Модельно-прогнозуючий регулятор дуттєвого режиму киснево-конвертерного процесу

Abstract

На сьогоднішній день в Україні та у світі актуальною є проблема енергозбереження та зниження вартості виплавленої сталі. Металургійні підприємства розвиваються в умовах жорсткої конкуренції, основна причина – українська продукція надзвичайно енергомістка через зношеність основних фондів та застарілі технологічні процеси. Киснево-конвертерний процес – це процес виробництва сталі з рідкого чавуну з додаванням сталевого брухту в конвертер і продувкою киснем зверху крізь водоохолоджувальну фурму. Сьогодні отримання сталі за допомогою киснево-конвертерного процесу є найпопулярнішим у світі та набуває все більшого розповсюдження. Основним недоліком киснево-конвертерного способу є необхідність надання початкової кількості тепла (у вигляді рідкого чавуну) і як наслідок – обмеження в переробці металевого брухту. Зниження собівартості киснево-конвертерної сталі досягається через підвищення частки металобрухту за рахунок підвищення ступеня допалювання СО до СО2 в порожнині конвертера, шляхом оптимального керування параметрами дуттьового режиму з використанням модельно-прогнозуючого керування. Принцип модельно-прогнозуючого керування базується на математичній моделі об'єкта. Такий підхід мінімізує функціонал, що характеризує якість процесу. У якості функціоналу було обрано лінійно-квадратичний функціонал. Запропоновано прогнозуючу модель з урахуванням обмежень на зміну положення фурми та пневматичного клапану подачі кисню. Встановлено, що зміна швидкості зневуглецювання металу залежить від відстані фурми до рівня спокійної ванни і впливає на ступень допалювання СО до СО2. Процес зневуглецювання є нестаціонарним, описується аперіодичною ланкою першого порядку, коефіцієнт передачі й постійна часу якої залежить від періоду плавки й тривалості продувки. Вдосконалено математичну модель дуттьового режиму киснево-конвертерної плавки за рахунок врахування впливу інтенсивності дуття на процес зневуглецювання ванни, що дозволило підвищити точність та якість керування дуттям в умовах зміни витрати кисню під час продувки. Результати моделювання системи автоматичного керування показують, що модельно-прогнозуючий регулятор забезпечує необхідний рівень СО2 в конвертерних газах при зміні витрати кисню на продувку.Today in Ukraine and the world, the problem of energy saving and reducing the cost of smelted steel is state of art. Metallurgical enterprises are developing in conditions of fierce competition, the main reason is that Ukrainian products are extremely energy-intensive due tothe depreciation of fixed assets and outdated technological processes. The basic oxygen furnace process is a process of producing steel from liquid cast iron with the addition of steel scrap to the converter and blowing oxygen from above through a water-cooling lance. Nowadays, the production of steel by BOF process is the most popular in the world andis becoming increasingly common. The main disadvantage of the basic oxygen furnace is the need to provide the initial amount of heat (in the form of liquid cast iron) and as a consequence - restrictions on the processing of scrap metal. Reducing the cost of basic oxygen furnace steel is achieved by increasing the share of scrap metal by increasing the degree of afterburning of CO to CO2 in the cavity of the converter, by optimal control of the parameters ofthe blast mode using model-predictive control. The principle of model-predictive control is based on a mathematical model of the plant. This approach minimizes the functional that characterizes the quality of the process. The linear-quadratic functional was chosen. A forecasting model is proposed taking into account the constraint on changing the position of the lance and the pneumatic oxygen supply valve. It was found that the change in the rate of decarburization of the metal depends on the distance of the lance to the level of the quiet bath and affects the degree of afterburning of CO to CO2. The decarburization process is non-stationary, described by a first-order inertial model, the transfer coefficient and time constant of which depends on the melting period and the duration of the purge. The mathematical model of the blast mode of oxygen-converter melting has been improved, taking into account the influence of the blast intensity on the decarburization process of the bath, which allowed to increase the accuracy and quality of blast control in terms of changing oxygen flow during purging. The simulation results of the automatic control system show that the model-predictive regulator provides the required level of carbon dioxide in the converter gases when the flow rate of oxygen for purge changes.