Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

На правах рукописи

Гурин Иван Александрович

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЫРЬЕВЫХ И ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

РЕСУРСОВ КОМПЛЕКСА ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ

05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами (промышленность)

Диссертация на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Спирин Николай Александрович

Екатеринбург – 2018

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................... 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ДОМЕННЫМИ ПЕЧАМИ И ИХ

КОМПЛЕКСАМИ, МЕТОДОВ ОПТИМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

СЫРЬЕВЫХ И ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ ......................................................... 12

1.1 Сырьевые и теплоэнергетические аспекты современной доменной плавки . 12

1.2 Применение математических моделей в системах управления доменными

печами и их комплексами ......................................................................................... 19

1.3 Состояние вопроса оптимального распределения сырьевых и

топливно-энергетических ресурсов комплекса доменных печей ......................... 25

1.4 Постановка задач исследования ......................................................................... 31

ГЛАВА 2. СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЫРЬЕВЫХ И

ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ В ДОМЕННОМ

ПРОИЗВОДСТВЕ ........................................................................................................ 34

2.1 Содержательная постановка задачи оптимального распределения

сырьевых и энергетических ресурсов в доменном цехе ........................................ 34

2.2 Разработка схемы оптимального распределения сырьевых и

топливно-энергетических ресурсов комплекса доменных печей ......................... 39

2.3 Функциональная модель автоматизированной системы оптимального

распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов доменного

цеха .............................................................................................................................. 43

2.4 Выводы .................................................................................................................. 54

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ

ЗАДАЧ ОПТИМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЫРЬЕВЫХ И

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ В КОМПЛЕКСЕ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ 55

3.1 Математическая постановка задачи ................................................................... 55

3.2 Математическое обеспечение расчёта показателей, характеризующих

тепловой, шлаковый и газодинамический режимы доменной плавки ................. 60

3.3 Математическое обеспечение задачи выбора оптимального состава

доменной шихты ........................................................................................................ 76

3.4 Математическое обеспечение задачи оптимального распределения

топливно-энергетических ресурсов ......................................................................... 80

3

3.5 Выводы .................................................................................................................. 84

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМАЛЬНОГО

УПРАВЛЕНИЯ СЫРЬЕВЫМИ И ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ

РЕСУРСАМИ КОМПЛЕКСА ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ ........................................ 86

4.1 Методы проектирования и реализации программного обеспечения по

управлению топливно-энергетическими ресурсами в доменном производстве . 86

4.2 Программное обеспечение системы оптимального распределения

сырьевых и топливно-энергетических ресурсов..................................................... 98

4.3 Примеры решения задач оптимального распределения сырьевых и

топливно-энергетических ресурсов в комплексе доменных печей .................... 111

4.4 Выводы ................................................................................................................ 119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 121

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................... 123

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Пофакторный анализ показателей доменной плавки .......... 137

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акты испытаний пакетов прикладных программ ................ 138

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акты приёмки в опытную эксплуатацию программного

обеспечения .................................................................................................................. 148

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Акт внедрения результатов работы в учебный процесс ..... 164

4

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Металлургическая промышленность является

базовой для других отраслей – машиностроения, строительства, электротехники и

других. При этом более 90 % получаемой в металлургии продукции приходится на

сталь, в технологиях производства которой особое место занимает доменный

процесс. Доменное производство является самым сложным в цепочке производства

стали, наиболее ресурсоёмким и энергоёмким процессом.

Доменный процесс имеет высокий уровень автоматизации. Об этом

свидетельствуют современные устройства и технические системы, например,

засыпные аппараты с контролем уровня засыпи, системы контроля температуры

колошникового газа по радиусу и окружности печи, системы контроля

температуры тела холодильников и определения прогара воздушных фурм и другие

средства контроля технологии доменной плавки. Для управления доменной

плавкой применяются разнообразные системы управления и контроля, к которым

относятся автоматизированные рабочие места, системы поддержки принятия

решений, информационно-моделирующие системы, экспертные системы и др.

Научной базой технических и программных средств автоматизации являются

соответствующие математические модели.

Анализ используемых в настоящее время математических моделей при

распределении сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в комплексе

доменных печей показал, что распределение ресурсов при планировании работы

построено на экспертной оценке технологического персонала, а методы их

оптимального распределения практически не используются. Это определило

актуальность работы и необходимость разработки соответствующей

автоматизированной системы.

Степень разработанности темы исследования. Решение задач

оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов

комплекса агрегатов осуществляется с применением методов математического

моделирования и математического программирования, широко используемых в

5

разных отраслях промышленности – металлургической, химической, энергетике и

других. Над созданием систем автоматизации и разработкой математических

моделей оптимизации доменного процесса работали в разное время известные

отечественные и зарубежные учёные Боковиков Б.А., Большаков В.И.,

Бородулин А.В., Гизатуллин Х.Н., Дмитриев А.Н., Загайнов С.А., Китаев Б.И.,

Курунов И.Ф., Лисиенко В.Г., Овчинников Ю.Н., Онорин О.П., Сибагатуллин С.К.,

Товаровский И.Г., Ченцов А.В., Шаврин С.В., Ярошенко Ю.Г. и другие.

