CC BY
40
г^ттгпг. гг,гтт,гггт:г. / со
-3 (84), 2016/ UU
УДК 669. 184
Поступила 08.07.2016
АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ КОНВЕРТЕРНОЙ ПЛАВКОЙ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ НЕКОНТРОЛИРУЕМЫХ ВОЗМУЩАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
CONTROL ALGORITMS OF BOF MELTING WITH CONSIDERING THE INFLUENCE OF UNCONTROLLED DISTURBANCE
В. С. БОГУШЕВСКИЙ, А. Э. СКАЧОК, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», г. Киев, Украина, ул. Политехническая, 35, корп. 9. E-mail: bogysh@gmail.com
V. S. BOGUSHEVSKY, O. E. SKACHOK, National Technical University of Ukraine «Kiev Polytechnical Institute», Kiev, Ukraine, 35, Politechnicheskaya str. E-mail: bogysh@gmail.com
Рассмотрено влияние неконтролируемых возмущающих воздействий на выходные параметры конвертерной плавки. Приведены численные показатели влияния на плавку ввода известняка вместо извести и попадания воды из охлаждаемых элементов на обезуглероживание, температуру ванны и основность шлака. Проанализированы результаты влияния загрязнения лома, попадания миксерного шлака с чугуном. Создан алгоритм управления с учетом влияния неконтролируемых возмущающих воздействий.
The article describes influence of uncontrollable disturbances for output parameters of converting smelting. You also find numerical values of impact impurity of scrap, falling mixer slag with cast iron, limestone instead of lime and water from cooled elements on decarbonization, bathtub temperature and slag basicity. Created a control algorithm with the influence of uncontrolled disturbance.
Ключевые слова. Алгоритм управления, конвертер, параметры, примеси, лом, шлакообразование, плавка, неконтролируемые возмущения, химический состав. Keywords. Control algorithm, converter, parameters, contaminants, scrap, scorification, smelting, uncontrollable disturbances, chemical composition.
Введение
Конвертерной плавке присущи нестационарные и взаимно коррелированные шумы и помехи измерения, существенный дрейф рабочих параметров вследствие наличия неконтролируемых возмущений . Так, например, примеси лома и миксерный шлак, попадающие в конвертер при операциях завалки и заливки, не только искажают информацию о массе металлической части шихты, но и приводят к нарушению процесса, что ухудшает качество управления . Увеличение массы миксерного шлака на 1% увеличивает брак стали на 0,1% и продолжительность продувки на 0,7 мин . При уменьшении попадания в конвертер воды, охлаждающей фурму или охладитель конвертерных газов (ОКГ) на 10 л/мин, расход чугуна снижается на 0,2-0,5 кг/т стали .
Металлической лом характеризуется химическим составом, температурой и насыпной массой . Насыпная масса существенно влияет на температурный ход процесса, изменяя момент расплавления лома Исследования, проведенные нами, показывают, что при заливке чугуна в результате снижения его температуры при соприкосновении с ломом и футеровкой расплав частично затвердевает. В большегрузных конвертерах затвердевший чугун присутствует в ванне значительное время (на протяжении 40-50% продувки) При малой насыпной массе лом плавится в начале продувки, что приводит к снижению температуры реакционной зоны, при большой - расплавление происходит более равномерно . Расчеты показывают, что в этом случае теплоты, аккумулированной ванной к 25% продолжительности продувки, хватило бы для расплавления всего лома . Наличие нерасплавившегося лома на протяжении 80% продувки свидетельствует о малой величине теплового потока от жидкой ванны к твердым кускам . Это можно объяснить низким уровнем теплообменных процессов в ванне вследствие большой ее гетерогенности, а также малой площадью поверхности контакта лома с жидким расплавом
М/ШГГ^К ГГТГ.ГГ^СГГГ,
I 3 (84), 2016-
Следует также отметить, что переохлаждение ванны при использовании лома с малой насыпной плотностью вызывает торможение реакции Fe + СО2 = FeO + СО . В результате увеличивается доля углерода, окислившегося до СО2, что способствует росту теплового потенциала плавки . Использование лома с пониженной насыпной плотностью позволяет уменьшить расход чугуна на 4,35 кг/т стали .
