Реконструкція електросталеплавильного цеху ТОВ "Електросталь" з метою збільшення продуктивності до 1 мільйона тонн і підвищення якост

 

      9.1 Вимірювання температури в технологічних періодах

 

     Для теплового режиму процесу плавки сталі в дугових сталеплавильних  печах (ДСП) пріоритетне значення має  наявність безперервного способу  оцінки температурного стану розплаву в заключний період плавки. У цьому випадку ведення процесу плавки стає прогнозованим, що дозволяє отримати задану марку сталі з мінімальними енергетичними затратами.

     Інтенсивний розігрів внутрішньої поверхні вогнетривкої кладки в районі горіння дуг в  окислювальний період, незважаючи на наявність водоохолоджуваних панелей і спінення шлаку, змушує зменшувати подводимую ДСП енергетичну потужність. Це призводить до сповільнення фізико-хімічних процесів, що відбуваються в розплаві, і збільшення тривалості плавки.

     У будь-якої виробничої ситуації для підтримки раціонального теплового режиму електродугового плавки необхідна безперервна поточна інформація про значення температури металу і шлаку в поточний момент плавки.

     Реально в ЕСПЦ складаються директивні вказівки, (технологічні інструкції) регламентують температурний режим і відповідний цьому режиму підведення електричної потужності до печі і регламентовані витрати природного газу та кисню на пальники при виплавці певної марки стали по заданому програмному профілю.

     Помітний вплив на тепловий режим при виплавки сталі в сучасних ДСП надають різні способи інтенсифікації технологічного теплового процесу.

     Складність  теплових і технологічних процесів, відсутність надійного простого безперервного контролю температури  металу створюють значні проблеми при розробці математичних моделей теплового або температурного режимів в рідкі періоди електродугової плавки. Як правило, існуючі математичні моделі температурного режиму електроплавкі є розрахунково-статистичними, тобто статичними по своїй суті і не дозволяють ефективно і цілеспрямовано змінювати параметри енергетичного режиму в динаміці по ходу процесу виплавки стали в ДСП.

 

9.2 Модель розрахунку середньої температури металу в надпотужній ДСП та її застосування в АСУТП

 

      Автоматичне управління технологічними процесами виплавки може бути здійснено за рахунок застосування математичних моделей розрахунку поточних температури, хімічного складу, мас металу і шлаку. Прикладом такої системи є ОРАКУЛ, де математичні моделі синтезовано на основі балансових і фундаментальних фізико-хімічних, термодинамічних залежностей. У цій системі можна виділити три основних взаємопов'язаних інтелектуальних модуля:

• Проектування технологічного процесу (МПТП);
• Прогноз хімічного складу (МПХС);
• Розрахунок середньої температури металу (МРСТ).

      Вхідними  змінними моделей є витрати всіх видів матеріалів та енергоносіїв (лом, гази, електроенергія, шлакоформуючі  та ін.), що надходять в ДСП. На основі заданої (прийнятої) технології відразу ж після надходження інформації про марку сталі і брухті, що застосовується. Модель Проектування Технологічного Процесу проектує режим ведення плавки, розраховуючи графіки роботи пристроїв печі і віддачі матеріалів. На підставі розрахованих графіків здійснюється видача керуючих сигналів всіх пристроїв печі (тракт сипучих матеріалів, паливно-кисневі пальники, фурми, система трансформатор-регулятор, механізм нахилу печі). По ходу плавки Моделі Проектування Технологічного Процесу доступна поточна розрахункова інформація від Моделі Прогнозу Хімічного Складу і Моделі Розрахунку Середньої Температури металу, на підставі якої відстежується відповідність проекту фактичних режимів ведення плавки. Модуль проектування постійно враховує виникають відхилення фактичних графіків роботи механізмів і пристроїв від заданого і здійснює перерахунок проекту, прагнучи забезпечити раціональну траєкторію переведення системи метал - шлак - газ з поточного стану в заданий.

