blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2024-2-245-253blackmet-2716Research ArticleИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИINFORMATION TECHNOLOGIES AND AUTOMATIC CONTROL IN FERROUS METALLURGYИнформационно-моделирующая система движения слоев шихты и накопления расплава в горне доменной печиInformation modeling system for movement of charge layers and melt accumulation in a blast furnace wellhttps://orcid.org/0000-0001-6582-3428СпиринН. А.SpirinN. A.

Николай Александрович Спирин, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой теплофизики и информатики в металлургии

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 28

Nikolai A. Spirin, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Chair “Thermal Phy­sics and Informatics in Metallurgy”

28 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

n.a.spirin@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4989-7029ГуринИ. А.GurinI. A.

Иван Александрович Гурин, к.т.н., доцент кафедры теплофизики и информатики в металлургии

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 28

Ivan A. Gurin, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Thermal Phy­sics and Informatics in Metallurgy”

28 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

ivan.gurin@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6953-5519ЛавровВ. В.LavrovV. V.

Владислав Васильевич Лавров, д.т.н., профессор кафедры теплофизики и информатики в металлургии

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 28

Vladislav V. Lavrov, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”

28 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

v.v.lavrov@urfu.ruhttps://orcid.org/0009-0000-9439-5792ЗайнуллинЛ. А.ZainullinL. A.

Лик Анварович Зайнуллин, д.т.н., профессор кафедры теплофизики и информатики в металлургии

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 28

Lik A. Zainullin, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”

28 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

aup@vniimt.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B. N. YeltsinRussian Federation202421042024672245253Copyright © Спирин Н.А., Гурин И.А., Лавров В.В., Зайнуллин Л.А., 20242024Спирин Н.А., Гурин И.А., Лавров В.В., Зайнуллин Л.А.Spirin N.A., Gurin I.A., Lavrov V.V., Zainullin L.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2716

В статье представлены результаты разработки информационно-моделирующей системы движения слоев шихты и накопления расплава в горне доменной печи. В основу работы положены математические модели, отражающие современные представления о протекании физико-химических явлений доменной плавки и технологические особенности ведения доменного процесса. Применение системы позволяет определить и визуализировать конфигурацию слоев железорудных материалов и кокса по высоте рабочего пространства с учетом заданной рудной нагрузки в равновеликих кольцевых зонах доменной печи. В построении конфигурации слоев шихты при подходе материалов в распар печи учтены особенности их движения. Это обусловлено влиянием фурменных очагов, процессов первичного шлакообразования, изменения толщины слоя кокса, вызванного развитием процесса прямого восстановления. Расчет процесса накоп­ления расплава в горне доменной печи предусматривает определение объема шлака, оставшегося в горне печи после закрытия летки предыдущего выпуска, расчет динамики заполнения горна печи расплавами чугуна и шлака, определение объемного выхода расплавов чугуна и шлака за межвыпускной период и расчет продолжительности выпуска из печи. Разработанная информационно-моделирующая система позволяет по реально доступной информации о работающей печи оценивать динамику изменения конфигурации слоев по высоте рабочего пространства, а также процесс накопления расплава в горне доменной печи. Описана архитектура программного обеспечения, представлена характеристика модулей и проиллюстрирована его работа. Разработанная система может быть использована технологичес­ким персоналом доменного производства для изучения процессов, протекающих в доменных печах, совершенствования технологических режимов функционирования, прогнозирования хода плавки в режиме реального времени в условиях нестабильности их работы.

The article presents the results of development of an information modeling system for movement of charge layers and melt accumulation in a blast furnace well. The work is based on mathematical models reflecting modern ideas on the course of physico-chemical phenomena of blast furnace melting and technological features of the blast furnace process. The use of such system makes it possible to determine and visualize the configuration of layers of iron ore materials and coke according to the working space height, taking into account a given ore load in equal-sized annular zones of the blast furnace. In constructing the configuration of the charge layers, when materials are approaching the furnace belly, the peculiarities of their movement are taken into account. This is due to the influence of tuyere zone, primary slag formation processes, and changes in thickness of the coke layer caused by development of the direct reduction process. Calculation of the melt accumulation process in the blast furnace well provides determining the volume of slag remaining there after the notch closure of previous tapping, calculating the dynamics of filling the furnace well with melts of cast iron and slag, determining the volume output of melts of cast iron and slag for the inter-tapping period and calculating the duration of tapping. The developed information modeling system makes it possible to evaluate the dynamics of changes in configuration of layers in the working space height, as well as the process of melt accumulation in the blast furnace well, using really accessible information about a working furnace. The software architecture is described, the characteristics of the modules are presented and its operation is illustrated. The developed system can be used by technological staff of a blast furnace shop to study the processes occurring in blast furnaces, improve the technological modes of operation, predict the melting progress in real time in conditions of operation instability.

