do symulacji procesów rafinacji
Na podstawie opracowanego modelu hybrydowego stworzono aplikacjê Argon, która umo¿liwia symulacjê procesu rafinacji stali. Matematyczny model mieszania, bazuj¹cy na teorii reaktorów elementarnych, zosta³ zaimplementowany na tyle uniwer-salnie, ¿e umo¿liwia u¿ytkownikowi programu dostosowanie struktury reaktorów ele-mentarnych w zakresie ich objêtoci. Daje to mo¿liwoæ modyfikacji konfiguracji reak-torów w celu odwzorowania ich objêtoci z procesu rzeczywistego. Jedynym ograni-czeniem jest przyjêta sta³a liczba reaktorów. Wa¿n¹ cech¹ programu jest mo¿liwoæ w³asnorêcznego ustawiania podstawowych danych pocz¹tkowych, miêdzy innymi sk³adu chemicznego faz wystêpuj¹cych w uk³adzie, zakresu temperatur, w jakich bê-dzie przeprowadzana symulacja, czy czasu procesu. Program daje równie¿ mo¿liwoæ wprowadzenia ca³kowitej masy metalu w kadzi, co umo¿liwia dostosowanie dzia³ania programu do potrzeb dowolnej huty. Integraln¹ czêci¹ programu s¹ bazy danych, za-wieraj¹ce informacje zgromadzone podczas przeprowadzonych wytopów eksperymen-talnych na stanowisku argonowania lanc¹ oraz stanowisku pieca kadziowego.
Rzeczywiste dane umieszczono w ³atwych do edycji plikach programu MS Excel, z rozszerzeniem *.csv. Zawieraj¹ one dane pocz¹tkowe, zarejestrowane przed rozpo-czêciem procesu rzeczywistego, i koñcowe, uzyskane na podstawie analiz prób wyko-nanych po zakoñczeniu procesu. Dziêki takiemu rozwi¹zaniu u¿ytkownicy bezpored-nio po zakoñczeniu symulacji mog¹ oceniæ dok³adnoæ prognozy modelu w zakresie koñcowego sk³adu chemicznego metalu i ¿u¿la wybranego wytopu. W strukturze ka-talogowej programu pliki bazy wytopów znajduj¹ siê w folderze o nazwie csv. Przed uruchomieniem programu nale¿y upewniæ siê, ¿e katalog taki istnieje i zawiera pliki o nazwach: ArcelorMitall.csv oraz CMC.csv. Pierwszy z wymienionych plików zawiera dane dotycz¹ce procesu rafinacji argonem za pomoc¹ lancy, drugi dotyczy procesu ra-finacji w piecu kadziowym. Pliki maj¹ mo¿liwoæ edycji, dziêki czemu u¿ytkownicy mog¹ rozszerzaæ bazê o kolejne wytopy. Struktura nag³ówków pliku nie mo¿e jednak zostaæ zmieniona, poniewa¿ uniemo¿liwi to wczytanie danych do programu. Wczytane dane mo¿na edytowaæ z poziomu interfejsu programu, wpisuj¹c w³asne procentowe zawartoci sk³adników. Po wpisaniu nowej wartoci w pola edycyjne poszczególnych sk³adników wybranej fazy program automatycznie oblicza masê sk³adnika na podstawie wprowadzonej nowej procentowej zawartoci i ca³kowitej masy wytopu.
Korzystaj¹c z rzeczywistych danych pochodz¹cych z analizy laboratoryjnej, czêsto zdarza siê, ¿e analiza nie jest pe³na. Oznacza to, ¿e suma procentowych zawartoci poszczególnych sk³adników nie jest równa 100%. Sytuacja taka mo¿e pojawiæ siê rów-nie¿, gdy analiza chemiczna podaje zawartoæ pierwiastków, których model termodyna-miczny nie uwzglêdnia w obliczeniach. W wypadku metalu problem ten rozwi¹zano po-przez uzupe³nienie wprowadzonego po-przez u¿ytkownika sk³adu chemicznego za pomoc¹ podstawowego sk³adnika fazy metalicznej, którym jest ¿elazo. U¿ytkownicy nie maj¹ zatem mo¿liwoci rêcznego wprowadzenia procentowej zawartoci ¿elaza, poniewa¿
wartoæ ta obliczana jest na podstawie ró¿nicy pomiêdzy w pe³ni zdefiniowan¹ analiz¹ a sum¹ procentowej zawartoci sk³adników wprowadzonych przez u¿ytkownika. W wy-padku fazy niemetalicznej do symulacji przyjmowane s¹ masy sk³adników obliczone na podstawie podanej przez u¿ytkownika lub wczytanej z bazy wytopów procentowej zawar-toci tlenków i ca³kowitej masy ¿u¿la. Oznacza to, ¿e jeli suma procentowej zawarzawar-toci tlenków znacznie odbiega od pe³nej analizy, wówczas program automatycznie oblicza now¹ ca³kowit¹ masê ¿u¿la na podstawie obliczonych uprzednio mas poszczególnych sk³adników, co jest równoznaczne z innym procentowym sk³adem ¿u¿la. Nale¿y zatem d¹¿yæ do uzyskania pe³nej analizy, poniewa¿ zapewni to mo¿liwoæ przeprowadzenia symulacji na danych faktycznie wprowadzonych przez u¿ytkownika.
