CC BY
18Моделирование материально-теплового баланса в среде Ьазагиэ для плавки в дуговой электросталеплавильной печи
Гафарова Елена Аркадьевна
кандидат педагогических наук, старший преподаватель кафедры автомобильного транспорта, информационных технологий и методики обучения техническим дисциплинам, ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный гуманитарно-педагогический университет», [email protected]
Гафаров Максим Фаизович
магистрант, кафедра «Материаловедение и физико-химия материалов», ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)»
Павлова Ксения Петровна
магистрант, кафедра «Материаловедение и физико-химия материалов», ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)»
В статье приведено описание этапов разработки программы-консультанта для минимизации энергопотерь при выплавке стали в дуговых электросталеплавильных печах. Компьютеризация является одним из значимых методов интенсификации процесса выплавки стали в электродуговых печах, поскольку оказывает влияние на основные технико-экономические параметры названного процесса за счет минимизации ресурсов и энергозатрат. Возможность произвести подбор и расчет необходимых компонентов шихты, параметров технологического процесса без проведения экспериментальных плавок существенно снижает потребление ресурсов и энергии. Создание программы-консультанта производилось в соответствии с принципами концепции объектно-ориентированного программирования, основные акценты были сделаны на создании удобного и практичного программного продукта, имеющего удобный интерфейс, читаемость кода, адекватность полученных результатов. Среда разработки программного обеспечения Lazarus предоставляет возможность для реализации этих требований. Ключевые слова: математическая модель, материально-тепловой баланс, Lasarus, дуговая электросталеплавильная печь.
Постановка задачи
В настоящее время в металлургии доля выплавки стали, полученной в дуговых сталеплавильных печах, непрерывно растет [1]. В связи с этим возникает необходимость оптимизации технологии производства, минимизации издержек [2].
Современная дуговая электросталеплавильная печь (далее - ДСП) используется преимущественно для расплавления шихты и получения жидкого полупродукта, который затем доводится до заданного химического состава в агрегатах внепечной обработки стали [3]. Наряду с расплавлением шихты в процессе плавки проводят рафинирование металла от вредных примесей -фосфора и частично серы. Проведение плавки в ДСП требует больших затрат на энергоресурсы, поэтому оптимизация плавки должна быть направлена в первую очередь на сокращение издержек на энергоресурсы [4].
В работах [5],[6],[7],[8], обосновывается необходимость сокращения сырьевых затрат и затрат на энергоресурсы при производстве стали в ДСП, приведены показатели удельного расхода энергоресурсов при производстве 1 тонны стали с использованием ДСП [9].
В работе [10] приведены данные по снижению удельной энергоемкости выплавки стали в ДСП, показаны результаты снижения энергоемкости выплавки стали в ДСП при использовании различных подходов модернизации технологии выплавки, эти результаты приведены на рис. 1.
В данной работе мы рассматриваем метод компьютеризации в качестве метода повышения энергоэффективности выплавки стали в ДСП.
Анализ затрат энергоресурсов на 1 тонну стали, показывает, что электроэнергия составляет большую часть затрат на энергоресурсы [11], в связи с прогнозами аналитиков [12] , стоимость электроэнергии в будущем будет расти, и соответственно будет повышаться себестоимость стали полученную с использованием ДСП. Поэтому целью данной работы является создание программы-консультанта для ми-
0 55 I» £
55 П П
9
8
о ы
а
нимизации энергопотерь при выплавки стали в ДСП.
ёОЭЭ0ВЭЕ0В
1«90 2000
Рисунок 1. Влияние методов интенсификации на основные технико-экономические параметры выплавки стали в электродуговых печах: т - продолжительность плавки; д-удельный расход электродов; О - удельный расход электроэнергии; Н - суммарная энтальпия жидких стали и шлака, кВт; 1-16 - Методы интенсификации соответственно: Применение кислорода, жидкая завалка, внепечная обработка, водоохлаждаемые панели, повышение мощности трансформаторов, компьютеризация, вспененные шлаки, эркерный выпуск, подогрев скрапа, фурмы-манипуляторы, донная продувка, высокотемпературный подогрев шихты, комплексные плавильные агрегаты с непрерывным подогревом шихты.
