Исследование возможности применения искусственных нейронных сетей для автоматического управления процессом металлизации

Исследование возможности применения искусственных нейронных сетей для автоматического управления процессом металлизации

ВВЕДЕНИЕ

Искусственные нейронные сети, или нейронные компьютеры, появились практически одновременно с компьютерами Фон-неймановской архитектуры. Они являлись одной из возможных ветвей развития вычислительной техники. Но благодаря простоте реализации с помощью технических средств того времени в этой гонке победила Фон-неймановская архитектура, а нейронные сети на какое-то время были забыты. Но с совершенствованием технологии производства элементной базы и с достижением теоретических пределов производительности компьютеров с традиционной архитектурой о нейронных сетях вспомнили и в последнее время нейронные сети, и нейрокомпьютеры получили второе дыхание.

Идея нейронных сетей была позаимствована у природы, а точнее в качестве аналога использовалась нервная система животных и человека. Нервная система состоит из огромного количества достаточно простых элементов - нейронов. Каждый нейрон получает сигналы от тысяч других нейронов и передает обработанную информацию тысячам других нейронов по одному единственному выводу. Нейроны связаны между собой в достаточно сложную и идеально настроенную систему. Высокое быстродействие данной системы, пока не достижимое для современных компьютеров, обеспечивается за счет параллельности обработки информации. Сравнительно медленные нейроны обрабатывают входящую информацию одновременно, но благодаря большому их количеству достигается огромное быстродействие (табл. 1).

Длительный период эволюции придал мозгу человека много качеств, которые отсутствуют как в машинах с архитектурой фон Неймана, так и в современных параллельных компьютерах. К ним относятся:

массовый параллелизм;

распределенное представление информации и вычисления;

способность к обучению и способность к обобщению;

адаптивность;

свойство контекстуальной обработки информации;

толерантность к ошибкам;

низкое энергопотребление.

Можно предположить, что машины, построенные на тех же принципах, что и биологические нейроны, будут обладать перечисленными характеристиками.

Интеллектуальные системы на основе искусственных нейронных сетей (ИНС) позволяют с успехом решать проблемы распознавания образов, выполнения прогнозов, оптимизации, ассоциативной памяти и управления.

Таблица 1. Машина фон Неймана по сравнению с биологической нейронной системой

	Машина фон Неймана	Биологическая нейронная система
Процессор	Сложный	Простой
	Высокоскоростной	Низкоскоростной
	Один или несколько	Большое количество
Память	Отделена от процессора	Интегрирована в процессор
	Локализована	Распределенная
	Адресация не по содержанию	Адресация по содержанию
Вычисления	Централизованные	Распределенные
	Последовательные	Параллельные
	Хранимые программы	Самообучение
Надежность	Высокая уязвимость	Живучесть
Специализация	Численные и символьные oперации	Проблемы восприятия
Среда функционирования	Строго определенная	Плохо определенная
	Строго ограниченная	Без ограничений

Нейронные сети применяются для решения целого ряда задач, которые традиционными линейными методами трудно решаемы, или даже вообще не решаемы. На практике нейросети используются в двух видах - как программные продукты, выполняемые на обычных компьютерах, и как специализированные аппаратно-программные комплексы. В первом случае не используется встроенный параллелизм нейросетевых алгоритмов. Для многих задач, в т.ч. приложениях при анализе и обобщении баз данных, особенного быстродействия и не требуется: для них вполне хватает производительности современных универсальных процессоров. В этих приложениях используется исключительно способность нейросетей к обучению, к извлечению скрытых в больших массивах информации закономерностей. Для второй группы приложений - обработки сигналов в реальном времени, параллелизм нейровычислений является критическим фактором. Потребность в выполнении большого объема исследовательских работ и быстром функционировании появившихся прикладных систем привели к появлению специализированных вычислительных устройств для эффективного моделирования нейронных сетей - нейрокомпьютеров.

Перечислим основные задачи, решаемые нейронными сетями:

Распределенная ассоциативная память;

Распознавание образов;

Адаптивное управление;

Прогнозирование;

Экспертные системы;

Оптимизация (т.е. поиск максимума функционала при наличии ограничений на его параметры),

Кластеризация, категоризация.

Эти задачи можно эффективно внедрять в космонавтике, механике, металлургии и т.д.

В настоящее время самые различные отрасли промышленности и народного хозяйства находятся в условиях нестабильности. Нестабильность характеризуется существенными нереализуемыми резервами в экономии затрат, связанными с издержками производства.

