Verifikacija matematičnega modela za računalniško vodenje EOP-VOD tehnologije izdelave nerjavnih jekel
UDK: 669.15-194.56:669.187.2 ASM/SLA: SS, 1 -—73, U4k
N. Smajič
Izvedena je kratka analiza in primerjava EOP-VOD postopka proizvodnje nerjavnih jekel v železarni Jesenice in železarni Ravne. Navedeni so delni rezultati preizkusa matematičnega modela MIS-VOD, ki omogoča uvajanje računalniško vodene EOP-VOD tehnologije izdelave nerjavnih jekel v Slovenskih železarnah.
UVOD
Večletne raziskave fundamentalnega značaja, ki so bile ves čas usmerjene na izboljšanje tehnološko-eko-nomskih parametrov proizvodnje nerjavnega jekla v naših železarnah, so bile zaključene leta 1984 z izdelavo matematičnega modela MIS-VOD, ki je osnova za računalniško vodenje tehnologije. S tem smo dokončno ustvarili pogoje za aplikacijo termodinamičnih zakonitosti v vsakdanjo prakso z namenom optimizacije obstoječe tehnologije. Po izdelavi matematičnega modela ga je bilo treba preizkusiti ter tako ugotoviti, v kakšni meri model zadošča postavljenim zahtevam. Verifikacija in kalibracija izdelanega matematičnega modela je namreč zadnji in obenem nujni korak pred njegovo aplikacijo.
OPIS DELA IN REZULTATOV
Znano je, da so matematični modeli lahko empiričnega ali teoretičnega tipa. Modeli, teoretičnega tipa so praviloma bolj univerzalni in zato manj odvisni od specifičnosti tehnologije v posameznih jeklarnah. Ker je model MIS-VOD teoretičnega tipa, smo pričakovali, da ga bo možno uporabiti s podobnim uspehom tako v jeklarni železarne Jesenice kot v jeklarni železarne Ravne. Izdelani model temelji namreč na termodinamičnih osnovah, ki so seveda univerzalne in neodvisne od razlik v kapaciteti in konstrukcijskih karakteristikah VOD naprav.
Pred neposredno aplikacijo izdelanega modela za računalniško vodenje vakuumske oksidacije nerjavnih jekel je seveda potrebno ugotoviti, ali je potrebno kakšno prilagajanje izdelanega modela pred njegovo uporabo. Zaradi tega smo se odločili, da izvedemo t. im. modelne poskuse, tj. da simuliramo potek vakuumske oksidacije v VOD napravi za več šarž nerjavnega jekla in dobljene rezultate primerjamo z dejanskimi rezultati, ki so bili doseženi v ŽJ in ZR, in seveda registrirani v šaržnih kartonih. Najprej smo analizirali šaržne kartone 20 šarž različnih vrst nerjavnega jekla. Potem smo simulirali potek teh šarž. Takšna a posteriori aplikacija modela nam omogoča, da ocenimo njegovo uspešnost in uporabnost v praksi. Retroaktivna aplikacija modela v obliki simulacije poteka vakuumske oksidacije 10 šarž nerjavnega jekla, ki so bile izdelane v železarni Jesenice, je dala zelo dobre rezultate. Za primer navajamo si. 1, ki kaže primerjavo dejanskih oz. praktičnih vrednosti (indeks pr.) na ordinati z izračunanimi vrednostmi
na osnovi modela (indeks m) na apscisi za odpravljeni ogljik. Statistična analiza je pokazala, da je korelacija med praktičnimi in modelnimi rezultati zelo dobra, saj je korelacijski koeficient r = 0,987. Regresijski koeficient bi bil v idelanem primeru popolnega ujemanja rezultatov enak 1, v našem primeru pa je 0,936, kar imamo lahko za zelo dobro. Regresijska (črtkana) premica se le malo razlikuje od idealne (polna črta) na si. 1. Koeficient variacije je bil V = 3. V 95 % primerov bi odstopanja morala biti v mejah ±0,02% C. S slike vidimo, da so praktične vrednosti v večini primerov večje od izračunanih, tj. regresijska premica leži nad idealno premico vse do približno 0,85 % C, tj. v celotnem delovnem območju VOD naprave na Jesenicah. To je tudi razumljivo, če upoštevamo, da sta začetna ogljika sicer enaka za praktično in modelno vrednost, končna sta pa različna, ker model računa vsebnost ogljika na koncu pihanja kisika, praktične vrednosti pa so rezultati analize na koncu razogličenja po globokem vakuumiranju. Jasno je, da med globokim vakuumiranjem odpravimo še vsaj 0,01 do 0,02% C.
