Математические модели для оптимизации процессов выплавки чугуна

Приведено краткое описание математических моделей, предназначенных для автоматизированного поиска оптимальных режимов работы доменных печей и агрегатов жидкофазного восстановления железа. Показаны возможности расчётного анализа эффективности процессов жидкофазного восстановления....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
Дата:2008
Автори: Тараканов, А.К., Иващенко, В.П., Бобровицкий, С.В.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України 2008
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/22267
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:Математические модели для оптимизации процессов выплавки чугуна / А.К. Тараканов, В.П. Иващенко, С.В. Бобровицкий // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2008. — Вип. 16. — С. 139-147. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859655645992583168
author Тараканов, А.К.
Иващенко, В.П.
Бобровицкий, С.В.
author_facet Тараканов, А.К.
Иващенко, В.П.
Бобровицкий, С.В.
citation_txt Математические модели для оптимизации процессов выплавки чугуна / А.К. Тараканов, В.П. Иващенко, С.В. Бобровицкий // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2008. — Вип. 16. — С. 139-147. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
description Приведено краткое описание математических моделей, предназначенных для автоматизированного поиска оптимальных режимов работы доменных печей и агрегатов жидкофазного восстановления железа. Показаны возможности расчётного анализа эффективности процессов жидкофазного восстановления.
first_indexed 2025-12-07T13:39:34Z
format Article
fulltext 139 УДК 669.16:51.001.57 А.К.Тараканов, В.П.Иващенко, С.В.Бобровицкий МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА Национальная металлургическая академияУкраины Приведено краткое описание математических моделей, предназначенных для автоматизированного поиска оптимальных режимов работы доменных печей и агрегатов жидкофазного восстановления железа. Показаны возможности расчёт- ного анализа эффективности процессов жидкофазного восстановления. Модели для автоматизированного поиска оптимальных режимов ра- боты доменных печей. Автоматизированный поиск оптимальных режимов работы доменных печей является в настоящее время наиболее важным и актуальным на- правлением в автоматизации управления доменным процессом. Доменный процесс представляет собой сложную многофакторную систему, качество функционирования которой определяется как внешни- ми условиями (составом шихты, параметрами дутья, конструктивными особенностями оборудования печи), так и технологическими аспектами доменной плавки (методами управления тепловым, шлаковым, газодина- мическим режимами плавки), что требует комплексной оптимизации до- менного процесса. В настоящее время каждому металлургическому предприятию прихо- дится самостоятельно решать вопросы оптимизации состава шихты, в том числе и по экономическим критериям, оценивать рациональность исполь- зования различных добавок к дутью, определять стратегию дальнейшего совершенствования доменной технологии. С другой стороны, менее ста- бильные внешние условия плавки приводят всё чаще к значительным от- клонениям текущих технологических режимов работы доменных печей от оптимальных. Поэтому в современных условиях резко возросла потреб- ность в использовании автоматизированных систем комплексной оптими- зации условий работы доменных печей и методов оперативного управле- ния технологическим режимом доменной плавки. Для облегчения решения названной проблемы в Национальной метал- лургической академии Украины разработана диалоговая система «ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР ДОМЕНЩИКА», предназначенная для автоматизированного поиска рациональных в конкретных условиях плавки базовых режимов работы доменной печи, выполнения основных технологических расчётов, повышения квалификации операторов– технологов. Система реализуется на базе персонального компьютера, не требует наличия устройств связи с объектом (доменной печью), ориентирована на 140 пользователя–технолога, не имеющего больших навыков работы с ЭВМ. Использование системы позволяет технологу–доменщику путём проведе- ния модельных и технологических расчётов эффективно приближать те- кущие режимы плавки к оптимальным для данных условий и этим реали- зовывать наиболее значительный резерв улучшения технико– экономических показателей работы доменных печей за счёт технологиче- ских мероприятий. Система открывает перспективы быстрого расширения использования ЭВМ, расчётных методик и математических моделей в доменном