доменная печьмоделирование доменного процессадвижение шихтовых материалов в печинакопление расплава чугуна и шлака в горнепрограммное обеспечениеархитектура программного обеспеченияфункциональное моделированиеblast furnacemodeling of blast furnace processmovement of charge materials in a furnaceaccumulation of molten iron and slag in a furnacesoftwaresoftware architecturefunctional modelingReferencesСибагатуллин С.К., Махмутов Р.Ф., Сибагатуллина М.И., Стародубов В.А., Буранова Э.Ф. Об оптимальности распределения материалов в колошниковом пространстве доменной печи. Теория и технология металлургического производства. 2014;(2(15)):31–34.Sibagatullin S.K., Makhmutov R.F., Sibagatullina M.I., Starodubov V.A., Buranova E.F. On the optimal distribution of materials in the blast furnace space of the blast furnace. Teoriya i tekhnologiya metallurgicheskogo proizvodstva. 2014;(2(15)):31–34. (In Russ.).Сибагатуллин С.К. Формирование слоя шихты в колошниковом пространстве печи. Магнитогорск: МГТУ; 2014:188.Sibagatullin S.K. Formation of Charge Layer in Furnace Mouth Space. Magnitogorsk: MSTU; 2014:188. (In Russ.).Товаровский И.Г. Прогнозная оценка влияния распределения шихтовых материалов по радиусу колошника на процессы и показатели доменной плавки. Металлург. 2014;(8):46–52.Tovarovskii I.G. Predictive assessment of the influence of charge materials distribution along the radius of furnace mouth on processes and indicators of blast furnace smelting. Metallurg. 2014;(8):46–52. (In Russ.).Bolshakov V.I., Semenov Yu.S., Ivancha N.G., Vishnyakov V.I., Shumelchik E.I., Podkorytov A.L., Semion I.Yu., Kuznetsov A.M., Zubenko A.V. Study of the flow of burden materials and their distribution on the furnace top of a modern blast furnace. Metallurgical and Mining Industry. 2012;4(3):158–165.Bolshakov V.I., Semenov Yu.S., Ivancha N.G., Vishnyakov V.I., Shumelchik E.I., Podkorytov A.L., Semion I.Yu., Kuznetsov A.M., Zubenko A.V. Study of the flow of burden materials and their distribution on the furnace top of a modern blast furnace. Metallurgical and Mining Industry. 2012;4(3):158–165.Большаков В.И., Товаровский И.Г., Гладков Н.А., Шутылев Ф.М. Распределение материалов по радиусу колошника и развитие процессов тепломассообмена и фазовых превращений в объеме доменной печи. Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2008;(3):22–34.Bol’shakov V.I., Tovarovskii I.G., Gladkov N.A., Shuty­lev F.M. Distribution of materials along the radius of furnace mouth and development of heat and mass transfer processes and phase transformations in the volume of a blast furnace. Ferrous Metallurgy. Bulletin of Scientific, Technical and Economic Information. 2008;(3):22–34. (In Russ.).Тарасов П.В. Распределение материалов и газов по окружности доменной печи. Известия вузов. Черная металлургия. 2007;50(5):17–22.Tarasov P.V. Distribution of materials and gases around the circumference of a blast furnace. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2007;50(5):17–22. (In Russ.).Fojtik D., Tuma J., Faruzel P. Computer modelling of burden distribution in the blast furnace equipped by a bell-less top charging system. Ironmaking & Steelmaking. 2021;48(10):1226–1238. https://doi.org/10.1080/03019233.2021.1952829Fojtik D., Tuma J., Faruzel P. Computer modelling of burden distribution in the blast furnace equipped by a bell-less top charging system. Ironmaking & Steelmaking. 