 

      Модель  Прогнозу Хімічного Складу визначає поточні хімічний склад і маси розплавів металу і шлаку, використовуючи для цього результати роботи Моделі Розрахунку Середньої Температури металу. За певний проміжок часу розрахувати приріст температури розплаву в печі, а потім і його середню температуру, можна з відношення поглиненої їм порції тепла до сумарної теплоємності металу і шлаку. Приріст тепла можна визначити з рівняння поточного теплового балансу, як різницю між вступником в піч теплом (прихід) і йдуть з печі (витрата). До прибуткової частини відноситься електрична енергія і екзотермічне тепла хімічних реакцій, а до видаткової - тепло ендотермічних процесів, теплові втрати, тепло уносимое відходять газами і скачуваним шлаком. Для цього потрібно визначати поточні маси відпрацьованого газу, завантаженого і залишається шлаку, окислилися елементів, стали. Тому, очевидно, що паралельно з тепловим балансом необхідно розраховувати поточний матеріальний баланс.

      З метою досягнення прийнятної похибки  розрахунку температури, наприклад, менш 10оС, бажано синтезувати модель максимально  детермінованою (обмеженою). Разом з тим, не можна уникнути стохастичності (непередбачуваності, випадковості) через низку не вимірюваних параметрів:

• Відмінності в хімічному складі і питомої теплоти плавлення видів металобрухту;
• Віддача і поглинання тепла футеровкой печі;
• Маса "болота" металу і шлаку;
• Поточні кількості викачуваного шлаку і просасивается через піч повітря,
• Теплові втрати,
• Коефіцієнти використання коксика, кисню, природного газу.

      Цим пояснюється те, що в розробленій  математичній моделі необхідно ідентифікувати і налаштовувати для конкретної ДСП параметри, що враховують зазначені вище невизначеності.

      Єдиним  параметром, за допомогою якого можна  визначити адекватність моделі об'єкту - замір температури, але відхилення значень вимірюваної температури від істинної середньої температури у ванні металу неминучі через нестаціонарності по ряду причин (через велику різниці температур між електричною дугою і подиною печі, нестаціонарності перемішування металу, місця вводу в піч матеріалів, місця розташування спаю термопари при вимірі та ін). При введенні в експлуатацію Моделі Розрахунку Середньої Температури металу за певним алгоритмом були оцінені відхилення виміряних температур від невідомої середньої температури рідкого металу в ДСП.

      Для оцінки відхилень (неоднорідність ванни) вимірянні температури були порівняні з розрахунковою поточною середньої температурою металу, як наибільш близькою до невідомої істинною. Температура розраховувалася з початку плавки з кроком 5 секунд в математичній моделі (МРТ) з урахуванням введених в піч електроенергії, всіх матеріалів і теплових втрат.

      МРТ функціонувала в режимі реального  часу без алгоритмів самонастройки. Відкинули плавки з одним виміром  температури. Виключили виміри очевидно недостовірні по швидкості нагріву  від введеної в піч енергії (наприклад, 1825 ° С). На графіку заміряних температур (tз) від питомої по масі металобрухту енергії, на відміну від розрахованних температур (tp), зростаючої залежності не спостерігається. З графіків залежностей tз і tp від введеної енергії визначили, що для частини плавок tз і tp задовільно узгоджуються в межах 10 °С, для іншої частини tз, були зміщені щодо tр, на різну величину - позитивну і негативну.

      Для компенсування неточності маси металозавалки для кожної плавки по одному алгоритму усунули зсуви, тобто центрували розрахункові температури (t_рс) відносно температур, що були замірені. Різниця (t_з-t_pc) в залежності від питомої (по масі металобрухту) повної (електрична, хімічна) енергії (WS/M), яка була розраховна в МРТ, представлена на рисунку. Для ДСП-2 Молдавського металургійного заводу такі відхилення (послідовність з 117 плавок), з бажаною величиною менне 8^оС, спостерігали усього лише на 37,6% плавок (з числом замірів від 2 до 5 на одній плавці). Кількість таких замірів склало 49,5%. Відзначені і и максимальні відхилення -57,9^оС и 57,5^оС. Для ДСП-1 Белоруського металургійного заводу (послідовність з 65 плавок),  відхилення менше 8^оС були на 10,8% плавок (з числом замірів от 2 до 9 на одній плавці). Кількість таких замірів склало 43,8%. Максимальні відхилення -62^оС и 63,4^оС.

