Кислородно-конвертерный передел жидкого чугуна — основной сталеплавильный процесс в мире. Доля стали, полученной кислородно-конвертерным способом в России, достигает 59% от общего количества [1]. В настоящее время в мире эксплуатируется около 280 кислородно-конвертерных цехов, имеющих в своем составе до 700 конвертеров, производящих 65% от суммарного мирового объема металла [2,3].
Технология кислородно-конвертерного передела жидкого чугуна постоянно совершенствуется в направлении повышения качества выплавляемой стали и производительности кислородного конвертера. Одним из способов решения этих задач является автоматизация процессов выплавки стали, в том числе автоматизация управления электроприводами основных механизмов кислородного конвертера [3−5].
Основным режимом работы кислородного конвертера является продувка расплава кислородом. Повышение производительности кислородного конвертера связано с сокращением времени его простоя на ликвидацию последствий инцидентов, возникающих при продувке расплава [5−7].
Выброс расплава через горловину кислородного конвертера является одним из самых распространенных инцидентов в ходе продувки кислородного конвертера. При выбросе расплава происходит разлив жидкого металла и шлака на поверхность корпуса кислородного конвертера и прочее технологическое оборудование, приводящий к длительной остановке сталеплавильного процесса для ликвидации последствий инцидента, что ведет к снижению выхода и качества выпускаемой стали и, в крайних случаях, к потере всей плавки. Основными причинами выбросов расплава является интенсивное вспенивание шлакометаллической эмульсии и возникновение интенсивных колебаний поверхности расплава [7−13]. В данной работе состояние процесса плавки, предшествующее выбросу расплава через горловину конвертера, названо возможностью выброса расплава.
С целью предотвращения выбросов расплава на современных конвертерах применяются системы технического диагностирования возможности выброса расплава. В мировой практике кислородно-конвертерного производства наибольшее распространение получили системы виброакустического контроля процесса продувки [14−19]. В большинстве случаев такие системы работают в режиме советчика технологического персонала. Фирмами Nippon Steel Corporation и SIEMENS-VAI разработаны системы технического диагностирования и предотвращения выбросов расплава при продувке кислородного конвертера посредством автоматического управления электроприводом кислородной фурмы и ввода шлакообразующих материалов [20−22]. Показатели эффективности подобных систем в литературе не приводятся, а структура и алгоритмы их работы являются коммерческой тайной.
Диагностирование возможности выброса расплава в кислородно-конвертерном цехе ОАО «ММК» осуществляется системой «Мониторинг-К» разработки НПП «Техноап» (г. Москва) [23]. При получении диагноза о возможности выброса расплава или его визуальном обнаружении технологический персонал корректирует параметры продувки посредством управления в ручном режиме электроприводом кислородной фурмы, изменения расхода кислорода и присадки шлакообразующих материалов [24].
Эксплуатация системы «Мониторинг-К» и анализ существующих систем управления электроприводом кислородной фурмы конвертера выявили следующие проблемы: отсутствуют конкретные технологические требования к электроприводу кислородной фурмы конвертера с позиции автоматического предотвращения выбросов расплавасистемы управления электроприводом кислородной фурмы конвертера построены без возможности предотвращения выбросов расплава в автоматическом режиме [23]. Система «Мониторинг-К» не обеспечивает достаточную достоверность диагностирования возможности выброса расплава. Имеют место выбросы расплава по причине субъективных ошибок технологического персонала при ручном управлении электроприводом кислородной фурмы конвертера.
Создание системы автоматического управления электроприводом кислородной фурмы конвертера на основе новой, более достоверной системы диагностирования возможности выброса расплава позволит эффективно предотвращать выбросы расплава, сократить время простоя кислородного конвертера на выполнение ремонтных работ и, как следствие, повысить производительность выплавки стали.
В связи с изложенным, целью настоящей работы является разработка системы автоматического управления электроприводом кислородной фурмы конвертера, обеспечивающей увеличение производительности кислородного конвертера за счет предотвращения простоев конвертера и потерь металла по причине выбросов расплава при продувке кислородного конвертера.
