al. Application of the scanning • system for detection of the real coke distribution at BF 5A of EKO Stahl // 4th

43. European Coke and Ironmaking Congress, Paris, 2000. P. 301 307.

44. Buchwalder J., Dobroskok A. V., Goffin R., Lonardi E. Thillen G. Luxemburg Contemporacy Blast Furnace Top Charging Practice, METEC InSteelCon 2007. P. 610.

45. Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы: Учебное пособие. М.: Едиториал УРСС, 2002. 112 е., илл.

46. Займан Дж. Модели беспорядка. Теоретическая физика однородно неупорядоченных систем. М.: Мир, 1982. Эфрос А.Л. Физика и геометрия беспорядка; главная редакция физико-математической литературы. Москва, Наука, 1982.

47. S. Ergun. Fluid Flow Through Packed Columns. Chem. Eng. Progr. 1952. 48. P. 89-94.

48. Л.Ф. Богданди, Г.-Ю. Энгель. Восстановление железных руд. Издательство «Металлургия», Москва 1971.

49. Furnas С.С. Flow of gases through the beds of broken solids, 1929.

50. N. Standish, Principles in burdening and bell-less charging.

51. В.П. Тарасов, П.В. Тарасов. Теория и технология доменной плавки// Москва, «Интремет Инжиниринг», 2007. 384 с.

52. Томаш А.А., Тарасов В.П., Ковалевский И.А.Анализ влияния различных факторов на порозность зернистых материалов. Мариуполь, 1997.

53. Ковшов В.Н., Петренко В.А.Экспериментальные исследования движения шихты и газа в доменной печи. Институт технологии, Днепропетровск, 1996.

54. Колесанов Ф.Ф. Движение газов через слой кусковых материалов. -М.: Металлургиздат, 1956. -с. 68.

55. Бугаев К.М. Распределение газов в доменных печах. М.: Металлургия, 1974. -с. 175.

56. Bogdandy L. von. Kinetic and dynamic mathematical model of the blast furnace process.//Prac. Int. Conf. Sci. And Technol Iron and Steel. -Tokyo, 1970.-Part Tokyo.- 1971.- p.131-136.

57. Металлургия чугуна: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. / Под редакцией Ю.С. Юсфина. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 774 е.: ил.

58. Рамм А.Н. Определение технических показателей доменной плавки (расчетные бланки и справочные данные). -Ленинград: Изд. ЛПИ, 1960.

59. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высш. школа, 2003. - 479 е.: ил.

60. Р.С. Тахаутдинов, С.Н. Ушаков, В.И. Сединкин, А.Л. Мавров, А.В. Чевычелов, А.В. Павлов. Технологические оспекты работы доменных печей с БЗУ "PAUL WURTH". «Сталь». №11.2008. стр. 15-17.