Решение
Создание любой программы состоит из 3 -х этапов: математическое моделирование, алгоритмизация, программирование и отладка программы. Решение поставленной проблемы в данной работе будет излагаться именно в такой последовательности.
1. Математическое моделирование процесса материального и теплового баланса плавки в ДСП.
Основу материального и теплового баланса составляют уравнения (1),(2), соответственно:
®шк "I" п;.»..... "Цлегегрвдав — теталь "1Ш1Ж ...' "'лл (1)
Где, ГГ1шихты
ты,кг;
. ^фе-р. и раек.
масса поступающей ших-масса ферросплавов и
а
«
а б
раскислителеИ, кг; электродов масса электродов расходующихся в процессе плавки, кг;
щ
масса годной стали, кг; г.т
. т
шлак
тТ
уносимых из ДСП, кг; " п^теРи потери металла, кг.
Слагаемые в левой части уравнения (1) задаются в начале вычислений исходя из опытов плавки и результатов химического анализа.
Ш ^
Масса стали ( сталью вычисляется с учетом потерь на окисление части железа, восстановления компонентов из шихты, в расчете определена по разности между массами компонентов шихты и массами компонентов шлака, а также потерями металла.
Масса потерь металла при сливе шлака и
при разливке задается исходя из
опытных данных. Масса шлака(^шлак) вы_ числяется по массовой доле ЭЮ2 в шлаке и массе БЮг в исходной шихте.
т "1
Масса газа и пыли ( уносимых из ДСП
вычисляется в несколько этапов: 1) Вычисление потребности кислорода на окисление Ре (количество Ре304 в пыли задается исходя из опытных данных), С, Мп,Б1,Р.
2) Расчет массы образующихся газов, ^лом^Нчугун ^ ^окатыши ^ 5™"'" Фгор^Фаз - ^сталь ^ ^шш ^ ^патгри (2)
Где ^лам энтальпия лома поступающего
, Не
в ДСП, МДж; "(НЕЯТЫШИ окатышей посту-
■ С?ггал
полезно исполь-
пающих в ДСП, МДж;
зуемое тепло, МДж; тепло вносимое
/■ Qээ ~
горелками, МДж; ^зз тепло от электрической
Я,
энергии, МДж; "сталь теплосодержание жид-Н —
кой стали, МДж; "шлак теплосодержание
масса шлака, кг; пыли масса пыли и газа
жидкого шлака, МДж; ^потеРи потери тепла, МДж;
Исходя из методики, изложенной в работе [3], расчет слагаемых в уравнении (2) производится по следующим формулам:
Энтальпия лома, загружаемого в агрегат при температуре Т, °С:
^лам = гплаш ' ^рлам ^(Т — 25 МДж (2 1)
ш
Где '"лам- масса лома на 1000 кг металло-шихгы, т; - теплоемкость лома в интер-
вале ^ - 25 °С, кДж/(К кг).
Энтальпия окатышей, загружаемых в агрегат при температуре Т, °С:
и.
окатыши
■Окатыши ^ракатыши
,
МДж. (2.2)
Где Окатыши- масса окатыши на 1000 кг
металлошихты, т; ^рзкатыши _ теплоемкость
Т
окатышей в интервале -25 °С, кДж/(Ккг).
Энтальпия жидкого чугуна (^Ч7ГУН ^ поступающего в сталеплавильные агрегаты при температуре Т, °С:
ЯЧ?17Н = ш, ■ [1065 + 0,в4 ■ (Т - 1200
МДж. (2.3)
Где масса чугуна на 1000 кг металлической шихты, 1065 - энтальпия 1 т чугуна при 1200 °С, МДж/т; 0,84 - теплоемкость чугуна, МДж/(Кт).
Тепловой эффект химических реакций определяется по разности между количеством тепла экзотермических и эндотермических реакций.
