Использование системного подхода к оптимизации сквозных технологий производства стали

Целью работы является совершенствование теоретических положений по разработке сквозных технологий производства металлопродукции, определяющим признаком которых является использование цепочки следующих друг за другом различных сталеплавильных агрегатов и целевая установка получения конечной металлопр...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Тубольцев, Л.Г., Корченко, В.П., Падун, Н.И., Шевченко, А.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України 2009
Назва видання:	Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
Теми:	Сталеплавильное производство
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/63053
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Использование системного подхода к оптимизации сквозных технологий производства стали / Л.Г. Тубольцев, В.П. Корченко, Н.И. Падун, А.М. Шевченко // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2009. — Вип. 20. — С. 148-161. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-63053
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-630532014-05-30T03:02:37Z Использование системного подхода к оптимизации сквозных технологий производства стали Тубольцев, Л.Г. Корченко, В.П. Падун, Н.И. Шевченко, А.М. Сталеплавильное производство Целью работы является совершенствование теоретических положений по разработке сквозных технологий производства металлопродукции, определяющим признаком которых является использование цепочки следующих друг за другом различных сталеплавильных агрегатов и целевая установка получения конечной металлопродукции с заданным химическим составом, соответствующего качества и с минимальными энергетическими и материальными затратами. Использовано системное решение задачи на основе рассмотрения сквозной технологии как динамически изменяющейся производственной системы. Исследование предназначено для разработки предложений по усовершенствованию процессов производства стали. Метою роботи є удосконалення теоретичних положень щодо розробки наскрізних технологій виробництва металопродукції, визначальною ознакою яких є використання ланцюжка різних сталеплавильних агрегатів і цільова установка отримання кінцевої металопродукції із заданим хімічним складом, відповідної якості та з мінімальними енергетичними і матеріальними витратами. Використано системне вирішення задачі на основі розгляду наскрізної технології як виробничої системи, що динамічно змінюється. Дослідження призначене для розробки пропозицій щодо удосконалення процесів виробництва сталі. The work purpose is theoretical positions perfection on working-out of interface technologies of the metal products, the defining feature of which is chain use of various steel-smelting units following one after another and reception purpose of final metal products with the set chemical compound, corresponding quality and with minimum power and material inputs. The system decision of a problem on the basis of through technology consideration as dynamically changing industrial system is used. Research is intended for working-out of offers on improvement of manufacture processes of steel with the properties complex. 2009 Article Использование системного подхода к оптимизации сквозных технологий производства стали / Л.Г. Тубольцев, В.П. Корченко, Н.И. Падун, А.М. Шевченко // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2009. — Вип. 20. — С. 148-161. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. XXXX-0070 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/63053 669.18 ru Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Сталеплавильное производство Сталеплавильное производство
spellingShingle	Сталеплавильное производство Сталеплавильное производство Тубольцев, Л.Г. Корченко, В.П. Падун, Н.И. Шевченко, А.М. Использование системного подхода к оптимизации сквозных технологий производства стали Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
description	Целью работы является совершенствование теоретических положений по разработке сквозных технологий производства металлопродукции, определяющим признаком которых является использование цепочки следующих друг за другом различных сталеплавильных агрегатов и целевая установка получения конечной металлопродукции с заданным химическим составом, соответствующего качества и с минимальными энергетическими и материальными затратами. Использовано системное решение задачи на основе рассмотрения сквозной технологии как динамически изменяющейся производственной системы. Исследование предназначено для разработки предложений по усовершенствованию процессов производства стали.
format	Article
author	Тубольцев, Л.Г. Корченко, В.П. Падун, Н.И. Шевченко, А.М.
author_facet	Тубольцев, Л.Г. Корченко, В.П. Падун, Н.И. Шевченко, А.М.
author_sort	Тубольцев, Л.Г.