Model termodynamiczny, wykorzystywany do obliczania lokalnego stanu równo-wagi w granicznej warstwie metalu i ¿u¿la, zosta³ zdefiniowany tak, aby uwzglêdnia³ wszystkie mo¿liwe fazy, które mog¹ powstaæ w wyniku przebiegu reakcji. Faza gazo-wa w modelu mieszania nie jest uwzglêdniania. Wynika to z niewielkiej iloci powstaj¹-cego gazu, któr¹ zaobserwowano podczas testowania oprogramowania w warunkach znacznie odbiegaj¹cych od rzeczywistych warunków przebiegu procesu. Konsekwen-cj¹ mo¿e byæ niewielkie zachwianie bilansu masy w uk³adzie. Nale¿y jednak zaznaczyæ,
¿e w grupie wytopów eksperymentalnych nie zaobserwowano powstawania fazy gazo-wej w produktach po wyznaczeniu stanu równowagi.
Do rozpoczêcia obliczeñ symulacyjnych konieczne s¹ nastêpuj¹ce dane okrelaj¹ce pocz¹tkowy stan uk³adu:
sk³ad chemiczny k¹pieli metalowej: C, Mn, Si, S, Al, O, Al2O3,
sk³ad chemiczny ¿u¿la: MgO, Al2O3,CaO, SiO2, MnO, FeO, Fe2O3,S,
masa metalu w kadzi, [Mg],
masa ¿u¿la kadziowego, [Mg],
temperatura pocz¹tkowa i koñcowa procesu, [oC],
wartoæ kroku czasowego obliczeñ, [s],
czas procesu, [min] (lub inne kryterium zakoñczenia obliczeñ modelowych).
Przed rozpoczêciem obliczeñ u¿ytkownicy maj¹ mo¿liwoæ zadeklarowania rodza-ju, masy i momentu wprowadzenia dodatków, które po uruchomieniu symulacji zostan¹ wprowadzone do uk³adu. Jednak informacje te nie s¹ wymagane do rozpoczêcia symu-lacji. Poniewa¿ dodatki wprowadzane przez u¿ytkownika zapisywane s¹ w pamiêci
komputera w postaci tablic o rozmiarze okrelanym dynamicznie, to z uwagi na ogra-niczon¹ pamiêæ w komputerach starszej generacji ograniczono liczbê wprowadza-nych dodatków do piêciu. Aby u¿ytkownik móg³ zaplanowaæ dodatki wprowadzane podczas symulacji, konieczny jest plik o nazwie atesty.csv, zawieraj¹cy sk³ady chemicz-ne poszczególnych ¿elazostopów. Plik powinien znajdowaæ siê w katalogu o nazwie csv.
Jeli pliku o podanej nazwie nie ma w katalogu, uniemo¿liwi to programowi wczytanie informacji o poszczególnych dodatkach, a tym samym nie bêdzie mo¿liwoci przepro-wadzenia symulacji uwzglêdniaj¹cej dodatki. Kieruj¹c siê ciê¿arem w³aciwym oraz sposobem dozowania dodatku w procesie rzeczywistym, w pliku zawieraj¹cym atesty dodatków zapisano równie¿ informacje, na podstawie których program przypisuje wybrany dodatek do okrelonego reaktora elementarnego. Przyk³adowo ¿elazomangan dozowany jest do reaktora III. Jest to oczywicie pewne uproszczenie, poniewa¿
w procesie rzeczywistym nie ma mo¿liwoci wprowadzania tego dodatku bezporednio na dno kadzi. Dodatek po wprowadzeniu czêciowo siê rozpuszcza we wszystkich reaktorach. Poniewa¿ jego ciê¿ar w³aciwy jest wiêkszy ni¿ k¹pieli metalowej, to po wprowadzeniu dodatku opada on na dno kadzi. W wypadku aluminium, które wprowa-dzane jest do uk³adu w postaci drutu rdzeniowego, rozpuszczaj¹cego siê w ca³ej
objêto-ci kadzi, program proporcjonalnie do objêtoobjêto-ci reaktorów dzieli masê wprowadzonego aluminium pomiêdzy trzy reaktory elementarne.