Применяемые до настоящего времени алгоритмы оптимального

распределения железорудного сырья, природного газа и технологического

кислорода в доменном цехе позволяют оценивать эффективность их использования

только при известном комплексе как контролируемых входных, так и выходных

переменных каждой из печей и цеха в целом. Поэтому такие алгоритмы не

позволяют решать задачи оптимального распределения сырьевых и топливно-

энергетических ресурсов в комплексе доменных печей для проектных периодов

при изменении характеристик дутья, состава и свойств загружаемых шихтовых

материалов, что ограничивает область их применения.

Цель работы. Снижение затрат на доменный передел и повышение его

энергоэффективности на основе разработки и применения новых методов и

алгоритмов оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических

ресурсов в доменном производстве, прогнозирования работы комплекса доменных

печей в условиях изменения конъюнктуры рынка сырья и топлива, нестабильности

состава и свойств проплавляемого железорудного сырья.

Задачи исследования:

1. Анализ подходов и методов оптимального распределения сырьевых и топливно-

энергетических ресурсов в комплексе доменных печей. Развитие метода

оптимального распределения ресурсов на основе натурно-математического

моделирования, использования физико-химических закономерностей процессов

и принципа малых отклонений выходных переменных и переменных состояния

в окрестностях базового режима с целью прогнозирования работы отдельных

печей и цеха в целом.

6

2. Разработка алгоритма оптимального распределения сырья и топлива с учётом

требований технологического персонала на основе созданного метода и

функциональной модели применительно к комплексу доменных печей при

изменении характеристик дутья, состава и свойств проплавляемого

железорудного сырья и топлива в виде блок-схем и программного модуля

библиотеки классов.

3. Разработка автоматизированной системы оптимального распределения

сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в комплексе доменных печей с

учётом требований, предъявляемых к современным информационным

системам.

4. Интеграция системы в автоматизированную систему анализа и прогнозирования

производственных ситуаций доменного цеха. Модельные испытания

разработанной автоматизированной системы.

Научная новизна:

1. Метод оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических

ресурсов в организационно-технологической системе доменного цеха,

отличающийся интеграцией физико-химических закономерностей основных

процессов объекта управления и пересчётных моделей. Метод включает

формирование базовых режимов системы управления, определение

коэффициентов модели путём линеаризации модели в окрестностях базовых

режимов, возможность прогнозирования работы отдельных печей и цеха в

целом при изменяющихся условиях их функционирования и проверку

выполнения технологических и сырьевых ограничений.

2. Структура алгоритма оптимального распределения сырья и топлива в комплексе

доменных печей, отличающаяся декомпозицией задачи оптимизации,

формированием базовых режимов функционирования доменных печей на

интервале не менее одного месяца с последующей возможностью их коррекции

путём выбора периодов, аналогичных прогнозному по режимным параметрам и

свойствам шихтовых материалов.

7

3. Метод решения сложных математических задач при разработке ПО

автоматизированных систем, отличающийся синтезом пакетов прикладных

программ со специализированным ПО, предназначенным для моделирования

процессов в отдельных технологических агрегатах, и с внешними

математическими пакетами с целью использования имеющихся в них

алгоритмов решения математических задач.

4. Результаты модельных испытаний и опытной эксплуатации разработанных

алгоритмов и автоматизированной системы, показывающие возможность

повышения технико-экономических показателей работы цеха без улучшения

показателей на всех без исключения доменных печах.

Теоретическая значимость заключается в возможности использования

разработанных методов:

– распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов комплекса

доменных печей при планировании работы цеха в условиях нестабильности

состава и свойств проплавляемого железорудного сырья и топлива с учётом

технологических ограничений и конструктивных особенностей работы

отдельных печей, ограничений на топливно-энергетические и сырьевые ресурсы

доменного цеха.

– решения математических задач на основе синтеза со специализированными

пакетами прикладных программ при разработке ПО автоматизированных

систем.

Практическая значимость заключается в возможности использования

научных и практических результатов исследования:

– при решении задач оптимального распределения сырьевых и топливно-

энергетических ресурсов в доменном производстве;

– при разработке математического и программного обеспечения

автоматизированных систем для управления сложными технологическими

объектами и их комплексами в металлургии;

– в преподавании дисциплин для студентов вузов соответствующих

специальностей.

8

Реализация результатов работы. Программное обеспечение «Оптимизация

распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей»

передано для промышленных испытаний управлению информационных

технологий ПАО «ММК». Программные блоки «Расчёт выхода конечного шлака,

диагностики шлакового режима, оценки десульфурирующей способности шлака,

расчет прогнозного содержания серы в чугуне», «Расчёт оптимального состава

доменной шихты при заданных свойствах конечного шлака» и «Расчёт показателей

хода тепловых, восстановительных процессов и коэффициентов влияния свойств

железорудного сырья, кокса, дутьевых параметров на показатели плавки» приняты

доменным цехом ПАО «ММК» в опытную эксплуатацию.

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс ФГАОУ ВО

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.

Ельцина» для подготовки магистров по направлениям 09.04.02 «Информационные

системы и технологии», 22.04.02 «Металлургия»; бакалавров по направлению

09.03.02 «Информационные системы и технологии».