title	Использование системного подхода к оптимизации сквозных технологий производства стали
title_short	Использование системного подхода к оптимизации сквозных технологий производства стали
title_full	Использование системного подхода к оптимизации сквозных технологий производства стали
title_fullStr	Использование системного подхода к оптимизации сквозных технологий производства стали
title_full_unstemmed	Использование системного подхода к оптимизации сквозных технологий производства стали
title_sort	использование системного подхода к оптимизации сквозных технологий производства стали
publisher	Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Сталеплавильное производство
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/63053
citation_txt	Использование системного подхода к оптимизации сквозных технологий производства стали / Л.Г. Тубольцев, В.П. Корченко, Н.И. Падун, А.М. Шевченко // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2009. — Вип. 20. — С. 148-161. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
work_keys_str_mv	AT tubolʹcevlg ispolʹzovaniesistemnogopodhodakoptimizaciiskvoznyhtehnologijproizvodstvastali AT korčenkovp ispolʹzovaniesistemnogopodhodakoptimizaciiskvoznyhtehnologijproizvodstvastali AT padunni ispolʹzovaniesistemnogopodhodakoptimizaciiskvoznyhtehnologijproizvodstvastali AT ševčenkoam ispolʹzovaniesistemnogopodhodakoptimizaciiskvoznyhtehnologijproizvodstvastali
first_indexed	2025-07-05T13:58:18Z
last_indexed	2025-07-05T13:58:18Z
_version_	1836815639320199168
fulltext	148 УДК 669.18 Л.Г.Тубольцев, В.П.Корченко, Н.И.Падун, А.М.Шевченко ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА К ОПТИМИЗАЦИИ СКВОЗНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ Целью работы является совершенствование теоретических положений по раз- работке сквозных технологий производства металлопродукции, определяющим признаком которых является использование цепочки следующих друг за другом различных сталеплавильных агрегатов и целевая установка получения конечной металлопродукции с заданным химическим составом, соответствующего качества и с минимальными энергетическими и материальными затратами. Использовано системное решение задачи на основе рассмотрения сквозной технологии как ди- намически изменяющейся производственной системы. Исследование предназна- чено для разработки предложений по усовершенствованию процессов производст- ва стали. сталеплавильные агрегаты, сквозная технология, сталь, химический со- став, системная задача, оптимизация Современное состояние и постановка задачи. При сложившейся на практике последовательности работающих металлургических агрегатов часто используется термин «сквозная» технология производства металло- продукции. Единого определения этого термина пока нет и можно отме- тить несколько возможных вариантов его использования: • технология производства металлопродукции с использованием цепочки следующих друг за другом различных металлургических агрега- тов для получения металлопродукции с заданным химическим составом и соответствующего качества; • технология производства металлопродукции с многовариантной возможностью использования различных технологических схем произ- водства металлопродукции; • технология производства металлопродукции, обеспечивающая минимальные энергетические и материальные затраты. По нашему мнению, определяющим признаком «сквозной технологии производства металлопродукции» с использованием цепочки следующих друг за другом различных металлургических агрегатов должна являться целевая установка получения конечной металлопродукции с заданным химическим составом, соответствующего качества и с минимальными энергетическими и материальными затратами. Помимо доменной печи в состав агрегатов для реализации сквозной технологии входят установки внепечной обработки (десульфурации) чу- гуна, различные сталеплавильные агрегаты (мартен, конвертер, электро- печь), установки внепечной обработки стали и подготовки стали к разлив- ке (рис.1). 149 Рис.1. Современная схема производства качественной стали. На современном уровне формирования качества жидкого металла ста- леплавильное производство занимает центральное место, а сквозная тех- нология сталеплавильного передела включает все стадии получения ме- талла от выпуска чугуна из доменной печи до разливки стали. Для стале- плавильного передела имеется достаточно много схем использования агрегатов, которые позволяют достигать требуемого качества стали. В современных условиях возрастает потребность производства стали с сум- марным содержанием водорода, азота, кислорода, фосфора и серы не бо- лее 0,005%. Имеются предпосылки для разработки промышленной техно- логии производства стали, содержащей 0,006% углерода, 0,0001% серы, 0,0008% фосфора, 0,0005% кислорода, 0,00002% водорода, 0,0014% азота. Такие результаты могут быть получены только при комплексном