Информационно-моделирующая система прогнозирования состава и свойств конечного шлака в доменной печи в режиме реального времени

Введение

Шлаковый режим доменной плавки [1; 2] в существенной степени определяет важнейшие технико-экономические показатели доменной печи (удельный расход кокса, производительность) [3 – 5]. Нестационарность доменного процесса, его сложность и пространственная распределенность [6 – 10] существенно осложняют задачу прогнозирования состава и свойств конечного шлака доменной печи в режиме реального времени [11 – 15].

Динамическая модель доменного процесса

Перспективным для исследования переходных процессов в доменной печи является натурно-математический подход [6; 7; 16; 17]. На его основе разработана динамическая модель доменного процесса УрФУ – ММК (Уральский федеральный университет – Магнитогорский металлургический комбинат), исследованы переходные процессы изменения содержания кремния в чугуне при изменении рудной нагрузки, расхода природного газа, температуры и влажности дутья, содержания кислорода в дутье. Разработаны алгоритмическое и программное обеспечения прогнозирования содержания кремния в чугуне в режиме реального времени [18 – 20]. Основой являются фундаментальные знания по теории и практике современного доменного процесса, закономерности процессов тепло- и массообмена, газодинамики, процессов шлакообразования. При этом широко используются математическое, алгоритмическое и программное обеспечения, разработанные ранее в УрФУ для управления доменной плавкой [6; 7; 17].

Алгоритм прогнозирования состава и свойств конечного шлака

Разработанный на основе этих же принципов программный модуль расчета переходных процессов состава и свойств конечного шлака в доменной печи представлен в работе [21]. Показано, что динамические характеристики доменных печей по различным каналам воздействия изменяются и зависят от вида воздействия, режимных параметров работы печей и свойств проплавляемого сырья.

Прогнозирование состава и свойств конечного шлака осуществляется в следующей последовательности.

1. Определяются средние показатели работы доменной печи за предшествующие 12 ч от текущего момента времени (базовый период). Принимается допущение, что до базового периода доменная печь находилась в стационарном установившемся состоянии. Выбор базового периода такой продолжительности обосновывается средней длительностью переходных процессов в доменной печи.

2. По усредненным данным работы печи в базовом периоде рассчитывается комплекс параметров, характеризующих состав и свойства конечного шлака [6; 7]:

– основность шихты (CaO/SiO₂); (CaO + MgO)/SiO₂; (CaO + MgO)/(SiO₂ + Al₂O₃), ед.;

– содержание в шлаке CaO; SiO₂; Al₂O₃; MgO, %;

– основность шлака (CaO/SiO₂), (CaO + MgO)/SiO₂ и (CaO + MgO)/(SiO₂ + Al₂O₃), ед.;

– вязкость шлака при температурах 1400, 1450, 1500 °С, Па·с;

– градиент вязкости шлака в диапазоне 1400 – 1500 °С, (Па·с)/°С;

– градиент вязкости шлака в диапазоне 0,7 – 2,5 Па·с, (Па·с)/°С.

Для расчета используется вся доступная информация о работе печи (конструктивные размеры печи, удельные расходы и свойства отдельных компонентов шихты, их химический состав, характеристики комбинированного дутья, состав жидких продуктов плавки, состав колошникового газа и др.).

3. По информации базового периода рассчитываются коэффициенты передачи (состав и свойства конечного шлака) по алгоритмам, представленным в работах [6; 7], по следующим каналам воздействий (при постоянном составе чугуна):

– расход (доля) и химический состав (%) агломерата различных видов;

– расход (доля) и химический состав (%) окатышей различных видов;

– расход (кг/т чугуна) и свойства кокса, химический состав (%) золы кокса;

– расход (кг/т чугуна) и химический состав (%) каждого из видов флюсующих добавок (известняк, кварцит, конвертерный шлак, доломит и другие).

