Совершенствование балансовой логико-статистической модели доменного процесса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Чесноков, Юрий Анатольевич

• Чесноков, Юрий Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чесноков, Юрий Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

1.1. Аналитический обзор (состояние вопроса).

1.2. Обоснование выбранного направления и задачи исследования.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ УЧЕТА ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ В БАЛАНСОВОЙ ЛОГИКО-СТАТИСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

2.1. Выбор расчетной схемы учета кинетических характеристик руд.

2.2. Анализ влияния процессов восстановления на показатели работы доменной печи и сопоставление с практическими данными.

3. УЧЕТ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ КОКСА

ЗЛ. Исходные требования к металлургическим свойствам и качеству кокса.

3.2. Методика определения и учет влияния реакционной способности кокса на показатели доменной плавки.

3.3. Расчетный анализ взаимозаменяемости коксов различной металлургической ценности.

4. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

4.1. Процессы теплообмена и восстановления в доменной печи при выплавке специальных видов чугунов.

4.2. Пофакторный анализ показателей доменной плавки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование балансовой логико-статистической модели доменного процесса»

Совершенствование технологии доменной плавки на современном этапе связано, прежде всего, с внедрением мероприятий, направленных на повышение технико-экономических показателей процесса в целом, в том числе снижение удельных затрат энергоресурсов.

Для решения этих задач широко используются методы математического моделирования, которые позволяют внедрять в практику работы инженерно-технического персонала доменных цехов современных методов анализа управления и регулирования, основанных на компьютерном расчете процессов происходящих в доменной печи. При разработке математической модели процесса следует учитывать необходимость уменьшения зависимости качества расчетных результатов моделирования от объективных и субъективных факторов, например, недостаток исходной и текущей технологической информации или квалификации и опыта персонала. Для этого необходимо помимо формализованного математического описания исследуемых физико-химических процессов учесть колоссальный промышленный и технологический опыт работы доменных печей.

Первые теоретические и практические разработки по вопросам математического моделирования доменного процесса возникли в первой половине двадцатого века. Наиболее широкое распространение получил балансовый метод расчета А.Н. Рамма, с помощью которого можно было оценивать влияние наиболее значимых параметров доменной плавки: химического состава шихты, температуры и влажности дутья, степень обогащения его кислородом, вдувания различных топливных добавок (природный газ, мазут) и т.п. Балансовый метод и созданная Б.И. Китаевым теория теплообмена для шахтных печей послужили отправной точкой для создания кинетических моделей и одной из первых отечественных разработок в этом направлении была модель, разработанная коллективом исследователей Института металлургии под руководством Шаврина C.B. Настоящий всплеск научных разработок по данной теме произошел в конце 70-х начале 80-х годов двадцатого века, когда появились кинетико-математические модели исследователей из Японии, Германии, Канады. В создание современного математического аппарата и развитие многих направлений исследования доменного процесса огромный вклад внесли отечественные школы ВНИИМТа, ДМИ, УГТУ (УПИ), ИМЕТ УрО РАН.

Анализ существующих методик расчета показателей доменной плавки показал, что существует несколько серьезных проблем:

- во-первых, при разработке сложных кинетических моделей в силу недостаточной изученности тепло- и массообменных процессов, происходящих доменной печи (особенно для нижней ее части), приходится использовать допущения, которые могут существенно повлиять на результаты расчета.

- во-вторых, при использовании математического аппарата с решением систем дифференциальных уравнений для двумерной модели при учете нестационарных процессов даже применение современных мощных компьютеров приводит к тому, что время расчета варианта достаточно велико для регулирования "в темпе с процессом".

Это определило потребность в разработке математической модели, опирающейся на основы теории тепло- и массообмена, закона сохранения энергии и одновременно учитывающей особенности влияния технологических характеристик и стандартов исходного сырья на показатели доменной плавки и пригодной для быстрой оценки возможных сценариев поведения доменной печи и выбора наиболее оптимальных вариантов. Это в свою очередь обусловило выбор целей, задач, структуры и содержания темы диссертационного исследования.

Выбор схемы хода восстановительного процесса, полнота учета характеристик исходного сырья обуславливает ограниченные возможности балансовых методов расчета по прогнозу и анализу хода доменной плавки. При этом используются в большинстве случаев расчетные методы без должного привлечения огромного экспериментального опыта и данных, накопленных за всю историю доменного процесса.