Для всех этих расчетов используют значения стандартных энтальпий реакций взятых из справочника «Термические константы веществ [13].
В данной работе ^пол вычисляется как алгебраическая сумма теплот химических реакций и разность суммы энтальпий удаляющихся из объемов печи газов и пыли, то есть:
Где 1-я теплота химической реакции,
к-я теплота газа, МДж;
I
МДж; гаг
р-я теплота компонента в удаляющейся из объема печи пыли, МДж; п,т,г - число химических реакций, компонентов газа и компонентов пыли соответственно.
Слагаемые уравнения (2.3) рассчитываются по формуле:
<2
прадз™1 ^продукт
10
-3
,
теплота продуктов процесса,
МДж (2.4.1)
продукт
т . —
МДж; продукт масса продуктов,кг; Ср -средняя теплоемкость в интервале Т - 25 °С.
Где ^ число горелок;
г?1:, МДж . Ь -
(2.5) время работы
горелки, ч; мощность горелки, кВт; 3,6 -
коэффициент пересчета кВтч в МДж.
Qээ ' ' ^ээ "
,МДж.
(2.6)
Где электрический кпд печного конту-
ра; коэффициент использования тепло-
вой энергии в рабочем пространстве ДСП,
ш —
расход электроэнергии, МДж. Количество тепла , израсходованного на нагрев жидкой стали деталь) характеризуется ее теплосодержанием при конечной температуре Т:
Яяиь = т<тШ ■ [1332 + 0,7? ■ (Т - 1550)] _ МДж. (2.7)
Где ^сталь
масса стали,т; 1332 - теплосодержание 1 т стали при 1550 °С, Мдж; 0,79 -теплоемкость жидкой стали, МДж/(т К).
Яш*™ = ™шлЯК ■ [1390 + 1,05 ■ (Т -1550)] МДж. (2.8)
ш
Где '"пиик_ масса жидкого шлака в печи, т; 1890 - теплосодержание 1 т жидкого шлака при 1550 °С, Мдж; 1,05 - теплоемкость жидкого шлака, МДж/(тК).
Величину потерь тепла в данной
работе оценивается исходя из среднестатистических данных.
2. Алгоритмизация математической модели.
Блок схема, содержащая алгоритм будущей программы представлена на рисунке 2.
Ввоз зашза:^: остаз талаъа. справа. шнекши конпожепс-Б. геян алогиче:::нкг параметров
Вывоз /
ериЕ-Тьногс и теплового / балансов. /
расхода асеьтроанергшу
Расчет материального баланса Расчет теплового баланса, расхода электроэнергии
Рисунок 2 - Блок схема программы
3. Программирование и отладка программы.
В качестве среды программирования была выбрана среда ЬаэагиБ, преимущества и обоснование выбора которой рассмотрены в работах [14], [15], [16].
Программа, созданная на основе разработанного алгоритма, работает без сбоев и системных ошибок, пробный расчет, проведенный для шихты из лома и жидкого чугуна соответствует опытным данным [3].
На рис. 3,4,5 показаны результаты работы программы:
О 55 I» £
55 П П Н
9
8
л л »кхикг/Ч t* с»о\ so«
в ной □ н а в
v-, М. С Е ■ 1 Ю! Ч Cr [■■
- аавеи&йиао
Про Нслдом^с
Cd ИМ М Ь2Н
В В □ В S
ив □
«KU «щи Oumui
Г" I » I
□ f—i e
1"П l> I F 1 |мП 1«~1 iiü
0 J| i ш
Ff W- С KL! Crt -u.r.
El
Рисунок 3 - Окно «Ввод условий»
- i«
J 551 ВТ
i- УМ- 1
jmai i»
t_1
f" I
Рисунок 4 - Окно «Материальный баланс»
О ы
а
i'SBP.» I
©
Разработчики; Гафаров М Ф Павлова К.П Гафарова ЕЛ Все права защищены
|ЮИ*1 |
[йш
5
«
а
6
Рисунок 5- Окно «Материальный баланс»
Выводы
Результатом данной работы является создание инструмента для оптимизации проведения плавки в ДСП. Проведена проверка адекватности созданного программного продукта по опытным данным [3].
