Введение

Рациональное распределение шихтовых материалов в доменной печи [1 ‒ 3], в полной мере соответствующее параметрам теплового, дутьевого и шлакового режимов и текущему состоянию доменной плавки в целом [4 ‒ 6], – задача, которая остается актуальной как для технологов на производстве, так и для исследователей доменного процесса [7 ‒ 9].

Процессы, происходящие в горне доменной печи, оказывают большое влияние на показатели работы доменных печей [10 ‒ 12], что заставляет инженерно-технологический персонал уделять им повышенное внимание [13; 14]. Особенно трудной задачей является организация хорошей работы горна, а именно, динамики заполнения металлоприемника печи чугуном и шлаком [15 ‒ 19]. Для изучения процессов движения слоев шихты по высоте рабочего пространства доменной печи и накопления расплава в горне разработана информационно-моделирующая система, в основу которой положены математические модели, отражающие современные представления о протекании физико-химических явлений доменной плавки и технологические особенности ведения доменного процесса [19; 20].

Функциональное моделирование информационно-моделирующей системы

При проектировании информационной системы использована методология функционального моделирования и графическая нотация метода структурного анализа и проектирования IDEF0 [21; 22]. Методология IDEF0 рекомендована Госстандартом России для построения и практического применения функциональных моделей организационно-экономических и производственно-технических систем. Преимуществом использования методологии IDEF0 является возможность наглядного обмена информацией между специалистами в области информационных технологий и инженерно-технологическим персоналом с точки зрения функционирования разрабатываемого программного обеспечения.

С использованием возможностей этой методологии разработана функциональная модель информационно-моделирующей системы движения слоев шихты и накопления расплава в горне доменной печи. Модель разработана с помощью программного обеспечения Ramus [22], содержит более 30 блоков на трех уровнях декомпозиции, определяет основные функции и взаимосвязи между отдельными функциональными блоками системы, управляющие воздействия и механизмы выполнения каждой функции.

На рис. 1 приведена декомпозиция первого уровня функциональной модели. Первый уровень декомпозиции контекстной диаграммы включает четыре блока: выбор требуемой задачи, расчет динамики изменения конфигурации слоев шихты, расчет уровня расплава в горне доменной печи, анализ результатов и их сохранение.

Архитектура информационно-моделирующей системы

Архитектура разработанной информационно-моделирующей системы движения слоев шихты и накопления расплава в горне доменной печи представлена на рис. 2. Информационно-моделирующая система разбита на небольшие независимые блоки – модули, которые реализуют функционально законченные фрагменты программы. Рассматриваемый подход обусловлен возможностью обновления функционала программных модулей без необходимости внесения изменений во всю систему, что делает ее более надежной и масштабируемой. Роль модулей выполняют математические библиотеки и классы [23].

Информационно-моделирующая система состоит из следующих модулей:

– модуль расчета динамики изменения конфигурации слоев доменной шихты (обеспечивает расчет конфигурации слоев шихты по высоте профиля доменной печи с использованием математической модели);

– модуль расчета накопления расплава в горне доменной печи (обеспечивает расчет высоты шлака и чугуна перед очередным выпуском по заданной математической модели);

– модуль анализа и представления результатов (выполняется анализ полученных результатов из расчетных модулей; результаты отображаются в численном и графическом видах, имеется возможность формирования и экспорта отчета в файл формата Microsoft Excel).

Программная реализация информационно-моделирующей системы

Программная реализация информационной системы выполнена с использованием клиент-серверного подхода с учетом возможностей интеграции с существующими программными продуктами, используемыми на предприятии, и обмена данными с использованием программного интерфейса API (Application Programming Interface). Клиент-серверная архитектура представляет собой классическую трехзвенную архитектуру, состоящую из уровней представления, приложения и данных.

Уровень представления реализован с помощью высокоуровневых языков программирования C#, JavaScript, языка гипертекстовой разметки HTML5 и каскадных таблиц стилей CSS (Cascading Style Sheets). Визуальное оформление выполнено с использованием фреймворка Bootstrap. Манипуляция объектами DOM (Document Object Model) осуществляется библиотекой jQuery, построение графиков – библиотекой Chart.js. Этот уровень поддерживается с помощью вычислительных ресурсов пользователей (веб-браузеров).