Методология и методы исследования базируются на: структурном анализе;

физико-химических закономерностях основных процессов, протекающих в

доменной печи; использовании методов математического моделирования

доменного процесса и математического программирования; современных

принципах разработки алгоритмического и программного обеспечения

автоматизированных систем управления сложными технологическими процессами

и комплексами агрегатов в металлургии.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических

ресурсов в доменном цехе, отличающийся интеграцией физико-химических

закономерностей основных процессов объекта управления и пересчётных

моделей, включающий возможность прогнозирования работы отдельных печей

и цеха в целом при изменяющихся условиях их функционирования.

2. Алгоритм оптимального распределения сырья и топлива в комплексе доменных

печей, отличающийся декомпозицией задачи оптимизации, формированием

9

базовых режимов функционирования доменных печей и их коррекцией путём

выбора периодов, аналогичных прогнозному.

3. Метод решения сложных математических задач при разработке ПО

автоматизированных систем, отличающийся синтезом пакетов прикладных

программ со специализированным ПО, предназначенным для моделирования

процессов.

4. Результаты исследования методов управления распределением сырьевых и

топливно-энергетических ресурсов в доменном производстве в изменяющихся

сырьевых условиях, обеспечивающие повышение технико-экономических

показателей доменной плавки.

Соответствие паспорту специальности. В диссертации представлены

математическое, информационное и программное обеспечение

автоматизированный системы управления производством (АСУП) доменного цеха,

методология исследования и проектирования, формализованное описание и

алгоритмы, оптимизация и имитационное моделирование функционирования

систем. Разработанная система оптимального распределения сырьевых и топливно-

энергетических ресурсов комплекса доменных печей предназначена для

интеллектуальной поддержки процессов управления доменным производством.

Диссертация соответствует областям исследования 4, 9 и 10 паспорта научной

специальности 05.13.06.

Личный вклад соискателя состоит в разработке математического

обеспечения для оптимального распределения сырьевых и топливно-

энергетических ресурсов в доменном производстве; разработке функциональной

модели автоматизированной системы оптимального распределения ресурсов в

комплексе доменных печей; разработке соответствующего программного

обеспечения; в исследовании методов управления распределением сырьевых и

топливно-энергетических ресурсов в доменном производстве при изменяющихся

сырьевых условиях, обеспечивающих повышение технико-экономических

показателей доменной плавки; обобщении и научном обосновании полученных

результатов, формулировке выводов и рекомендаций.

10

Достоверность научных результатов. Обоснованность научных положений

обеспечивается соответствием полученных результатов современным знаниям о

закономерностях доменного процесса, сопоставлением результатов моделирования

с производственными данными, использованием современных методов и средств

разработки программного обеспечения. Подтверждается положительной оценкой

теоретических и практических исследований на научных семинарах и

конференциях.

Апробация результатов работы. Основные результаты исследования

представлены на следующих конференциях: VII Международная научно-

практическая конференция «Энергосберегающие технологии в промышленности.

Печные агрегаты. Экология» (Москва, 2014); научно-практическая конференция с

международным участием «Перспективы развития металлургии и машиностроения

с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР»

(Екатеринбург, 2015); VIII Международная научно-практическая конференция

«Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии в промышленности. 100

лет отечественного проектирования металлургических печей» (Москва, 2016); IV

Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием

«Моделирование и наукоемкие информационные технологии в технических и

социально-экономических системах» (Новокузнецк, 2016); II Международная

научно-практическая конференция «Современные научные достижения

металлургической теплотехники и их реализация в промышленности»

(Екатеринбург, 2017); X и XI Всероссийские научно-практические конференции с

международным участием «Системы автоматизации в образовании, науке и

производстве» (Новокузнецк, 2015, 2017); V, VI и VII Всероссийские научно-

практические конференции студентов, аспирантов и молодых учёных

«Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве»

(Екатеринбург, 2016, 2017, 2018).

По теме диссертации опубликовано 19 статей, из них семь статей в ведущих

рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, из которых

четыре представлены в реферативной базе данных Scopus. Три научных доклада

11

конференций проиндексированы в базах данных Scopus и Web Of Science. Также

получено два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 136 страницах

основного машинописного текста, включает 30 рисунков, 6 таблиц и 4 приложения.

Состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из

124 источников.

12

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ДОМЕННЫМИ ПЕЧАМИ И ИХ

КОМПЛЕКСАМИ, МЕТОДОВ ОПТИМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

СЫРЬЕВЫХ И ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Сырьевые и теплоэнергетические аспекты современной доменной плавки

Металлургия Российской Федерации, являясь базовой отраслью, должна

обеспечить развитие экономики страны, ее важнейших составляющих –

машиностроения, химии, энергетики, транспорта, строительства и др. По

производству чугуна, стали, Россия входит в первую пятерку стран мира. Для

сохранения лидирующих позиций России на мировом рынке металлов и

удовлетворения потребностей в металлопродукции на внутреннем рынке в стране

принята «Стратегия развития черной металлургии России на 2014-2020 годы и на

перспективу до 2030 года» [1]. Этот документ определяет сценарии улучшения

структуры, технологий, экологической обстановки на металлургических

предприятиях России и ориентирует предприятия на повышение

энергоэффективности технологий получения металлопродукции высокого

качества.

Решение этих главных задач обеспечивается целенаправленной,

деятельностью на всех стадиях металлургического производства от подготовки

рудного сырья до получения готовой продукции.