1,0
0,90
0,80
o 0,70 <
0,60
Q50
I I y = 5,089 + 0,936x			ŽJ	/> Z' J
r = 0,987				
				
V =				
		1*0		
				
	/X //			
// // //				
0,50 0,60
0,70 0,80 ACm %> —
0,90 1,0
Slika I
Odgor ogljika med vakuumsko oksidacijo v železarni Jesenice Primerjava med modelnimi rezultati (ACm) in prakso (ACpr )
Fig. I
Carbon loss in vacuum oxidation in Jesenice Steelvvorks. Com-parison betvveen the results of model (ACm) and the practice (ACpr).
Podobno dobro ujemanje rezultatov modela in prakse smo dobili za ostale osnovne parametre, kot so porast temperature, odgor kroma ali povprečna hitrost
ŽEZB (1986) Stev. 3 — Verifikacija matematičnega modela za računalniško vodenje EOP-VOD tehnologije izdelave nerjavnih jekel
oksidacije ogljika med vakuumsko oksidacijo. Tako na si. 2 vidimo primerjavo med dejansko in izračunano povprečno hitrostjo oksidacije ogljika v ppm C/min Regresijska, tj. črtkana premica se praktično ujema z idealno, tj. polno izrisano premico oz. diagonalo na si. 2.
c
e
o E
CL CL
vm (ppmC/min)--
Slika 2
VOD Jesenice. Povprečna hitrost oksidacije ogljika po modelu vm v primerjavi z dejansko vrednostjo vpr.
Fig. 2
VOD Jesenice. Average rate of carbon oxidation according to model, v,,,, compared with the actual value, vpr.
S tem je bila potrjena uporabnost izdelanega modela in ustvarjen osnovni pogoj za prehod na njegovo aplikacijo v vsakdanjem delu, tj. na uvajanje računalniško vodene tehnologije izdelave nerjavnega jekla po dupleks postopku EOP-VOD v jeklarni železarni Jesenice, kar je tudi predvideno za leto 1986.
Podobna računalniška simulacija 10 šarž nerjavnega jekla, izdelanih po istem EOP-VOD postopku v jeklarni železarni Ravne je pokazala, da se rezultati računalniške simulacije zelo slabo ujemajo z dejanskimi rezultati. Tako so npr. razlike med dejansko temperaturo taline in z modelom izračunano temperaturo presegale pri nekaterih šaržah tudi več kot 100 stopinj! Podobno velike in povsem nesprejemljive razlike smo ugotovili pri vsebnosti Cr. Razlike med modelom in prakso za odpravljeni ogljik in povprečno hitrost oksidacije ogljika (si. 3 in si. 4) so tudi nesprejemljivo velike.
Res je, da je VOD naprava železarne Ravne v osnovnih karakteristikah precej razlikuje od dosti večje VOD naprave v železarni Jesenice, vendar smo zaradi omenjene univerzalnosti izdelanega modela pričakovali, da se bodo pojavila le manjša odstopanja, ki bi jih bilo možno korigirati z uvedbo nekaterih empiričnih konstant. Ugotovljene razlike med dejanskimi rezultati in modelom lahko nastopajo zaradi:
a)	bistvenih pomanjkljivosti modela
b)	napak pri meritvah, ki popačijo dejanske rezultate ali
c)	nestabilnega obratovanja, zaradi katerega nastopajo velika nihanja tehnološko-ekonomskih parame-trov.
Ad a) V osnovi izdelanega modela so termodinamične zakonitosti, ki so seveda univerzalne in splošno veljavne. Model uspešno simulira potek vakuumske oksi-
ACm 7. --
Slika 3
Odgor ogljika med vakuumsko oksidacijo v železarni Ravne Primerjava med modelnimi rezultati (AC'm) in prakso (ACpr)
Fig. 3
Carbon loss in vacuum oxidation in Ravne Steelworks. Compar-ison betvveen the results of model (ACm) and the practice (ACpr).
c
E
<_>
E
O.
a.
S. i>
vm (ppmC/min)-
Slika 4
VOD Ravne. Povprečna hitrost oksidacije ogljika po modelu vm v primerjavi z dejansko vrednostjo vpr.
Fig. 4
VOD Ravne. Average rate of carbon oxidation according to model, vm, compared with the actual value, vpr.
dacije v jeklarni železarni Jesenice ter v zahodnonemški jeklarni EW Witten. Potemtakem lahko zaključimo, da ne gre za pomanjkljivost modela.
Ad b) Razlike med rezultati modela in dejanskimi rezultati so tolikšne, da jih nikakor ni možno pripisati napakam kemične analize oz. napakam pri merjenju temperature taline.
Ad c) Velika nihanja osnovnih parametrov zaradi nestabilnega obratovanja (poskusna proizvodnja oz. uvajanje VOD postopka!) so potemtakem edina možna razlaga slabega ujemanja rezultatov. Bolj podrobna analiza o poteku 10 šarž iz železarne Ravne na osnovi
Tabela 1: Primerjava stabilnosti VOD obratovanja Jesenice/Ravne
JESENICE	RAVNE
Cr v žlindri Porast temp. Cr. v žlindri Porast temp.