Исходя из этого, целью исследования является изучение кинетических особенностей процесса восстановления в доменной печи и алгоритмов его решения, уточнение влияния различных характеристик металлургического сырья на показатели доменной плавки. Необходимость учета кинетических факторов процесса восстановления и введение ГОСТированных характеристик металлургического сырья, удобных для практического использования техническим персоналом, вытекает из требований по повышению точности и адекватности результатов расчета.

Для практической реализации выбранного направления необходимо решение следующих основных задач:

• разработка расчетной схемы учета кинетических характеристик металлургического сырья для используемой модели;

• изучение влияния металлургических свойств кокса на показатели доменной плавки, в частности, введение в модель влияния такой важной характеристики как реакционная способность кокса;

• разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения компонентов модели;

• аналитическое исследование влияния различных технологических факторов доменной плавки с помощью усовершенствованной модели расчета с целью подтверждения применимости предложенного метода расчета.

Методы исследования основаны на использовании положений теории тепло- и массообмена, теории металлургических процессов, закона сохранении энергии, физико-химических методов исследований, методов математической статистики, теории дифференциального и интегрального исчислений. В разработке программного обеспечения для моделирования использовалась технология объектно-ориентированного программирования (ООП).

Научная новизна. Предложен новый метод анализа и контроля на основе использования балансовой логико-статистической модели доменного процесса. К новым результатам относятся:

• разработка и интеграция в балансовую логико-статистическую модель блока учета процессов восстановления оксидов железа в «сухой» части шахты доменной печи, что позволяет повысить адекватность и точность модели;

• создание методики определения и учета влияния реакционной способности кокса на показатели доменной плавки в рамках существующей модели;

Практическая ценность. Теоретические исследования завершены созданием на их основе математического, алгоритмического и программного обеспечения балансовой логико-статистической модели доменного процесса. Модель может быть использована инженерно-техническим персоналом для оперативного контроля и анализа новых технических решений в области доменного производства, служить методическим инструментом для обеспечения учебного процесса в вузах по специальности «Металлургия черных металлов».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы приведены в монографии «Балансовая логико-статистическая модель доменного процесса», докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии» (Новосибирск, 2-6 апреля 2001 г.). Ряд положений диссертации был использован при подготовке тематического сборника «Математическое моделирование доменного процесса» (Екатеринбург, ИМЕТ УрО РАН). По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Чесноков, Юрий Анатольевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе получены следующие результаты.

1. Предложен новый метод учета кинетических особенностей процесса восстановления оксидов железа в балансовой логико-статистической модели доменного процесса, отличающийся тем, что он основан на использовании дифференциальных уравнений, описывающих схему восстановления оксидов до температур 900-950 °С, т.е. в сухой части шахты печи.

2. Разработан критерий учета реакционной способности кокса, позволяющий формализовать контроль качества кокса в рамках существующей математической модели. Рассмотрены различные методики определения реакционной способности кокса. Показана необходимость использования международной методики CRI. Использование предложенной методики в математической модели позволяет обосновать требования технологов к качеству кокса с точки зрения влияния на конкретные показатели доменной плавки.

3. Разработана методика расчета коэффициентов взаимозаменяемости коксов с доведением ее до компактных рабочих формул, включающих в том числе реакционную способность кокса. Предложенные формулы могут быть использованы для уменьшения негативных последствий перешихто-вок и более обоснованного выбора поставщиков кокса.

4. Предложен новый метод анализа с помощью диаграммы "со - t - т ", позволяющей оперативно оценивать тепловое состояние доменной печи совместно с процессами восстановления оксидов железа в зависимости от времени пребывания материалов в печи.

5. Расчетные варианты выплавки ферросплавов, использование глубоко металлизированного сырья в доменной печи, анализ критичных режимов и параметров комбинированного дутья показали существенное расширение функциональных возможностей и повышение адекватности модели. 6. На основе разработанных методов и алгоритмов создан многофункциональный программный комплекс, который в настоящее время используется на Чусовском металлургическом заводе для оперативного анализа показателей доменной плавки и в учебном процессе УГТУ-УПИ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чесноков, Юрий Анатольевич, 2007 год

1. Omori, Y. (ed.). Blast Furnace Phenomena and Modelling. The 1.on and Steel Institute of Japan., Elsevier, London, 1987. 550 p.

2. Товаровский И.Г., Райх Е.И., Шкодин K.K., Улахович В.А. Применение математических методов и ЭВМ для анализа и управления доменным процессом. М.: Металлургия, 1978. 263 с.