Для чёрной металлургии важными стадиями производства является

доменный передел. Эта технология достаточно энергоёмка, она потребляет 48,6 %

различных видов топлива из теплового баланса интегрированного

металлургического комбината, что предписывает необходимость снижения энерго-

и ресурсоёмкости получаемой продукции.

13

При этом прогнозируется, что к 2020 году спрос на основные виды

металлоизделий возрастет с достижением уровня 390 кг стали/человека.

Ожидается, что за счет использования энергоэффективных технологий произойдет

снижение общего расхода топлива с уровня 2007 г. до 2020 г. на 14 %, а

электроэнергии на 28 % при достижении удельных расходов энергопотребления до

20-25 ГДж/т продукции за счет применения энергосберегающей техники и

технологий.

К сожалению, удельный расход топлива на одну тонну проката в нашей

стране выше на 25 %, чем в Японии и на 37,5 %, чем в странах Европейского

союза [2].

Причиной отставания является как использование физически изношенного

оборудования и морально устаревших технологий, так и низкий уровень внедрения

научных достижений в области энерго- и ресурсосбережения. Такая ситуация

сложилась во многих отраслях народного хозяйства, поэтому главная цель

развития как чёрной металлургии, так и многих других отраслей промышленности

в России – их преобразование в динамично развивающиеся, высокотехнологичные

и конкурентоспособные отрасли, интегрированные в мировую металлургию в

рамках международного разделения труда [1].

На новом витке развития науки и техники формирование отечественной

металлургии происходит в новых условиях [3]:

1. Практически сформировались рынки сырья и топлива. При этом исчезновение

экономических границ между государствами привело к тому, что импорт сырья

и экспорт готовой продукции стали обычным явлением отечественной

металлургии.

2. В мире происходит сокращение, а в некоторых регионах и исчезновение

месторождений железных руд. Это привело к тому, что наиболее крупные

металлургические комбинаты страны, построенные вблизи месторождений

железной руды, вынуждены работать на привозном сырье.

14

3. В России и мире изменяются требования к экологической чистоте

металлургического производства. Производительность, как важный принцип

плановой экономики, уступила своё место энерго- и ресурсосбережению.

4. В ближайшее время производство чёрных металлов альтернативными

способами не изменится. Об этом свидетельствует тот факт, что в течение

последних 20 лет доля чёрных металлов, производимых во всем мире

внедоменным путем, не превышала 5-6 %.

Факторами, которые ограничивают развитие чёрной металлургии в России и

большинстве других стран, являются в настоящее время дефицит сырьевых и

топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и техногенное загрязнение окружающей

среды [4-5].

Высокий уровень конкуренции на мировом рынке привёл к тому, что

снижение себестоимости продукции за счёт повышения энергетической

эффективности и снижения тепловых потерь при использовании ТЭР на

предприятиях чёрной металлургии стало одним из направлений выживания. Это

связано с тем, что доля затрат на ТЭР (электроэнергия, природный газ,

технологический кислород, коксующийся уголь, мазут и др.) в общей смете затрат

на производство продукции составляет более 30 %. При этом энергетические

затраты на предприятиях чёрной металлургии в европейских странах составляют

18-22 %. Наиболее крупными потребителями ТЭР на металлургических

комбинатах являются доменные и прокатные производства. К электроёмким

производствам относятся электросталеплавильные цеха, кислородные станции.

Объём потребляемых ТЭР на производство единицы продукции называется

энергоёмкостью, в чёрной металлургии это объём ТЭР на производство одной

тонны стали (Гкал/т). Например, энергоёмкость на ПАО «ММК» – 7 Гкал/т, а

величина энергоёмкости на ведущих металлургических комбинатах за рубежом

составляет 5 Гкал/т.

Энергоёмкость металлопродукции определяется качеством поставок

материальных и энергетических ресурсов, техническим состоянием агрегатов и их

15

соответствием мировому уровню развития науки и техники, конъюнктурными

факторами, экологическими ограничениями и др.

Для выработки стратегии уменьшения энергоёмкости производимой

продукции в переменных условиях используется принцип доминирующего звена.

В чёрной металлургии таким звеном является производство чугуна. Доменное

производство является самым энергоёмким среди переделов чёрной металлургии,

на его долю приходится 50-75 % энергетических затрат предприятий полного

цикла. Поэтому экономия энергетических ресурсов при производстве чугуна на 1

% снижает энергоёмкость производства стали на 0,5-0,75 % [6].

Крупнейшие доменные цеха России имеют в своем составе несколько печей.

В таблице 1.1 приведены сведения о показателях работы за 2016 и 2017 годы трёх

крупнейших в России доменных цехов – Магнитогорского металлургического

комбината (ММК, ПАО «ММК»), Новолипецкого металлургического комбината

(НЛМК, ПАО «НЛМК») и Череповецкого металлургического комбината (ЧерМК,

ПАО «Северсталь»)1. Сведения, приведённые в таблице, показывают

масштабность и объём материальных и энергетических затрат доменного передела,

а доменное производство России по уровню применяемой технологии находится

на мировом уровне [7].