2021;48(10):1226–1238. https://doi.org/10.1080/03019233.2021.1952829Teng Z.–J., Cheng S.–S., Du P.–Y., Guo X.–B. Mathematical model of burden distribution for the bell-less top of a blast furnace. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 2013;20(7):620–626. https://doi.org/10.1007/s12613-013-0775-7Teng Z.–J., Cheng S.–S., Du P.–Y., Guo X.–B. Mathematical model of burden distribution for the bell-less top of a blast furnace. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 2013;20(7):620–626. https://doi.org/10.1007/s12613-013-0775-7Di Z., Huang M., Zhou X., Liu J., Sun J., Wang P., Wang H. The influence of central coke charging mode on the burden surface shape and distribution of a blast furnace. International Journal of Chemical Reactor Engineering. 2022;21(2): 169–179. https://doi.org/10.1515/ijcre-2022-0066Di Z., Huang M., Zhou X., Liu J., Sun J., Wang P., Wang H. The influence of central coke charging mode on the burden surface shape and distribution of a blast furnace. International Journal of Chemical Reactor Engineering. 2022;21(2): 169–179. https://doi.org/10.1515/ijcre-2022-0066Большаков В.И. Технология высокоэффективной энерго­сберегающей доменной плавки. Киев: Наукова думка; 2007:411.Bol’shakov V.I. Technology of High-Efficiency Energy-Saving Blast Furnace Smelting. Kiev: Naukova dumka; 2007:411. (In Russ.).Товаровский И.Г. Доменная плавка. Днепропетровск: Пороги; 2009:768.Tovarovskii I.G. Blast Furnace Smelting. Dnepropetrovsk: Porogi; 2009:768. (In Russ.).Бабарыкин Н.Н. Теория и технология доменного процесса. Магнитогорск: МГТУ; 2009:257.Babarykin N.N. Theory and Technology of Blast Furnace Process. Magnitogorsk: MSTU; 2009:257. (In Russ.).Cameron I., Sukhram M., Lefebvre K., Davenport W. Blast Furnace Ironmaking: Analysis, Control and Optimization. 1st ed. Elsevier Science; 2019:828. https://doi.org/10.1016/C2017-0-00007-1Cameron I., Sukhram M., Lefebvre K., Davenport W. Blast Furnace Ironmaking: Analysis, Control and Optimization. 1st ed. Elsevier Science; 2019:828. https://doi.org/10.1016/C2017-0-00007-1Большаков В.И., Муравьева И.Г., Семенов Ю.С. Прогнозирование теплового состояния горна доменной печи. Сталь. 2009;(5):7–9.Bol’shakov V.I., Murav’eva I.G., Semenov Yu.S. Forecasting the thermal condition of a blast furnace well. Stal’. 2009;(5):7–9. (In Russ.).Спирин Н.А., Лавров В.В., Рыболовлев В.Ю., Ги­­лева Л.Ю., Краснобаев А.В., Швыдкий В.С., Онорин О.П., Щипанов К.А., Бурыкин А.А. Математическое моделирование металлургических процессов в АСУ ТП. Екатеринбург: УрФУ; 2014:558.Spirin N.A., Lavrov V.V., Rybolovlev V.Yu., Gileva L.Yu., Krasnobaev A.V., Shvydkii V.S., Onorin O.P., Shchipanov K.A., Burykin A.A. Mathematical Modeling of Metal­lurgical Processes in Automated Process Control Systems. Yekaterinburg: UrFU; 2014:558. (In Russ.).Спирин Н.А., Лавров В.В., Бурыкин А.А., Рыболовлев В.Ю., Краснобаев А.В., Косаченко И.Е. Модельные системы поддержки принятия решений в АСУ ТП доменной плавки. Екатеринбург: УрФУ; 2011:462.Spirin N.A., Lavrov V.V., Burykin A.A., Rybolovlev V.Yu., Krasnobaev A.V., Kosachenko I.E. Spirin N.A., Lavrov V.V., Burykin A.A., Rybolovlev V.Yu., Krasnobaev A.V., Kosachenko I.E. Model Decision Support Systems in Automated Process Control System of Blast Furnace Smelting. Yekate­rinburg: UrFU; 2011:462. (In Russ.).