Автоматизація процесу керування дуговою сталеплавильною піччю на основі комплексної моделі

Abstract

Проведено дослідження електричних, теплових та хімічних процесів, які відбуваються в ДСП, вперше виявлені їх взаємозв'язки та розроблена комплексна модель виплавки. На основі створеної моделі розроблено алгоритм керування, який дозволяє в кожний момент плавки визначити раціональне значення активної потужності. Для досягнення цього значення синтезована система керування рухом електродів печі, в основу якої покладена отримана вперше залежність значення активної потужності кожної фази від довжини дуги цієї фази. Підтверджена адекватність розробленої моделі та ефективність використання створеного алгоритму керування, визначена траєкторія зміни активної потужності, яка забезпечує зниження енергетичних витрат агрегату при незмінній якості продукції, що виплавляється.

В работе получены новые научные знания процессов управления дуговыми сталеплавильными печами (ДСП) переменного тока, которые базируются на комплексной модели процессов, происходящих в печи, и обеспечивают сокращение удельных энергетических затрат агрегата при неизменном качестве выплавляемой продукции. Проведено комплексное исследование электрических, тепловых и химических процессов, происходящих в ДСП, при котором учитывались: нелинейность и динамические свойства дуг, состав шихты, расплава, шлака, количество тепла химических реакций, значение активной мощности, подаваемой в печь каждым электродом. Результаты этого исследования позволили впервые выявить взаимосвязи процессов, протекающих в рабочем пространстве дуговых сталеплавильных печей, и разработать комплексную модель, полноценно описывающую выплавку стали в ДСП. С помощью этой модели в любой момент времени может быть получена информация об основных характеристиках плавки (электрических, тепловых, химических). На основе созданной комплексной модели разработан алгоритм управления активной мощностью, подаваемой в рабочее пространство ДСП в ходе плавки. Этот алгоритм предполагает составление рациональных материального и энергетического балансов печи на различных стадиях плавки и позволяет в каждый момент процесса определить значение активной мощности, подаваемой в ДСП каждой фазой, обеспечивающее минимизацию тепловых потерь и полноценное протекание химических реакций восстановления железа и шлакообразования. В работе впервые установлено, что мгновенная активная мощность, подаваемая в дуговую электросталеплавильную печь каждой фазой, прямо пропорциональна квадратному корню длины дуги этой фазы. Полученная зависимость использована при синтезе системы управления перемещением электродов печи. Эта система обеспечивает достижение необходимого значения активной мощности, подаваемой в печь, с точностью не менее 98%. В диссертации выполнено сравнение данных об электрических, тепловых и химических характеристиках выплавки, полученных с помощью протоколов плавок, режимных карт и проводимых ранее экспериментов, с аналогичными данными, полученными с помощью разработанной комплексной модели. При этом погрешность расчетов не превышает 6%, что подтверждает адекватность созданной комплексной модели процессов, происходящих в ДСП. Кроме того, в диссертации приведены данные о затратах энергии на проведение плавок с помощью существующих энерготехнологических диаграмм и с использованием разработанного алгоритма управления. Применение предлагаемого алгоритма позволяет сократить расход энергии на плавку на 13 – 14%, качество выплавляемой стали при этом остается неизменным. На основе полученных результатов определена траектория изменения активной мощности, подаваемой в печь, которая обеспечивает сокращение удельных энергетических затрат агрегата при неизменном качестве получаемой продукции. Доказано, что снижение удельных энергетических затрат дуговых сталеплавильных печей достигается путем подачи в агрегат активной мощности по траектории, аппроксимируемой полиномиальной функцией, составляющие которой определяются на основании материального и энергетического балансов печи.

The work yields new scientific knowledge on the process of control of alternate current electric arc furnaces. The comprehensive research into the processes taking place in EAF entitled us to be the first to show their correlations and develop an adequate model which gives a full description of the steel smelting in arc furnace and allows getting valid information on its stage, condition and major electrical, thermal and chemical characteristics at any time during the process. The unifying model was the basis for an algorithm of control of active power fed to the working chamber of EAF. This algorithm allows determining active power fed to the furnace during each stage which provides minimization of thermal loss and proper behavior of chemical reactions. To obtain the necessary value of active power, a system of movement control of electrodes was synthesized. This system is based upon dependence of instant value of active power of each phase on the arc’s length of this phase.