3. Китаев Б.И. Схема теплообмена в доменной печи и подготовка руд к плавке //Сталь. 1944. №7-8, с 5-8.

4. Китаев Б.И., Ярошенко Ю.Г., Сучков В.Д. Теплообмен в шахтных печах.-Свердловск- Москва.: Металлургиздат, 1957.- 280 с.

5. Спирин H.A., Овчинников Ю.Н., Швыдкий B.C., Ярошенко Ю.Г. Теплообмен и повышение эффективности доменной плавки. Под ред. Ю.Г.Ярошенко. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1995. 243 с.

6. Тепло- и массообмен в плотном слое / Китаев Б.И., Тимофеев В.Н., Боковиков Б. А. и др. М.: Металлургия, 1972. 432 с.

7. Овчинников Ю.Н., Мойкин В.И., Спирин H.A., Боковиков Б.А. Нестационарные процессы и повышение эффективности доменной плавки. Челябинск. Металлургия, 40,1989, с. 120.

8. Онорин О.П., Спирин H.A., Терентьев В.Л., Гилева Л.Ю., Рыболовлев В.Ю., Косаченко И.Е., Лавров В.В., Терентьев A.B. Компьютерные методы моделирования доменного процесса. Под ред. Н.А.Спирина. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. 301 с.

9. Теплотехника доменного процесса / Китаев Б.И., Ярошенко Ю.Г., Суханов E.J1. и др. М.: Металлургия, 1978. 248 с.

10. МЧМ СССР. ИЧМ, Типовая технологическая инструкция по доменному производству» Днепропетровск, 1990, 161 с.

11. Авдеев В.П., Даниелян Т.М., Белоусов П.Г. Идентификация промышленных объектов с учетом нестационарностей и обратных связей. Новокузнецк: Изд-во ГМИ, 1984.-88 с.

12. Масловский П.М., Авдеев В.П., Раев Ю.О. Способ оценки характеристик доменного процесса по групповым данным // Применение ЭВМ в металлургии: Сб. науч. трудов / МИСиС № 82. М.: Металлургия, 1975. С. 41-43.

13. Авдеев В.П. Основы построения, разработка и внедрение производственно-исследовательских систем управления металлургическими процессами. Дисс. докт. техн. наук. Свердловск, 1984. 348 с.

14. Писи Дж., Давенпорт В. Доменный процесс. Теория и практика. М.: Металлургия, 1984. 142 с. (Пер. с англ.)

15. Rist A., Meysson N., Etude graphigue de la marched u haut fourneav avec vent huide et infection aux tuyeres //Revue de metallurge. 1966. №11. p.995-1039

16. Рамм A.H. Современный доменный процесс. -M.: Металлургия, 1980.- 304 с.

17. Рамм А.Н. Определение технологических показателей доменной плавки (Метод расчета и справочные данные). Л.: Изд-во ЛПИ, 1971. 100 с.

18. Курунов И.Ф., Ященко С.Б. Методика расчета технико-экономических показателей доменной плавки. Научные труды Московского института стали и сплавов №152, 1983 г, с. 57-64.

19. Туманов А.И., Доброскок В.А., Воложин А.В. Математическая модель газодинамики в зоне плавления доменной печи// Известия вузов. Черная металлургия. 1987 №3 с.146-147

20. М. Kuwabara. Mathematical two-dimensional model of the blast furnace process. //Tetsu-to-Hagane. 1992. vol. 77 N 10, pp.1593- 1600.

21. J.A de Castro, H. Nogami, J. Yagi. Transient mathematical model of blast furnace based on multi-fluid concept, with application to high PCI operation. // ISIJ. 2000. vol. 40, N 7, pp. 636-637.

22. M. Kuwabara. Mathematical two-dimensional model of the blast furnace process. //Tetsu-to-Hagane. 1992. vol. 77 N 10, pp.1593- 1600.

23. J.A de Castro, H. Nogami, J. Yagi. Transient mathematical model of blast furnace based on multi-fluid concept, with application to high PCI operation. // ISIJ. 2000. vol. 40, N 7, pp. 636-637.

24. Бабушкин Н.М., Боковиков Б.А., Мойкин В.И. Анализ тепловых процессов доменной плавки на основе математической модели // Металлургическая теплотехника: Темат. отрасл. сб. / ВНИИМТ, № 8. М.: Металлургия, 1979. с.39-46.