исполь- зовании возможностей сквозной технологии сталеплавильного передела, включающей технологии внепечной обработки чугуна и стали, техноло- гии кислородно–конвертерного и электропечного способа получения жид- кого металла. Результатом оптимизации сквозной технологии следует считать достижение максимально возможных положительных результатов в условиях многовариантного решения задачи. Целью настоящей работы является совершенствование теоретиче- ских положений по разработке сквозных технологий производства метал- лопродукции, определяющим признаком которых является использование цепочки следующих друг за другом различных сталеплавильных агрега- тов и целевая установка получения конечной металлопродукции с задан- ным химическим составом, соответствующего качества и с минимальны- ми энергетическими и материальными затратами. Таким образом, возни- кает проблема поиска оптимальных вариантов производства стали задан- ного состава. Методика исследования. Существует много подходов к моделирова- нию технологических процессов, составляющих основу сквозной техно- 150 логии. В данной работе использовали один из перспективных подходов, который предусматривает системное решение задачи на основе рассмот- рения сквозной технологии как динамически изменяющейся гиперком- плексной производственной системы (ГДС) [1]. Схему описания металлургического производства как ГДС, можно представить следующим образом: «Входные элементы» – «Металлургиче- ское производство» – «Выходные элементы». Для примера рассмотрим кислородно–конвертерную плавку как ГДС систему S с конкретным набо- ром системных составляющих Sn и набором операторов Pn. Операторы Pn определяют последовательность операций для качественного или количе- ственного определения свойств системных составляющих Sn на основе задаваемых исходных данных, которые обозначим символом S0. Формали- зовано процедуру описания системы можно представить в виде: S = S1S2…Sn = {Sn}, (1) где S1 = Р1S0 ; и соответственно Sn =РnS0…. . (2) Построение ГДС состоит из нескольких последовательных шагов, первым из которых является формирование элементов модели: S1=P1S0 = {φ1, φ2,…φn}, (3) где φn – n–ный элемент системы. Например, в упрощенном варианте кислородно–конвертерную плавку можно представить как ГДС, состоя- щую из 6 элементов: из трех входных – жидкий чугун (φ1), металлолом (φ2), и кислород дутья (φ3), и трех выходных – сталь (φ4), шлак (φ5), кон- вертерный газ (φ6). Следующим шагом построения ГДС является определение взаимосвя- зей Yij между элементами φn системы . В результате получим: S2=P2S0={yij}i,j=1…6 (4) где S2 – динамичность, реализуемая за счет взаимосвязи между эле- ментами системы; Р2 – определение каналов взаимосвязи и их характери- стика, рассматриваемая с позиций взаимосвязи; yij – показатель взаимо- связи между конкретными элементами. В матричном виде реализация свойства динамичности ГДС на приме- ре кислородно–конвертерной плавки представлена в таблице. Таблица. Матричное представление упрощенной взаимосвязи элементов кислородно–конвертерной плавки Элементы системы 1 2 3 4 5 6 1 Жидкий чугун (φ1) 1 y12 y13 y14 y15 y16 2 Металлолом (φ2) y21 1 y23 y24 y25 y26 3 Кислород дутья (φ3) y31 y32 1 y34 y35 y36 4 Сталь (φ4) y41 y42 y43 1 y45 y46 5 Шлак (φ5) y51 y52 y53 y54 1 y56 6 Конвертерный газ φ6) y61 y62 y63 y64 y65 1 151 По главной диагонали φi ⁄ φi =1 (коэффициент расхода элемента на взаимодействие с самим собой); yij, при i<j –коэффициенты взаимосвязи элементов системы между со- бой (над главной диагональю – для решения прямой задачи расчета вы- ходных параметров по входным элементам); yij, при i>j –коэффициенты взаимосвязи элементов системы между со- бой (под главной диагональю – для решения обратной задачи расчета входных параметров по выходным элементам). Взаимосвязи между элементами являются важнейшим показателем ГДС и происходят за счет расхода одних элементов и перехода их энергии в другие. Реально в течение определенного времени расходуется не весь элемент φ, а его часть dφ, которая идет на системное строительство с определенной скоро- стью. Показатель взаимосвязи yij, определяет, с каким расходом один элемент системы переходит в другой, индексы i и j указывают на элементы системы. Полная система уравнений, описывающих открытую (правая часть уравнения равна нулю) или закрытую (правая часть уравнения равна In) ГДС записыва- ется в следующем виде [2]. dϕ1 + dϕ2 ⋅ y12 + dϕ3 ⋅ y13 +…..+ dϕn ⋅ y1n = 0 ( или = In) dϕ1 ⋅ y21 + dϕ2 + dϕ3 ⋅ y23 +…..+ dϕn ⋅ y2 n = 0 ( или = In ) (5) dϕ1 ⋅ yn1 + dϕ2 ⋅ yn2 + dϕ3 ⋅ y13 +…..