Единственное средство контроля насыпной плотности лома - количество заваливаемых совков на плавку. Но такой контроль является грубым . Поэтому наиболее рациональный метод исключения влияния этого возмущающего воздействия - усреднять лом на скраповом дворе по химическому составу и насыпной плотности . Усреднение требуется также по содержанию СО2 в обожженной извести . Достигнуть одинакового качества извести можно, унифицируя ее производство .
Постановка задачи исследований
Цель исследований - повышение точности управления конвертерной плавкой путем определения и учета влияния начальных возмущающих воздействий на ее протекание .
Примеси лома . Лом в качестве примесей может содержать песок и ржавчину (окалину), которые влияют на режимы обезуглероживания, температурный и шлакообразования
Расчеты изменения температуры готового металла в конвертере при замене лома песком и ржавчиной 2 ; физическом охлаждающем эффекте песка Д^; повышении температуры металла в конвертере за счет ошлакования песка Д^; физическом охлаждающем эффекте извести Д^ представлены в работе [1] .
Физический охлаждающий эффект ржавчины можно определить по формуле
Дб = т2сРж/(тс), (1)
где Срж = 897 - средняя теплоемкость ржавчины в интервале рабочих температур, Дж/(кг-К); ^ м = 1620 -средняя температура металла на выпуске из конвертера, °С; т = тл + тч - масса металлошихты, т; тл, тч - масса лома и чугуна соответственно, т; с = 880 - средняя удельная теплоемкость конвертерной ванны в интервале рабочих температур, Дж/(кг-К) .
Массовые доли FeO и Ре20з в ржавчине (окалине) лома соответственно составляют аз = 30,6 и а4 = 69,4% . Понижение температуры металла в конвертере за счет разложения ржавчины лома составит
Д^7 = а2 (Q2а3 + Q3а4) тл / (10тс), (2)
где а2 - доля ржавчины, % от массы лома; Q2 = 3710 - удельный тепловой эффект реакции разложения монооксида железа, кДж/(кг FeO); Q3 = 5150 - удельный тепловой эффект реакции разложения оксида железа, кДж/(кг Fe203) .
При введении твердого окислителя (окалины) в ванну в начале продувки кислород, который высвободился с оксидов железа, практически полностью тратится на дополнительное окисление углерода Для упрощения примем, что углерод ванны окисляется до СО . Удельный тепловой эффект составляет Q4 = 12800 кДж/(кг-°С) . При дополнительном окислении углерода повышается температура металла, которую можно представить в виде:
Д8 = 103 т^4 / (тс), (3)
,„-412 (16 48 ^ где т3 = 10 — а2тл I — а3 а4 I - масса углерода ванны, окисляющаяся высвободившемся кислородом, т, которая в перерасчете на относительное значение ДС\, %, составит
ДС1 = 100т3 / т. (4)
Суммарный температурный эффект воздействия на металлическую ванну ржавчины лома представим в виде
Д^ 2 = Д^2 - Д(6 - Д^7 +Д^8, (5)
Миксерный шлак . Замещаемая чугуном масса миксерного шлака составляет
тм.шл. = 0,0Ц;тч , (6)
где а5 - доля миксерного шлака от массы чугуна, % .