25. Мойкин В.И., Боковиков Б.А., Бабушкин Н.М. Теплотехнический анализ работы доменной печи на металлизованной шихте методом математического моделирования // Сталь. 1978. № 11. С. 982-986.

26. Дмитриев А.Н. Разработка и внедрение метода аналитического исследования доменного процесса на основе комплекса двумерных математических моделей/ Дисс. доктора техн. Наук // Екатеринбург 1997.

27. Новые элементы в методах анализа доменного процесса /В. С. Шаврин, А. Н. Дмитриев, Д. 3. Кудинов, СВ. Шаврин//Изв. вузов. Черная металлургия, № 1,2003 г. С. 11-13.

28. S. Amano, Т. Takarabe, Т. Nakamori, Н. Oda, М. Taira, S. Watanabe. Expert System for Blast Furnace Operation at Kimitsu Works. ISIJ International, Vol. 30 (1990), №. 2, pp. 105-110

29. Y. Niwa, T. Sumigama, M. S. And T. Aoki. Application of a Self-learning Function to an Expert System for Blast Furnace Heat Control. ISIJ International, Vol. 30 (1990), №.2, pp. 111-117

30. K. Otsuka, Y. Matoba, Y. Kajiwara, M. Yoshida. A Hybrid Expert System Combined with a Mathematical Model for Blast Furnace Operation. ISIJ International, Vol. 30 (1990), No. 2, pp. 118-127

31. Богданди JI., Энгель Г. Восстановление железных руд. М.: Металлургия, 1971.520 с.

32. Богданди Л., Вартман Р. Математическое исследование в противотоке // Автоматизация в черной металлургии. М.: Металлургия, 1969, с. 84-109.

33. Флиерман Г., Ланген Д. Математическая модель доменной печи, основанная на кинетике реакций // Там же. С. 109-129.

34. Манчинский В,Г., Шкодин К.К. Обзор развития и современного состояния кинетики восстановительных процессов. / Доменный процесс по новейшим исследованиям. М.: Металлургиздат, 1963. С. 154-166.

35. Ростовцев С.Т. Основы кинетики восстановления железных руд газами. / Металлургия чугуна. М.: Металлургиздат, 1952 . С. 42.

36. Khangaonkar P.R., Misra V.N. Recent progress in understanding the theory of oxide redaction // J. Sei. and Jnd. Res, 1976, 3r, № 4. pp. 231-238.

37. Абрамов С.Д., Алексеев Л.Ф., Кудинов Д.З., Ченцов A.B., Шаврин C.B. Макрокинетика восстановления железорудных материалов газами. М.: Наука, 1982. 104 с.

38. Канторович Б.В. Основы теории горения и газификации твердого топлива. М.: Из-во АН СССР, 1950. 600 с.

39. Ченцов A.B., Шаврин C.B. Развитие процессов восстановления в шахте доменной печи. В кн.Форсирование доменной плавки, М., ГНТИ, 1963, с. 6685.

40. Ченцов A.B., Чесноков Ю.А., Шаврин C.B., Балансовая логико-статистическая модель доменного процесса. -М., Наука, 1991, 90 с.

41. Щукин П.А. Исследование свойств металлургического кокса, -М., Металлургия, 1971, 183 с.

42. Jwanoge J., Ironmaking and Steelmaking. 1989, v. 16, №2, pi01-109. Экспрессинформация 4M. Производство чугуна, 1989, вып. 12.и вып. 17.

43. Кокс каменоугольный. Метод определения реакционной способности. ГОСТ 10089-89, -М., Изд. стандартов, 1989.

44. Жак P.M., Пыриков А.Н., Зимягин Г.А., Жак А.Р. Применение металлизо-ванного сырья в доменных печах. М.,1983. 31 с. (Сер. Подготовка сырьевых материалов к металлургическому переделу и производство чугуна: Обзор. Информ. Вып.4)

45. Сухоруков В.И. Научные основы совершенствования техники и технологии производства кокса, г. Екатеринбург. Издание подготовлено ООО Редакция "Алло". Отпечатано в ГОЗП "Богдановическая типография", 1999. 393 с.

46. Посохов М.Ю., Сухорукое В.И., Рытникова JI.3. О стратегии развития коксохимической промышленности Российской Федерации до 2005 г. // Кокс и химия,2001, № 3. С. 10-18

47. Jwanaga J. Jronmaking and Steelmaking, 1989, VI6, №2, pp. 101-109 // Экспресс-информация 4M. Производство чугуна. 1989. вып. 12 и 17.