Без преувеличения можно сказать, что металлургия является одним из китов, на которых стоит современная технологическая цивилизация. Это положение делает её весьма привлекательной для внедрения новых технологий, способных ускорить исследования в направлении получения новых перспективных сплавов, повысить качество и безопасность способов получения выплавляемого металла, понизить его стоимость.

Наиболее сильно это проявляется в энергонасыщенном производстве, когда малейшее отклонение от оптимального режима сопровождается огромными экономическими издержками.

Один из начальных этапов производства стали - процесс подготовки железорудного сырья для выплавки металла (металлизация) сложен и зависит от огромного количества факторов, что требует постоянной и напряжённой работы оператора (диспетчера).

В процессе производства металлизованных окатышей имеются технологические ситуации, характеризующиеся частыми перестройками и переналадками, пусками и остановами шахтных печей, хаотичным изменением производительности, характеристик сырья, ограниченностью ресурсов во времени и энергоресурсов, непредсказуемостью целевых установок управления и т.д. Тем самым процесс является весьма перспективным для внедрения нейротехнологий.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 ВЫБОР ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1.1 Обзор процессов металлизации

Несмотря на масштабность производства стали по схеме "доменная печь - конвертер", в последние два десятка лет в мире наблюдается устойчивая тенденция развития процессов прямого получения железа и его последующего использования по схеме "шахтная печь металлизации - электродуговая печь" [1]. Причины такого резкого развития бескоксовой металлургии очевидны, не раз отмечались в литературе и в данной работе не рассматриваются.

Наиболее важными с точки зрения оценки состояния и перспектив развития рассматриваемой технологии получения первичного железа являются классификации по масштабам применения различных способов и по виду используемого для металлизации руды восстановителя (см. Приложение 1) [1,16].

Анализ различных способов металлизации предполагает определенную их классификацию по наиболее характерным признакам [1,15,16,17]. Достаточно полно различные способы могут быть представлены следующей классификацией: по физико-химическим основам технологических схем; по применяемым агрегатам; по виду используемой энергии; по виду восстановителя; по способам подготовки сырых материалов; по состоянию получаемого продукта (см. Приложение 3).

Кратко рассмотрим шесть основных процессов металлизации, которые стали традиционной технологией производства стали: "ХиЛ-I" "Мидрекс", "Пурофер", "Армко", "НСК" и "ХиЛ-Ш" (см. Приложение 2).

При разработке этих процессов основным стимулом было стремление получать железо (сталь) без применения коксующегося угля, который становился все более дефицитным, и создавать промышленные металлургические агрегаты без таких больших капиталовложений, какие необходимы в обычной коксовой металлургии.

Поскольку все эти процессы достаточно широко известны, здесь следует только отметить некоторые характерные различия между ними и попытаться объяснить, почему они получили такое разное признание.

Общим для всех процессов этой группы является то, что оксид железа в форме кусковой руды или окатышей, или их смеси, вводят в восстановительный реактор. При этом оказалось, что для точного управления работой реактора очень важное значение имеют гранулометрический состав, восстановимость или химический состав (содержание двухвалентного железа Fe2+, основность и т.д.), склонность к слипанию, склонность к разрушению, прочность на сжатие. Только специальная подготовка сырых материалов могла обеспечить удовлетворительный режим работы агрегатов и высокий коэффициент их использования.

Другим общим признаком технологических процессов рассматриваемой группы является применение природного газа для получения восстановительного газа, хотя во всех этих процессах может применяться (а отчасти и применяется) также и альтернативное сырье -- нефть, коксовый газ и уголь (после его газификации). Однако по соображениям экономичности и (или) надежности эксплуатации основным сырьем при проектировании установок все же считался природный газ.

Общим для всех способов, кроме "ХиЛ-I," (см. П.2. Рис. 1.), является применение шахтной печи, причем только по способу "Мидрекс" удалось применить динамический газовый затвор без движущихся конструктивных элементов, а во всех остальных процессах используют повышенное давление газа в системе, вследствие чего нужны шлюзы для руды (аналогичные засыпным аппаратам доменных печей) и соответствующие устройства для выгрузки готового продукта [1,15].

Охлаждение губчатого железа по способам "Мидрекс", НСК и "ХиЛ-I" осуществляется в соответствующей зоне (по способу НСК -- в отдельном резервуаре) циркулирующим потоком охлаждающего газа. Содержание углерода в готовом продукте определяется химическим составом этого циркулирующего газа. По способу "Армко" (см. П.2. Рис. 2.) охлаждающий газ вместе со свежим восстановительным газом поступает в зону восстановления.