С помощью разработанного программного продукта можно рассчитывать материальный и
тепловой баланс плавки стали в ДСП, подбирать оптимальный состав шихтовых материалов, обеспечивающий минимальное расход энергоресурсов, в частности, расхода электроэнергии.
Литература
1. Бигеев В.А., Федянин А.Н., Малофеев А.Е., Тухватулин Д.Р.. "Моделирование технологии выплавки стали в ДСП с применением альтернативного сырья"[Электронный ресурс] // Теория и технология металлургического производства №. 11, 2011, с. 64-69. URL: http:// КиберЛенинка: https://cyberleninka.ru/article/n/modelirovanie-tehnologii-vyplavki-stali-v-dsp-s-primeneniem-alternativnogo-syrya - режим доступа 09.08.2018
2. Овчинников С.Г., Черняховский Б.П., Смо-ляренко В, Д., Бруман Ю.С., Девитайкин А.Г.. "Инновационное ускорение как фактор экономического развития (на примере производства стали)" [Электронный ресурс] // Инновации, N. 3, 2006, с. 84-92. URL: http:// КиберЛенинка: https://cyberleninka.ru/article/n/innovatsionnoe-uskorenie-kak-faktor-ekonomicheskogo-razvitiya-na-primere-proizvodstva-stali- режим доступа 09.08.2018
3. Производство стали и сплавов: учебное пособие [Текст] // О.К. Токовой. -Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2013. - 77 с.
4. Шишимиров М.В., Сосонкин О.М. Ресурсосбережение и резервы повышения эффективности выплавки стали в ДСП [Электронный ресурс] // Вестник ЮУрГУ. Серия: Металлургия. 2015. №3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/resursosberezhenie-i-rezervy-povysheniya-effektivnosti-vyplavki-stali-v-dsp (дата обращения: 11.08.2018).
5. Корнилов Г.П., Николаев А.А., Якимов И.А. Перспективы и средства повышения эффективности дуговых сталеплавильных печей за счёт силового электрооборудования [Электронный ресурс] // Вестник ЮУрГУ. Серия: Энергетика. 2009. №15 (148). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/perspektivy-i-sredstva-povysheniya-effektivnosti-dugovyh-staleplavilnyh-pechey-za-schyot-silovogo-elektrooborudovaniya (дата обращения: 11.08.2018).
6. Корнилов Г. П., Николаев А. А., Храмшин Т. Р., Вахитов Т. Ю., Ануфриев А. В. Оптимизация электрических режимов сверхмощной дуговой сталеплавильной печи [Электронный ресурс] // ЭС и К. 2012. №20. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-elektricheskih-rezhimov-sverhmoschnoy-dugovoy-staleplavilnoy-pechi (дата обращения: 11.08.2018).
7. Копцев Л.А., Журавлев Ю.П. Управление энергетической эффективностью электростале-
плавильного цеха // Вестник ЮУрГУ. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. 2008. №17 (117). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/upravlenie-energeticheskoy-effektivnostyu-elektrostaleplavilnogo-tseha (дата обращения: 11.08.2018).
8. Парсункин Б.Н., Петрова О.В., Полухина Е.И. Исследование влияния электрического режима ДСП на себестоимость выплавляемой стали [Текст] // ТиТМП. 2014. №1 (14), с. 63-75
9. Павлов, В. В., Логунова, О. С., Каланда-ров, П. И., Искандаров Ботирбек Полвон Угли. Выбор соотношения шихтовых материалов плавки сталеплавильной печи для работы в энергосберегающем режиме. [Текст] // Электротехнические системы и комплексы, 2014, №1 (22)), с. 62-66.
10. Ровин, Л. Е., Ровин, С. Л. Сокращение расхода электроэнергии при плавке чугуна и стали. [Текст] //Литьё и металлургия,2004, №3 (72) Спецвыпуск), с.18-31.