Достижение поставленной цели потребовало решения в диссертационной работе следующих основных задач:
— анализа известных технологических требований к электроприводу кислородной фурмы конвертера с позиции предотвращения выбросов расплава через горловину кислородного конвертера;
— анализа существующих способов диагностирования возможности выброса расплава через горловину кислородного конвертера и оценки достоверности диагностической информации системы «Мониторинг-К»;
— статистического анализа временных диаграмм изменения виброускорения корпуса кислородного конвертера в нормальном режиме продувки и при возникновении выбросов расплава через горловину кислородного конвертера;
— определения диагностических признаков возможности выброса расплава через горловину кислородного конвертера в характеристиках изменения виброускорения корпуса кислородного конвертера, а также их значений для условий кислородных конвертеров ОАО «ММК»;
— разработки новой методики и алгоритма диагностирования возможности выброса расплава через горловину кислородного конвертера по характеристикам изменения виброускорения корпуса кислородного конвертера и технологических параметров продувки;
— разработки конкретных технологических требований к системе управления электроприводом кислородной фурмы конвертера с позиций предотвращения выбросов расплава через горловину кислородного конвертера;
— разработки функциональной схемы и алгоритма работы системы управления электроприводом кислородной фурмы конвертера, обеспечивающих предотвращение выбросов расплава через горловину кислородного конвертера;
— анализа возможностей реализации разработанных технических решений существующими схемами электропривода;
— экспериментальной оценки эффективности предлагаемых методик и технических решений на действующих кислородных конвертерах.
К защите представляются следующие основные положения:
1. Результаты анализа технологических требований к электроприводу кислородной фурмы с позиций предотвращения выбросов расплава и возможностей их реализации существующей схемой электропривода.
2. Результаты статистического анализа временных диаграмм изменения виброускорения корпуса кислородного конвертера в нормальном режиме продувки и при выбросе расплава через горловину кислородного конвертера. Диагностические признаки возможности выброса расплава через горловину кислородного конвертера, основанные на спектральном анализе временных диаграмм изменения виброускорения корпуса кислородного конвертера.
3. Методика и алгоритм диагностирования возможности выброса расплава через горловину кислородного конвертера по характеру изменения виброускорения корпуса кислородного конвертера, отличающиеся высокой достоверностью диагнозов.
4. Конкретные технологические требования к электроприводу кислородной фурмы с позиций автоматического предотвращения выбросов расплава через горловину кислородного конвертера.
5. Функциональная схема и алгоритм системы управления электроприводом кислородной фурмы конвертера на основе системы диагностирования возможности выброса расплава через горловину кислородного конвертера, учитывающие технологические особенности кислородно-конвертерной выплавки стали.
6. Результаты опытно-промышленной эксплуатации предлагаемых методик и технических решений на действующих конвертерах № 1,2 ОАО «ММК» и оценки их эффективности.
Научная новизна работы заключается в разработке и реализации технологических требований к системе управления электроприводом кислородной фурмы конвертера с позиций предотвращения инцидентов по причине выбросов расплава через горловину кислородного конвертера.
В первой главе диссертации выполнен анализ технологических особенностей кислородных конвертеров и конвертеров с верхним способом продувки технически чистым кислородом через опускаемую в конвертер фурму. Показано, что одним из резервов повышения производительности кислородного конвертера является предупреждение выбросов расплава через горловину конвертера.
Анализ технологических требований к электроприводу кислородной фурмы и функциональных возможностей существующих систем автоматизированных электроприводов кислородных фурм конвертеров № 1−3 ОАО «ММК» показал:
1. Применяемые системы управления электроприводом кислородной фурмы конвертеров обеспечивают выполнение лишь обязательных технологических требований. Коррекция положения кислородной фурмы при обнаружении возможности выброса расплава через горловину конвертера осуществляется в ручном режиме.
2. В системах управления электроприводами кислородных фурм конвертеров не предусмотрена техническая возможность автоматического управления положением кислородной фурмы с целью предотвращения выбросов расплава через горловину конвертера.
