Ресурсо- и энергосберегающее управление сталеплавильным конвертерным процессом с учетом переработки отходов

С развитием системы энергетического менеджмента металлургических предприятий возрастает актуальность решения задачи ресурсо- и энергосберегающего управления сталеплавильными процессами с учетом перенастройки производства на новое задание, требований экологической безопасности, интенсификации процессов вторичной переработки сырья и материалов, а также снижения отходоемкости производства. Одним из инструментов решения задачи ресурсо- и энергосбережения сталеплавильного производства является создание компьютерной системы, позволяющей на базе детерминированных и эмпирических моделей осуществлять: анализ состояния футеровки конвертера по результатам лазерного сканирования, расчет материального и теплового балансов конвертерной плавки и количественной характеристики шлаковой коррозии, количества шлакообразующих материалов, а также прогнозировать фазовый и химический составы шлака для придания свойств, необходимых в производстве минеральных вяжущих и других строительных материалов. Компьютерная система позволяет в режиме советчика оператора-дистрибутора конвертера выявлять сложные нечеткие взаимосвязи между параметрами процесса и выдавать рекомендации по ресурсо- и энергосберегающему управлению сталеплавильным конвертерным процессом с учетом переработки отходов (шлаков). Тестирование компьютерной системы, по данным предприятий ЧерМК (ПАО «Северсталь») и ПАО НЛМК, подтвердило ее работоспособность и возможность использования на металлургических предприятиях.

1. Danilov, N. Energy problems of the rational use of the economic potential of the region / N. Danilov, V. Silin, V. Dobrodey, V. Popov // Energy Production and Management in the 21st Century. ― 2014. ― Vol. 190. ― P. 419‒423. https://doi.org/10.2495/EQ140401.

2. Павлов, А. В. Анализ шлакового режима доменной плавки с использованием модельных систем поддержки принятия решений / А. В. Павлов, Н. А. Спирин, В. А. Бегинюк [и др.] // Изв. вузoв. Черная металлургия. ― 2022. ― T. 65, № 6. ―- C. 413‒420. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-6-413-420.

3. Лисиенко, В. Г. Безопасные и энергоэффективные тепловые режимы шахтных систем нагрева воздуха / В. Г. Лисиенко, Ю. К. Маликов, А. А. Титаев, Е. В. Ходаков // Безопасность труда в промышленности. ― 2022. ― № 2. ― С. 81‒87. DOI: 10.24000/0409-2961-2022-2-81-87.

4. Lisienko, V. Energy benefits of the coke-free production of ferrous metals / V. Lisienko, Ya. Shchelokov, A. Lapteva // Steel in Translation. ― 2008. ― Vol. 38. ― P. 733‒738. https://doi.org/10.3103/S0967091208090088.

5. Kazarinov, L. A. Method for stabilizing blast furnace process thermal state / L. Kazarinov, T. Barbasova, E. Rozhko // Advances in Automation II. ― 2021. ― P. 22‒31. https://doi.org/10.1007/978-3-030-71119-1_3.

6. Kolesnikova, O. Automation of steam boiler load regulation at the electric power station of an iron and steel enterprise / O. Kolesnikova, L. Kazarinov, R. Prosoedov // 2019 IEEE Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research & Practice (PEAMI), 2019. ― P. 110‒115. https://doi.org/10.1109/PEAMI.2019.8915411.

7. Giampieri, A. An integrated smart thermo-chemical energy network / A. Giampieri, S. Roy, S. K. Vijayalakshmi [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. ― 2022. ― Vol. 168. ― Article 112869. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112869.

8. Mohapatra, J. Dual stabilization heat treatment in a trip assisted steel to realize third generation advanced high strength steel properties / J. Mohapatra, D. S. Kumar // Advances in Automobile Engineering. ― 2022. ― Vol. 11, № 5. ― Article 1000201. DOI: 10.35248/2167-7670.22.11.201.

9. Hao, J. Regulation of bioinspired ion diodes: From fundamental study to blue energy harvesting / J. Hao, R. Wu, J. Zhou [et al.] // Nano Today. ― 2022. ― Vol. 46. ― Article 101593. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101593.

10. Pitkälä, J. A Study of the effect of alloying elements and temperature on nitrogen solubility in industrial stainless steelmaking / J. Pitkälä, L. Holappa, A. Jokilaakso // Metallurgical and Materials Transactions B. ― 2022. ― Vol. 53. ― P. 2364‒2376. https://doi.org/10.1007/s11663-022-02534-1.

11. Козлов, В. В. Моделирование фазового состава огнеупорных и шлаковых систем, оптимизация шлакового режима и стабилизация шлаков внепечной обработки стали / В. В. Козлов, А. П. Шевчик, С. А. Суворов [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2018. ― № 10. ― С. 4‒8.