производстве. Приведём краткую характеристику функций ос- новных её подсистем: Подсистема «ШИХТА» осуществляет расчётный поиск такого состава рудной части шихты, который с учётом показателей качества и цены каж- дого потенциально наличного материала, а также влияния качества шихты на расход кокса обеспечивает минимальную себестоимость выплавляемо- го чугуна и при этом удовлетворяет всем накладываемым пользователем ограничениям. Подсистема «ЗАГРУЗКА» обеспечивает математическое моделирова- ние загрузки шихтовых материалов в доменную печь при использовании различных модификаций конусных и бесконусных загрузочных уст- ройств, расчёт расположения слоёв шихты, значений рудных нагрузок на кокс и основности шихты в заданных кольцевых зонах колошника. Подсистема «ШЛАК» позволяет производить с помощью математиче- ской модели оценку основных свойств шлака заданного состава, а также осуществляет автоматизированный выбор состава шихты из имеющихся материалов для достижения заданной основности и оптимизации свойств шлака. Подсистема «ДУТЬЁ» реализует расчёт по заданным параметрам ду- тья комплексных технологических параметров дутьевого режима домен- ной плавки (теоретической температуры горения топлива, скорости исте- чения дутья, мощности потока дутья, полной энергии горнового газа, объ- ёма образующегося за минуту фурменного газа), а также производит рас- чётный выбор значений параметров дутья, обеспечивающих поддержание группы комплексных параметров на заданном оптимальном уровне. Подсистема «РАСЧЁТ» позволяет производить расчёты: задувочных шихт; текущих показателей работы доменной печи; приведенных к оди- наковым условиям производительности печи и удельного расхода кокса. Подсистема «ТРЕНАЖЁР» обеспечивает правдоподобную имитацию в ускоренном масштабе времени технологического режима плавки любой доменной печи, работающей в конкретных условиях, и позволяет выраба- тывать у технологов единообразные правильные подходы к оперативному управлению тепловым и газодинамическим режимами доменной плавки. Программы диалоговой системы являются унифицированными, одна- ко требуют адаптации некоторых математических моделей к условиям 141 работы конкретных доменных печей и корректировки используемой нормативно–справочной информации. Использование разработанных программ возможно, прежде всего, технологами на доменных печах, что позволяет значительно расширить возможности расчётного анализа параметров плавки мастерами и газов- щиками печей и повысить уровень их квалификации. Важными и полезными эти программы могут быть для руководителей доменных цехов и технических служб металлургических предприятий, поскольку они дают возможность анализировать и обоснованно выбирать наиболее рациональные условия и режимы работы доменных печей. В учебном процессе при подготовке или повышении квалификации специалистов–металлургов использование программ диалоговой системы «Персональный компьютер доменщика» позволяет индивидуализировать, конкретизировать и значительно углубить изучение вопросов, связанных с технологией доменной плавки. Модели для выбора оптимальной технологии жидкофазного восста- новления железа Процессы жидкофазного восстановления железа (ПЖВ), хотя и не вышли пока на стадию промышленного использования, имеют реальную перспективу заменить в будущем частично или полностью традиционную коксо–агло–доменную технологию, поскольку имеют перед ней неоспо- римые преимущества. Эти процессы не требуют дефицитного коксующе- гося угля, природного газа и окускованного железорудного сырья и могут перерабатывать безо всяких ограничений любые техногенные отходы, хотя наиболее перспективным сырьём является железорудный концен- трат. Кроме качественного чугуна, процессы жидкофазного восстановле- ния дают возможность вырабатывать в значительном количестве электро- энергию, что главным образом и обеспечивает более низкую себестои- мость выплавляемого чугуна по сравнению с чугуном доменным [1–3]. Организация процессов жидкофазного восстановления сводится к следующему. Железосодержащие материалы подаются в шлаковую ванну самотеком или вдуваются газом. Они растворяются в шлаке. Оксиды же- леза восстанавливаются из шлака углеродом угля, который также подает- ся в ванну самотеком или вдувается. Для интенсификации тепло- и массо- обмена осуществляют барботаж шлаковой ванны окислительным газом, который вдувают под поверхность шлака. Из шлакового расплава выделя- ется газ, содержащий CO и H2. Газ дожигается верхним дутьем. Теплота дожигания в наибольшей мере обеспечивает теплопотребность процессов, идущих в шлаковой ванне. Ключевым элементом эффективной организа- ции процесса является