Sr vrednost	1,35% 180,5° C 1,05%	95,50° C
St deviacija	0,212	26,97	0,765	70,35
Koef variacije 15,73% 14,94% 72,65 % 73,66%
šaržnih kartonov je dejansko pokazala velika in nesprejemljiva nihanja osnovnih parametrov. Z metodami statistične analize smo npr. ugotovili nesprejemljivo veliko standardno deviacijo nekaterih ključnih parametrov, kar jasno kaže, da je obratovanje VOD naprave y železarne Ravne nestabilno. Kot dokaz navajamo standardno deviacijo in koeficiente variacije za porast temperature med vakuumsko oksidacijo in količino kroma, ki je oksidiral v žlindro za 10 VOD šarž, izdelanih v železarne Ravne in enako število šarž, izdelanih v železarni Jesenice.
Kot vidimo iz tabele, so koeficienti variacije 4—5 krat večji v železarni Ravne kot v železarni Jesenice, kar nedvomno kaže, da je obratovanje VOD naprave v železarni Ravne zelo nestabilno. Ugotovili smo podobno velika nihanja ostalih parametrov, kar je tipično za poskusno fazo obratovanja. Pri tolikšnih velikih nihanjih je jasno, da ni mogoče pričakovati zadovoljivega ujemanja rezultatov računalniške simulacije z dejanskimi rezultati. Dodatna termodinamična analiza VOD talin pred vakuumsko oksidacijo in po njej je pokazala, da je treba standardizirati postopek, izboljšati natančnost merjenja pretoka in porabe kisika ter bistveno spremeniti izhodno sestavo VOD talin oz. sestavo vložka v EOP. Šele potem bo možno začeti uvajati računalniško vodenje izdelave nerjavnih jekal v železarni Ravne. Postopno stabilizacijo tehnološko-ekonomskih parametrov obratovanja VOD naprave v železarni Ravne bo možno doseči tako, da se med poskusnim obratovanjem skrbno registrirajo doseženi rezultati, po možnosti načrtno spreminjajo posamezni delovni pogoji in sistematizirajo pridobljene izkušnje.
Šele potem, ko bo obratovanje VOD naprave v železarni Ravne na ta način stabilizirano, bo mogoče pristopiti k postopnemu uvajanju računalniškega vodenja tehnologije na osnovi izdelanega modela MIS-VOD.
ugotovitve
— Rezultati računalniške simulacije vakuumske ok-sidacije nerjavnega jekla se zelo dobro ujemajo z dejanskimi rezultati, doseženimi med redno industrijsko proizvodnjo v jeklarni železarne Jesenice.
—	Analogna računalniška simulacija je dala v primeru železarne Ravne zelo slabe rezultate. Ugotovljena so velika odstopanja med izračunanimi in dejanskimi vrednostmi osnovnih tehnološko-ekonomskih parametrov.
—	Analiza možnih vzrokov nesprejemljivo velikih odstopanj v železarni Ravne je pokazala, da je osnovni vzrok nestabilno obratovanje VOD naprave.
—	Z metodami statistične analize smo ugotovili 4—5 krat večja nihanja osnovnih parametrov pri VOD napravi železarne Ravne v primerjavi s podobno napravo v železarni Jesenice, kar je značilno za fazo poskusnega obratovanja.
—	V železarni Ravne je treba najprej standardizirati delovne pogoje in zmanjšati sedaj prevelika nihanja osnovnih parametrov ter tako zaključiti fazo poskusne proizvodnje oz. uvajanja VOD tehnologije. Šele potem bo možno pristopiti k uvajanju računalniško vodene tehnologije.
—	V železarni Jesenice lahko takoj začnemo uvajati računalniško vodeno tehnologijo izdelave nerjavnih jekel, kar je predvideno za 1. 1986.
literatura
1.	N. Smajič, Optimierungsmoeglichkeiten bei der Herstellung Rostfreie Staehle nach VOD Verfahren, I. Kolloquium Die probleme der Sekundaer-Metallurgie in der Stahlprodukti-on, Balaton, April 1985.
2.	N. Smajič, Mathematical Model for EAF-VOD Stainiess Steelmaking, Proceedings of 6th CENIM, Madrid 7.-11. X. 1985.
3.	N. Smajič, Povečanje ekonomičnosti u proizvodnji nehrdja-jučih čelika, Zbornik III Savetovanje čeličanaca, OUCMJ, Topusko, 23.-25. X. 1985.