11. Копцев, Л. А., Журавлев, Ю. П. Управление энергетической эффективностью электросталеплавильного цеха. [Текст] // Вестник ЮжноУральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника, 2008, №17 (117), с. 13-20.
12. Нежникова Е.В., Черняев М.В. Особенности функционирования электроэнергетического комплекса России на современном этапе экономического развития страны. [Электронный ресурс] // ЭТАП: экономическая теория, анализ, практика, 2018 №3, с.80-87. URL: https://
cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-
funktsionirovaniya-elektroenergeticheskogo-kompleksa-rossii-na-sovremennom-etape-ekonomicheskogo-razvitiya-strany1 - (дата обращения 01.08.2018)
13. [Электронный ресурс] // URL:http://www.chem.msu.su/cgi-bin/tkv.pl?show=welcom.html- дата обращения 01.08.2018
14. [Электронный ресурс] // URL:https://lazarus-rus.ru - (дата обращения 01.08.2018-)
15. Гафарова Е.А. Задачный подход в решении проблемы формирования творческих умений старшеклассников при изучении компьютерных информационных технологий [Текст] // Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена. 2006. Т. 5. № 23. С. 116-119.
16. Винник Д.А., Павлова К.П., Гафаров М.Ф., Машковцева Л.С., Чернуха А.С., Живулин В.Е., Живулин Д.Е., Галимов Д.М., Подгорнов Ф.В., Жеребцов Д.А. Оптимизация режима твердофазного синтеза гексаферрита бария BAFE12O19. [Текст] // Наука ЮУрГУ Материалы
67-й научной конференции. Министерство образования и науки Российской Федерации; ЮжноУральский государственный университет. 2015, с. 828-833.
Modeling the material and heat balance in the Lasarus
medium for melting in an electric arc furnace Gafarova E.A., Gafarov M.F., Pavlova K.P.
South Ural state humanitarian-pedagogical University The article describes the stages of development of the program-consultant to minimize energy losses in steel smelting in electric arc furnace. Computerization is one of the most important methods of intensification of steel smelting process in electric arc furnaces, as it affects the main technical and economic parameters of the process due to the minimization of resources and energy costs. The ability to make the selection and calculation of the necessary components of the charge, the process parameters without experimental smelting significantly reduces the consumption of resources and energy. The creation of the consultant program was carried out in accordance with the principles of the concept of object-oriented programming, the main emphasis was made on the creation of a convenient and practical software product that has a convenient interface, readability of the code, the adequacy of the results. The Lazarus software development environment provides an opportunity to implement these requirements. Key words: mathematical model, material-heat balance,
LAZARUS, electric arc furnace. References
1. Bigeyev VA, Fedyanin AN, Malofeev AE, Tukhvatulin DR "Modeling of the technology of steel smelting in particle board with the use of alternative raw materials" [Electronic resource] // Theory and technology of metallurgical production № . 11, 2011, p. 64-69. URL: http: // CyberLeninka:
https://cyberleninka.ru/article/n/modelirovanie-tehnologii-vyplavki-stali-v-dsp-s-primeneniem-alternativnogo-syrya -access mode 09/08/2018
2. Ovchinnikov SG, Chernyakhovsky BP, Smolyarenko V, D.,
Bruman Yu.S., Devitaykin AG. "Innovative acceleration as a factor of economic development (by the example of steel production)" [Electronic resource] // Innovations, N. 3, 2006, c. 84-92. URL: http: // CyberLenin: https://cyberleninka.ru/article/n/innovatsionnoe-uskorenie-kak-faktor-ekesticheskogo-razvitiya-na-primere-proizvodstva-stali- access mode 09/08/2018
3. Production of steel and alloys: textbook [Text] // О.К. Current.
-Chelyabinsk: Publishing Center SUSU, 2013. - 77 p.