Онорин О.П., Спирин Н.А., Терентьев В.Л., Гилева Л.Ю., Рыболовлев В.Ю., Косаченко И.Е., Лавров В.В., Терентьев А.В. Компьютерные методы моделирования доменного процесса. Екатеринбург: УГТУ–УПИ; 2005:301.Onorin O.P., Spirin N.A., Terent’ev V.L., Gileva L.Yu., Rybolovlev V.Yu., Kosachenko I.E., Lavrov V.V., Terent’ev A.V. Computer Methods for Modeling of Blast Furnace Process. Yekaterinburg: USTU–UPI; 2005:301. (In Russ.).Gordon Y., Izumskiy N., Matveienko G., Chaika O., Lebid V., Vyshinskya O. Diagnostics, optimization and mathematical models of coke-sinter-hot metal production process. AISTech 2019 – Proceedings of the Iron & Steel Technology Conf. 2019;2019-May:479–484. https://doi.org/10.33313/377/050Gordon Y., Izumskiy N., Matveienko G., Chaika O., Lebid V., Vyshinskya O. Diagnostics, optimization and mathematical models of coke-sinter-hot metal production process. AISTech 2019 – Proceedings of the Iron & Steel Technology Conf. 2019;2019-May:479–484. https://doi.org/10.33313/377/050Павлов А.В., Онорин О.П., Спирин Н.А., Лавров В.В., Гурин И.А. Некоторые вопросы технологии, управления и диагностики доменной плавки. Екатеринбург: АМК «День РА»; 2023:282.Pavlov A.V., Onorin O.P., Spirin N.A., Lavrov V.V., Gurin I.A. Some Issues of Technology, Management and Diagnostics of Blast Furnace Smelting. Yekaterinburg: Den’ RA; 2023:282. (In Russ.).Онорин О.П., Спирин Н.А., Лавров В.В., Гурин И.А., Федотов Г.А. Математическая модель движения слоев шихты и накопления расплава в горне доменной печи. Сталь. 2023;(4):2–6.Onorin O.P., Spirin N.A., Lavrov V.V., Gurin I.A., Fedotov G.A. Mathematical model of the burden layers’ movement and melt accumulation in the blast furnace hearth. Stal’. 2023;(4):2–6. (In Russ.).Салий В.В., Фролов Р.Н., Цебренко К.Н. Построение экономической информационно-аналитической системы для оптимизации управления деятельностью организации. Информационные ресурсы России. 2021;(3(181)):37–40. https://doi.org/10.46920/0204-3653_2021_03181_37Saliy V.V., Frolov R.N., Tsebrenko K.N. Construction of economic information-analytical system for optimization of management organization. Informatsionnye resursy Rossii. 2021;(3(181)):37–40. (In Russ.). https://doi.org/10.46920/0204-3653_2021_03181_37Попов А.И. Свободные инструменты проектирования информационных систем. Москва: ИПК «Издательство стандартов»; 2014;78.Popov A.I. Free Tools for Designing Information Systems. Moscow: Izdatel’stvo standartov; 2014;78. (In Russ.).Гурин И.А., Лавров В.В., Спирин Н.А., Никитин А.Г. Веб-технологии построения автоматизированных информационно-моделирующих систем технологичес­ких процессов в металлургии. Известия вузов. Черная Металлургия. 2017;60(7):573–579. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-7-573-579Gurin I.A., Lavrov V.V., Spirin N.A., Nikitin A.G. Web-technologies for construction of automated information-modeling systems of technological processes in metallurgy. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017;60(7):573–579. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-7-573-579Фримен А. ASP.NET Core MVC 2 с примерами на C# для профессионалов. 7-е изд. Санкт-Петербург: ООО «Диалектика»; 2019:1008.Frimen A. ASP.NET Core MVC 2 with C# Examples for Professionals. 7th ed. St. Petersburg: Dialectics LLC; 2019:1008. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.