3. Отсутствует научно-обоснованная методика расчета допустимых значений временных интервалов работы электропривода кислородной фурмы с позиций предотвращения выбросов расплава через горловину конвертера.
4. Технологические требования к электроприводу кислородной фурмы с точки зрения предотвращения в автоматическом режиме выбросов расплава при продувке кислородного конвертера и алгоритмы реализации данных требований не определены.
5. Низкая достоверность диагностической информации системы «Мони-торинг-К» не позволяет ее использование в качестве информационного звена в системе автоматического управления электроприводом кислородной фурмы конвертера.
Поставлена задача разработки системы автоматического управления электроприводом кислородной фурмы конвертера, обеспечивающей увеличение производительности кислородного конвертера за счет предотвращения выбросов расплава из конвертера.
Вторая глава диссертации посвящена разработке методики диагностирования возможности выброса расплава из кислородного конвертера по характеристикам виброускорения корпуса кислородного конвертера вдоль его трех ортогональных осей X, У, Ъ.
Анализ временных диаграмм виброускорения корпуса кислородного конвертера показал наличие фоновых импульсных помех высокой амплитуды. С целью повышения достоверности диагностирования возможности выброса расплава предложена методика фильтрации импульсных помех.
Выполнен расчет значений компонент амплитудного спектра изменения мгновенных значений виброускорения корпуса кислородного конвертера по методу спектрального преобразования. Определены значимые компоненты амплитудного спектра виброускорения корпуса кислородного конвертера вдоль трех его осей.
В результате статистического анализа временных диаграмм изменения значимых компонент амплитудного спектра виброускорения корпуса кислородного конвертера вдоль трех его осей и темпа их изменения определены восемь диагностических признаков возможности выброса расплава. В результате оценки совместного распределения реализаций диагностических признаков в выборках при нормальном ходе продувки и при возможности выброса расплава определены выражения для расчета величины правдоподобия принадлежности реализации комплексов диагностических признаков возможности выброса расплава.
Разработана методика диагностирования возможности выброса расплава из кислородного конвертера. Методика содержит последовательность выполнения операций обработки массивов мгновенных значений виброускорения корпуса кислородного конвертера вдоль трех его осей и расчета максимума отношений правдоподобия принадлежности реализации комплексов диагностических признаков диагнозу возможности выброса расплава.
В третьей главе разработан алгоритм диагностирования возможности выброса расплава из кислородного конвертера.
Установлено, что функциональная схема системы «Мониторинг-К» пригодна для реализации разработанного алгоритма. Представлены результаты опытно-промышленной апробации системы диагностирования возможности выброса расплава из кислородного конвертера на действующих конвертерах № 1,2 ОАО «ММК».
В четвертой главе выполнен анализ известных способов предотвращения выбросов расплава путем регулирования положения кислородной фурмы. Проведен анализ временных диаграмм изменения координат электропривода кислородной фурмы при обнаружении оператором продувки возможности выброса расплава.
Определены конкретные технологические требования к системе управления электроприводом кислородной фурмы с точки зрения предотвращения выбросов расплава.
Разработаны функциональная схема и алгоритм системы управления электроприводом кислородной фурмы, обеспечивающие автоматическое предотвращение выбросов расплава при продувке кислородного конвертера.
Приведены оценки результатов эффективности предложенных технических решений.
Основные результаты работы переданы технологическому персоналу ОАО «ММК» с целью внедрения разработанной системы управления электроприводом на кислородных конвертерах № 1,2.
4. Основные результаты работы переданы ОАО «ММК» с целью внедрения системы управления электроприводом кислородной фурмы на кислородных конвертерах № 1 -2.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Разработана система автоматического управления электроприводом кислородной фурмы конвертера, позволяющая увеличить производительность кислородного конвертера за счет сокращения времени его простоев на устранение последствий инцидентов по причине выбросов расплава через горловину конвертера, вызванных нарушением нормального хода продувки конвертера. Неотъемлемой составляющей частью системы автоматического управления электроприводом кислородной фурмы конвертера является авторская система технического диагностирования возможности выброса расплава из конвертера, отличающаяся от известных более высокой достоверностью диагнозов.
