5. Статическое управление плавкой в кислородных конвертерах

Под статическим понимают такое управление, которое основано только на исходной информации (контроль исходных параметров процесса отсутствует). Оно сводится к определению массы шихтовых материалов и суммарного количества кислорода на плавку.

Цель статического управления заключается в оптимальном расчете масс всех компонентов шихты, который должен обеспечить получение конечных параметров металла возможно ближе к заданным.

Для расчетов управляющих воздействий применяют разнообразные статические модели.

5.1. Балансовые статические модели

Базируются на составлении системы уравнений материального и теплового балансов плавки:

• баланс тепла;

• баланс кислорода;

• баланс железа;

• баланс шлака.

Известны: концентрации элементов в шихтовых материалах и температура чугуна, температура и состав готовой стали.

Неизвестные: масса материалов, которые рассчитываются УВК, и общее количество дутья.

Масса холодного чугуна, известняка, окалины, боксита, доломита, плавикового шпата и др. находят с помощью эмпирических зависимостей.

Примером балансовой модели статического управления может быть модель разработанная ЦНИИЧМ:

Уравнение баланса кислорода в модели ЦНИИЧМ имеет вид:

Vд= 100/O2д[ Gч(k1Cч + k2Siч + k3Mnч +k4Pч+k5ΔFe) – (Gм – Gл)(k1Cм+

k2Siм + k3Mnм + k4Pм) – Gр (k6Fe2O3p +k7 FeOp) +L ] м³;

где:

G, - масса чугуна (ч), металла (м), лома (л), руды (р), т.

O2д - содержание кислорода в дутье, %.

C, Si, Mn, P - содержание углерода, кремния, марганца, фосфора в чугуне (ч) и в заказанном металле , %.

Fe2O3p, FeOp - содержание окислов в руде, %.

L - количество неусвоенного кислорода, м³.

∆Fe - количество окисленного железа, т.

Упрощения, принятые в приведенной модели:

• пренебрегли окислительным действием О₂, который выделяется при разложении известняка (из-за недопала извести):

СаСО₃  СаО + О₂

• не учтено растворение О₂ в металле;

• состав лома принят таким же, как и состав готовой стали;

• неизвестны до конца продувки Siм, Mnм, Pм;

• неизвестны до конца продувки ∆Fe и L.

Из других балансовых уравнений находят массы руды (Gр), извести (Gи), лома (Gл).

Улучшение алгоритма - введением обратной связи по результатам ранее проведенных плавок, из которых находят, например ∆Fe и L.

Таким образом, точность расчетов управляющих воздействий балансовыми моделями определяется статистическими составляющими (в нашем примере это величина угара железа ∆Fe и количество неусвоенного кислорода L, которые не могут быть известными до начала продувки, когда происходит расчет шихтовки плавки).

Экспериментальные плавки, проведенные на комбинате «Криворожсталь» с использованием моделей с обратной связью по результатам ранее проведенных плавок показали результаты:

59,4% плавок находились в пределах: ∆См = 0,02%, ∆tм = ± 10 ºС;

84% плавок находились в пределах: ∆См = ±0 ,04%, ∆tм = ± 20 ºС;

5.2. Статистические статические модели

Построенные путем установления на функциональных, а вероятностных статистических связей между переменными процесса. Например, по результатам 349 плавок было найдено уравнение регрессии для расчета конечной температуры стали:

tст =1506 + 0,09Gч +138tч – 0,183τпрост. – 14,1Gл – 50,6Gр – 23,2Gв +

+0,998Vо₂ – 235Сст;

с коэффициентом корреляции 0,57.

Недостатки: статистическая модель справедливая только для тех условий, в которых проходили плавки. Необходимо постоянное уточнение коэффициентов уравнений - огромный объем работы даже для современных ЭВМ.

Для получения приемлемой точности необходимо включить в обработку данные 800 - 1000 плавок, разделенных, естественно большими интервалами времени, за которое условия плавок могли существенным образом измениться.

5.3. Эмпирические (инкрементные) модели статического управления

Основаны на формализации действий оператора, управляющего продувкой. В этих моделях расхождения между управляющими воздействиями n-ной и (n–1)й плавками определяются в зависимости от расхождений входных параметров этих плавок. Приращение функции определяется в зависимости от приращений аргументов. Например, количество руды, отнесенное 1 т чугуна (gp), определяется для n-й плавки как:

gp(n)= gp(n–1) +k1[ tст (n–1) – tст(n) ] + f [Cст(n–1), Cст(n)] – k2[ t(n–1 –

–t(n)] – k3[ Siч (n–1) – Siч (n)] – k4[ Mnч (n–1) – Mnч (n)] + φ[ τпр(n–1) –

–τпр(n)] + ………....

Приведенная зависимость позволяет определить g_р в n-ной плавке по отношению к (n–1)й плавке в зависимости от отклонений температуры стали, разности содержания в чугуне Sі, Mn, разности температуры чугуна, массы лома, расхождений в простоях конвертера и др.

Коэффициенты k1-k4 и функции (f, φ) определяются на основании законов физической химии, статистической обработкой результатов предыдущих плавок, путем опроса операторов.

Накопленный большой опыт работы кислородных конвертеров с использованием статических моделей управления позволил провести сравнительный анализ их эффективности.