Введение к работе
Актуальность проблемы. Разработка путей совершенствования существующих и принципиально новых технологий получения металлопродукции заданного качества при снижении экономических затрат и улучшения экологических показателей является важнейшей задачей, поставленной перед учеными - металлургами.
В современных условиях развития металлургического производства наиболее эффективными являются такие научные разработки, которые объединяют высокую экономическую эффективность с современным уровнем компьютеризации .управления технологическими процессами на принципах все более глубокого понимания их физико-химической сути.
В существующих и развивающихся процессах производства металла особо важная роль традиционно отводится формированию, оптимального состава и физико-химических свойств шлаковых и металлических расплавов, образующихся . в металлургических агрегатах из соответствующих шихтовых материалов в восстановительных и окислительных условиях.
В ликвидации сложившегося определенного разрыва между фундаментальными и прикладными исследованиями в этой области основную роль призваны сыграть современные информационные компьютерные технологии, которые применительно к металлургии, к сожалению, еще не получили соответствующей теоретической проработки.
Необходимость комплексного сочетания теоретических и прикладных . разработок, систематизации фонда результатов экспериментальных исследований для создания таких технологий была обоснована в кандидатской диссертации автора, посвященной вопросу выбора базового режима доменной плавки на основе комплексного использования методов математического и физико-химического моделирования. Широкое обсуждение методологии и результатов работы инициировало постановку пробпемы информационного обеспечения металлургии на отраслевом уровне с акцентом на использование достижений фундаментальных наук.
Работа выполнена в соответствии с координационными планами отраслевого заказа Министерства промышленной политики по научно-техническим направлениям "Доменное и сталеплавильное производство". Государственной научно-технической программы 7.6 ГКНТ "Компьютерное материаловедение и информатизация создания новых соединений и материалов", а также по ряду тем ведомственного заказа НАН Украины, что дополнительно подтверждает ее актуальность.
Цель работы: Разработка научных и методологических основ, прикладных инструментальных средств для анализа и оптимизации технологий получения металла и обеспечения качества металлопродукции, включающих:
дальнейшее развитие теории металлургических процессов путем конкретизации современных представлений о роли межатомного взаимодействия в формировании структуры и свойств расплавов;
автоматизированные базы данных (БД) по физико-химическим и технологическим свойствзм металлических и шлаковых расплавов, железорудных материалов;
базы моделей (БМ) физико-химических систем и технологических процессов;
проблемно-ориентированные прикладные программы (ПОП) для прогнози
рования на ЭВМ поведения физико-химических систем в технологических агрегатах и оптимизации технологий производства черных металлов. Задачи исследований: « выполнить анализ информационной ситуации в отрасли и разработать методологию создания информационно-аналитических систем для обеспечения исследователей-металлургов экспериментальными данными о свойствах железорудных материалов и металлургических расплавов;
обосновать и выбрать физико-химические критерии "свертки" информации с
химическом составе многокомпонентных железорудных материалов, шлаковых v
металлических расплавов с целью повышения точности описания их свойств \
результатов взаимодействия;
разработать физико-химические модели для прогнозирования по составу свсйст железорудных материалов, шлаковых расплавов и шлакообразующих смесей;
обосновать критерии и разработать методику физико-химического моделиро вания взаимодействий в системе "металл-шлак" как кооперативного ионе обменного процесса и определения степени ее приближения х равновесию;
разработать базовое прикладное и системное программное обеспечения тес ретических исследований, оперативного анализа и оптимизации производств металлопродукции в конкретных сырьевых и технологических условиях использованием разработанных физико-химических моделей и критериев;
на основе полученных результатов разработать и внедрить технологию компьк теризации научно-технических служб металлургического предприятия , обесп чивающую "сквозной" анализ производства и качества металлопродукции.
Научная новизна полученных результатов. Обоснован выбор крит риев и разработаны модели для прогнозирования физико-химических и те нологических свойств металлургических шлаков на основе анализа параметрі межатомного взаимодействия в расплавах.
Разработана методика определения количественных физико-химическ критериев для оценки влияния свойств среды и локального окружен диффундирующего элемента на его распределение в системе "металл-шлак".
Разработана физико-химическая модель доменной шихты, позволивш с единых теоретических позиций обобщить информацию о влиянии химичеш состава железорудных материалов на их физико-химические и металлургичесь свойства.
Разработаны принципы систематизации и паспортизации физико-хими' ских и технологических данных. Создана система информационного обеспечеі исследователей-металлургов фундаментальными физико-химическими даннь о свойствах металлургических расплавов и результатах их взаимодействиі виде баз данных "Шлак", "Шлакообразующие смеси", "Ших-"Шлак-Металл-Газ".
Создана база ретроспективных данных о равновесном распределении ры и фосфора между металлом и шлаком и получены модели для прої зирования их равновесных коэффициентов распределения в условиях восі новительной и окислительной плавок.
Впервые на системном уровне проработан вопрос и разработаны осн для комплексной компьютеризации научно-технических служб металлургичесі комбината, создания АРМов-технологов для "сквозного" анализа производсті качества металла. Осуществлено их промышленное внедрение.
Достоверность основных результатов обеспечена использован фундаментальных положений системного анализа, фонда документально-!