4.	N. Smajič, Dinamični model izdelave nerjavnih jekel po postopkih ponovčne metalurgije, XXXIII. Posvetovanje strokovnjakov črne in barvne metalurgije ter livarstva Slovenije, Portorož 1985.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Analyse der bestehenden LBO-VOD Technologie der Erzeugung nichtrostender Stahle im Huttenwerk Jesenice und ^vne -st durchgefiihrt worden. Das mathematische Modeli MIS-VOD ist durch eine a posteriori Aplikation d. h. durch Modelluntersuchungen bzw. durch die Simulierung von 20 schmelzen aus der laufenden Produktion testiert vvorden. Im i, 2erl5t VOD Anlage im Huttenvverk Ravne ist ein unan-nehmbar hoher Unterschied zwischen den tatsachlichen Er-
gebnissen und den Ergebnissen des mathematischen Modelles festgestellt worden. Dieser ist eine Folge der nichtstandardi-sierten Technologie im Hiittenvverk Ravne wo die VOD Anlage noch in der Versuchsproduktionsphase vvar. Die Ergebnise der Modelluntersuchungen stimmten im Falle der 65 t VOD Anlage im Hiittenwerk Jesenice sehr gut mit den tatsachlichen Ergebnissen uberein. Das bedeutet, dass die rechnerische Pro-zessfuhrung im Jahre 1986 eingefuhrt vverden kann.
2EZB (1986) štev. 3 — Verifikacija matematičnega modela za računalniško vodenje EOP-VOD tehnologije izdelave nerjavnih jekel
summary
Duplex EAF-VOD technology of stainless steelmaking in Steelvvorks Ravne and Jesenice has been analized. Mathemati-cal model MIS-VOD vvas calibrated and tested by a posteriori aplication i. e. simulation of 20 industrial heats. In the čase of 15 ton VOD unit in Steelvvorks Ravne significant differences betvveen actual and predicted results vvere observed, vvhich
vvere attributed to nonstandardized technology. Hovvever, very good results vvere obtained for 65 ton VOD unit in Steelvvorks Jesenice. Consequently, it vvas decided to start vvith the intro-duction of computer controlled stainless steelmaking in Steelvvorks Jesenice in 1986.
3akj1h3mehme
PaccMOTpeHHa TexH0Ji0rHH n3ro~roBJieHHH Hep>KaBeK>iiihx CTanefi cnoco6oM flyroBaa sjieKTponenb — BaKyyMHoe ycTpoHCTBo (EOP-VOD) b MeTajuiyprHHecKHx 3aBoaax Ece-HHue h PaBHe. MaTeMaranecicaH Moaejib (MIS-VOD) 6bijia HcnbiTaHa Ha 0CH0BaHHH npHMeHeHHs MoaejibHbix onbiTOB, oth. c CHMyjiauHeH 20-th cnjiaBOB h3 peryjwpHoro npoH3-BO^CTBa. MccjieitOBaHHS b BaKyy.MHOM ycTpo{icTBe ofrbe.vta 15 t b MeTajuiyprHHecK0M 3aBoae PaBHe 0Ka3anacb Henoapa-jKaeMaa 6ojibUjaa pa3HHua Me>Kjty (JjaKTHMecKHMH pe3yjibTaTa-mh h pe3yjtbTaTaMH MaTeMaTHHecKOH MoaejiH. 3ro noc.ie.acT-
Bite HecTaHaH3HpoBaHHofi TexH0Ji0rHH b MeTajuiyprnMecKOM 3aBoae PaBHe, rae BaKyyMHoe ycTp0HCTB0 3me HaxoaHTbca b np06H0M npOH3BOHCTBe.
Pe3yjibTaTbi Nto;ieJtbHbix HCCJtejOBaHHH, hto KacaeTca Ba-KyyviHoro ycTponcTBa o6i>eMa 65-th t. b MeTajuiyprHHecKOM 3aBoae )Kejie3apHa EceHHue oneHb xopouio corjiacoBajiHCb c ifiakthheckhmh pe3yjibtatamh, tax hto b tenehhh 1986 ro.ia moxho 6yflHT npncTynHTb k BBejieHHto TexH0Ji0rHH c ynoTpe-6jieHHeM BblHHCjlHTejlbHOH MaiUHHbl.
Odgovorni urednik: Jože Arh, dipl. inž. — Člani:dr. Jože Rodič, dipl. inž., Franc Mlakar, dipl. inž., dr. Aleksander Kveder, dipl. inž., dr. Ferdo Grešovnik, Darko Bradaškja, tehnični urednik, prof. Regina Razinger, lektor
Oproščeno plačila prometnega davka na podlagi mnenja Izvršnega sveta SRS — sekretariat za informacije št. 421-1/172 od 23. 1. 1974
Naslov uredništva: SŽ Železarna Jesenice, 64270 Jesenice, C. železarjev 8, tel. št. 064/81-341, int. 2619 — Tisk: TK Gorenjski tisk, Kranj