      Рисунок 9.1 – Залежність різності температур від розрахункової повної питомої енергії для ДСП-1 БМЗ (а) и ДСП-2 ММЗ (б)

      Температурна  неоднорідність ванни рідкої сталі  в період доведення може бути 60^оС, а кількість недостовірних вимірів складає більше 50%.

      Причиною  зміни зсуву розрахованої температурної  кривої щодо виміряної від плавки до плавки може бути і невідповідність  надходить про масу металобрухту і фактичним значенням. Помилка  у вимірі маси брухту на 1т зміщує розраховану температуру приблизно на 10оС.

      У зв'язку зі згаданою стохастичність об'єкта, недостовірністю деяких вимірів  температури, похибкою в масі металлозавалки в Моделі Розрахунку Середньої Температури  введено блок адаптації розраховується температури по вимірах (БАТ). В БАТ встановлюється достовірність виміряної температури і після виконання умов по ряду критеріїв коригується тепловий баланс і відповідно розрахована температура.

      Деякі параметри технології і зовнішнього  середовища можуть бути нестаціонарними, тобто змінюватися в часі. Тоді розраховані температури в Моделі Розрахунку Середньої Температури можуть виявитися систематично зміщеними відносно виміряних температур. В таких випадках, щоб не виконувати періодичну настройку параметрів, в Моделі Розрахунку Середньої Температури введено блок самонастройки моделі, який через задану кількість плавок плавно ліквідує вплив виникла нестаціонарності.

      За  результатами введення в експлуатацію МРСТ і його застосування в складі АСУТП ДСП-1 БМЗ і ДСП-2 ММЗ помилка  розрахунку температури в 90% випадків не перевищує 1%. Це дозволяє істотно знизити необхідну кількість замірів температури, а часто випускати плавку з печі і без виміру.

      Крім  середньої температури металу, в  МРСТ розраховується маса і частка розплавленого металобрухту, за якими визначається звільнився обсяг в печі і оптимізується час подвалок. Це дозволяє зменшити тривалість плавки.

 
 

      9.3 Врахування масопереносу при обчисленні розподілу температури по глибині ванни

 

      Основні допущення:

1. Розділимо умовно ванну на дві зони – верхню (1) масою – поверхню металу і шлак, та нижню (2) масою – подина і віткоси, де – загальна маса металу, .
2. Зона 1 має температуру , зона 2 – .
3. За час відбуваються наступні події:
4. З зоны 1 виходить маса з температурою та переходить в зону 2, а з зоны 2 виходить та ж маса з температурою та переходить в зону 1.
5. Температура металла в кажній з зон вирівнюється (усереднюється).
6. Енергія поступає в зону 1.
7. Тепло розсіюється в зоне 2.

   Рисунок 9.2 Схема масопереносу при температурній неоднорідності вани.

 

      8. Втратами тепла з поверхні в даній схемі поки не враховуються - це просто зменшення надходження енергії при підвищенні температури ванни і легко враховується введенням залежності надходження енергії від температури ванни. Тоді температури металу в верхній і нижній зоні Разрешить написание латиницей по закінченні інтервалу часу складуть:

 

             , (9.1)

 

      де с – есредня теплоємність вани.

      Змінення температури зон буде визначатися виразами:

 

              (9.2)

 

      Введемо слідуючі позначення:

• швидкість нагріва (без врахування охолодждення):

 

             ; (9.3)

 
      

• швидкість охолодження (без врахування нагріву):

 

             . (9.4)

 

      тоді попередні вирази можна переписати у вігляді диффренційних рівнянь:

 

              (9.5)

 

      Віднявши одне рівняння з другого, та позначивши (перегрів поверхні вани над подиною), отримаємо звичайне диференціальне рівняння першого порядку :

 

             , (9.6)

 

      где , .

 

      Рішення цього рівняння дає слідуючу:

 

             , (9.7)

 

      де  , – постійні інтегрування.

      Якщо , то получим зависимость:

 

             . (9.8)

 

   Постійна  часу цієї залежності складає 

       . (9.9)

   При отримаємо

 

       . (9.10)

 

      Середня температура вани складає:

 

             . (9.11)

 

      Змінення  середньої температури у часі отримаємо підстановкою (9.5) в (9.11):

             , (9.12)

 

      де  q – швидкість нагріву вани, звідки