Понижение температуры металла в конвертере из-за дефицита теплоты можно определить по выражению
пГГГ;Т: ПСТПГГгТГГ
■ 3 (84),
2016 / 65
AÎ9 = 0,1 О^^т^ / (тс), (7)
где Qs = X Qro DR - удельное количество теплоты, выделяющейся при окислении примесей чугуна,
(R) 2
R е Si, Mn, P, кДж/100 кг чугуна; QSiÜ2 =24480, QMnO = 6820, QP2o5 = 18620 - удельные тепловые эффекты образования соответствующих оксидов при средней температуре ванны (1500 °С) с участием холодного газообразного кислорода, кДж/кг окисляемого элемента; DR - массовая доля соответствующего окисляющегося элемента чугуна, % .
Понижение температуры металла в конвертере за счет дефицита теплоты шлакообразования вследствие уменьшения массы шлакообразующих оксидов элементов чугуна составляет
Dtw = 0,^/с , (8)
где Q5 = 9370 - удельная теплота шлакообразования оксидов элементов чугуна, кДж/100 кг металлоших-ты
Понижение конечной массовой доли углерода в металле составит
ЛС2 = 0,01a5m4C4 / m , (9)
где Сч - массовая доля углерода в чугуне, % .
Повышение температуры металла в конвертере вследствие увеличения удельной энтальпии миксер-ного шлака над удельной энтальпией жидкого чугуна получим из выражения
Dt11 = 10-3 DQ /(me), (10)
где DQ = 10a5m4(Q6 -Q7) - избыток удельной энтальпии, Дж/кг; Q6 =-587 -103 + 1465t4 - удельная энтальпия миксерного шлака, Дж/кг; Q7 = 61900 + 88014 - удельная энтальпия жидкого чугуна, Дж/кг.
Часть от общей массы извести на плавку, израсходованной на шлакообразования компонентов мик-серного шлака, находим из балансового уравнения
B = (0,01CaOa5m4 + 86,2mè2 ) / (0,01(SiO2 + P2O5)a5m4 ), (11)
откуда
mè2 = 0,01a5 m4 (B(SiO2 + P2O5 ) - CaO)/86,2, (12)
где CaO, SiÜ2, P2O5 - оксидные компоненты миксерного шлака, % . Повышение температуры металла в конвертере при этом составит
Dt12 = 10a5m4Q8 / (me), (13)
где Q8 - удельная теплота образования основного шлака из оксидных компонентов миксерного шлака, кДж/кг
Пренебрегая значением P2O5, величину Q8 рассчитываем по уравнению:
а = 628__+ 1460 WSi02-Ca0/i?Km4 _ (14)
0,01^0 + 8102)05/^+86,2/^2 0,01(СаО + Si02 )а5тч +86,2ти2
В случае попадания в ванну отдельно от чугуна миксерного шлака и дополнительной подачи сбалансированной массы извести на ошлакование его компонентов изменение выходных параметров продувки обусловливается окислительно-охлаждающим действием добавки, которое можно определить по линейной балансовой модели расчета шихты, преобразованной в частные приращения искомых величин:
5C1 =-2mè 2/ тч (15)
и
dt1 = -79dC1 - 1430mè2 / m4 (16)
где ÔC1, dt1 - частные приращения соответственно массовой доли углерода в металле, %, и его температуры, °С
Изменение основности конечного шлака при этом не наблюдается, а суммарный температурный эффект воздействия на металлическую ванну составит
Dts5 =Dt12 +&1. (17)
ее/Шп^г: г'гггшггтг;
ИИ/ 3 (84), 2016-
Известь. Изменение выходных параметров продувки при замене извести известняком, содержащим недопал, определяем по линейной балансовой модели расчета шихты, преобразованной в частные приращения искомых величин:
дС2 =-(3тик + 2ти)/ тч, (18)
а2 =-79дС3 - (2750тик + 1430ти)/ тч , (19)
д£4 = (51тик + 75ти) / (12,3 + 2,1481чтч), (20)
где дС2, дt2, д^4 - частные приращения соответственно массовой доли углерода в металле, %, его температуры, °С, и основности конечного шлака; тик, ти - масса соответственно известняка и извести, т. Полученные данные приведены в табл . 1 .