Доменный цех ММК имеет в своем составе 8 работающих печей, имеющих

полезный объём от 1370 до 2014 м3, а доменный цех НЛМК включает 6 печей

объёмом от 1000 до 4291 м3. Годовое производство чугуна в доменном цехе ММК

достигает 10,2 млн., при этом выпускается 3,5 млн т/год побочной продукции –

шлака и около 36,7 млн м3/сут. доменного газа. Для снабжения цеха рудными

материалами, потребность цеха агломератом составляет 10,56 млн т/год,

привозных окатышей – 6,47 млн т/год, кокса – 6,51 млн т/год. В доменные печи

нужно подать доменного дутья – 38,5 млн м3/сут, природного газа – 3,46 млн

м3/сут., технологического кислорода для обогащения дутья – 3,82 млн м3/сут.

Потребность доменного цеха в электроэнергии составляет 85,5 млн кВт·ч/сут.

1 Третьяк, А.А. Развитие производства чугуна в России / А.А. Третяк, Н.Н. Гугис, Д.Н. Тихонов // IX Международный

конгресс доменщиков «Металлургия чугуна. Перспективы развития до 2025 г.», г. Нижний Тагил, 2018.

16

Таблица 1.1 – Показатели работы доменных цехов ММК, НЛМК и ЧерМК

Показатель, ед. измерения Годы ММК НЛМК ЧерМК

Производительность, тыс. т чугуна в

год

2016 9652 12689 9317

2017 10163 12839 9158

Производительность, т/м2·сутки 2016 60 73 71

2017 63 70 71

Удельный расход кокса (в том числе

коксовая мелочь), кг/т чугуна

2016 440,8

(26,6)

373,5

(47,8)

402,6

(17,0)

2017 437,9

(28,2)

358,4

(40,5)

400,1

(14,3)

Удельный расход природного газа,

кг/т чугуна 1

2016 76,2 70,5 84,2

2017 88,3 57,2 82,4

Удельный расход пылеугольного

топлива (ПУТ), кг/т чугуна

2016 – 48 –

2017 – 74,4 –

Удельный расход ТЭР (кокс,

природный газ, ПУТ), кг/т чугуна 2

2016 517 491,5 486,8

2017 526,2 490,0 482,5

Температура горячего дутья, оС 2016 1109 1153 1194

2017 1105 1135 1188

Содержание кислорода в дутье, % 2016 26,95 29,1 29,57

2017 27,0 28,47 29,66

Давление колошникового газа, ати 2016 1,34 1,91 1,94

2017 1,43 1,90 1,99

Содержание железа в железорудной

части шихты, %

2016 58,32 57,99 62,6

2017 57,8 57,85 62,3

Удельный расход железорудных

материалов, кг/т чугуна

2016 1625,8 1656,0 1529,6

2017 1642,8 1646,3 1532,3

Доли окатышей/агломерата/железной

руды, % 3

2016 33/67/- 31/68/1 33/65/2

2017 38/62/- 33/66/1 32/67/1

Содержание кремния в чугуне [Si], % 2016 0,83 0,45 0,51

2017 0,76 0,47 0,51

Основность шлака CaO/SiO2, ед. 2016 0,99 1,02 0,99

2017 0,99 1,03 1,00

1 Значения пересчитаны из расчета: 1 м3 природного газа – 0,714 кг (CH4 - «12+4*1/22,4=0,714»). 2 Сумма удельных расходов топлив. 3 Передельный чугун, доля руды меньше 0,5 % не показана.

17

Отмеченные огромные потоки материальных и энергетических мощностей в

доменном цехе требуют научно обоснованных и безошибочных методов

управления доменным процессом, поскольку неверные действия технологического

персонала при принятии решений могут приводить к существенным

экономическим потерям.

Металлургический кокс является основным энергоносителем и наиболее

дорогим компонентом доменной шихты, поэтому важной задачей

совершенствования технологии производства чугуна является уменьшение расхода

кокса. В себестоимости чугуна более 50 % затрат приходится на железорудную

часть шихты (агломерат, окатыши) и около 40 % на ТЭР, при этом затраты на кокс

составляют более 90 % от общих затрат на топливо.

Таким образом, основным направлением политики энерго- и

ресурсосбережения в доменном производстве является снижение расхода кокса.

Это может быть обеспечено за счёт применения других видов топлива (природный

газ, пылеугольное топливо), как заменителей кокса, обогащения дутья кислородом

и оптимизации режимных параметров печей. Результаты работы доменных печей

в XXI веке подтверждают перспективность такой технологии [8].

Не стоит исключать из внимания и железорудную часть шихты. Однако

вопросы снижения удельного расхода железорудных компонентов шихты

находятся за пределами доменного производства. Удельный расход железорудной

части шихты определяется содержанием в ней железа, которое, в свою очередь,

зависит от химического состава руд, условий их добычи и обогащения.

Пути совершенствования доменного производства и результаты этой работы

хорошо известны. В последнее время достигнуты рекордные показатели работы

печей по производительности, удельному расходу кокса и углеводородных

добавок, по расходу технологического кислорода и температуре дутья. Достижение

высоких показателей определили следующие технические и технологические

мероприятия [6]:

– применение окускованных и офлюсованных железорудных материалов с

высоким содержанием железа до 65 %;

18

– применение природного газа и пылеугольного топлива в сочетании с

обогащением воздушного дутья кислородом;

– установка современных воздухонагревателей с возможностью нагрева дутья до

1300 ºС;

– применение бесконусных загрузочных устройств, предоставляющих

возможность изменения рудной нагрузки по радиусу печи;

– применение современных компьютерных систем управления, специальных

средств измерения показателей процесса и контроля состояния доменной печи;

– работа на устойчивых кислых шлаках с дальнейшей десульфурацией

выплавляемого сернистого чугуна (с содержанием серы до 0,06 %);

– применение высококачественных огнеупорных материалов и эффективных

систем охлаждения.