12. Боровик, С. И. Кинетические особенности процессов термической деструкции временного технологического связующего, модифицированного мелассой свекловичной, в производстве периклазовых термостойких огнеупоров / С. И. Боровик, Г. A. Лысова, А. M. Чуклай // Новые огнеупоры. ― 2013. ― № 12. ― С. 19‒24.

13. Metelkin, A. Optimization of the slag conditions in a ladle furnace / A. Metelkin, O. Sheshukov, M. Saveliev [et al.] // Metallurgist. ― 2022. ― Vol. 66. ― P. 1‒4. https://doi.org/10.1007/s11015-022-01371-6.

14. Aneziris, C. G. Microstructure evaluation of MgO‒C refractories with TiO2- and Al-additions / C. G. Aneziris, J. Hubálková, R. Barabás // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2007. ― Vol. 27. ― P. 73‒78. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2006.03.001.

15. Sadrnezhaad, S. K. Oxidation mechanism of C in MgO‒C refractory bricks / S. K. Sadrnezhaad, S. Mahshid, B. Hashemi, A. Nemati // J. Am. Ceram. Soc. ― 2006. ― Vol. 89. ― P. 1308‒1316. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2005.00863.x.

16. Hocquet, S. Characterisation of oxidation phenomena in carbon containing refractory materials for metallurgy / S. Hocquet, S. André, J.-P. Erauw [et al.] // In Proceedings of the Unified International Technical Conference on Refractories, Dresden, Germany, 18‒21 September 2007. ― P. 226‒229.

17. Di Cecca, C. Thermal and chemical analysis of massive use of hot briquetted iron inside basic oxygen furnace / C. Di Cecca, S. Barella, C. Mapelli [et al.] // Journal of Iron and Steel Research, International. ― 2017. ― Vol. 24. ― P. 901‒907. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(17)30132-2.

18. Shapovalov, A. N. Tekhnologiya i raschet plavki stali v kislorodnykh konverterakh [Technology and calculation of steel smelting in oxygen converters] / A. N. Shapovalov. ― Novotroitsk : MISiS, 2011 [Russian].

19. Корнеева, А. А. Непараметрическое моделирование конвертерной плавки / А. А. Корнеева, М. Е. Корнет // Изв. вузов. Черная металургия. ― 2015. ― Т. 56, № 10. ― С. 24‒28. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2013-10-24-28.

20. Korneeva, A. A. About nonparametric dual control algorithm ; In book: Systems Analysis: Modeling and Control abstracts of the International conference in memory of Academician Arkady Kryazhimskiy / A. A. Korneeva, A. V. Medvedev, A. V. Raskina. ― IMM UB RAS Ekaterinburg, 2016. ― Р. 69‒71.

21. Kornet, M. Non-parametric algorithms of identification and control of group of technological processes in low-carbon steel production / M. Kornet, A. Raskina, A. Korneeva [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. ― 2020. ― Vol. 1679. ― Article 042042. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1679/4/042042.

22. Grigorovich, K. V. Mathematical modeling and optimization of steelmaking technologies / K. V. Grigorovich, O. A. Komolova // ICS 2018 – 7th International Congress on Science and Technology of Steelmaking: The Challenge of Industry 4.0, 2018.

23. Колесников, Ю. А. Моделирование выплавки стали в кислородном конвертере на базе физикохимических и тепловых процессов / Ю. А. Колесников, В. А. Бигеев, Д. С. Сергеев // Изв. вузов. Черная металлургия. ― 2017. ― Т. 60, № 9. ― С. 698‒705. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-9-698-705.

24. Wen, D. Research on prediction of oxygen consumption in converter steelmaking based on IGWOSVM model / D. Wen, Y. Zhu // Journal of Physics: Conference Series. 2010. ― 2021. ― Article 012138. DOI: 10.1088/1742-6596/2010/1/012138.

25. Cao, L. Physical and mathematical modeling of multiphase flows in a converter / L. Cao, Y. Wang, Q. Liu, X. Feng // ISIJ International. ― 2018. ― Vol 58, № 4. ― Р. 573‒584. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-680.

26. Bi, Lu. Optimization research on converter steelmaking process parameters based on DOE / Lu Bi, Li Yu, Qu Bao // Key Engineering Materials. ― 2013. ― Vols. 579/580. ― P. 128‒132. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.579-580.128.

27. Мешалкин, В. П. Основные направления теории инжиниринга энергоресурсоэффективных химикотехнологических систем в условиях цифровой экономики / В. П. Мешалкин // Международный косыгинский форум. МНТС Плановский-2021. Пленарная сессия. ― 2021. ― С. 34‒42.