Таблица 1. Воздействие неконтролируемых возмущений ванны на конечные параметры продувки
Возмущение Воздействие на конечные параметры
массовая доля углерода в металле, % температура металла, °С основность шлака
Замена 1% массы лома: песком ржавчиной (окалиной) -0,05 -0,9 -4,18 -0,286
Попадание 1% окалины от массы лома -0,05 -9,7 -
Замена 1% массы чугуна миксерным шлаком -0,033 -16,04 -0,065
Попадание 1% миксерного шлака от массы чугуна -0,032 -14,0 -
Замена 1% массы извести известняком -0,0011 -1,37 -0,015
Попадание 0,1% от массы чугуна влаги из: фурмы ОКГ -0,0512 -0,0358 -26,2 -18,3 -
На основе полученных данных создана математическая модель для уменьшения воздействий неконтролируемых возмущений в последующих плавках. Для расчета каждого из представленных возмущений составлена система уравнений:
0,05х2 + 0,05х3 + 0,033х4 + 0,032х5 + 0,0011х6 + 0,0512 х7 + 0,0358x8 = AC, < 0,9х1 + 4,18х2 + 9,7х3 + 16,04х4 + 14х5 + 1,37х6 + 26,2х7 + 18,3х8 = At, (21)
0,286х + 0,065х4 + 0,015х6 = AB,
где х1, х2, х3, х4, х5, х6, х7, х8 - соответственно содержание возмущающих воздействий при замене 1% массы лома песком, при замене 1% массы лома ржавчиной (окалиной), при попадании 1% окалины от массы лома, при замене 1% массы чугуна миксерным шлаком при попадании 1% миксерного шлака от массы чугуна, при замене 1% массы извести известняком при попадании 0,1% от массы чугуна влаги из фурмы и ОКГ, %; АС - отклонение содержания углерода от заданного, %; At - отклонение температуры от заданной, °С; AB - отклонение основности шлака от заданного .
Стандартные вычислительные методы не подходят для решения такой сложной системы уравнений Для решения системы была использована надстройка «Поиск решения» стандартной программы Excel, которая входит в пакет Microsoft Office .
Алгоритм решения показан на рис . 1.
В программе Excel созданы три таблицы: табл . 1 - отклонения параметров от заданных (рис . 2), табл . 2 - воздействие на конечные параметры (рис . 3), табл . 3 - расчет процентного содержания возмущающих воздействий (рис . 4) . В таблицу 1 «Отклонения параметров от заданных» вносятся отклонения, которые получились после предыдущей плавки (выделенная строка на рис . 2) . После этого сформирована таблица с полученными данными о воздействии на конечные параметры
С помощью надстройки «Поиск решения» формируется система уравнений как сумма произведений выделенного столбца на рис 4 и столбцов на рис 3 для каждого параметра строки рис 2 соответственно После этого задаются ограничения, что количество возмущающих воздействий не может быть меньше 0 . Целевыми ячейками для поиска решения будут ячейки столбца «Количество» . Для проверки адекватности программы после нахождения значений столбца «Количество» программа рассчитывает «Су-марное влияние» (выделенная строка на рис 4)
путггпг, кгттжгук /(¡7
-3 (84), 2016 / 111
Рис . 1 . Алгоритм решения системы уравнений
Рис . 2 . Отклонения параметров от заданных
Воздействие на конечные параметры
Возмущения %С т В
Замена 1% массы лома песком 0 -2,58 -0,286
Замена 1% массы лома ржавчиной (окалиной) -0,05 -5,86 0
Попадание 1% окалины от массы лома -0,05 0
Замена 1% массы чугуна миксерным шлаком -0,033 -16,04 -0,065
Попадание 1% миксерного шлака от массы чугуна -0,033 -14 0
