Анотація до роботи:

Гринько А.Ю. Розробка фізико-хімічних критеріїв для оцінки парціальних термодинамічних властивостей і розподілу елементів в системі «чавун-шлак» - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.02 - «Металургія чорних металів». - Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, м. Дніпропетровськ, 2006.

Дисертаційна робота присвячена актуальним питанням розв'язання задач управління процесом виплавки якісного чавуну та створенню із цією ціллю фізико-хімічних моделей, які дозволяють визначати парціальні термодинамічні властивості компонентів чавуну, оцінювати рафіновачні властивості шлаку і прогнозувати розподіл елементів у системі «метал-шлак» при виплавці чавуну.

На основі теорії фізико-хімічного моделювання металургійних розплавів, розробленої Приходько Е.В., у роботі розвинена методика прогнозування парціальних термодинамічних властивостей бінарних, трикомпонентних і складних багатокомпонентних систем.

Уточнено механізм розрахунку параметра зарядової щільності, наведене обґрунтування його використання як модельного параметру для опису термодинамічних властивостей елементів реальних металургійних багатокомпонентних систем.

У роботі описані, досліджені й доведені до комп'ютерної реалізації методики моделювання парціальних термодинамічних властивостей елементів багатокомпонентних систем: метод регулярізації параметрів Тихонова, методи розв'язання систем нелінійних рівнянь (метод базового рівняння й метод Ньютона), методи чисельного диференціювання.

Розроблено моделі для прогнозування парціальних термодинамічних властивостей бінарних і потрійних систем. Уперше отриманий задовільний результат перенесення моделі, побудованої на потрійних системах на багатокомпонентні - у результаті отримані моделі визначення активностей компонентів чавуну доведені до практичної реалізації. На основі розвинених у роботі представлень про розрахунок параметра зарядової щільності отримані моделі визначення чисельного значення граничної розчинності сірки в шлаку, сіркопоглинаючої властивості шлакових розплавів, рівноважного коефіцієнта розподілу сірки між чавуном і шлаком.

Всі розроблені моделі покладені в основу автоматизованої системи «Шлак», що функціонує в системах АСУТП ДП комбінату «Криворіжсталь». У результаті проведення порівняльного аналізу коливання вмісту сірки та кремнію в чавуні до й після введення в експлуатацію системи «Шлак» виявлене істотне зменшення коливання контрольованих показників.

1. Використання методу регулярізації в якості методики оцінки параметрів моделей термодинамічних властивостей металургійних розплавів в умовах «зашумленості» апріорної інформації і порівняння його з методом найменших квадратів дозволило створити нові методологічні положення створення моделей, стійких до концентраційного діапазону та кількості компонентів складу.

2. Відповідно до ідей теорії поляризації та концепції электронегативності, обов'язковою для будь-якого типу хімічного зв'язку є умова вирівнювання електронної щільності () на поверхні контактуючих іонів. Однак в іонній кристалохімії та напівемпіричних теоріях міжатомної взаємодії, що використовують її подання, це питання конкретно не обговорюється у зв'язку з відсутністю методу визначення електронної щільності на поверхні іонів. Використання теорії направленого хімічного зв'язку дозволяє дати металохімічну інтерпретацію умови неперервності , ввівши уявлення про зарядову щільність () на поверхні іонів.

3. У процедурі розрахунку параметрів взаємодії на основі використовуваної теорії направленого хімічного зв'язку в неявному виді реалізується процедура вирівнювання , яка супроводжується зменшенням абсолютних значень суми цих параметрів для іонів в порівнянні з вихідним станом компонентів у вигляді атомів. Досягнута умова вирівнювання зарядових щільностей на поверхнях взаємодіючих атомів шляхом створення нового алгоритму розрахунку, що знаходиться в більшій відповідності з ідеями теорії поляризації і концепції електронегативності.

4. На основі методики «згортки» інформації про склад металевих і шлакових систем, синтезу прикладних і математичних методів, використання сучасних можливостей обчислювальної техніки, розв'язана задача одержання оптимального рішення системи нелінійних алгебраїчних рівнянь, яка описує механізм взаємодії елементів багатокомпонентних систем.

5. Для реалізації методики розрахунку параметрів міжатомної взаємодії відповідно до теорії направленого хімічного зв'язку створена інформаційно-аналітична система Metall. Особлива увага приділена реалізації переглянутих у роботі положень теорії направленого хімічного зв'язку відповідно сучасним вимогам до системного програмного і прикладного забезпечення.

6. Використання інтегральних параметрів структурного та зарядового стану для металевого розплаву в якості функцій стану системи дозволило реалізувати нову методологічну основу обчислення парціальних термодинамічних характеристик шляхом чисельного диференціювання зазначених функцій по компоненту . Інформаційно-аналітична система Metall доповнена новою процедурою, яка реалізує алгоритм визначення часткових похідних від характеристик міжатомної взаємодії.

7. Отримані моделі, які забезпечують обчислення коефіцієнту активності вуглецю в системі «залізо – вуглець – легуючий компонент» із задовільною для практичного використання точністю. Порівняльний аналіз отриманих результатів з традиційно використовуваними методами розрахунку активностей компонентів багатокомпонентних систем підтвердив коректність запропонованої методики визначення парціальних термодинамічних властивостей компонентів на основі чисельного диференціювання параметрів структурного та зарядового стану і перспективність даного підходу в порівнянні з іншими методами аналізу активностей компонентів у металургійних розплавах.