активный теплообмен между зоной дожигания и шлаковой ванной. В процессах типа Romelt u Ausiron, где весь уголь подаётся на по- верхность шлака, основная его масса остаётся в поверхностном слое шла- 142 ковой ванны. Лишь мелкие частицы угля вовлекаются при барботаже шлака в основной объём шлаковой ванны [4]. При этом поддержание вы- сокой температуры в реакционной зоне за счёт сжигания части угля в ки- слородном барботажном дутье в глубине шлаковой ванны нереально, хотя это и декларируется авторами процесса Romelt [5,6]. Во всплывающие пузыри воздуха могут вытесняться из шлака кусочки не смачиваемого им угля, но за 1–3 секунды времени всплывания пузыря уголь может сгореть лишь в очень небольшой степени. В процессе HIsmelt кусковый уголь не подаётся в шлаковую ванну. Пылеугольное топливо вдувается вместе с железорудными материалами в чугун, обеспечивая его активное науглероживание [7]. Восстановление железа здесь идёт за счёт углерода чугуна не в микрообъёмах на поверх- ности кусочков угля, а в контролируемой реакционной зоне, формируе- мой при продувке. Благодаря этому, интенсивность восстановления воз- растает, а процесс становится устойчивым и более управляемым, хотя достигается это за счёт усложнения не только подготовки угля и железо- рудной шихты, но также конструкции агрегата и условий его эксплуата- ции. К настоящему времени практически все разумные варианты реализа- ции процессов жидкофазного восстановления не только предложены, но и испытаны в виде крупномасштабных полупромышленных установок. Анализ результатов испытаний различных процессов, опубликованных в литературе, наши собственные аналитические расчеты на основе балансов и математических моделей, а также выявленные количественные ограни- чения для каждого из процессов позволяют обосновать для любых кон- кретных условий оптимальную конструкцию агрегата ПЖВ и оптималь- ную технологическую схему процесса. В качестве критерия оптимизации можно использовать удельное энергопотребление на выплавку чугуна, но поскольку ПЖВ обеспечивает выработку значительного количества электроэнергии, наиболее логичным и естественным показателем для решения оптимизационной задачи явля- ется себестоимость чугуна с ограничениями по объёму капиталовложе- ний. Выбор оптимального режима базируется на математической модели процесса жидкофазного восстановления. Разработанная в НМетАУ мо- дель построена на материальном и тепловом балансах процесса. Посколь- ку главным в модели является расчёт требуемого расхода угля на выплав- ку единицы чугуна, ключевой элемент модели – это анализ тепловой ра- боты агрегата ПЖВ. Для универсализации модели предусматривается возможность использования нагретого дутья и подачи угля как на поверх- ность шлака, так и в глубину шлаковой ванны в виде пылеугольного топ- лива совместно с окислителем. Кроме того, для обеспечения возможности практически полного дожигания в рабочем пространстве агрегата ПЖВ угля, подаваемого на поверхность шлака, в случае, если заданная степень 143 дожигания превышает 70% (это предельно возможная степень дожигания топлива в однованных агрегатах типа Romelt и Ausiron) предусматривает- ся переход на моделирование ПЖВ в двухванном агрегате. При этом пер- вая по ходу шихты ванна предназначена для плавления и частичного вос- становления железорудных материалов при полном дожигании отходя- щих газов, а вторая ванна, куда подаётся уголь, – для окончательного вос- становления до железа за счёт углерода угля с частичным дожиганием выделяющихся газов. Возможность предварительного нагрева и сушки шихты не предусматривается, поскольку такой вариант, как показали на- ши проработки и расчёты, является технически слишком сложным и эко- номически нецелесообразным. Моделирование начинается с расчёта удельного расхода шихты по балансу железа, а также количества и состава первичного расплава. Затем рассчитывается зональный тепловой дефицит процесса, включая затраты теплоты на испарение и нагрев влаги шихты и топлива, на восстановление углеродом оксидов железа, на нагрев до заданных температур шлака и чугуна. Удельный расход угля на выплавку чугуна вычисляется по балансу теплоты с учётом дополнительного расхода углерода угля на восстанов- ление оксидов железа и науглероживание чугуна, а также возможного уноса угольной пыли с дымовыми газами. Баланс теплоты учитывает теп- лосодержание нагретого дутья, унос теплоты отходящими газами и, есте- ственно, потери теплоты на охлаждение агрегата. На каждом этапе горе- ния рассчитываются состав образующихся газов и химическая теплота продуктов неполного горения. Суммарное теплосодержание отходящего дыма (физическое + химическое) используется в дальнейшем для расчёта количества вырабатываемой электроэнергии. КПД электрогенерирующего комплекса принимается, исходя из расчёта возможности использования парогазового цикла в связи с составом отходящего газа. Результаты решения задачи выбора оптимальных параметров процес- са жидкофазного восстановления железа зависят главным образом от на- кладываемых ограничений и соотношения цен на различные энергоноси- тели. На рис.1–6 показаны для примера результаты расчёта себестоимости чугуна, выплавляемого по технологии, близкой к технологиям Romelt и Ausiron, при использовании железорудного концентрата, концентрата то- щих углей, разделяемого на фракции и частично вдуваемого в шлак, а также нагретого дутья. Варьирование значений отдельных параметров осуществлялось здесь при поддержании на постоянном базовом уровне значений других параметров, в частности: степени дожигания газа в рабо- чем пространстве печи 0.5; температуры дутья 1000 0С; содержания ки- слорода в дутье 21%. Диапазон изменения расхода угля для всех просчи- танных вариантов составил от 740 кг/т чугуна до 1100 кг/т чугуна. Влияние на себестоимость чугуна вида железорудного сырья – не очень существенное в условиях Украины. Себестоимость выплавляемого 144 чугуна при использовании почти бесплатных шламов оказывается даже несколько выше, чем при использовании железорудных концентратов, так как экономия на сырье значительно перекрывается стоимостью угля, рас- ходуемого в большем количестве из-за более высокого удельного выхода шлака и большей влажности шламов. 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Степень дожигания С еб ес то им ос ть ч уг ун а, U SD /т 40 USD/т 50 USD/т 60 USD/т Стоимость угля: Рис.1. Зависимость себестоимости чугуна от степени дожигания газа в рабочем пространстве агрегата ПЖВ при разных ценах на уголь 75 85 95 105 115 125 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Степень дожигания С еб ес то им ос ть ч уг ун а, U SD /т 30 USD/МВт*ч 50 USD/МВт*ч 70 USD/МВт*ч Стоимость электоэнергии: Рис.2. Зависимость себестоимости чугуна от степени дожигания газа в рабочем пространстве агрегата ПЖВ при разных ценах на электроэнергию При существующем в настоящее время соотношении цен на уголь и электроэнергию снижение степени дожигания газа в рабочем пространст- ве агрегата от 0.4 до минимально допустимого и повышение концентра- ции кислорода в горячем дутье от 23 % до 25 % значительно понижают 145 потенциальную себестоимость чугуна в связи с возможным при этом пе- реходе с парового на парогазовый цикл производства электроэнергии. 75 85 95 105 115 125 135 21 23 25 27 29 31 33 35 Содержание кислорода в дутье, % С еб ес то им ос ть ч уг ун а, U SD /т 30 USD/МВт*ч 50 USD/МВт*ч 70 USD/МВт*ч Стоимость электроэнергии: Рис.3. Зависимость себестоимости чугуна от содержания кислорода в дутье при разных ценах на электроэнергию 75 85 95 105 115 125 135 21 23 25 27 29 31 33 35 Содержание кислорода в дутье, % С еб ес то им ос ть ч уг ун а, U SD /т 40 USD/т 50 USD/т 60 USD/т Стоимость угля: Рис.4. Зависимость себестоимости чугуна от содержания кислорода в дутье при разных ценах на уголь При существенном снижении цены на вырабатываемую электроэнер- гию, что неизбежно, если её продавать электрораспределяющим компани- ям, а не потреблять на собственные нужды, сокращая тем самым расход покупной электроэнергии, повышение концентрации кислорода в дутье и изменение степени дожигания газа слабо влияют на себестоимость чугу- на. Увеличение температуры дутья экономически выгодно при любых си- туациях. При этом снижение себестоимости чугуна больше при высокой 146 цене на уголь (рис.5) и при низкой цене на вырабатываемую электроэнер- гию (рис.6). 80 85 90 95 100 105 110 800 850 900 950 1000 1050 1100 Температура дутья, C С еб ес то им ос ть ч уг ун а, U SD /т 40 USD/т 50 USD/т 60 USD/т Стоимость угля: Рис.5. Зависимость себестоимости чугуна от температуры дутья при разных ценах на уголь 80 85 90 95 100 105 110 115 120 800 850 900 950 1000 1050 1100 Температура дутья, C С еб ес то им ос ть ч уг ун а, U SD /т 30 USD/МВт*ч 50 USD/МВт*ч 70 USD/МВт*ч Стоимость электроэнергии: Рис.6. Зависимость себестоимости чугуна от температуры дутья при разных ценах на электроэнергию Работа агрегатов жидкофазного восстановления может быть макси- мально эффективной рядом с доменными печами, так как в этом случае можно легко осуществить нагрев дутья за счёт доменного газа, что позво- ляет существенно уменьшить удельный расход угля и в значительной ме- ре сократить расход технического кислорода. Минимизировать капитальные затраты на создание промышленных агрегатов