Замена 1 % массы извести известняком -0,0011 -1,37 -0,015
Попадание 0,1% от массы чугуна влаги из фурмы -0,0512 -26,2 0
Попадание 0,1% от мзссы чугуна влаги из фурмы с ОКГ -0,0353 -18,3 0
Рис . 3 . Воздействие на конечные параметры
И/шт* кктпгжгм
I 3 (84), 2816-
Расчет возмущающих воздействий
Количество, % %С т В
Замена 1% массы лома песком 1,35 0,00 -3,49 -0,39
Замена 1% массы лома ржавчиной (окалине оде -0,04 -5,20 0,00
Попадание 1% окалины от массы лома 0,45 -0,02 -4,37 0,00
Замена 1% массы чугуна миксерным шлако/ 0,0В 0,00 -1,24 -0,01
Попадание 1% миксерного шлака от массы чугуна 0,00 0,00 0,00 0,00
Замена 1 % массы извести известняком 0,51 0,00 -0,70 -0,01
Попадание 0,1% от массы чугуна влаги из фурмы 0,00 0,00 0,00 0,00
Попадание 0,1% от массы чугуна влаги из фурмы с ОКГ 0,00 0,00 0,00 0,00
Сумарное влияние -0,07 j -15 -0,4
Рис . 4 . Расчет процентного содержания возмущающих воздействий
Полученные данные можно использовать как поправочные коэфициенты при следующей плавке .
Полученные результаты использованы нами в алгоритмах статического и динамического управления с обратной связью выходных параметров . При этом число плавок, выпускаемых с первой повалки, увеличилось на 7% .
Выводы
Результаты оценки влияния неконтролируемых возмущающих воздействий на ход конвертерной плавки показали их существенную величину как на процесс обезуглероживания ванны, ее температурный режим, так и шлакообразования . Учесть это влияние можно путем введения обратных связей по результатам проведенных плавок или по контролю динамических параметров . Существенное уменьшение влияния неконтролируемых возмущающих воздействий можно достичь тщательной подготовкой шихтовых материалов
Литература
1. Bogushevsky V., Skachok A. The influence of uncontrolled disturbance actions on control of converter melting // Metallurgical and Mining Industry. 2016 . No . 5 . P. 128-133 .
2 . Основи металургшного виробництва металiв i сплавiв: Шдручник / Д . Ф . Чернега, В . С . Богушевський, Ю . Я . Готвянсь-кий та in . ; За ред . Д . Ф . Чернеги, Ю . Я . Готвянського . Киев: Вища шк . , 2006 . 503 с .
3. Металургiя сталi . Конвертерне виробництво: Теорiя, технолопя, конструкцii агрегатiв, рециркуляцiя матерiалiв i екологiя . Пiдручник / О . Г. Величко, Б . М. Бойченко, П . С . Харлашин та iнш . Днiпропетровськ: РВА «Дшпро-вал». 2015 . 434 с
4 . Зайцев А. И., Могутнов Б. М., Шахпазов Е. Х. Физическая химия металлургических шлаков . М. : Интерконтакт Наука, 2008 352 с
5 . Кулик А. Д. Совершенствование выпуска стали из конвертера / А . Д. Кулик, М. А . Кащеев, А . А . Похвалитый // Металлургическая и горнорудная промышленность . 2013 . № 1. С . 18-20 .
6 . Уманский А. А. Исследование влияния состава исходной металлической шихты на качество конвертерной стали / А . А . Уманский, Н . А . Чернышева // Вестн . горно-металлургической секции Российской академии естественных наук . Сб . науч. тр . М. -Новокузнецк, 2010 . № 25 . С . 42-47.
7 . Кудрин В. А. Теория и технология производства стали . М . : Мир, ООО «Изд-во АСТ», 2003 . 528 с .
8 . Добужская А. Б., Галицын Г. А., Белокурова Е. В. Новые технологии и материалы в металлургии // Сб . науч . тр . Екатеринбург: УрО РАН, 2010 .С . 307-318 .