В системе шахтной печи по способу "Пурофер" и НСК никакого охлаждения не предусматривается. Горячий готовый продукт выгружают в закрываемые резервуары и в них доставляют к установке горячего брикетирования, можно также загружать губчатое железо в горячем виде непосредственно в электропечи.

С 1983 г. и в процессе "Мидрекс" в качестве варианта предусмотрена выдача продукта из восстановительной печи через шлюз без охлаждения с последующим горячим брикетированием. Получение губчатого железа в брикетированной форме оказывается все более выгодным, потому что при этом удается удачно решить проблемы, связанные с его транспортировкой на большие расстояния (самовозгорание, выделение пыли) [1,15,17].

Для получения восстановительного газа из природного применяются различные системы. Так, по способам "ХиЛ-1", "Армко" и "ХиЛ-Ш" используют конверсию паром (паровой риформинг), хорошо зарекомендовавшую себя в нефтехимии. При этом подводимый газ должен быть достаточно полно очищен от серы [доля серосодержащих компонентов не должна превышать 10-4 % (объемн.)], чтобы кристаллизатор в паровых реформерах (на никелевой основе) не был отравлен.

Газ, использованный в восстановительной шахте, не поступает в оборотный цикл (по способу "ХиЛ-Ш" в оборотный цикл вводится лишь небольшая его часть), но используется для обогрева реформера (парового конвертера) и выработки пара. Чтобы получить высокий восстановительный потенциал газа после паровой конверсии, нужно поддерживать возможно более низкое отношение пар -- углерод (способ "Армко"). Другой способ достижения той же цели заключается в обезвоживании конвертированного газа путем его охлаждения (для конденсации влаги) с последующим нагревом (способы "ХиЛ- I" и "ХиЛ- Ш").

По способу НСК (см. П.2. Рис. 3.) газ, полученный паровой конверсией, смешивается с циркулирующим колошниковым газом, причем благодаря конденсации влаги и отмывки от СО2 из колошникового газа получается высококачественный восстановительный газ.

В процессе "Мидрекс" (см. П.2. Рис. 4.) применен принцип конвертирования диоксидом углерода с рециркуляцией колошникового газа. Диоксид углерода, содержавшийся в колошниковом газе, вместе с его остаточной влагой (при промывке колошникового газа в скруббере водой в нем задается определенное содержание H2О) используются как кислородоносители для конверсии природного газа.

По всем способам рассматриваемой группы для оптимизации расхода энергии применяют более или менее глубокий теплообмен для утилизации отходящего тепла. Впрочем, при конверсии диоксидом углерода по способам этой группы можно получить самый низкий расход энергии [1].

В процессе "Пурофер" (см. П.2. Рис. 5.) для получения восстановительного газа из природного применён регенеративный принцип. Пока один из горизонтальных регенераторов нагревается за счет сжигания колошникового газа с добавкой природного до температуры ~ 1400 °С, во втором регенераторе происходит превращение смеси колошникового газа с природным в восстановительный газ. В расположенной далее камере охлаждения температуру восстановительного газа устанавливают на уровне 950 ± 10 °С. При таком крекинге природного газа при высокой температуре требуется лишь небольшая масса катализатора, нечувствительного к сернистым компонентам, содержащимся в природном или колошниковом газе.

В качестве варианта в процессе "Пурофер" предусмотрено получение восстановительного газа из такого углеродоносителя, как тяжелый мазут, который расщепляют путем частичного окисления (по способу "Тексако") и затем отмывают в скруббере от СО2 (монозтанол-амином), как и колошниковый газ, а после очистки подогревают в газоподогревателе до температуры восстановления.

По старейшему из процессов рассматриваемой группы "ХиЛ-I" (см. П.2. Рис. 1.) в восстановительном аппарате, как известно, применяют неподвижный слой. Шихту нагревают циклически в четырех ретортах и последовательно подвергают предварительному восстановлению, полному восстановлению, охлаждению и науглероживанию, затем материал выгружают и реторты наполняют новой порцией. Циклический процесс требует, кроме сравнительно большого расхода тепла, и значительные издержки на аппаратурную оснастку, что неблагоприятно сказывается на коэффициенте использования оборудования и эксплуатационных затратах. Поэтому фирма "Охалата и Ламина" с середины 70-х годов начала работать над созданием непрерывного процесса, который к концу 70-х годов получил известность как процесс "ХиЛ-Ш".

