Вдосконалення управління завантаженням доменної печі багатокомпонентною шихтою на основі інформації про параметри пластичної зони

UKR: Метою дисертаційної роботи є підвищення ресурсо- та енергоефективності доменної плавки шляхом наукового обґрунтування управляючих впливів на хід печі за рахунок вибору та коригування параметрів режиму завантаження шихтових матеріалів, що забезпечують формування раціональної структури стовпа шихти у доменній печі. У роботі виконано аналіз сучасних методів та математичних моделей визначення параметрів пластичної (когезійної) зони доменної печі. Розглянуто еволюцію підходів від прямих експериментальних вимірювань до чисельного моделювання (CFD, DEM, SVM). Показано, що через відсутність прямих інструментальних методів основним джерелом інформації є контроль пов’язаних технологічних параметрів у поєднанні з математичним моделюванням. Встановлено, що існуючі моделі часто описують межі пластичної зони у вигляді ізотерм, що базується на припущенні рівномірного розподілу шихти, що знижує точність визначення її реальної конфігурації. Обґрунтовано необхідність врахування багатокомпонентності шихти та її високотемпературних властивостей. Розроблено удосконалену математичну модель визначення площі поверхні плавлення, яка враховує розрахункове визначення тепловиділення у нижній зоні печі. Запропоновано метод визначення форми, товщини та положення пластичної зони на основі системи математичних моделей процесів завантаження, розподілу шихти та високотемпературних перетворень. Встановлено залежності між параметрами пластичної зони та режимом завантаження шихти, зокрема розподілом рудного навантаження по радіусу колошника. Показано суттєвий вплив структури завантаження на положення ліній розм’якшення і плавлення. На основі моделювання визначено температурні інтервали плавлення залізовмісних компонентів та виконано розрахунок теплового стану нижньої частини печі. Побудовано конфігурацію пластичної зони для різних технологічних режимів. Для підтвердження адекватності виконано факторний аналіз впливу технологічних параметрів. Встановлено статистично значущі зв’язки між розподілом температур, рудним навантаженням та положенням пластичної зони. Розроблено критерій оцінки форми та положення пластичної зони, який дозволяє здійснювати її аналіз без прямого вимірювання технологічних параметрів. Показано можливість використання критерію в системах оперативного контролю. Встановлено, що співвідношення агломерат/окатиші суттєво впливає на температури плавлення та геометрію пластичної зони. Отримані залежності характеризуються високими коефіцієнтами апроксимації та можуть бути використані для керування режимом завантаження. Запропоновано спосіб коригування параметрів завантаження шихти на основі моделювання розподілу компонентів по радіусу колошника та прогнозування їх високотемпературної поведінки. Результати роботи можуть бути використані в системах автоматизованого керування доменною плавкою та експертних системах підтримки прийняття рішень. Ключові слова: доменна піч, розподіл компонентів шихти, суміш, хімічний склад, температура, відновлення оксидів заліза, математична модель, структура стовпа шихти, когезія, пластична зона, пиловугільне паливо, корегування характеристик, термовимірювальні зонди, режим завантаження.

ENG: The aim of this thesis is to improve the resource and energy efficiency of blast furnace ironmaking by providing a scientific justification for control actions on furnace operation through the selection and adjustment of burden charging parameters that ensure the formation of a rational structure of the burden column in the blast furnace. The study presents an analysis of modern methods and mathematical models used for determining the parameters of the plastic (cohesive) zone in a blast furnace. The evolution of approaches is considered, from direct experimental measurements to numerical modeling (CFD, DEM, SVM). It is shown that, due to the absence of direct instrumental methods, the main source of information is the monitoring of related process parameters in combination with mathematical modeling. It is established that existing models often represent the boundaries of the plastic zone in the form of isotherms, based on the assumption of uniform radial distribution of burden materials, which reduces the accuracy of determining the real configuration of the zone. The necessity of accounting for the multi-component nature of the burden and its high-temperature properties is substantiated. An improved mathematical model for determining the melting surface area has been developed, which includes a calculated estimation of heat generation in the lower part of the furnace instead of constant values. A method for determining the shape, thickness, and position of the plastic zone is proposed, based on a system of mathematical models describing burden charging, burden distribution, and high-temperature transformations. Dependencies between the parameters of the plastic zone and the burden charging regime have been established, in particular the distribution of ore load along the furnace radius (throat). A significant influence of the charging structure on the position of the softening and melting lines has been demonstrated. Based on modeling, temperature intervals of melting of iron-bearing components have been determined, and the thermal state of the lower furnace zone has been calculated. The configuration of the plastic zone under different technological operating conditions has been constructed. To validate the proposed approach, a factor analysis of the influence of process parameters has been performed. Statistically significant relationships between gas temperature distribution, ore load, and the position of the plastic zone have been established. A criterion for evaluating the shape and position of the plastic zone has been developed, enabling its analysis without direct measurement of process parameters. The applicability of the criterion in real-time monitoring systems has been demonstrated. It has been found that the sinter-to-pellet ratio significantly affects melting temperatures and the geometry of the plastic zone. The obtained dependencies are characterized by high approximation coefficients and can be used for burden charging control. A method for adjusting burden charging parameters is proposed, based on modeling the distribution of components along the furnace radius and predicting their high-temperature behavior. The results of the study can be applied in automated blast furnace control systems and decision-support expert systems. Keywords: blast furnace, burden distribution, mixture, chemical composition, temperature, iron oxide reduction, mathematical model, burden column structure, cohesion, plastic zone, pulverized coal injection, parameter adjustment, thermal probes, charging regime.