48. Valió H.S. Jron and Steelmaking, 1989. V. 16. № 5. p. 77-87 //Экспресс-информация 4M. Коксохимическое производство. 1990. Вып.7.

49. Чесноков Ю.А., Ченцов A.B., Шаврин C.B. и др. Определение коэффициентов взаимозаменяемости коксов с помощью модели доменного процесса //

50. Препринт. Математическое моделирование доменного процесса: Екатеринбург: УРО РАН, Институт металлургии, 1994. С. 29-58.

51. Thiele E.W. Relation between catalytic activity and size of particle // Jnd. And Eng. Chem., 1939, 31 pp. 916-920.

52. Tyrkdogan E.T., Vinters J.V. Gaseous redaction iron oxides: Pt.l. Reduction of hematite an hydogen. Met. Trans., 1971. V. 2, № 11. p. 3175-3188.

53. Olsson R.G. McKewan W.H. Diffusion of H2-H20 through porous iron formed by the reduction of iron oxides. Met. Trans., 1970. № 6. p. 1507-1512.

54. Попель С.И., Сотников А.И., Бороненков В.Н. Теория металлургических процессов. М.: Металлургия, 1986. 462 с.

55. Киселев Б.П. Состояние сырьевой базы коксования России // Кокс и химия, 2001, №3. С. 18-26.

56. Позюк М.Ю., Погорелов В.Н., Гранковский В.И. и др. Влияние качества подготовки шихты на прочность агломерата // Изв. ВУЗов Черная металлургия, 1974. № 1.С. 15-18.

57. Герхинг Г.В., Шульц Г.П., Вальстер М. Взаимосвязь между свойствами, структурой и химическим составом агломерата // Черные металлы, 1985. №4. С. 21-24.

58. Худорожков И.П. Теоретические основы и исследование зависимости прочности агломерата от структуры: Автореф. дис.докт.техн.наук. Свердловск: УПИ, 1974.41 с.

59. Каплун Л.И. Анализ процессов формирования агломерата и совершенствование технологии его производства : Автореф. дисс. докт.техн.наук, Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000. 37 с.

60. Приходько Э.В., Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н. Строение и физико-химические свойства металлургических шлаковых расплавов./ Ин-т «Черме-тинформация». М., 1983.

61. Приходько Э.В., Хомхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н. База данных и модели для прогнозирования плавкости железорудных материалов. // Сталь, 1998, № 9. С. 7-9.

62. Юрьев Б.Н., Юрьева J1.B. Методы расчета доменной плавки. ГНТИ, Свердловское отделение. Свердловск, 1961. С.302.

63. Технологическая инструкция по доменному производству ТИ 102-Д-78-95. АО «Нижнетагильский металлургический комбинат», Н-Тагил, 1995, 202 с.

64. Атлас шлаков. Перевод с немецкого Жмойдина Г.И. по ред. Куликова И.С. М., Металлургия, 1985, 208 с.

65. Татиевская Е.П., Чуфаров Г.И., Антонов В.К. О скоростях восстановления окислов железа // ЖФХ, 1950. 24. № 4. С. 385-393.

66. Murayama T., Ono Y., Kawai Y. Analyss of CO reduction of hemafite pellets by multy-interfase model Trans. Jron Streel Inst. Jap., 1978. V. 18. № 12, p. 776782.

67. Кудинов Д.З., Чесноков Ю.А., Шаврин C.B. Особенности доменного процесса при выплавке марганцевых сплавов в виде диаграмм со t - г // Изв. вуз. Черная металлургия. 2002 г. № 3. С.76-77.

68. Намозова Е.А., Чесноков Ю.А., Шаврин C.B. Доменный процесс при выплавке низкомарганцевых сплавов по интегральной информации // Изв. вуз. Черная металлургия. 2002 г. № 9. С.63-64.

69. Беляев И.Л., Шаврин B.C., Чесноков Ю.А., Шаврин C.B. Моделирование доменного процесса для условий выплавки хромоникелевых чугунов. // Изв. вуз. Черная металлургия, 2006, №5. С. 9-11.

70. Ченцов A.B., Чесноков Ю.А., Шаврин C.B. Моделирование доменного процесса // Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии. Труды всероссийской научно-практической конференции. СибГИУ. Новокузнецк, 2001 г.- С. 45- 47.95