Уровень приложения реализован на языке программирования C# на базе фреймворка ASP.NET Core MVC с использованием программной платформы .NET 6 [24]. Фреймворк ASP.NET Core выполняет конвейерную обработку запросов пользователей, части конвейера (Middleware). Информационная система включает в себя Middleware обработки ошибок, Middleware аутентификации, Middleware MVC и Session Middleware.

Middleware обработки ошибок позволяет системе сигнализировать о проблемах с программным обеспечением при возникновении исключительных ситуаций, а также продолжать свою работу и корректно отображать веб-страницы при ошибках подключения к базе данных, при выполнении алгоритмов расчета и т.д.

Middleware аутентификации служит для внедрения в разрабатываемую информационную систему стандартного механизма аутентификации и авторизации ASP.NET Identity, а также управления учетными записями.

Middleware MVC встраивает системы маршрутизации, внедрения зависимостей, а также привязку моделей и валидацию данных.

Session Middleware обрабатывает временные данные пользователей, с которыми они работают во время использования системы.

Уровень данных состоит из базы данных и программы для управления доступом для чтения и записи в базе данных. В качестве базы данных для разработанной системы используется СУБД Microsoft SQL Server. Связь системы с базой данных осуществляется с помощью технологии Entity Framework Core, которая в свою очередь использует программирование Object-Relational Mapping (ORM), применяемое в объектно-ориентированных языках программирования для создания виртуальных схем баз данных. Она позволяет манипулировать данными на уровне объектов или классов.

Структура информационно-моделирующей системы

Структура информационно-моделирующей системы движения слоев шихты и накопления расплава в горне доменной печи включает следующие основные блоки:

1. Задание условий работы доменных печей. На этом этапе выполняется:

– задание размеров профиля доменной печи, а также производительности доменной печи и количества выпусков в сутки;

– задание характеристик комбинированного дутья (расход дутья, содержание кислорода в дутье, влажность, расход природного газа);

– задание физических свойств отдельных компонентов шихты, удельного расхода железорудного материала и кокса;

 – задание рудной нагрузки по кольцевым зонам доменной печи;

 – установка требуемых показателей по выплавке чугуна (содержание железа, марганца, кремния и углерода) и коксу (содержание золы, серы и летучих).

2. Выполнение расчетов изменения конфигурации слоев шихты и накопления расплава в горне доменной печи с использованием математических моделей. Моделирование осуществляется в следующей последовательности [19; 20]:

2.1 ‒ расчет параметров равновеликих кольцевых зон (диаметра и радиуса) на колошнике печи, расчет расстояния от стен колошника до середины каждого кольцевого сечения;

2.2 ‒ определение распределения рудной нагрузки в кольцевых зонах колошника; для этого используются данные результатов расчета моделей загрузки, при отсутствии такой возможности задача решается по косвенным показателям – по распределению СО2 или температуры в поперечном сечении колошника; при этом приняты допущения, что распределение рудной нагрузки пропорционально содержанию СО2 и обратно пропорционально распределению температур;

2.3 ‒ определение конфигурации слоев железорудных материалов и кокса в кольцевых сечениях колошника доменной печи, рассчитанной по заданной рудной нагрузке; с этой целью для каждого кольцевого сечения проводится расчет масс и объемов железорудных материалов (ЖРМ) и кокса; по объему кокса и железорудных материалов, а также площади кольцевого сечения определяется высота слоев шихтовых материалов в кольцевых зонах колошника;

2.4 ‒ определение конфигурации слоев ЖРМ и кокса на всех уровнях горизонта шахты и распара печи.

При моделировании движения материалов в доменной печи учтены следующие особенности.

Уровень засыпи имеет форму воронки к центру печи. В связи с этим вид формируемых слоев ЖРМ и кокса будет зависеть от угла наклона поверхности засыпи, который является переменной величиной и включен в блок нормативно-справочной информации (НСИ) модели.

В построении конфигурации слоев шихты при подходе материалов в распар печи учтены особенности их движения, обусловленные влиянием фурменного очага, а также процессы первичного шлакообразования, начинающиеся в районе низа распара и заплечиков.

