Введение к работе
Актуальность исследования. Процесс жидкофаэного восстановления (П1КВ) является наиболее перспективным способом прямого получения железа из руд, минуя доменную плавку. Принципиальными положительными особенностями реализации этого процесса в жидкой ванне является низкие требования к подготоекє железорудного сырья и восстановителя (угля), локализация восстановительного процесса в одном агрегате, минимальный расход дорогостоящей футеровки за счет использования водоохлаждаемых кессонов, а также возможность непрерывной работы плавильного - агрегата.
Вместе с тем ПЖВ обладает и определенными недостатками, устранение которых может быть реализовано в определенной степени автоматизированной системой управления (АСУ) этим процессом. К таким недостаткам можно отнести высокий расход энергоносителей, не позволяющий ему пока конкурировать с доменным производством, и возможность возникновения неустойчивы:: регнмов _ за счет вспенивания шлака, приводящих к аварийным ситуациям и экстренному останову всего процесса.
К настоящему моменту исследований в области моделирования процесса в целом и оптимизации ведения плавки в печи ПЖВ проведено недостаточно. Решение задачи улучшения технико-экономических показателей' ПІВ при устойчивой работе плавильного агрегата позволяет считать данное исследование безусловно актуальным.
Работа выполнялась в соответствии с научно-технической программой Гособраэования СССР "Управление нелинейными
динамическими объектами" по задание "9.1. Разработка опытного образца системы бинарного управления нелинейным конечномерным неустойчивым динамическим объектом в точках возникновения критических явлений".
Целью работы является выбор и реализация оптимальных технологических режимов ведения плавки, обеспечивавших устойчивую работу плавильно-восстановительного реактора и улучшение технико-экономических показателей. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
- разработка структуры математической модели процесса плавки в
жидкой ванне на базе теоретических данных о механизме
жидкофаэного восстановления железа и анализа особенностей
опытно-промышленной печи;
- создание автоматизированной системы научных исследований
(АСНИ) на опытно-промышленной установке П.ЖВ Новолипецкого
металлургического комбината (НЛМК), осуществляющей сбор,
обработку и хранение технологических данных во время
экспериментальных кампаний;
- проведение идентификации параметров математической модели ПКВ по экспериментальным данным с целью адекватного отражения реального технологического процесса;
- исследование статических и динамических свойств полученной
модели для определения диапазона изменения управляющих
воздействий, при которых достигается устойчивая работа печи ПКВ,
а также оценки характерных времен переходных процессов;
оптимизация . технологических режимов ведения плавки, позволяющих улучшить технико-экономические показатели процесса; -- проведение испытаний полученных оптимальных режимов на
опытно-промышленной печи НЛМК и разработка рекомендаций по проектирование АСУ плавкой в печи ПИВ промышленного масштаба.
Методы исследования. Теоретической и методологической основой диссертационной работы послужили труды советских и зарубежных ученых в области теории оптимального управления и процессов жидкофазного восстановления железа.
В качестве основных методов научного исследования в работе используется методы и аппарат теории моделирования, теории дифференциальных уравнений, численных и оптимизационных методов и теории оптимального управления.
Научная новизна работы определяется следующими основными
результатами. .
1. Построена балансово-кинетическая динамическая модель ПЖВ,
отражающая на базе предложенного физико-химического механизма
взаимодействий веществ в системе "газ-шлак" процессы в
барботируемой шлаковой ванне и газофазные процессы в зоне
дожигания.
-
Проведена параметрическая идентификация математической модели ПЖВ по данным экспериментальных плавок и получены оценки ее адекватности реальному процессу. Точность прогнозов по составу шлака и отходящих из печи газов составила 5-10% (относительных).
-
Поставлена и решена задача статической оптимизации восстановительной плавки в печи ПЖВ; показано существование в устойчивой области протекания процесса более экономичных по расходу топлива технологических режимов.
-
Предложен квазиоптимальный циклический режим ведения плавки, позволяющий увеличить производительность печи до 18% и
- б -
снизить расход энергоносителей до 30%.
5. Разработаны рекомендации по проектирование системы автоматического управления промышленной печь» жидкофазного восстановления с учетом результатов исследований процесса на опытно-промышленном агрегате.
Практическая ценность работы. Проведены испытания предложенных оптимальных технологических режимов на опытно-промышленной установке НЛЩ. Использование этих режимов при восстановительной плавке дало сокращение удельного расхода топлива на 15-20* при одновременном увеличении производительности печи на 10-15%.
На основе результатов исследований выданы рекомендации по проектирование АСУ технологическим процессом плавки в промышленной печи ИВ.
Апробация полученных результатов. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры инженерной кибернетики, лабораторий НДСиЛУ и ПЖС Московского института стали и сплавов.
Публикации. Результаты проведенных исследований опубликованы в четырех печатных работах и оформлены в виде заявки на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех' глав, заключения, приложений и списка литературы из 105 наименований на 9 стр. Основное содержание работы изложено на 121 стр., включая 16 рисунков и 12 таблиц.