тографических экспериментальных данных о свойствах металлургических расплавов и шихтовых материалов, согласованием результатов, полученных различными методами исследований, проверкой их в производственных условиях. Практическую ценность работы составляют:
модели для прогнозирования физико-химических и технологических свойств шлаковых расплавов вязкости, плавкости, плотности, электропроводности, поверхностного натяжения, серопоглотительной способности;
модели для прогнозирования свойств железорудных материалов плавкости, прочности, восстановимости, степени металлизации, газопроницаемости;
модели для прогнозирования коэффициентов распределения серы, марганца, кремния, фосфора в системе "металл-шлак" в условиях восстановительной и окислительной плавок; [
базы документально-фактографических данных об основных свойствах шлаковых расплавов доменного и сталеплавильного переделов, внепечной обработки чугуна и стали (ШЛАК, ШОС);
база данных о физико-химических и металлургических свойствах железорудных материалов (Шихта);
базовое прикладное программное обеспечение для анализа
физико-химической и технологической информации, включающее средства
работы с базами, сервис работы с многомерными данными и инструментальные
средства "свертки" физико-химической и технологической информации, ориги
нальные средства многокритериальной оптимизации технологических процессов;
информационно-математическое обеспечение АРМов-технологов и опыт "сквозной" компьютеризации на их основе научно-технических служб комбината им.Дзержинского.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на 29 Международных, Всесоюзных и республиканских семинарах, совещаниях и конференциях, в том числе: Всесоюзных конференциях по теории и практике производства чугуна и стали и их внепечной обработки (г.Москва 1985; Днепропетровск 1990); VI и VII Всесоюзных конференциях по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов (г.Свердловск 1986 г.; г.Челябинск 1990 г.), Всесоюзных научно-технических совещаниях по применению ЭВМ в научных исследованиях и разработках (г.Москва 1988 г.; г.Днепропетровск 1989 г.), Всесоюзных межотраслевых совещаниях по базам физико-химических и технологических данных для оптимизации металлургических технологий (г.Днепропетровск 1988 г.; г.Курган 1990 г.; г.Новокузнецк 1991 г.), Международной конференции по усовершенствованию технологии окускования сырья и производства чугуна и ферросплавов (Болгария 1990 г.), Международных конференциях по производству стали (г.Москва 1994 г.; г.Днепропетровск 1998 г.), Международных конференциях по аглодоменному производству (г.Днепропетровск 1995 г.; г.Мариуполь 1997 г.), Ill и IV Российском семинарах по компьютерному моделированию физикохимических свойств стекол и расплавов (г.Курган 1996 и 1998 г.г.), IV Международном конгрессе сталеплавильщиков (г.Москва 1996 г.), V Международном конгрессе доменщиков (г. Днепропетровск, Кривой Рог 1999). Предмет зашиты. На защиту выносятся:
Системное представление проблемы информационного обеспечения метал
лургии, методология создания баз данных и моделей металлургических систем,
организованных по принципу взаимной дополнительности, средства много
критериальной оптимизации технологических процессов.
Система информационного обеспечения исследователей-металлургов данными о физико-химических и технологических свойствах металлургических шлаков и железорудных материалов.
Выбор физико-химических критериев для "свертки" информации о химическом составе многокомпонентных железорудных материалов, шлаковых и металлических расплавов для описания их свойств и результатов взаимодействия.
Физико-химические модели для прогнозирования свойств железорудных материалов, ишаков и шлакообразующих смесей.
Критерии и методика моделирования взаимодействий в системе "металл-шлак" как кооперативного ионообменного процесса и определения степени ее приближения к равновесию.
Базовое прикладное и системное программное обеспечение для анализа на этой основе физико-химической и технологической информации.
Результаты внедрения методологических и технологических разработок при
сквозном анализе производства и качества продукции металлургического комбината.
Публикации. Результаты работы изложены в брошюре, 35 основных статьях в научных журналах и сборниках, а также имеется 50 статей и тезисов докладов по теме диссертации, не вошедших в прилагаемый список трудов.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти разделов и выводов, изложена на 410 страницах, включая 49 таблиц, 77 рисунков, 6 приложений и список использованных литературных источников из 242 наименований.
Личный вклад автора в выполняемую работу. Автор, являясь с 1974 г руководителем тем и НИР, а также ответственным исполнителем работ по совершенствованию и оптимизации производства металлопродукции, принималг непосредственное участие в постановке задач, разработке методиі исследований и физико-химических' моделей, создании баз данных, их алгорит мического и программного обеспечения, теоретическом обосновании полученны; результатов. Обобщение результатов, написание статей в соавторстве происходило при непосредственном участии автора. Основные идеи, научные і теоретические положения, представленные в работе, разработаны авторои лично.
Автор выражает искреннюю благодарность докт.техн.наук, проф. Приходь ко Э.В., ст.науч.сотр., канд.тех.наук Жмойдину Г.И., докт.техн.наук, проф Яковлеву Ю.Н., сотрудникам технологических отделов ИЧМ НАН Украины з; плодотворное сотрудничество при выполнении исследований, а также генераль ному директору металлургического комбината им.Дзержинского к.т.н. Бродском С.С, ведущим специалистам научно-технических служб металлургически комбинатов им.Дзержинского, Ильича, ЗСМК, благодаря содействию которы полученные результаты доведены до практического использования.
Считаю своим долгом выразить особую благодарность группе програм мистов, которые в течении многих лет работали под моим руководствог^ сотрудникам отдела физико-химических проблем ИЧМ за их профессиональнуї поддержку и понимание.