жидкофазного восстановления железа можно, если строить их на базе выводимых из эксплуатации неэффективных доменных печей с 147 максимальным использованием их инфраструктуры: воздуходувок, возду- хопроводов, газопроводов, воздухонагревателей, литейных дворов, газо- очисток, шихтоподач, железнодорожных путей, а также электрогенери- рующих мощностей ТЭЦ. Вполне возможно в конструкциях агрегата ПЖВ ограничиться использованием в основном существующего хорошо освоенного оборудования доменных печей и кислородных конвертеров. Выводы 1. Диалоговые системы, созданные на основе математического моде- лирования отдельных сторон доменного процесса, обеспечивают возмож- ность приближения текущих режимов доменной плавки к оптимальным. 2. Модельные расчёты доказывают, что в условиях Украины выплавка чугуна в агрегатах жидкофазного восстановления – значительно выгод- нее, чем в доменных печах. 3. Наиболее рациональным является освоение технологии жидкофаз- ного восстановления железа в действующих доменных цехах при исполь- зовании доменного газа для нагрева дутья и практически всей инфра- структуры выводимых из эксплуатации доменных печей. 1. Роменец В.А. Новые перспективы производства металла: состояние и пер- спективы //Металлург. – 2001. – №11.– С.30–38. 2. Курунов И.Ф., Савчук Н.А. Состояние и перспективы безкоксовой металлур- гии железа. – М.: Черметинформация, 2002. – 198 с. 3. Тараканов А.К., Иващенко В.П. Тенденции и перспективы развития производ- ства чугуна в Украине //Сталь. – 2002. – №8. – С.13–16. 4. Поведение угля в шлаковой ванне печи Ромелт / А.В.Баласанов, А.Б.Усачёв, В.Е.Лехерзак и др. // Известия ВУЗов. Чёрная металлургия.– 1999.– №7.– С.12–17. 5. Роменец В.А. Процесс жидкофазного восстановления железа: разработка и реализация // Сталь. – 1990. – №8. – С.20–27. 6. Исследование системы шлак–уголь–металл в печи Ромелт / А.Б.Усачёв, А.В.Баласанов, В.Е.Лехерзак и др. // Известия ВУЗов. Чёрная металлургия. – 1997. – №11. – С.6–9. 7. Bates P., Coard A. HIsmelt, the future in ironmaking technology. Proceedings of the 4-th European Coke and Ironmaking Congress – June 19–22, 2000. – Paris, France. –Vol.2. – P.597–602. Сведения об авторах: Тараканов Аркадий Константинович, докт.техн.наук., профессор, заведующий кафедрой металлургии чугуна Национальной металлургической академии Украи- ны; Иващенко Валерий Петрович, докт.техн.наук, профессор, Первый проректор Национальной металлургической академии Украины
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-22267
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn XXXX-0070
language Russian
last_indexed 2025-12-07T13:39:34Z
publishDate 2008
publisher Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України
record_format dspace
spelling Тараканов, А.К.
Иващенко, В.П.
Бобровицкий, С.В.
2011-06-20T22:46:19Z
2011-06-20T22:46:19Z
2008
Математические модели для оптимизации процессов выплавки чугуна / А.К. Тараканов, В.П. Иващенко, С.В. Бобровицкий // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2008. — Вип. 16. — С. 139-147. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
XXXX-0070
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/22267
669.16:51.001.57
Приведено краткое описание математических моделей, предназначенных для автоматизированного поиска оптимальных режимов работы доменных печей и агрегатов жидкофазного восстановления железа. Показаны возможности расчётного анализа эффективности процессов жидкофазного восстановления.
ru
Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України
Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
Приветствия
Математические модели для оптимизации процессов выплавки чугуна
Article
published earlier
spellingShingle Математические модели для оптимизации процессов выплавки чугуна
Тараканов, А.К.
Иващенко, В.П.
Бобровицкий, С.В.
Приветствия
title Математические модели для оптимизации процессов выплавки чугуна
title_full Математические модели для оптимизации процессов выплавки чугуна
title_fullStr Математические модели для оптимизации процессов выплавки чугуна
title_full_unstemmed Математические модели для оптимизации процессов выплавки чугуна
title_short Математические модели для оптимизации процессов выплавки чугуна
title_sort математические модели для оптимизации процессов выплавки чугуна
topic Приветствия
topic_facet Приветствия
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/22267
work_keys_str_mv AT tarakanovak matematičeskiemodelidlâoptimizaciiprocessovvyplavkičuguna
AT ivaŝenkovp matematičeskiemodelidlâoptimizaciiprocessovvyplavkičuguna
AT bobrovickiisv matematičeskiemodelidlâoptimizaciiprocessovvyplavkičuguna