4. Выполняется расчет времени от начала загрузки до момента прихода шихты к фурмам (время одного оборота шихты) по алгоритмам, представленным в работах [19; 20].

5. Рассчитываются переходные процессы по указанным каналам воздействий. Время запаздывания при изменении свойств и расходов шихтовых материалов было принято равным времени одного оборота шихты. Остальные параметры переходного процесса рассчитываются аналогично влиянию рудной нагрузки на содержание кремния в чугуне. Алгоритм расчета представлен в работах [19 – 21].

6. Определяются средние почасовые значения всех параметров в базовом периоде работы доменной печи.

7. Рассчитываются прогнозные значения состава конечного шлака на выпусках в базовом периоде, по которым нет информации об их измеренных значениях, а также за каждый час на 10 ч вперед от текущего момента времени (прогнозный период).

Учитывая гипотезу линейности рассматриваемого объекта, реакцию системы на любую сумму k входных воздействий можно рассчитать согласно принципу суперпозиции

где ΔY_l(τ) – изменение во времени параметра l, характеризующего состав шлака, %; n – количество интервалов прогнозирования, ед.; Δx_ij – приращение на i-ом интервале времени среднего часового значения j-го входного воздействия; h_jl – переходная функция системы параметра l по j-му каналу воздействия, %/ед.; Δt – период усреднения входных воздействий, ч.

Входные параметры в прогнозном периоде принимаются постоянными и равными их значениям в текущий момент времени. Для расчета используется информация о трех последних выпусках (базовые выпуски), для которых известен состав шлака.

Прогнозируемое содержание компоненты l состава шлака равно

где \({\left[ {{Y_l}} \right]^{\rm{б}}}\) – содержание компоненты l в шлаке на последних выпусках базового периода, %.

8. При прогнозировании состава шлака учитывается поправка на изменение содержания кремния в чугуне. На выпусках в базовом периоде, по которым нет информации о содержании кремния в чугуне, а также в прогнозном периоде, принимается прогнозное содержание кремния в чугуне из информационной системы прогнозирования содержания в режиме реального времени [20].

9. При поступлении новой информации о входных и выходных параметрах доменной плавки в последующее время осуществляется сдвиг базового периода и формирование новых базового и прогнозного периодов.

Таким образом, осуществляется настройка модели на условия функционирования объекта с учетом изменения свойств железорудного сырья и кокса, дутьевых и режимных параметров доменной плавки.

Оценка точности и надежности результатов моделирования

Для сравнения измеренного и прогнозируемого составов шлака используются статистические показатели, в качестве которых приняты:

– среднеквадратичное отклонение прогнозируемого состава шлака от измеряемого на выпусках

\[\sigma = \sqrt {\frac{1}{{n - 1}}{{\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {\left[ {{Y_l}} \right]_i^{\rm{и}} - \left[ {{Y_l}} \right]_i^{{\rm{пр}}}} \right)} }^2}} ;\]

здесь n – количество выпусков, ед.; \(\left[ {{Y_l}} \right]_i^{\rm{и}}\) – измеренное содержание компоненты l в шлаке на i-ом выпуске, %; \(\left[ {{Y_l}} \right]_i^{{\rm{пр}}}\) – прогнозируемое содержание компоненты l в шлаке на i-ом выпуске, %;

– надежность прогнозирования, определяемая как отношение количества прогнозов с абсолютной погрешностью не более 0,05 к общему количеству сделанных прогнозов.

Эти показатели позволяют оценить точность и надежность прогнозирования. Схема алгоритма прогнозирования состава и свойств конечного шлака представлена на рис. 1.

Программная реализация информационно-моделирующей системы

Программное обеспечение (ПО) информационно-моделирующей системы прогнозирования состава и свойств конечного шлака в доменной печи в режиме реального времени разработано на языке программирования C# на базе фреймворка ASP.NET MVC с использованием кроссплатформенной программной платформы .NET 5. Архитектура разработанного ПО в нотации C4 представлена на рис. 2.