+ dϕn = 0 ( или = In ) Следующим системным свойством исследуемого объекта является свойство структурности: S3=P3S0 (6) где S3 – постановка задачи определения свойства структурности, которая отображается в виде графа информационных контактов; Р3 – оператор определения элементов графа; S0 – исследуемая группа объектов системы, которая рассматривается с позиций структурообразования информацион- ной модели. В результате выполнения свойства структурности (3) полу- чим графоаналитическую интерпретацию представления кислородно– конвертерной плавки как ГДС (рис.2). Рис 2. Графоаналитическая ин- терпретация упрощенного представления кислородно– конвертерной плавки для пря- мого расчета. Изложение основных материалов исследования. В конкретном случае реали- зации матричного представ- ления взаимосвязи между элементами плавки отражают численное значе- ние количества элемента, перешедших из одного в другой к данному кон- 152 кретному моменту времени. В каждый иной момент времени уровень реа- лизации системы будет другим. Это является существенным в теории ГДС и отражается так называемым R– принципом: каждый объект, про- цесс или явление всегда находятся в состоянии системной реализации. Матричное представление ГДС – это дискретное представление состояния системы в конкретный момент времени. Для целостного описания про- цесса кислородно–конвертерной плавки необходимо иметь временные функциональные зависимости перехода одних элементов плавки в другие. На основе рассмотренного выше подхода можно системно предста- вить дискретное состояние объекта исследования в каждый конкретный момент времени, т.е. составить статическую модель поведения рассмат- риваемой системы (в данном случае кислородно-конвертерной плавки) как «черного ящика». Однако, основным недостатком дискретного спосо- ба представления системных моделей является потеря энергентности, т.е. целостности свойств и абсолютной замкнутости системы. Дополнением к дискретному способу описания является интегральный подход к пред- ставлению процессов системного развития, который является еще одной процедурой определения системы и отражает ее состояние по радиусу– вектору развития (R – принцип). В связи с тем, что изменение радиуса- вектора напрямую связано с течением времени, R – принцип дает возмож- ность определить степень реализации системы во времени. Один из способов отображения системного развития кислородно- конвертерной плавки через изменение химического состава ванны кон- вертера во времени представлен на рис.3. y = 0,0061x3 - 0,259x2 + 2,577x R2 = 0,7639 y = -0,0055x3 + 0,2071x2 + 0,5085x R2 = 0,972 -10,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 0 5 10 15 20 25 30 Время процесса Ко ли че ст во у да ле нн ог о эл ем ен та , к г Рис.3. Процесс системной реализации по удалению элементов из кислородно- конвертерной ванны. Верхняя кривая – поведение углерода в металлической ванне по ходу продувки. Нижняя кривая – поведение марганца в металлической ванне по ходу продувки. Построенные по экспериментальным данным зависимости, представ- ленные на рис.3, свидетельствуют, что системная реализация процесса удаления элементов из ванны конвертера состоит из нескольких фаз и 153 имеет различный характер для углерода и для марганца, что необходимо учитывать при разработке соответствующих моделей управления процес- сом плавки. В частности, волнообразный характер удаления и поступле- ния марганца в металлическую часть ванны конвертера свидетельствует о необходимости учета влияния шлаковой части ванны на содержание мар- ганца в металле. Особенностью производства жидкого металла является то, что изме- нение технологии на каком–то отдельном переделе неизбежно влечет за собой изменение показателей других переделов. Причем не всегда ухуд- шение показателей какого–либо отдельного передела означает ухудшение показателей всего комплекса. Например, снижение содержания марганца в чугуне, ухудшает показатели работы кислородного конвертера, но в це- лом улучшает показатели комплекса доменный цех (ДЦ) – конвертерный цех (КЦ). При разработке модели сквозной технологии сталеплавильного передела, включающей технологии доменной и конвертерной плавок, внепечной обработки чугуна и стали, исходили из того, что на практике реально фиксируется ограниченное количество технологических и каче- ственных параметров, таких, например, как химический состав металло- продукции, температура и количество продукции. Поэтому использован системный подход, предусматривающий прямое использование имею- щихся данных, расчетно–аналитическое определение параметров на осно- ве косвенных сведений, а также теоретическое определение недостающих параметров. Все эти данные в качестве входных и выходных параметров системы используются для определения взаимосвязей между ними и со- ставления балансовой модели для расчета и прогнозирования конечных результатов работы сквозной технологии. Для разработки концептуальной математической модели металлурги- ческое производство представлено в виде ГДС системы с внешними свя- зями. Постепенно наращивая количество элементов в исходном определе- нии системы, можно переходить к следующему этапу ее развития, что позволяет расширять возможности