При построении вида и размеров слоев шихты в районе распара учтено изменение толщины слоя кокса, вызванного развитием процесса прямого восстановления железа, примесей чугуна (кремния, марганца и т.д.), затрат углерода на науглероживание чугуна. При расчете скорости опускания шихты за счет процесса размягчения ЖРМ в распаре учтено, что усадка материала в зоне первичного шлакообразования происходит примерно на 20 %, то есть численно равна объему межкусковых пространств слоя ЖРМ (порозности слоя).

Наличие над фурменными очагами зоны разрыхления, имеющей форму эллипсоида вращения [20]. Вершина этой зоны располагается в нижней части шахты и в верхней части распара. В вершине этой зоны начинается ускоренное движение частиц шихты.

2.5 ‒ расчет расхода дутья, соответствующего производительности печи и удельному расходу дутья. Заметим, что имеется различие между расчетным и фактическим расходами дутья, что объясняется разными причинами: неизбежными потерями дутья по воздухоподводящему тракту, неточностями фиксирования расхода дутья и др.

2.6 ‒ расчет объема шлака, оставшегося в горне печи после закрытия летки предыдущего выпуска;

2.7 ‒ расчет динамики заполнения горна печи расплавами чугуна и шлака. Расчеты выполняются с интервалом 10 мин. За истекшие 10 мин вводятся корректировки на изменение фактических параметров доменной плавки, вызывающих изменение производства чугуна в единицу времени (расхода дутья, расхода природного газа, концентрации кислорода в дутье). Затем происходит поэтапное определение толщины слоев чугуна и шлака каждые 10 мин в нарастающем виде с корректировкой общей высоты расплавов с объемом шлака, оставшегося в горне печи от предыдущего выпуска.

3. Анализ полученных результатов:

– отображение динамики изменения слоев железорудных материалов (ЖРМ) и кокса по мере движения к фурменным очагам доменной печи;

– отображение динамики заполнения металлоприемника печи чугуном и шлаком.

Ввод исходных данных осуществляется авторизованным пользователем на соответствующих веб-страницах. После этого данные с форм отправляются на веб-сервер, где происходит валидация, то есть проверка корректности введенных значений, и в случае успешной валидации проводится расчет по заданным алгоритмам расчета.

Алгоритм работы пользователя с системой

Алгоритм моделирования динамики изменения конфигурации слоев шихты и наполнения горна доменной печи по мере движения шихты к фурменным очагам доменной печи представлен на рис. 3 и включает следующие основные блоки:

1. Ввод параметров и блок НСИ (рудная нагрузка по кольцевым зонам, расход дутья, содержание кислорода в дутье, влажность, расход природного газа и др.).

2. Расчет параметров равновеликих кольцевых зон (диаметр и радиус кольцевых зон, масса и объем кокса и железорудного материала в кольцевых зонах).

3. Расчет конфигурации слоев ЖРМ и кокса с учетом наклона уровня шихты на колошнике, изменение диаметра по высоте печи, процессов развития прямого восстановления, первичного шлакообразования, наличия над фурменными очагами зоны разрыхления.

4. Расчет объемного минутного выхода шлака и чугуна.

5. Расчет высоты слоя шлака и чугуна.

Фрагменты результатов моделирования изменения конфигурации слоев ЖРМ и кокса на отдельных горизонтах доменной печи представлены на рис. 4.

Фрагмент веб-страницы с результатами моделирования накопления расплава в горне доменной печи представлен на рис. 5. Представлены результаты моделирования цикла «наполнение – выпуск» жидких продуктов плавки в доменной печи. Начало выпуска осуществляется через 50 мин после окончания предыдущего выпуска.

Выводы

С использованием современных информационных технологий разработана информационно-моделирующая система движения слоев шихты и накопления расплава в горне доменной печи. В системе предусмотрены расчеты динамики изменения конфигурации слоев ЖРМ и кокса по высоте рабочего пространства доменной печи, а также динамики заполнения металлоприемника доменной печи жидкими продуктами плавки.

Разработанная информационно-моделирующая система может быть использована технологическим персоналом для изучения процессов, протекающих в доменных печах, совершенствования технологических режимов функционирования, прогнозирования хода доменной плавки в режиме реального времени.