1.1.2 Выводы

Наибольшее развитие получили процессы "ХиЛ-I" и "Мидрекс". На их долю в сумме приходится более 80 % всех мощностей установок прямого восстановления в мире [1,16]. Двум этим процессам принадлежит соответственно наиболее высокая доля фактически выпускаемого губчатого железа.

По данным на 1990 г. на установках прямого восстановления, проекты которых будут реализованы в ближайшем будущем, предполагается осуществление процессов "ХиЛ-Ш", "Мидрекс" и НСК.

Анализ современного состояния бескоксовой металлургии в мире, тенденций и перспектив ее развития показывает, что возможно дальнейшее увеличение объема металлизованного сырья, особенно в регионах, обладающих ресурсами дешевых энергоносителей [1]. Основная часть (85 %) металлизованного продукта в мире производится по технологиям Мидрекс и ХИЛ-Ш. И хотя установки Мидрекс занимают лидирующее положение, технология ХИЛ в последние годы развивается быстрее.

В России эти технологии металлизации железорудных окатышей впервые были реализованы в установке ХИЛ-Ш на Лебединском ГОКе, производящей горячее брикетированное железо. А ещё раньше (1983 г.) пущены четыре установки металлизации по способу "Мидрекс" на Оскольском Эектрометаллургическом Комбинате (ОЭМК) [1].

Технологическое оборудование для процесса "Мидрекс" по сравнению с оборудованием для трех других конкурирующих процессов отличается простотой и высокой надежностью. Хотя работа ведется лишь с очень небольшим избыточным давлением в технологических циклах циркулирующего газа, удельная производительность в восстановительном реакторе, т.е. в шахтной печи, получается такой же или даже более высокой, чем при конкурирующих способах (см. П.1., П.2.). Кроме того, производственные показатели первой более крупной установки, которая начала работать на заводе в Контркёр, свидетельствовали о том, что возможности дальнейшего усовершенствования и повышения производительности процесса "Мидрекс" еще не исчерпаны.

Выбор процесса "Мидрекс" для рассмотрения в данной работе явился логическим следствием выше проведённого анализа. Все ссылки, ниже используемые данные и факты по процессу "Мидрекс" взяты из опыта ОЭМК.

1.2 ОПИСАНИЕ ЦЕХА МЕТАЛЛИЗАЦИИ

1.2.1 Модули прямого восстановления

В соответствии с полной мощностью ОЭМК мощность цеха металлизации была установлена равной 5 млн. т. металлизованного продукта в год. Мощность первого этапа первой очереди развития цеха металлизации была принята равной 1,667 млн. т губчатого железа в год, т.е. из 12 модулей, запроектированных для полного развития комбината, на первом этапе построены и работают в данный момент первые четыре [1].

В составе каждого модуля имеются: участок шахтной печи металлизации, участок реформера, система производства инертного газа, система аспирации.

Система водного хозяйства, свеча, помещение пульта с контрольно-измерительными приборами, а также электроснабжение выполнены общими для каждой пары модулей.

1.2.2 Печь металлизации

Восстановительная печь (см. Приложение 4) состоит из загрузочного (промежуточного) бункера, верхнего динамического затвора с загрузочным распределителем и загрузочными труботечками, зоны восстановления, промежуточной зоны, зоны охлаждения, огнеупорной футеровки, постоянно действующих питателей, нижнего динамического затвора и маятникового питателя (для выгрузки готового продукта).

1.2.3 Скруббер колошникового газа

В состав скруббера входят следующие узлы:

труба Вентури, в которой колошниковый газ из шахтной печи, поступающий вертикально сверху вниз, интенсивно смачивается и охлаждается;

насадка, в которой газ и вода движутся в противотоке через элементы насадки так, что газ охлаждается до температуры охлаждающей воды;

зумпф, расположенный под насадкой, куда смывается смоченная пыль;

циклонный каплеотделитель, в котором избыточная вода отделяется от чистого газа.

Компрессоры технологического и охлаждающего газа

Для повышения давления технологического и охлаждающего газов применены двухроторные винтовые компрессоры. Оси обоих роторов располагаются в корпусе параллельно. Вал ротора, не имеющего прямого привода, приводится во вращение через синхронизирующую зубчатую передачу так, что оба ротора вращаются без контакта между собой. Валы обоих роторов опираются на подшипники качения. В каждом компрессоре предусмотрена система циркуляционной масляной смазки под давлением.

1.2.4 Скруббер охлаждающего газа

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9