системы как математической модели до уровня минимального отклонения от реального состояния исследуемо- го объекта. В качестве входных и выходных параметров сквозной техно- логии приняты показатели химического состава, количественные и каче- ственные показатели сырьевых материалов и конечной продукции, техно- логические параметры производства, которые оказывают определяющие влияние на свойства получаемой металлопродукции. В общем случае модель сквозной технологии производства стали можно представить в следующем виде: 154 ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪ ⎨ ⎧ = = = = ),,( ),( ),( ),( 110 11 1011 101 2 1 2 101 1 1 1 zKK zf zf zf kk ϕϕ ϕϕ ϕϕ ϕϕ L (7) ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪ ⎨ ⎧ = = = = ),,( ),( ),( ),( 221 22 2122 212 2 2 2 212 1 2 1 zKK zf zf zf ll ϕϕ ϕϕ ϕϕ ϕϕ L (8) ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪ ⎨ ⎧ = = = = ),,( ),( ),( ),( 332 33 3233 323 2 3 2 323 1 3 1 zKK zf zf zf mm ϕϕ ϕϕ ϕϕ ϕϕ L (9) ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪ ⎨ ⎧ = = = = ),,( ),( ),( ),( 443 44 4344 434 2 4 2 434 1 4 1 zKK zf zf zf nn ϕϕ ϕϕ ϕϕ ϕϕ L (10) где каждая из систем (7)–(10) представляет собой набор зависимостей выходных параметров соответствующих переделов от входных парамет- ров, а также от параметров, характеризующих режим управления. Ki – критерии оптимизации по рассматриваемым переделам, zi – векторы па- раметров, характеризующих режим управления, ϕi–1 – векторы входных параметров, ϕi – векторы выходных параметров, i=1, 2, 3, 4. Каждому но- меру i соответствует определенный технологический передел: 1 – домен- ная печь, 2 – внепечная обработка чугуна, 3 – кислородный конвертер, 4 – внепечная обработка стали. Общий вид критерия оптимизации сквозной технологии K будет иметь вид: ),,,,,,,,,,,,( 432143210 4321 zzzzKKKKKK ϕϕϕϕϕ= (11) Каждая из функциональных зависимостей fi j выходных параметров от входных может быть определена на основе физико–химических законо- мерностей, эмпирических закономерностей, а также на основе их комби- наций. Безусловно, физико–химические закономерности более точно рас- крывают суть процессов, но в некоторых случаях оказывается довольно сложно описать процесс с теоретической точки зрения, поэтому в таких ситуациях используются эмпирические закономерности. Хорошо известны двухмерные представления при построении функ- циональных зависимостей между элементами системы, например измене- ние содержания углерода по ходу плавки в зависимости от времени, ко- личества подаваемого кислорода или другого параметра. В настоящее время математический аппарат обладает достаточно широким кругом ме- тодик определения эмпирических закономерностей (например, метод Ти- 155 хонова или метод наименьших квадратов), а также методов оптимизации задач, в которых используются функции зависимости элемента от не- скольких параметров [4]. Для рассмотрения комплексного влияния не- скольких параметров и вида применяемой для описания зависимости функции, нами была составлена программа, которая путем перебора всех возможных вариантов линейных моделей устанавливает существенно влияющие параметры и вид их комплексного взаимодействия, т.е. опреде- ляет вид математической модели. Для этого был выбран один из наиболее распространенных методов статистической обработки данных – метод наименьших квадратов, а критерием отбора моделей – коэффициент кор- реляции. В качестве примера полученных при использовании этой методики результатов приводим расчет изменения содержания углерода по ходу плавки Скон в зависимости от нескольких переменных, в частности от вре- мени продувки t, интенсивности подачи кислорода Q, исходного содержа- ния в чугуне углерода Cнач, кремния Siнач и марганца Mnнач. При представ- лении зависимостей в виде линейных функций получена следующая ана- литическая зависимость: Скон=1,557+0,393t+1,039Q – 0,168Cнач + 0,021Mnнач+0,004Siнач (11) (R2 = 0,8637) В зависимости от времени продувки, интенсивности подачи кислоро- да, исходного содержания в чугуне углерода, кремния и марганца прове- дено сравнение экспериментальными данных с результами расчета со- держания углерода в металлической ванне по ходу кислородно– конвертерной плавки по уравнению (11) и при использовании функций более сложного вида, дающих коэффициент корреляции R2 = 0,9469 (рис.4). Рис.4. Сравнение расчетных и экспе- риментальных дан- ных содержания уг- лерода в металличе- ской ванне по ходу кислородно–конвер- терной плавки. Показано, что вид используемой для расчетов функции имеет существенное значение для получения достоверных результатов. Полученные таким образом взаимосвязи между комплексом параметров можно использовать для R2 = 0,9469 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 0 1 2 3 4 5 Эксперимент Ра сч ет 156 управления процессом кислородно–конвертерной плавки, для модельного исследования различных теоретических положений, для разработки дина- мических моделей кислородно–конвертерной плавки и сквозных техноло- гий сталеплавильного передела. При использовании модели для оценки роли составляющих сквозных технологий сталеплавильного передела возникает вопрос о критериях оп- тимальности. Представляется, что нельзя ориентироваться только на один самый представительный критерий. В зависимости от конкретных усло- вий такими критериями могут быть: себестоимость, приведенные затраты, экологические факторы, производительность и т.