Металлургическая и горнорудная промышленность. 2002. №10. С. 98—100.

Математическое моделирование процессов для АСУ выплавки и разливки стали в системе стабилизации качества заготовок МНЛЗ

В.Г. Скрябин

Донецкий государственный технический университет
г. Донецк, Украина

Существующий контроль химического состава, температуры стали и режимов технологии, их оперативная корректировка недостаточны для стабилизации качества непрерывнолитых заготовок (НЛЗ). Недостающую информацию о состоянии металла дает математическое моделирование текущих тепловых и физико-химических процессов. Применение на БМЗ и ММЗ автоматического проектирования работы устройств агрегатов при выплавке и внепечной обработке стали под управлением системы ОРАКУЛ, разработанной на основе математических моделей расчета и визуализации текущих средней температуры, химического состава металла, решения условных задач минимизации функций себестоимости улучшило технико-экономические показатели (уменьшение длительности работы под током до 7 мин., удельного расхода электроэнергии до 100 кВтч/т и др.), стабилизировало необходимые состав и температуру стали перед разливкой. Совместно с управлением расходами воды в секциях вторичного охлаждения на основе математического моделирования текущих температур поверхности по длине, периметру и поперечному сечению слитка стабилизирует качество непрерывнолитых заготовок.

Многофакторная зависимость образования дефектов, недостаток контролируемых параметров делает стабилизацию требуемого качества НЛЗ сложной задачей. Ее упрощения можно достичь с привлечением рассчитываемых текущих параметров при математическом моделировании сталеплавильных процессов для предварительного проектирования графика и режимов работы устройств основных агрегатов, автоматического управления ими и автоматизированного ведения выплавки, раскисления, внепечной обработки и разливки стали.

Математические модели в алгоритмах и программах системы ОРАКУЛ разработаны на основе фундаментальных термодинамических и физико-химических закономерностей. При автоматическом ведении плавки в ДСП с использованием этой системы входами моделей является текущая информация о количествах всех видов материалов, газов и электроэнергии, поступающих в печь.

С периодичностью, например 5 секунд, рассчитываются выходные переменные текущих материального и теплового балансов, средняя температура металла, доля расплавленного металлолома, которые используются для моделей прогноза текущих масс и химических составов расплавов стали и шлака. Модели имеют алгоритмы адаптации по замерам температуры и химическому составу проб и алгоритмы самонастройки. Из нескольких сотен можно выбрать интересующие переменные и визуализировать их динамику на мониторе. С помощью этих моделей осуществляется предварительное проектирование графиков и режимов работы всех устройств ДСП для автоматического ведения плавки по принятой или задаваемой технологии, целевого химического состава стали сразу после получения информации о массе металлолома по видам, загруженного во все бадьи. При автоматическом ведении плавки проект выдает управляющие сигналы всем устройствам печи (переключение ступеней напряжения, набор материалов из бункеров и отдача их в печь, режимы работы ТКГ и продувочных фурм). Система ОРАКУЛ установлена на ДСП-1 БМЗ, а ее усовершенствованная версия — на ДСП-2 ММЗ. При работе системы ОРАКУЛ, например на ДСП-2 ММЗ, для разных групп марок сталей снижены длительность работы печи под током на 7 мин, удельный расход электроэнергии от 1.8 кВтч/т до 100 кВтч/т, удельные расходы извести в среднем на 5.4 кг/т, а порошкообразного коксика — на 1.9 кг/т, увеличен выход годного на 1.2 т — 9.6 т. Эти показатели свидетельствуют о преимуществе расчетов перед обычно применяемыми управленческими решениями ведения плавки.

Автоматическое ведение плавки с использованием системы ОРАКУЛ, кроме экономической эффективности, стабилизировало по группам марок сталей содержание фосфора, азота и окисленность стали.