Перспективным направлением в развитии доменного производства являются

дальнейшее снижение расхода природных ресурсов и уменьшение негативного

влияния на окружающую среду, что может быть достигнуто за счёт

следующего [9]:

– техническое оснащение доменных печей современными средствами измерения

и контроля;

– совершенствование технологии доменной плавки комплексных железных руд,

агломерата и окатышей;

– разработка мер, направленных на продление кампании доменных печей до 20 и

более лет;

– внедрение систем управления и информационно-моделирующих систем на

основе последних достижений науки.

Отечественный и зарубежный опыт убедительно доказывает, что развитие

металлургических предприятий, их техническое перевооружение, решение

проблем качества и конкурентоспособности металлопродукции требуют коренного

совершенствования систем сбора, хранения, обработки, передачи и использования

информации, применяемых как для управления технологическими процессами, так

и для управления производством в целом [10].

19

Анализ состояния вопроса по реально используемым математическим

моделям при управлении доменной плавкой показывает, что существует большой

разрыв между потенциальными возможностями технических средств

автоматизации и действующими системами для управления и анализа работы

доменного цеха. Поэтому выделим научные и технические проблемы создания

систем управления в доменном производстве, наиболее важными из которых

являются [10-19]:

– использование современных достижений в области математического

моделирования, распознавания образов, теории и практики доменной плавки,

теории управления при разработке автоматизированных систем управления;

– разработка на основе современных достижений соответствующего

математического обеспечения;

– создание информационно-моделирующих и экспертных систем, систем

поддержки принятия решений для управления как отдельными доменными

печами, так и их комплексами.

1.2 Применение математических моделей в системах управления доменными

печами и их комплексами

Современные тенденции по созданию и поддержке автоматизированных

систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) доменных печей

характеризуются последовательным оснащением всех печей надёжными

средствами измерения и контроля, компьютерной техникой. Анализ уровня

автоматизации доменных печей предприятий чёрной металлургии в России

позволяет выделить в числе лидеров НЛМК, Северсталь, ММК, НТМК и Западно-

Сибирский металлургический комбинат (ЗСМК) [17-26].

Затраты в целом на контрольно-измерительные приборы и автоматику

(КИПиА) АСУ ТП оцениваются примерно в 15 % от вложений в капитальный

ремонт доменной печи.

20

На сегодня все доменные печи в промышленно развитых странах

оборудованы АСУ ТП, однако они имеют разное назначение. Одни выполняют

только функцию контроля за доменным процессом, а другие предназначены для

прямого управления плавкой. Лишь некоторые из действующих

автоматизированных систем включают в свой состав модельные системы

управления технологическим режимом доменной плавки [27-35]. Такие модельные

системы в лучшем случае работают в режиме советчика оператора доменной печи.

Конечной же целью создания систем управления доменными печами и их

комплексами является разработка такой системы, которая обеспечит безаварийную

работу производства и создаст условия для минимизации затрат на производство

чугуна с учётом ограничений, обусловленных требованиями технологии и

возможностями оборудования.

Анализ научных работ в области математического моделирования доменного

процесса за последние годы, направленных на решение комплекса

технологических задач, позволяет выделить труды следующих учёных-

металлургов Большакова В.И. [9], Товаровского И.Г. [36], Дмитриева А.Н. [37-39],

Загайнова С.А. [34, 40-41], Курунова И.Ф. [8, 42], Лисиенко В.Г. [33, 35],

Онорина О.П. [30, 31, 34, 41], Спирина Н.А. [30, 31, 34, 41], Гилевой Л.Ю. [30, 40,

43-45] и др.; диссертации на соискание ученой степени доктора наук: Лаврова В.В.

[46], диссертации на соискание ученой степени кандидата наук: Щипанова К.А.

[47], Казанцева С.В. [48], Перминова А.И. [49], Бурыкина А.А. [50],

Краснобаева А.В. [51], Павлова А.В. [52], Истомина А.С. [53], Михина Р.А. [54],

Сучкова А.В. [55], Чеснокова Ю.А. [56] и др.

Простейшими считаются балансовые модели доменного процесса, они

описывают закономерности тепло- и массообмена в доменной печи в самом общем

виде и характеризуют начальное и конечное состояние материальных и

энергетических потоков в печи [57-59]. Материальные и тепловые балансы,

лежащие в основе моделей этого класса, устанавливают взаимосвязи между

режимными параметрами процесса и показателями работы печи. Однако низкая

достоверность исходных данных в прошлом, связанная с несовершенством

21

способов или невозможностью контроля за показателями доменного процесса,

приводила к погрешностям модельной оценки.