д. – т.е. структура моде- ли должна обеспечивать возможность использования самых разнообраз- ных критериев. Рассмотрим возможные критерии оценки каждой составляющей сквозной технологии сталеплавильного передела и используемые взаимо- связи между входными и выходными элементами системы. Доменное производство. Оптимизация входных и выходных параметров при производстве чу- гуна является важным элементом сквозной технологии. Такие задачи ус- пешно решались многими исследователями [3]. Затраты на получение чугуна заданного качества определяются: – составом и свойствами топлива (кокс, природный газ, мазут и др.); – условиями доменной плавки, включающими заданный или выбран- ный шлаковый режим, дутьевые параметры (концентрация кислорода, температура, давление, расход), характер комбинированного дутья (при- родный газ, пылеугольное топливо, мазут и др.), режимом фурменной зоны (температура, энергия, геометрия), состоянием колошника (давле- ние, температура, распределение материалов и газов и др.). Суммарным критерием, определяющим затраты (технические и де- нежные) на получение чугуна заданного качества является расход тепла на процесс и, в частности, расход кокса, стоимость которого наиболее высока. Приведенные выше факторы обусловливают численные значения основных параметров, управляющих составом и физическим состоянием чугуна, выдаваемого из доменной печи. В практике встречаются в основном две задачи, связанные с прогно- зированием состава и управлением качеством чугуна, выплавляемого в доменных печах. В одном случае задан состав чугуна и известны ресурсы, т.е. возможный набор шихтовых материалов и их химический состав. Не- обходимо при этом определить рациональное соотношение их в доменной шихте и расходы, обеспечивающие выплавку чугуна заданного состава при сложившихся технологических возможностях на данном предпри- ятии. В другом случае известны расходные компоненты шихты и состав материалов, а задача связана с установлением прогнозного состава чугу- на, определяемого термодинамическими возможностями системы и тех- ническими параметрами плавки. Важнейшим признаком чугуна является 157 наличие углерода, однако доменная плавка пока не позволяет в широких пределах регулировать его содержание. В определенных пределах в про- цессе доменной плавки можно изменять содержание таких элементов хи- мического состава, как кремний, марганец, сера и некоторые другие, оп- ределяемые составом исходной шихты. В связи с тем, что возможности регулирования химического состава чугуна в доменной печи ограничены, при анализе сквозной технологии сталеплавильного передела доменный процесс учитывали только как обеспечивающий входные параметры для внепечной обработки чугуна. Внепечная обработка чугуна. Обеспечение заданного химического со- става стали начинается с внепечной обработки чугуна, главной задачей которой является снижение содержания серы или фосфора. В мировой практике отработано достаточно много вариантов внепечной обработки, различия которых, в основном, связаны с используемыми реагентами и конструктивными решениями их ввода в жидкий чугун. Достаточно интересным и немаловажным представляется рассмотре- ние процесса внепечной обработки чугуна в системе сквозной технологии производства стали, и установление взаимосвязей между основными тех- нологическими параметрами и качественными характеристиками обраба- тываемого металла. Установлены параметры обработки, которые наибо- лее существенно влияют на экономичность производства жидкого метал- ла [5], в частности: – расход реагентов на внепечную обработку расплава, обеспечиваю- щую требуемое для сталеплавильного передела содержание серы и фос- фора в чугуне; – выход обработанного чугуна из 1т чугуна, полученного в доменном цехе. Однако, это не единственные существенно влияющие параметры. Раз- личные заводские условия также вносят поправки в расчет удельного рас- хода магния, например, существенно влияющими параметрами являются глубина погружения фурмы, масса обрабатываемого чугуна и отношение массы чугуна к глубине погружения фурмы. Анализ экспериментальных данных показал, что рассматривать влияние этих трёх параметров в от- дельности не представляется возможным. Поэтому вид искомого уравне- ния регрессии, учитывающего комплексное влияние нескольких парамет- ров, представим следующим образом: y=a0+a1x1+a2x2+a3x3, (13) где