Система ОРАКУЛ решает задачу оптимизации расхода материалов в ковш с гарантией состава и окисленности стали перед выпуском. Решением задачи на минимизацию специально составленной функции с наложением на переменные ограничений по составу, стоимости ферросплавов и материалов, целевому химическому составу стали, типу НВ является марки и количество ферросплавов и материалов, порядок и последовательность их подачи в ковш при выпуске металла. Набор ферросплавов и материалов в промежуточные бункера и присадку их в ковш система ОРАКУЛ может вести в автоматическом режиме, сопровождая его расчетом и визуализацией температуры, изменяющегося химического состава металла и шлака, количества образующихся НВ с учетом фактической скорости наполнения ковша и, соответственно, развития вторичного окисления стали.

Оптимизация режима раскисления и легирования стали на сливе обеспечивает попадание в заданные химический состав по нижнему пределу, температуру и исключает недораскисленность металла в начале внепечной доводки, что позволяет уменьшить длительность обработки на печи-ковше (ПК) и стабилизировать перед разливкой более низкую концентрацию НВ. При необходимости частичного снижения содержания серы система рассчитывает количество подаваемых в ковш десульфурирующих материалов. Тепловая модель рассчитывает температуру металла в ковше на отстое перед обработкой на ПК.

С целью автоматического ведения доводки на ПК для коррекции температуры, химического состава, науглероживания, десульфурации, снижения содержания газов и НВ система ОРАКУЛ предварительно проектирует работу всех устройств печи-ковша (трансформатор, продувка аргоном, система отдачи ферросплавов и сыпучих, трайб-аппараты) с оптимизацией технико-экономических показателей, например минимизацию стоимости, с нахождением технологических параметров доводки в заданных на них ограничениях. Проектируется минимально необходимое время доводки на печи-ковше или при его удлинении в случае неготовности МНЛЗ к разливке оптимальный вариант технологии обработки. Процесс ведется в автоматическом режиме управления устройствами ПК с регистрацией и визуализацией хода процессов и результатов расчета системы (температуры, химического состава). На входы моделей подается текущая информация о поступающих в ковш материалах, энергии и в случае возникающих отклонений осуществляется оперативная коррекция технологического процесса.

Автоматическое ведение доводки на ПК под управлением системы ОРАКУЛ уменьшает (исключает) принятие интуитивно-профессиональных решений, стабилизирует качество стали от плавки к плавке, гарантирует заданный химический состав и температуру металла перед началом разливки.

В камерном вакууматоре при вакуумной и вакуумно-аргонной обработке стали протекают процессы дегазации и восстановления углеродом НВ, при вакуумно-кислородной — обезуглероживания. Математическое моделирование этих процессов позволяет по исходному и целевому химическому составу и начальной температуре стали спроектировать оптимальные график и режимы вакуумной обработки, сопровождать его расчетом и визуализацией, в том числе по содержанию водорода, азота, НВ, а, например, при обезуглероживании высокохромистого металла — минимальных потерь хрома в шлак.

Основными входами модели непрерывной разливки стали являются расчетная температура разливаемого металла, скорость разливки, расходы охлаждающей воды в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения. Модель рассчитывает текущие температуру поверхности и толщину твердой корочки по длине слитка, глубину жидкого металла и продолжительность полного затвердевания слитка, распределение температуры по поперечному сечению слитка, рациональные режимы расходов воды по секциям, снижающие неравномерность температурного поля по длине и периметру слитка вдоль зоны вторичного охлаждения, как причину возникновения растягивающих напряжений и образования трещин; максимально возможную скорость вытягивания заготовки для предотвращения образования внутренних трещин.

Опыт заводов БМЗ и ММЗ показал, что установление и применение автоматизированной системы управления на основе математического моделирования дают экономию электроэнергии, материалов, увеличение производительности, уменьшение брака, а затраты окупаются за период от нескольких месяцев до одного года.

Поблочное введение и применение АСУ ТП последовательно для всех основных агрегатов имеет перспективу развития. На основе математических моделей и блоков АСУ можно разработать автоматическое проектирование согласованного графика и режимов работы всех агрегатов сталеплавильного производства с коррекцией проекта в случаях непредвиденных отклонений от него, а затем автоматизированную систему планирования и управления производством.