8. Вперше на якісно новому підході отримані моделі, які дозволяють визначати граничну розчинність сірки та активність кремнезему в шлаковому розплаві. Установлена залежність сіркопоглинаючої здатності доменних шлаків від граничної розчинності в них сірки. На прикладі побудови моделі для визначення сіркопоглинаючої здатності доменних шлаків показана стійкість моделей, отриманих на вузькому концентраційному діапазоні при перенесенні на більш широкий, чим докладно доведена інваріантість моделей, побудованих на основі параметрів міжатомної взаємодії, щодо концентраційного діапазону описуваних составів.

9. Вперше отримані задовільні результати при перенесенні моделей для прогнозування термодинамічних властивостей елементів з трьохкомпонентних систем на багатокомпонентні. Одержане підтвердження інваріантості відносно компонентності розплавів моделей, отриманих на основі параметрів міжатомної взаємодії.

10. Одержана модель рівноважного розподілу сірки між чавуном та шлаком з урахуванням коефіцієнту активності сірки в чавуні та граничної розчинності сірки в шлаку. Проведений її іспит на реальних випусках ДП№5 комбінату «Криворіжсталь». Запропоновані моделі для обчислення коефіцієнтів активностей компонентів чавуну, сіркопоглинаючої здатності шлаку та коефіцієнту рівноважного розподілу сірки доведені до практичної реалізації в системі АСУ доменної плавки для умов ДП№5 комбінату «Криворіжсталь».

11. В процесі введення в експлуатацію системи «Шлак» здійснена «інформаційна прив'язка» виконуючих модулів, які розташовані на робочих станціях доменних печей, до серверів баз даних, які знаходяться у ЦАСПу, що дозволило технологам оперативно одержувати інформацію, необхідну для аналізу минулих випусків і прогнозу продуктів плавки. Впровадження системи «Шлак» у реальні умови доменного виробництва забезпечило промислову апробацію розроблених у роботі моделей та підтвердило їх коректність.

12. Наданий технологам інструмент вивчення і прогнозування результатів доменного процесу у вигляді системи «Шлак», складовою якого є комплекс створених у даній роботі моделей дозволяє вирішувати задачі економії сировинних і енергетичних ресурсів, зниження матеріалоємності виробництва чавуну, підвищення продуктивності і якості продукції доменного виробництва.

Основний зміст дисертації опубліковано у роботах:

1. Тогобицкая Д.Н., Гринько А.Ю. Разработка методики прогнозирования парциальных термодинамических свойств металлических расплавов на основе численного дифференцирования параметров зарядового состояния // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. – Днепропетровск, 2002. – Вып. 5. – С. 223-229.

2. Приходько Э.В., Тогобицкая Д.Н., Гринько А.Ю. Теоретические основы методики определения химических потенциалов ионов в соединениях и растворах // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. – Днепропетровск, 2003 – Вып. 6. – С. 226-237.

3. Тогобицкая Д.Н., Оторвин П.И., Белькова А.И., Гринько А.Ю. Автоматизированная система контроля и управления шлаковым режимом доменной плавки // Металлург. – Москва, 2004 – №4. – С. 43-46.

4. Оторвин П.И., Кекух А.В., Тогобицкая Д.Н., Белькова А.И., Гринько А.Ю., Можаренко Н.М. Совершенствование шлакового режима доменной плавки в условиях сырьевого обеспечения комбината «Криворожсталь» // Сталь. – Москва, 2004 – №6. – С. 24-28.

5. Гринько А.Ю. Определение численного значения активности углерода в системе «железо-углерод-легирующий компонент» // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. – Днепропетровск, 2004 – Вып. 7. – С. 331-336.

6. Гринько А.Ю. К вопросу расчета зарядовой плотности в теории направленной химической связи // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. – Днепропетровск, 2004 – Вып. 9 – С. 255-261.

7. Гринько А.Ю., Тогобицкая Д.Н. Прогнозирование термодинамических свойств расплавов при выплавке чугуна // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. – Днепропетровск, 2005. – Вып.11. –С. 185-193.

Додаткові результати опубліковані в роботах:

8. Тогобицька Д.М., Бойко Л.Т., Гринько А.Ю. Про два методи розв’язування однієї нелінійної прикладної задачі // Питання прикладної математики і математичного моделювання. – Дніпропетровськ, 2001. – С. 98-103.

9. Бойко Л.Т., Тогобицька Д.М., Гринько А.Ю. Зменшення похибки розв’язку задачі обчислення термодинамічних характеристик багатокомпонентних металевих систем // Питання прикладної математики і математичного моделювання. – Дніпропетровськ, 2002. – С. 27-31.

10. Тогобицкая Д.Н., Белькова А.И., Гринько А.Ю., Евглевский В.С, Васюченко П.А. Влияние шихтовых и технологических условий на межфазное распределение элементов при выплавке чугуна в условиях КГГМК «Криворожсталь» // Теория и практика производства чугуна, посвященной 70-летию КГГМК «Криворожсталь»: Тр. МНТК. – Кривой Рог, 2004. – С. 320- 324.

11. Тогобицкая Д.Н., Белькова А.И., Хамхотько А.Ф., Оторвин П.И., Гринько А.Ю. Выбор рационального состава доменной шихты на основе физико-химического моделирования свойств расплавов // Металлургия России на рубеже XXI века: Сб. науч. тр. МНПК. – Новокузнецк, 2005. – С. 92-99.

12. Приходько Э.В., Мороз В.Ф., Тогобицкая Д.Н., Гринько А.Ю. Физико-химическое моделирование теплофизических свойств жидкого чугуна // Металлургия России на рубеже XXI века: Сб. науч. тр. МНПК – Новокузнецк, 2005. – С. 55-59.

13. Тогобицкая Д.Н.. Мороз В.Ф., Гринько А.Ю. Физико-химическое моделирование теплофизических свойств жидкого чугуна // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. МНПК – Днепропетровск, 2005. – Вып.11. – С. 180-184.