х1 – отношение массы чугуна к глубине погружения фурмы, х2 – процентное содержание серы в чугуне до обработки, х3 – задаваемое, желательное содержание серы после обработки, аi – искомые коэффициенты. В качестве базы экспериментальных данных использованы результа- ты промышленных испытаний десульфурации чугуна гранулированным магнием на металлургических комбинатах. Для проверки адекватности 158 найденного уравнения рассмотрен коэффициент корреляции между рас- четными и экспериментальными данными (рис.5). Рис.5. Проверка аде- кватности уравнения рег- рессии. Полученный коэф- фициент корреляции свидетельствует о ком- плексном влиянии рас- смотренных парамет- ров на расход металли- ческого магния. Модель «Внепеч- ная обработка чугуна» кроме основных модельных параметров – расхода реагента и расходного коэффициента по чугуну должна обеспечивать рас- чёт входных параметров для модели «Сталеплавильное производство», в т.ч.таких: – количество попадающего в конвертер шлака; – химсостав шлака; – температура чугуна, сливаемого в конвертер. – вид внепечной обработки чугуна (десульфурация, комплексная об- работка – десиликонизация и дефосфорация); – вид реагента; – тип ковша (чугуновозный или заливочный); – схема организации процесса от доменной печи до конвертера. – масса чугуна в ковше до обработки; – температура чугуна; – масса шлака в ковше; – содержание S, P, Si в чугуне до обработки; – состав шлака до обработки; – требуемое содержание S, P после обработки. Такая модель может быть использована для оптимизации организации внепечной обработки чугуна на существующих металлургических пред- приятиях и выбора оптимальной технологии для создаваемых мощностей, а также может найти самостоятельное применение на действующих объ- ектах десульфурации чугуна для осуществления оперативного контроля экономичности процесса десульфурации. Реализация модели позволит гибко реагировать на конъюнктуру рынка реагентов и требования стале- плавильного производства. Сталеплавильный передел. В соответствии с Государственной про- граммой развития и реструктуризации ГМК Украины наиболее перспек- тивной схемой металлургического завода являются интегрированные R2 = 0,7715 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Расчетные данные Э кс пе ри м ен та ль ны е да нн ы е 159 предприятия полного металлургического цикла с выплавкой до 70% стали в конвертерах. Это позволяет рассматривать конвертер как основной ме- таллургический агрегат для выплавки стали и обусловливает необходи- мость глубокого изучения возможностей использования кислородного конвертера в качестве основного агрегата для получения новых материа- ло– и энергосберегающих видов производства металлопродукции. Имеющиеся сегодня в распоряжении специалистов модели кислород- но–конвертерного производства позволяют прогнозировать поведение выходных элементов плавки, однако остается нерешенным целый ряд тео- ретических вопросов. В частности, требует осознания механизм обезугле- роживания металла по ходу кислородно–конвертерной плавки, не выявле- на возможность управления структурообразованием жидкого металла в процессе плавки, что пока не позволяет создать динамическую модель плавки и надежно прогнозировать конечные ее результаты. Динамическая модель призвана решать следующие задачи: • Расчет расходных коэффициентов, остаточных содержаний Мn, S, Р и себестоимости стали при изменении состава и расхода: чугуна жидко- го и твердого, металлолома, ферросплавов или их отходов, извести, из- вестняка, железорудных материалов, кислорода и требуемых конечных параметров: температуры стали, основности шлака, содержания углерода после остановки продувки. При этом необходимо учитывать способ раз- ливки (на УНРС или в слитки) и варианты процесса (продувка сверху ки- слородом или комбинированная продувка кислород сверху, нейтральные газы снизу). • Выбор способа достижения заданного содержания углерода. • Выбор способа достижения заданной температуры металла при дефиците металлолома: охлаждение железорудными материалами, изве- стью, известняком, конвертерным шлаком, либо повышение содержания углерода на выпуске. • Выбор способа достижения заданного содержания серы в стали: повышение основности шлака, додувки, применение жидкого синтетиче- ского шлака или твердых шлаковых смесей. • Выбор способа достижения заданного содержания фосфора в ста- ли: повышение основности шлака, додувки, применение низкофосфори- стых ферросплавов. • Выбор способа достижения заданной температуры металла при дефиците чугуна: применение твердого топлива (угли, ферросплавы или их отходы), увеличение содержания кремния в чугуне, увеличение степе- ни дожигания СО до СО2 в полости конвертера, предварительный нагрев лома, снижение содержания углерода после продувки («передув»). Для разработки модели кислородно-конвертерной плавки авторами установлены взаимосвязи между входными и выходными элементами хи- 160 мического состава чугуна и стали, а также технологическими параметра- ми кислородно-конвертерной плавки [6,7]. Внепечная обработка стали. Это завершающий передел в сквозной технологии производства стали и здесь еще не решены как в теоретиче- ском, так и в практическом плане многие вопросы эффективного исполь- зования агрегатов. В качестве исходных данных для построения модели «Внепечная обработка стали» могут быть использованы следующие пара- метры: – технологический подход (обработка жидким синтетическим шла- ком, покровная смесь, твёрдая шлаковая смесь, вдуваемая в ковш и т.