Хорошо известны модели, в основе которых лежит расчёт общего теплового

баланса и показателей доменной плавки по методике, предложенной

А. Ристом [60]. Разработанная в Национальном исследовательском

технологическом университете «МИСиС» балансовая модель предназначена для

анализа работы доменной печи и разработки новых режимов плавки на основе

расчёта температурных полей материала и газа в пространстве печи, описания

процессов восстановления железа с учётом геометрических характеристик печи и

характера газораспределения [61].

Общий тепловой баланс позволяет прогнозировать показатели работы печи

на основе анализа статей прихода и расхода тепла, он рассчитывается по

начальному и конечному состоянию системы. Однако он не позволяет оценить

влияние условий протекания процессов теплообмена в объёме печи. Например, не

учитывается, при каких температурах происходит передача тепла от газов к шихте

по высоте печи. Поэтому даже при малой невязке составляющих общего теплового

баланса невозможно определить характер протекания процессов в диапазоне от

начального состояния системы до конечного.

По этой причине возникла необходимость в определении распределения

тепла по высоте доменной печи. Решить такую задачу можно с помощью анализа

зональных тепловых балансов [36, 62], для составления которых требуется

понимание характера физико-химических и теплообменных процессов между

различными температурными зонами печи. Зональные тепловые балансы

позволяют находить лимитирующие (определяющие) зоны в печи, их

преимуществом является возможность определения температуры колошникового

газа расчётным путём. С одной стороны, это даёт больше возможностей по

прогнозированию хода процесса в сравнении с моделями на основе общего

теплового баланса, а, с другой стороны, при таком подходе приходится принимать

ряд допущений о степени завершённости процессов в различных температурных

интервалах.

22

Следующим витком в развитии балансовых моделей является математико-

статистический метод определения технико-экономических показателей доменной

плавки и создание на его основе балансово-статистических моделей доменного

процесса [63]. В этом подходе используются статические зависимости, например,

зависимость степени прямого восстановления железа от расхода восстановителей,

степени использования оксида углерода от расхода топлива и др.

Другим классом математических моделей доменного процесса являются

кинетические модели. Во Всесоюзном научно-исследовательском институте

металлургической теплотехники (ВНИИМТ) разработана кинетико-динамическая

модель доменного процесса [64-68]. Она включает уравнения материального и

теплового балансов, теплообмена между потоками газов и шихты, кинетики

основных физико-химических реакций. В этой модели также представлен ряд

динамических характеристик доменных печей при изменении показателей

процесса по различным каналам управления.

В Институте металлургии УрО РАН создан комплекс математических

моделей, включающий балансовую (равновесную) модель и двумерную модель,

которая состоит из блоков расчёта газодинамики, теплообмена, восстановления и

зоны когезии. В основе этой балансовой модели лежит предположение о том, что в

определенной зоне печи реакция восстановления вюстита стремится к

термодинамическому равновесию [37, 38, 69, 70].

Кинетическая модель доменного процесса разрабатывается в Национальном

исследовательском технологическом университете «МИСиС» [71, 72].

При работе с кинетическими моделями существует ряд проблем, причиной

которых является, прежде всего, невозможность получения полных данных о

протекающих в нижней части доменной печи процессах. Например, отсутствуют

данные о зависимости скоростей восстановления железа и кремния от

температуры, о коэффициентах теплоотдачи между газом, коксом и жидкими

продуктами плавки, не поддаётся полному математическому описанию время

пребывания чугуна и вспенивающегося шлака между горизонтами перехода в

жидкое состояние и уровнем фурм.

23

Кроме того, в кинетических моделях существуют сложности при описании

движения шихтовых материалов в шахте печи, а необходимость предварительного

определения кинетических характеристик железорудного сырья требует

параметрической настройки модели для конкретных условий работы. Всё это

ограничивает практическую значимость математических моделей этого класса.

Перспективным для решения задач анализа и прогноза работы доменных

печей является натурно-модельный подход, разработанный в Сибирском

государственном индустриальном университете (СибГИУ) [73-76]. Основой этого

подхода является натурно-математическое моделирование, при котором натурные

(реальные) данные объекте используются совместно с частичными

математическими моделями, описывающими отдельные стороны процесса.

Зачастую это позволяет использовать при решении задач относительно простой

математический аппарат, в тоже время учитывать физическую сущность

протекающих в объекте процессов. Применительно к доменному процессу этот

подход впервые использован Китаевым Б.И. и его учениками Сухановым Е.Л.,

Загайновым С.А., Гилевой Л.Ю. [40, 41, 43-45].

Согласно натурно-модельному подходу модель доменной печи условно

можно разделить на две части – модель базового (эталонного) состояния и

прогнозирующую модель. Модель базового состояния предназначена для

адаптации математической модели к реальным условиям работы и позволяет

оценивать состояние доменной печи по усреднённым показателям за прошедший

(базовый) период работы печи. Для построения математической модели базового

состояния используется информация о составе и свойствах шихты, чугуна и шлака,

характеристиках комбинированного дутья и колошникового газа и др. Полученные

с помощью модели базового состояния результаты используются в

прогнозирующей модели, которая позволяет оценить показатели доменного

процесса в случае изменения видов и свойств шихтовых материалов, а также

характеристик дутья.

Натурно-модельный подход позволил создать математическую модель

доменного процесса, обладающую свойством адаптируемости к условиям работы

24

на конкретной доменной печи при существующих системах сбора, обработки и

хранения информации. При работе эта модель использует ряд настроечных

коэффициентов, которые применяются только к условиям работы конкретной печи

и определяются опытным путём.