28. Filimonova, A. A. Automated system for simulation of electricity consumption in the iron and steel plant / A. A. Filimonova, T. A. Barbasova // 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), 2017. ― Р. 1‒4. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2017.8076130.

29. Nolde, K. Electric load tracking scheduling of a steel plant / K. Nolde, M. Morari // Computers & Chemical Engineering. ― 2010. ― Vol. 34. ― P. 1899‒1903. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2010.01.011.

30. Meshalkin, V. State of the art and research development prospects of energy and resource-efficient environmentally safe chemical process systems engineering / V. Meshalkin, V. Dovì, V. Bobkov [et al.] // Mendeleev Communications. ― 2021. ― Vol. 31. ― P. 593‒604. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2021.09.003.

31. Dvoretskii, D. S. Integrated design of power- and resource-saving chemical processes and process control systems: Strategy, methods, and application / D. S. Dvoretskii, S. I. Dvoretskii, G. M. Ostrovskii // Theor. Found. Chem. Eng. ― 2008. ― Vol. 42. ― P. 26‒36. https://doi.org/10.1134/S0040579508010041.

32. Meshalkin, V. Methods of digital engineering of resource energy-saving environmentally safe chemical process systems / V. Meshalkin, V. Chelnokov, D. Makarenkov // Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. ― 2021. ― Vol. 27. ― P. 564‒575. https://doi.org/10.17277/vestnik.2021.04.pp.564-575.

33. The World Steel Association (worldsteel). https://www.worldsteel.org/, (accessed 2022-12-10).

34. Meshalkin, V. P. Assessment of the impact of the chemical pollution due to metallurgical plants on forest areas using satellite images / V. P. Meshalkin, O. B. Butusov, V. G. Dovi [et al.] // Steel Transl. ― 2021. ― Vol. 51. ― P. 783‒787. https://doi.org/10.3103/S0967091221110097.

35. Fan, Z. Low-carbon production of iron and steel: Technology options, economic assessment, and policy / Z. Fan, S. Friedmann // Joule. ― 2021. ― Vol. 5, Iss. 4. ― P. 829‒862. https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.02.018.

36. Makarova, A. Analysis of the management system in the field of environmental protection of russian chemical companies / A. Makarova, N. Tarasova, V. Meshalkin [et al.] // International Journal for Quality Research. ― 2018. ― Vol. 12, № 1. ― P. 43‒62. https://doi.org/10.18421/IJQR12.01-03.

37. Holappa, L. A Review of circular economy prospects for stainless steelmaking slags / L. Holappa, M. Kekkonen, A. Jokilaakso, J. Koskinen // Journal of Sustainable Metallurgy. ― 2021. ― Vol. 7. ― P. 806‒817. https://doi.org/10.1007/s40831-021-00392-w.

38. Heikkinen, E. A. Computational study to estimate the possibilities to improve utilisation of stainless steelmaking slags / E. Heikkinen, V. Leinonen, P. Tanskanen, T. Fabritius // In : Proceedings of the 1st International Conference on Energy and Material Efficiency and CO2 Reduction in the Steel Industry, EMECR. Kobe, Japan, 11‒13 November 2017. ― P. 86‒89. https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019121146758.

39. Salman, M. Construction materials from stainless steel slags: technical aspects, environmental benefits, and economic opportunities / M. Salman, M. Dubois, A. Di Maria [et al.] // Journal of Industrial Ecology. ― 2015. ― Vol. 20, № 4. ― P. 854‒866. https://doi.org/10.1111/jiec.12314.

40. Rosales Garcia, J. Potential of stainless steel slag waste in manufacturing self-compacting concrete / J. Rosales Garcia, F. Agrela, J. Entrenas, M. Cabrera // Materials. ― 2020. ― Vol. 13. ― Article 2049. https://doi.org/10.3390/ma13092049.

41. Sheen, Y.-N. Innovative usages of stainless steel slags in developing self-compacting concrete / Y.-N. Sheen, D.-H. Le, T.-H. Sun // Construction and Building Materials. ― 2015. ― Vol. 101. ― P. 268‒276. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.10.079.

42. Protopopov, E. Converter steelmaking process: state, dominant trends, forecasts / E. Protopopov, S. Kuznetsov, S. Feiler [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. ― 2018. ― Vol. 411. ― Article 012002. https://doi.org/10.1088/1757-899X/411/1/012002.

43. Ярошенко, А. В. Опыт Новолипецкого металлургического комбината в развитии конвертерного производства / А. В. Ярошенко, А. И. Дагман, Е. В. Берестюков, И. А. Некрасов // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. ― 2013. ― № 4 (1360). ― С. 43‒48.