9 . Окороков Б. Н., Комолова О. А., Григорович К. В. Физико-химическое описание взаимодействия компонентов в системе шлак-металл // Междун . науч . конф . «Физико-химические основы металлургических процессов», посвященная 110-летию со дня рождения академика А М Самарина // Сб материалов, 2012 С 47
References
1. Bogushevsky V., Skachok A. The influence of uncontrolled disturbance actions on control of converter melting . Metallurgical and Mining Industry, 2016, no . 5, pp . 128-133 .
_r^Tl-rr, tr.rTfMVCrr.r. ICQ
-3 (84), 2016/ U«
2 . Osnovi metalurgijnogo virobnictva metaliv i splaviv: Pidruchnik [Fundamentals of metallurgical production of metals and alloys: Textbook] . D . F. Chernega, V. S . Bogushevs'kij, Ju. Ja. Gotvjans'kij ta in. ; Za red. D . F. Chernegi, Ju. Ja. Gotvjans'kogo . Kiev: Vishha shkola Publ . , 2006, 503 p .
3 . Metalurgija stali. Konverterne virobnictvo: Teorija, tehnologija, konstrukcii agregativ, recirkuljacija materialiv i ekologija. Pidruchnik [Metallurgy of steel . BOF production, theory, technology, construction aggregates, recycling of materials and ecology . Textbook] . O . G. Velichko, B . M. Bojchenko, P. S . Harlashin ta insh. Dnipropetrovs'k: RVA «Dnipro-val» Publ. , 2015, 434 p .
4 . Zajcev A. I., Mogutnov B. M., Shahpazov E. H. Fizicheskaja himija metallurgicheskih shlakov [Physical chemistry of metallurgical slags] . Moscow, Interkontakt Nauka Publ . , 2008, 352 p .
5 . Kulik A. D., Kashheev M. A., Pohvalityj A. A. Sovershenstvovanie vypuska stali iz konvertera [Improving the production of steel from the converter], Metallurgicheskaja i gornorudnaja promyshlennost' = Metallurgical and Mining Industry, 2013, no . 1, pp . 18-20 .
6 . Umanskij A. A., Chernysheva N. A. Issledovanie vlijanija sostava ishodnoj metallicheskoj shihty na kachestvo konverternoj stali [Research of influence of composition of the initial metal charge on the quality of converter steel], Vestnikgorno-metallurgicheskoj sekcii rossijskoj akademii estestvennyh nauk. Sbornik nauchnyh trudov = Journal of Mining and Metallurgy Section of the Russian Academy of Natural Sciences. Proceedings. Moskva-Novokuzneck, 2010, no . 25, pp. 42-47.
7 . Kudrin V. A. Teorija i tehnologijaproizvodstva stali [The theory and technology of steel production], Moscow. Mir, OOO «Izda-tel'stvo AST» Publ . , 2003, 528 p .
8 . Dobuzhskaja A. B., Galicyn G. A., Belokurova E. V. Novye tehnologii i materialy v metallurgii . Sb. nauch. Trudov = New technologies and materials in the industry. Coll. scientific. Works. Ekaterinburg, UrO RAN, 2010, pp . 307-318 .
9 . Okorokov B. N., Komolova O. A., Grigorovich K. V. Fiziko-himicheskoe opisanie vzaimodejstvija komponentov v sisteme shlak-metall [Physical and chemical description of the interaction of the components in the system of the slag-metal], Mezhdunarodnaja nauchnaja konferencija «Fiziko-himicheskie osnovy metallurgicheskih processov», posvjashhennaja 110-letiju so dnja rozhdenija aka-demika A. M. Samarina. Sbornik materialov. = International Scientific Conference «Physical and chemical bases of metallurgical processes», dedicated to the 110th anniversary of the birth of Academician A. M. Samarin. Collection of materials, 2012, p . 47 .