Моделирование теплового состояния доменной печи при таком подходе

показало хорошие результаты для решения задач контроля и анализа теплового

режима, однако слабый учёт или исключение из рассмотрения особенностей

дутьевого, газодинамического и шлакового режимов накладывало ограничения по

практическому применению математической модели. Поэтому в дальнейшем на

основе фундаментальных физических представлений о процессе доменной плавки

модель была усовершенствована. В ней были учтены параметры дутьевого,

газодинамического и шлакового режимов, что существенно расширило

возможности по использованию модели.

Разработанная с помощью натурно-модельного подхода в Уральском

федеральном университете (УрФУ) балансовая модель доменного процесса в

общем виде представляет собой систему детерминированных зависимостей,

характеризующих тепловой, восстановительный, дутьевой, газодинамический и

шлаковый режимы, зону вязкопластичного состояния рудных материалов (зону

когезии) доменной плавки. Основные алгоритмы, расчётные уравнения и

результаты моделирования с помощью этой модели подробно описаны в работах

[30, 31, 34, 77].

На основе балансовой модели доменного процесса разработана методика

прогноза показателей работы печи при изменении параметров подачи, свойств и

состава шихтовых материалов, характеристик комбинированного дутья.

Работающая на основе этого система модельной поддержки принятия решений

предназначена как для диагностики, так и прогнозирования работы доменных

печей и включает следующие блоки: расчёт балансов (теплового, материального,

отдельных элементов); расчёт зоны когезии; диагностика теплового, шлакового и

газодинамического режимов доменной плавки [31, 77].

25

1.3 Состояние вопроса оптимального распределения сырьевых и топливно-

энергетических ресурсов комплекса доменных печей

Перевод металлургических комбинатов из государственной собственности в

частную, а экономики от плановой к рыночной привели к тому, что предприятия

столкнулись с вопросами экономической эффективности при производстве чугуна

и вынуждены были самостоятельно решать задачи оптимизации состава шихты,

оценки рациональности использования различных добавок к воздушному дутью,

построения стратегии управления комплексом доменных печей и дальнейшего

совершенствования технологии доменной плавки. С другой стороны,

нестабильные внешние условия приводят к значительным отклонениям текущих

технологических режимов работы доменных печей от оптимальных. К внешним

условиям относятся безаварийная работа внутризаводских поставщиков сырьевых

и энергетических ресурсов (аглофабрика, коксохимическое производство,

кислородно-компрессорный цех, станция подачи природного газа),

вспомогательного оборудовании (воздухонагреватели и др.), стабильность

поставок и качество сырьевых ресурсов (окатышей, флюсов, коксующихся углей и

др.) от внешних поставщиков [2-6]. Зависимость эффективности использования

углеводородных добавок (природный газ, пылеугольное топливо) от многих

факторов и наличие ограничений на их расход значительно усложняет задачу по

определению оптимальных характеристик горячего дутья, при которых

достигаются наилучшие технико-экономические показатели работы всего

комплекса доменных печей.

Поэтому в современных условиях резко возросла необходимость в

построении и использовании автоматизированных систем оптимизации условий

работы доменных печей на основе методов оперативного управления

технологическим режимом доменной плавки.

Решение задач оптимального распределения сырьевых и топливно-

энергетических ресурсов комплекса агрегатов осуществляется с применением

методов математического моделирования и математического программирования,

26

широко используемых в разных отраслях промышленности – металлургической,

химической, энергетике и других. В связи с этим заслуживают внимание работы по

моделированию и оптимизации процессов Салихова З.Г. [78, 79], Бородулина А.В.

и Гизатуллина Х.Н. [80], Кафарова В.В. [81], Лисиенко В.Г. [82, 83], Рея У. [84],

Цирлина А.М. [85], Таха Х.А. [86], Цымбала В.П. [87, 88], Спирина Н.А. [89],

Рейклейтиса Г. [90] и других.

Оптимальное распределение сырьевых и топливно-энергетических ресурсов

в комплексе доменных печей является актуальной задачей, так как

технологические показатели работы отдельных печей существенно различаются.

Например, отдельные доменные печи имеют различную степень использования

восстановления моноксида углерода и водорода, что определяет целесообразность

оценки эффективности добавки природного газа к воздушному дутью. Различие в

показателях объясняется конструктивными особенностями профиля печи,

физическим состоянием футеровки печи, типом засыпного устройства и многими

другими факторами. Поэтому важно иметь методику, которая позволит оценить

эффективность использования ресурсов и осуществить их оптимальное

распределение в комплексе доменных печей.

Существующие экономико-математические модели предназначены для

решения задач оптимального распределения ресурсов между технологическими

агрегатами. Применительно к доменному производству они не учитывают в полной

мере протекающие процессы теплообмена, газодинамики, шлакообразования и

ограничения на них. Поэтому такие модели практически не используются

специалистами в чёрной металлургии. Математические модели оптимального

распределения сырья и топлива в доменном производстве также недостаточно

развиты, так как в полной мере не принимают во внимание различные стороны

процесса и особенности работы отдельных печей.

В дальнейшем рассматривается задача стратегического распределения

железорудного сырья и установки характеристи