44. Luk’yanov, A. V. Making BOF steelmaking more efficient based on the experience of the cherepovets metallurgical combine / A. V. Luk’yanov, A. V. Protasov, B. A. Sivak, A. P. Shchegolev // Metallurgist. ― 2016. ― Vol. 60. ― P. 248‒255. https://doi.org/10.1007/s11015-016-0282-y.

45. Jalkanen, H. Chapter 1.4. Converter Steelmaking : in book Treatise on Process Metallurgy Volume 3: Industrial Processes / H. Jalkanen, L. Holappa. ― Elsevier, 2013. ― P. 223‒270. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-096988-6.00014-6.

46. Díaz, J. The impact of hot metal temperature on CO2 emissions from basic oxygen converter / J. Díaz, F. J. Fernández // Environ. Sci. Pollut. Res. ― 2020. ― Vol. 27. ― P. 33‒42. https://doi.org/10.1007/s11356-019-06474-3.

47. Demidov, K. Improving lining resistance using highmagnesia fluxes in the converter steelmaking process / K. Demidov, O. Shatilov, A. Lamukhin [et al.] // Refract. Ind. Ceram. ― 2003. ― Vol. 44. ― P. 13‒16. https://doi.org/10.1023/A:1023955309378.

48. Wedrychowicz, M. Analysis of slag activity on corrosion of ceramic materials in a slurry furnace / М. Wedrychowicz, A. W. Bydałek, B. Basiura // Archives of Foundry Engineering. ― 2018. ― Vol. 18. ― P. 95‒100. https://doi.org/10.24425/123609.

49. Шешуков, О. Ю. Влияние фазового состава рафинировочного шлака на стойкость футеровки агрегата ковш-печь / О. Ю. Шешуков, И. В. Некрасов, М. А. Михеенков [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2016. ― № 3. ― С. 95‒102.

50. Кащеев, И. Д. Периклазоуглеродистые огнеупоры, сформованные новым способом / И. Д. Кащеев, К. Г. Земляной, А. В. Чевычелов // Новые огнеупоры. ― 2017. ― № 4. ― С. 17‒19.

51. Amelin, A. Characteristic features of the gas injection process in oxygen converters that use iron-containing slag produced during steel smelting / A. Amelin, E. Protopopov, S. Kuznetsov [et al.] // Metallurgist. ― 2019. ― Vol. 63. ― P. 549‒552. https://doi.org/10.1007/s11015-019-00857-0.

52. Козлов, В. В. Расчетное и экспериментальное определение фазового состава шлаков внепечной обработки стали / В. В. Козлов, А. П. Шевчик, С. А. Суворов [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2019. ― № 9. ― С. 46‒49.

53. Шешуков, О. Ю. Стабилизация рафинировочных шлаков путем корректировки их фазового состава и придания им свойств минеральных вяжущих веществ / О. Ю. Шешуков, И. В. Некрасов, М. А. Михеенков [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2017. ― № 6. ― С. 45‒52.

54. Аксельрод, Л. М. Метод определения шлако- и клинкероустойчивости огнеупорных изделий для вращающихся печей / Л. М. Аксельрод, И. Г. Марясев, А. А. Платонов // Новые огнеупоры. ― 2013. ― № 4. ― С. 59‒64.

55. Chistyakova, T. B. Methods and technologies of computer training complexes design for personnel in metallurgical production control / T. B. Chistyakova, I. V. Novozhilova // 2018 Third International Conference on Human Factors in Complex Technical Systems and Environments (ERGO)s and Environments (ERGO), St. Petersburg, 2018. ― Р. 132‒136. https://doi.org/10.1109/ERGO.2018.8443867.

56. Galkin, A. Variable structure objects remodelling based on neural networks / A. Galkin, A. Sysoev, P. Saraev // 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), St. Petersburg, 2017. ― Р. 1‒4. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2017.8076430.

57. Chistyakova, T. B. Computer system of industrial data mining for resource-saving control of steel-smelting converter production / T. B. Chistyakova, I. V. Novozhilova, V. V. Kozlov // 2019 1st International Conference on Control Systems, Mathematical Modelling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA), Lipetsk, Russia, 2019. ― Р. 523‒526, https://doi.org/10.1109/SUMMA48161.2019.

58. Аксельрод, Л. М. Огнеупорные материалы и способы повышения стойкости футеровки конвертеров по опыту ООО «Группа «Магнезит» / Л. М. Аксельрод, А. П. Лаптев, А. А. Шляпин // Новые огнеупоры. ― 2008. ― № 1. ― С. 5‒9.

59. Вислогузова, Э. А. Анализ влияния качества периклазоуглеродистых огнеупоров на стойкость футеровки конвертеров / Э. А. Вислогузова, И. Д. Кащеев, К. Г. Земляной // Новые огнеупоры. ― 2013. ― № 3. ― С. 127‒133.