Программное обеспечение состоит из двух контейнеров: веб-приложения и консольного приложения. Консольное приложение выполняется по расписанию и предназначено для сбора данных о параметрах технологического процесса (состав и свойства шихтовых материалов, состав и свойства жидких продуктов плавки и другие) с сервера базы данных АСУП ДЦ. Полученные и рассчитанные параметры усредняются по часам, сменам, дням, неделям, месяцам и по выпускам и сохраняются в базе данных программы.

Диаграмма контейнера веб-приложения представлена на рис. 3. Веб-приложение включает следующие основные функции: визуализация изменения параметров АСУ ТП и расчетных параметров во времени; диагностика шлакового режима; моделирование переходных процессов состава и свойств шлака; прогнозирование состава и свойств шлака в режиме реального времени и история прогнозирования.

Компонент визуализации позволяет просматривать изменение указанных пользователем параметров АСУ ТП и расчетных параметров для выбранной доменной печи за заданный период. Информация выводится в табличной форме и в виде временного графика. Фрагмент веб-страницы компонента представлен на рис. 4.

Компонент диагностики шлакового режима предназначен для расчета и анализа свойств шлака по его составу. При анализе проверяются допустимые диапазоны вязкости шлака, основностей шлака (CaO/SiO₂), (CaO + MgO)/SiO₂ и (CaO + MgO)/(SiO₂ + Al₂O₃), градиенты вязкости шлака в диапазоне 0,7 – 2,5 Па·с и вязкости шлака в диапазоне температур 1400 – 1500 °С. По расчетным данным формируется диагностическое сообщение об оценке параметров шлакового режима [6; 7].

Компонент моделирования переходных процессов состава и свойств шлака предназначен для расчета переходных процессов всех параметров, характеризующих состав и свойства шлака по каждому из указанных ранее воздействий. Результаты расчетов переходных процессов представляются в численном и графическом видах. Фрагменты веб-страниц с результатами работы компонента при увеличении расхода кварцита на 10 кг/т чугуна представлены на рис. 5.

Компонент прогнозирования предназначен не только для визуализации всех параметров, характеризующих состав и свойства шлака в режиме реального времени, но и позволяет просматривать историю прогнозируемых значений за выбранный пользователем период времени. На рис. 6 представлен фрагмент веб-страницы компонента. На нем отображается информация об измеренной (синяя линия) и прогнозируемой (красная линия) основности шлака CaO/SiO₂ в графической и табличной формах, прогнозируемая основность шлака на 10 ч вперед от текущего времени.

Среднеквадратичное отклонение прогнозируемой основности шлака CaO/SiO₂ от измеренной на выпусках составляет 0,023, надежность прогнозирования – 92 %, что указывает на удовлетворительное согласование прогнозных и фактических значений содержания отдельных компонентов в шлаке.

Информационно-моделирующая система позволяет прогнозировать состав и свойства конечного шлака в доменной печи в режиме реального времени и способствует принятию научно обоснованных решений по управлению шлаковым режимом доменной плавки.

Выводы

С использованием современных технологий разработана информационно-моделирующая система прогнозирования состава и свойств конечного шлака в доменной печи в режиме реального времени. Для расчета используется вся доступная информация о работе печи (конструктивные размеры печи, удельные расходы и свойства отдельных компонентов шихты, их химического состава, характеристики комбинированного дутья, состав жидких продуктов плавки и другие). Алгоритм прогноза построен на основе фундаментальных знаний в области теории и практики современного доменного процесса, закономерностей процессов тепло- и массообмена, газодинамики, процессов шлакообразования. Применение линеаризованной модели доменного процесса и натурно-математического подхода позволяет осуществлять настройку модели на условия функционирования объекта, учитывать при моделировании изменения состава и свойств железорудного сырья и кокса, дутьевых и режимных параметров доменной плавки.