4. Shishimirov MV, Sosonkin OM Resursosberezhenie and reserves of increasing the efficiency of steelmaking in EAF [Electronic resource] // Vestnik SUSU. Series: Metallurgy. 2015. № 3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/resursosberezhenie-i-rezervy-povysheniya-effektivnosti-vyplavki-stali-v-dsp (reference date: 08/11/2018).
5. Kornilov GP, Nikolaev AA, Yakimov IA Perspectives and means of increasing the efficiency of arc steel furnaces due to power electrical equipment [Electronic resource] // Vestnik SUSU. Series: Power. 2009. № 15 (148). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/perspektivy-i-sredstva-povysheniya-effektivnosti-dugovyh-staleplavilnyh-pechey-za-schyot-silovogo-elektrooborudovaniya (reference date: 08/11/2018).
6. Kornilov GP, Nikolaev AA, Khramshin TR, Vakhitov T. Yu., Anufriev AV Optimization of electric regimes of super-power arc steel furnace [Electronic resource] // ES and K. 2012. №20. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-elektricheskih-rezhimov-sverhmoschnoy-dugovoy-staleplavilnoy-pechi (reference date: 08/11/2018).
7. Koptsev LA, Zhuravlev Yu.P. Management of the energy efficiency of the electric arc furnace shop // Vestnik SUSU. Series: Computer technologies, management, radio
О R U
£
R
n
9
8
electronics. 2008. № 17 (117). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/upravlenie-energeticheskoy-effektivnostyu-elektrostaleplavilnogo-tseha (reference date: 08/11/2018).
8. Parsunkin BN, Petrova OV, Polukhina EI Investigation of the
influence of the electric DSP regime on the prime cost of the steel to be melted [Text] // TTIMP. 2014. No. 1 (14), p. 63-75
9. Pavlov, VV, Logunova, OS, Kalandarov, PI, Iskandarov Botirbek Polvon Ugli. Choice of the ratio of the charge materials of melting of the steelmaking furnace for operation in an energy-saving mode. [Text] // Electrotechnical systems and complexes, 2014, No. 1 (22)), p. 62-66.
10. Rovin, L. Ye., Rovin, SL Reducing the consumption of electricity during melting of cast iron and steel. [Text] // Casting and Metallurgy, 2004, №3 (72) Special Issue), p.18-31.
11. Koptsev, LA, Zhuravlev, Yu. P. Management of the energy efficiency of the electric steelmaking shop. [Text] // Bulletin of the South Ural State University. Series: Computer technologies, management, radio electronics, 2008, №17 (117), p. 13-20.
12. Nezhnikova EV, Chernyaev M.V. Features of the functioning of the electric power complex of Russia at the present stage of the country's economic development. [Electronic resource] // STAGE: economic theory, analysis, practice, 2018 №3, p.80-87.
URL: https: // cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-funktsionirovaniya-elektroenergeticheskogo-kompleksa-rossii-na-sovremennom-etape-ekonomicheskogo-razvitiya-stranyl - (circulation date August 1, 2013)
13. [Electronic resource] // URL: http: //www.chem.msu.su/cgi-bin/tkv.pl? Show = welcom.html - circulation date 01.08.2018
14. [Electronic resource] // URL: https: //lazarus-rus.ru -(circulation date 01.08.2018-)
15. Gafarova E.A. A Tacit Approach in Solving the Problem of Forming the Creative Skills of Senior Students in Studying Computer Information Technologies [Text] // Izvestiya Rossiyskogo State Pedagogical University. A.I. Herzen. 2006. T. 5. № 23. P. 116-119.
16. Vinnik DA, Pavlova KP, Gafarov MF, Mashkovtseva LS, Chernukha AS, Zhivulin VE, Zhivulin DE, Galimov DM, Podgornov F.V., Zherebtsov D.A. Optimization of the solidphase synthesis of barium hexaferrite BAFE12O19. [Text] // Science of SUSU Materials of the 67th scientific conference. Ministry of Education and Science of the Russian Federation; South Ural State University. 2015, p. 828-833.
Q U
a
s
«
a б
