Анализ шлакового режима доменной плавки с использованием модельных систем поддержки принятия решений

Представлена усовершенствованная сотрудниками УрФУ – ММК («Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» – ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат) балансовая модель доменного процесса. Модель в общем виде представляет собой систему детерминированных зависимостей, характеризующих тепловой, восстановительный, газодинамический, дутьевой и шлаковый режимы доменной плавки. В основу модели положен принцип натурно-математического моделирования. Предложены показатели, характеризующие свойства конечного шлака для реализации нормального шлакового режима доменной плавки (вязкость шлака в температурном интервале 1350 – 1550 °С, градиенты вязкости шлака). Градиент вязкости наряду с допустимыми при различных температурах шлака диапазонами вязкости шлака используются при моделировании шлакового режима в качестве ограничивающих факторов для диагностики шлакового режима. Выбор предельных значений каждого из диапазонов и градиента вязкости осуществляется методом экспертного оценивания. Представлена структура модели расчета параметров конечного шлака. С использованием математической модели доменного процесса выполнен анализ шлакового режима доменной плавки по фактическим показателям их работы. Установлено, что обессеривающая способность шлака используется недостаточно полно, в результате выплавляется чугун пониженного качества как по содержанию серы, так и по содержанию кремния. Изменение характеристик шлакового режима при прочих равных условиях положительно сказывается на газопроницаемости в зоне шлакообразования, повышается восстановительная способность газа и производительность доменной печи, снижается расход кокса. Представлены результаты проектных расчетов показателей работы печей ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» при изменении состава загружаемых материалов. Даны рекомендации по оптимальной основности шлака. Как показали расчеты, оптимальная основность конечного шлака, обеспечивающая максимальную его жидкоподвижность, для условий работы доменных печей комбината составляет 1,04 – 1,05 для соотношения CaO/SiO₂ и 1,30 – 1,32 для соотношения (CaO + MgO)/SiO₂.

1. Pavlov A.V., Polinov A.A., Spirin N.А., Onorin O.P., Lavrov V.V. Use of model systems for solving new technological problems in blast-furnace production // Metallurgist. 2017. Vol. 61. No. 5-6. P. 448–454. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0516-7

2. Компьютерные методы моделирования доменного процесса / О.П. Онорин, Н.А. Спирин, В.Л. Терентьев, Л.Ю. Гилева, В.Ю. Рыболовлев, И.Е. Косаченко, В.В. Лавров, А.В. Терентьев; под ред. Н.А. Спирина. Екатеринбург: УГТУ–УПИ, 2005. 301 с.

3. Модельные системы поддержки принятия решений в АСУ ТП доменной плавки / Н.А. Спирин, В.В. Лавров, В.Ю. Рыболовлев, А.В. Краснобаев, О.П. Онорин, И.Е. Косаченко. Екатеринбург: УрФУ, 2011. 462 с.

4. Математическое моделирование металлургических процессов в АСУ ТП / Н.А. Спирин, В.В. Лавров, В.Ю. Рыболовлев, Л.Ю. Гилева, А.В. Краснобаев, В.С. Швыдкий, О.П. Онорин, К.А. Щипанов, А.А. Бурыкин. Екатеринбург: УрФУ, 2014. 558 с.

5. Большаков В.И. Технология высокоэффективной энергосберегающей доменной плавки. Киев: Наукова думка, 2007. 411 с.

6. Товаровский И.Г. Доменная плавка. Днепропетровск: Пороги, 2009. 765 с.

7. Гиммельфарб А.А., Котов К.И. Процессы восстановления и шлакообразования в доменных печах. М.: Металлургия, 1982. 328 с.

8. Gordon Y., Izumskiy N. Mathematical model and stabilization system for slag mode of blast furnace operation. In: Proceedings of AISTech-2017 Iron and Steel Technology Conf., Nashville, United States. 2017. Vol. 1. P. 797–805.

9. Jia R., Deng L., Yun F., Li H., Zhang X., Jia X. Effects of SiO2/CaO ratio on viscosity, structure, and mechanical properties of blast furnace slag glass ceramics // Materials Chemistry and Physics. 2019. Vol. 233. P. 155–162. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.05.065

10. Shen X., Chen M., Wang N., Wang D. Viscosity property and melt structure of CaO–MgO–SiO2–Al2O3–FeO slag system // ISIJ International. 2019. Vol. 59. No. 1. P. 9–15. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2018-479

11. Zheng H., Ding Y., Zhou S., Wen Q., Jiang X., Gao Q., Shen F. Viscosity prediction model for blast furnace slag with high Al2O3 // Steel Research International. 2021. Vol. 92. No. 1. Article 1900635. https://doi.org/10.1002/srin.201900635

12. Jiao K., Zhang J., Liu Z., Chen C. Effect of MgO/Al2O3 ratio on viscosity of blast furnace primary slag // High Temperature Materials and Processes. 2019. Vol. 38. P. 354–361. https://doi.org/10.1515/htmp-2018-0019

13. Gan L., Lai C. A general viscosity model for molten blast furnace slag // Metallurgical and Materials Transactions B: Process Me­tallurgy and Materials Processing Science. 2014. Vol. 45. No. 3. P. 875–888. https://doi.org/10.1007/s11663-013-9983-9

14. Iida T., Sakai H., Kita Y., Shigeno K. An equation for accurate prediction of the viscosities of blast furnace type slags from chemical composition // ISIJ International. 2000. Vol. 40. P. 110–114. https://doi.org/10.2355/isijinternational.40.suppl_s110

15. Shu Q. A viscosity estimation model for molten slags in Al2O3–CaO–MgO–SiO2 system // Steel Research International. 2009. Vol. 80. No. 2. P. 107–113. https://doi.org/10.2374/SRI08SP085

16. Jiang D., Zhang J., Wang Z., Feng C., Jiao K., Xu R. A prediction model of blast furnace slag viscosity based on principal component analysis and k-nearest neighbor regression // JOM. 2020. Vol. 72. No. 11. P. 3908–3916. https://doi.org/10.1007/s11837-020-04360-9

17. Pavlov A.V., Onorin O.P., Spirin N.A., Polinov A.A. MMK blast furnace operation with a high proportion of pellets in a charge. Part 1 // Metallurgist. 2016. Vol. 60. No. 5-6. P. 581–588. https://doi.org/10.1007/s11015-016-0335-2

18. Атлас шлаков / Перевод с немецкого Г.И. Жмойдина; под ред. И.С. Куликова. М.: Металлургия, 1985. 208 с.

19. Воскобойников В.Г., Дунаев Н.Е., Михалевич А.Г. Свойства жидких доменных шлаков. М.: Металлургия, 1975. 182 с.

20. Жило Н.Л. Формирование и свойства доменных шлаков. М.: Металлургия, 1974. 120 с.