д.); – химический состав стали после сталеплавильного передела; – требуемый химический состав стали после её обработки. Исходя из главной задачи сквозной технологии (получение готовой продукции заданного качества с минимальными энергетическими и цено- выми затратами) оптимизация входных и выходных параметров на каж- дом этапе технологии металлургического передела включает решение задач: 1. Нахождение таких значений входных и выходных параметров (материального состава шихтовых материалов, расхода энергоресурсов, значения технологических параметров), которые в сумме давали бы оп- тимальное соотношение характеристик количества, качества и ценовых параметров продукции. 2. Установление состава и схемы производства продукции в после- довательно расположенных металлургических агрегатах для получения оптимальных качественных, количественных и ценовых характеристик продукции. Заключение. Решение задачи оптимизации сквозной технологии ста- леплавильного передела включает комплекс теоретических и эксперимен- тальных исследований по выявлению закономерностей и взаимосвязей между входными и выходными параметрами производства, по изучению влияния технологических и конструкционно–структурных параметров современных технологических линий на возможность производства но- вых видов металлопродукции с заданными служебными свойствами. Вы- явленные в настоящее время закономерности и взаимосвязи входных и выходных параметров процессов получения жидкой стали могут быть использованы для прогнозирования перспективы и разработки предложе- ний по использованию в условиях сталеплавильного комплекса Украины новых технических решений при производстве новых видов металлопрод- укции. 1. Малюта А.Н. Закономерности системного развития.−Киев: Наукова думка. – 1990. −136 с. 161 2. Л.Г.Тубольцев. Теоретические принципы разработки программ развития про- мышленных систем //Фундаментальные и прикладные проблемы черной ме- таллургии. Сб.научн.тр. Вып.3. – Київ, «Наукова думка». – 1999, – С.24 – 32. 3. Сквозная модель производства жидкого металла, включающая технологию доменной и конвертерной плавок, внепечной обработки чугуна и стали / Р.В.Старов, Д.Н.Тогобицкая, В.С.Харахулах и др. //Металл и литье Украины. – 1995. – №1. – С. 14– 17. 4. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами. – М.: Мир, 1973. 5. Шевченко А.М., Шевченко С.А. Применение метода статистической обработки экспериментальных данных для технико-экономической оценки сквозной технологии сталеплавильного передела //Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. Сб.научн.тр. Вып.17. – Київ, «Наукова дум- ка». – 2008, – С.124 – 129. 6. Исследование различных вариантов кислородно-конвертерной плавки в усло- виях увеличенной доли лома в металлошихте / В.П.Корченко, Л.Г.Тубольцев, В.Ф.Поляков, Н.И.Падун, А.М.Шевченко //Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. Сб.научн.тр. Вып.14. – Київ, «Наукова дум- ка». – 2007, – С.154 – 162. 7. Закономерности дефосфорации и десульфурации на заключительных этапах кислородно–конвертерной плавки с комбинированной продувкой / В.П.Корченко, Л.Г.Тубольцев, В.Ф.Поляков, Н.И.Падун, А.М.Шевченко //Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. Сб.научн.тр. Вып.19. – Київ, «Наукова думка». – 2009, – С.144 – 151. Статья рекомендована к печати: заместитель ответственного редактора раздела «Сталеплавильное производство» канд.техн.наук, проф. В.П.Пиптюк Л.Г.Тубольцев, В.П.Корченко, Н.І.Падун, А.М.Шевченко Використання системного підходу до оптимізації наскрізних технологій виробництва сталі Метою роботи є удосконалення теоретичних положень щодо розробки на- скрізних технологій виробництва металопродукції, визначальною ознакою яких є використання ланцюжка різних сталеплавильних агрегатів і цільова установка отримання кінцевої металопродукції із заданим хімічним складом, відповідної якості та з мінімальними енергетичними і матеріальними витратами. Використано системне вирішення задачі на основі розгляду наскрізної технології як виробничої системи, що динамічно змінюється. Дослідження призначене для розробки пропо- зицій щодо удосконалення процесів виробництва сталі.

Использование системного подхода к оптимизации сквозных технологий производства стали

Репозитарії

Схожі ресурси