Получены следующие основные результаты:
1. Анализ применяемых в настоящее время систем управления электроприводом кислородной фурмы конвертера показал, что они не позволяют выполнить в автоматическом режиме целесообразное управление электроприводом кислородной фурмы конвертера с целью предотвращения одного из самых распространенных и тяжелых инцидентов при выплавке стали в кислородном конвертере — выброса расплава через горловину конвертера. На действующих в Российской Федерации кислородных конвертерах управление электроприводом кислородной фурмы выполняется в ручном режиме, что из-за неточности оценки ситуации и задержки принятия решений технологическим персоналом приводит к инцидентам.
2. Применяемая на ОАО «ММК» система технического диагностирования «Мониторинг-К» не обеспечивает требуемую достоверность диагностирования возможности выброса расплава. Это делает невозможным ее использование в качестве информационного звена в системе управления электроприводом кислородной фурмы, обеспечивающей предотвращение выбросов расплава через горловину кислородного конвертера в автоматическом режиме.
3. Анализ диаграмм амплитудного спектра виброускорения корпуса кислородного конвертера показал, что диагностирование возможности выброса расплава необходимо выполнять путем комплексной проверки значений компонент амплитудного спектра виброускорения корпуса кислородного конвертера, для чего предложена методика расчета значимых компонент амплитудного спектра виброускорения корпуса кислородного конвертера.
4. В результате анализа изменения величин и темпа изменения значимых компонент амплитудного спектра виброускорения корпуса кислородного конвертера по методу деревьев решений определены диагностические признаки возможности выброса расплава, а также выделены четыре группы реализаций диагностических признаков, соответствующих возможности выброса расплава.
5. Разработаны методика и алгоритм диагностирования возможности выброса расплава из кислородного конвертера, на основании которых создана программа диагностирования. Указанная программа внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию на кислородных конвертерах № 1−2 ОАО «ММК» и за 4 месяца эксплуатации показала высокую достоверность диагнозов: выявлено 49 из 53 случаев возможности выброса расплава. Количество ложных диагнозов по сравнению со штатной системой диагностирования возможности выброса расплава из кислородных конвертеров № 1−2 снижено в 7 раз.
6. Определены конкретные технологические требования к системе управления электроприводом кислородной фурмы конвертера с позиций предотвращения выбросов расплава при продувке конвертера:
1) В системе управления электроприводом кислородной фурмы конвертера по характеристикам виброускорения корпуса конвертера должно выполняться диагностирование возможности выброса расплава.
2) Система управления электроприводом кислородной фурмы конвертера должна иметь возможность целесообразного автономного управления электроприводом с целью автоматического предотвращения инцидента в случае появления диагноза о возможности выброса расплава: а) перемещения кислородной фурмы конвертера вниз на АНКФ = 0,2 м от рабочего положения и реализации режима останов в течение /V = 25 с кор, тж б) дополнительного перемещения кислородной фурмы конвертера вниз на 0,2 м от корректированного положения и реализации режима останов в течение &-кортах =25 св) после нормализации процесса плавки система управления электроприводом кислородной фурмы конвертера должна иметь возможность перемещения кислородной фурмы в рабочее положение со скоростью ГКФ = 0,0\м/с.
7. Разработана функциональная схема системы управления электроприводом кислородной фурмы, обеспечивающая автоматическое предотвращение выбросов расплава при продувке кислородного конвертера.
8. Разработан алгоритм управления электроприводом кислородной фурмы при продувке кислородного конвертера с учетом технологических особенностей и параметров кислородно-конвертерного производства стали.
9. Результаты диссертационной работы переданы для внедрения ОАО «ММК». Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанной системы автоматического управления электроприводом кислородной фурмы на конвертерах № 1−2 ОАО «ММК» составляет 2,2 млн руб. в год.
