2-я международная научно-практическая конференция
«Автоматизированные печные агрегаты и
энергосберегающие технологии в металлургии»
3—5 декабря 2002 г., Москва, МИСиС

Система автоматического управления раскислением и легированием стали

С.А. Храпко, А.В. Старосоцкий

Донецкий государственный технический университет
ООО «НПП ОРАКУЛ»
г. Донецк

В современном сталеплавильном производстве широкое распространение получило проведение раскисления и легирования стали при выпуске металла из печи в ковш с последующей десульфурацией на установке доводки металла или установке «печь-ковш». При этом для определенных групп марок сталей часто ставится условие минимизации или полного исключения коррекции химического состава при внепечной обработке. В связи с этим появляется задача точного расчета количества раскислителей и легирующих, необходимых для гарантированного получения заданного состава металла при минимальной стоимости использованных материалов. Минимизация стоимости материалов подразумевает выход на нижние (или заданные) пределы содержания элементов в готовом металле, что приводит к еще более жестким требованиям к системам управления. Особенно актуальной эта задача становится при многокомпонентном составе металла и легирующих и широком наборе регламентированных элементов.

Поставленная задача является задачей условной оптимизации, т.е. поиска таких значений оптимизируемых переменных (масс материалов X_j), при которых достигается минимум целевой функции (суммарная стоимость материалов), при условии выполнения заданных ограничений на оптимизируемые переменные (требования к составу металла, который должен удовлетворять заданным пределам):

(1)

(2)

Отметим, что зависимость состава металла от масс материалов имеет сложный нелинейный характер, что связано с физико-химическим взаимодействием элементов и их перераспределением между металлом, шлаком и газом, поэтому ограничения являются нелинейными функциями относительно оптимизируемых переменных.

Главный недостаток всех известных систем, реализованных в сталеплавильном производстве к настоящему времени, определяется линейным характером используемых в них моделей и отсутствием учёта зависимости усвоения элементов от текущего физико-химического состояния системы металл-шлак. Такие системы расчёта шихты оптимального состава основаны на модели равномерного смешения жидких веществ с заданными коэффициентами, учитывающими угар отдельных элементов из общей массы ферросплавов. Именно недостоверность коэффициентов усвоения (КУ) различных элементов и определяет низкие точность расчёта и прогнозирующую способность подобных систем, поскольку усвоение сложным образом зависит от многих факторов, главным из которых является физико-химическое состояние ванны (состав и окисленность металла, состав и количество шлака, температура и др.), а также взаимное влияние элементов друг на друга (например, раскислителей).

Принципиальным решением этой задачи является использование матрицы дифференциальных коэффициентов усвоения (ДКУ), представляющих собой изменение массы элемента i в металле при добавлении любого другого элемента j в систему:

(3)

ДКУ (3) определяются из текущего распределения элементов между металлом, шлаком и другими фазами на основе термодинамической модели расчета равновесного состава многофазной многокомпонентной системы ОРАКУЛ [2]. Алгоритм расчета ДКУ изложен в предыдущей работе [1].

Наличие численных значений ДКУ позволяет строго вычислить влияние каждого материала на состав металла (а при необходимости, и шлака) с учетом окисленности системы, взаимного влияния элементов и их перераспределения между фазами, например, изменение массы элемента i в металле при добавлении материала j:

(4)

где X_j — масса материала j;  — содержание элемента p в материале j.

Несложные преобразования позволяют получить аналогичные величины для всех фаз (шлак, газ и др.). В таблице приведен пример расчёта величин  (4):

ДКУ позволяют проанализировать взаимное влияние элементов; кроме того, можно следить за использованием элементов конкретного материала (см. таблицу). Например, 1кг ферросиликохрома содержит всего 0.42кг хрома, но за счёт восстановительного действия кремния даёт увеличение содержания хрома в металле на 0.47кг, почти такое же, как и феррохром (0.55кг), несмотря на существенно большее содержание хрома в последнем (0.67кг). Другими словами, извлечение хрома из феррохрома составляет 82%, а из ферросиликохрома — 112% (т.е. превышает в 1.36 раза!).

В случаях, когда решение указывает на невозможность в заданных условиях гарантированного попадания в требуемый состав, разработанная система предлагает перечень оперативных решений. В автоматическом режиме решения принимаются системой самостоятельно в пределах заранее заданного перечня и приоритетов. По окончании каждой плавки информация о фактически полученном составе металла автоматически используется для адаптации параметров модели (самообучения).

Разработанная система входит в состав пакета «ОРАКУЛ», внедрена на Молдавском металлургическом заводе, где используется для решения следующих задач: оперативное управление процессом плавки в режиме «советчика» (выдает рекомендации персоналу) и в составе АСУ ТП (выдает управляющие сигналы на дозаторы).