Oprócz iteracyjnie wywo³ywanego modelu termodynamicznego, obliczaj¹cego równowagê pomiêdzy graniczn¹ warstw¹ metalu i ¿u¿la, za ka¿dym razem, gdy do uk³a-du wprowadzane s¹ dodatki uzupe³niaj¹ce sk³ad chemiczny lub dodatki odtleniaj¹ce k¹piel metalow¹, jednorazowo obliczany jest stan równowagi pomiêdzy mas¹ wprowa-dzanego dodatku a ca³kowit¹ mas¹ metalu, znajduj¹c¹ siê w reaktorze, do którego wpro-wadzany jest wybrany dodatek. Przyjête rozwi¹zanie jest szczególnie istotne w wypadku wprowadzania do uk³adu materia³ów odtleniaj¹cych, które reaguj¹ z tlenem rozpuszczo-nym w ca³ej objêtoci kadzi z ciek³ym metalem. Pominiêcie tego faktu skutkowa³oby wyznaczaniem równowagowej zawartoci tlenu w stosunku do obecnego w uk³adzie materia³u odtleniaj¹cego, wy³¹cznie w wyniku wyznaczenia stanu równowagi na granicy metal ¿u¿el, co by³oby za³o¿eniem b³êdnym.
W celu przeprowadzenia bardziej szczegó³owej analizy wyników modelu program Argon umo¿liwia zapisanie wyników symulacji. Wyniki w postaci procentowego sk³adu chemicznego metalu i ¿u¿la, po wykonaniu pojedynczej iteracji, zapisywane s¹ w pliku programu MS Excel. Przed rozpoczêciem symulacji u¿ytkownik musi jednak wprowa-dziæ nazwê pliku i wskazaæ lokalizacjê na dysku, gdzie ma zostaæ utworzony plik zawie-raj¹cy wyniki. Po wykonaniu ostatniej iteracji program zapisuje plik o nazwie podanej przez u¿ytkownika we wskazanej lokalizacji.
Program Argon jest aplikacj¹ stworzon¹ dla systemu Windows. Interfejs progra-mu, wykorzystywany do komunikacji z u¿ytkownikiem, sk³ada siê z kilku g³ównych okien, za których pomoc¹ u¿ytkownik definiuje warunki pocz¹tkowe symulacji. Na ry-sunku 25 przedstawiono g³ówne okno aplikacji Argon.
Rys. 25. G³ówne okno aplikacji Argon (zak³adka Info)
W oknie g³ównym programu znajduj¹ siê zak³adki pozwalaj¹ce u¿ytkownikowi na prze³¹czanie widoku okna pomiêdzy aktualnie obliczany sk³ad chemiczny metalu lub
¿u¿la. Poszczególne zak³adki zosta³y opisane w Za³¹czniku 1.
Za pomoc¹ górnego menu u¿ytkownik wywo³uje g³ówne funkcje programu.
W górnej czêci okna g³ównego znajduje siê menu programu, które sk³ada siê z czterech podstawowych zak³adek: Plik, Widok, Baza danych oraz O autorze. Dwie ostatnie za-k³adki maj¹ charakter informacyjny, dlatego w pracy pominiêto ich opis. Rozwijaj¹c zak³adkê Menu/Plik (Alt+P), u¿ytkownik ma do wyboru cztery opcje przedstawione na rysunku 26.
Najwa¿niejsz¹ pozycj¹ dostêpn¹ w menu Plik jest opcja Uruchom symulacjê. Po pe³nym zdefiniowaniu warunków pocz¹tkowych u¿ytkownik rozpoczyna obliczenia, wybieraj¹c tê w³anie opcjê. Pozosta³e pozycje menu Plik:
zapisz wyniki symulacji (*.csv): po wybraniu tej pozycji menu wywo³ana zostaje procedura zapisu wyników symulacji;
zapisz plik konfiguracyjny (*.txt): wybranie tej opcji menu pozawala zapisaæ w postaci pliku tekstowego g³ówne parametry modelu hybrydowego dla aktualnej konfiguracji;
zamknij: zamyka aplikacjê Argon.
Rys. 26. Menu Plik programu Argon
Po rozwiniêciu Menu/Widok (Alt+W) u¿ytkownik ma do wyboru cztery opcje przedstawione na rysunku 27, za których pomoc¹ otwiera kolejne okna programu
s³u-¿¹ce do ustawienia warunków pocz¹tkowych symulacji.
Poszczególne okna wywo³ywane s¹ niezale¿nie, jednak kolejnoæ ich uruchamiania powinna odpowiadaæ kolejnoci przedstawionej na rysunku 27, ze wzglêdu na kolejnoæ definiowania zmiennych w programie. Wybranie opcji Ustawienia sk³adu chemicznego powoduje otwarcie okna, przedstawionego na rysunku 28, s³u¿¹cego do definicji sk³adu chemicznego metalu i ¿u¿la, jak równie¿ pozosta³ych informacji o wytopie.
Rys. 27. Menu Widok s³u¿¹ce do wywo³ywania kolejnych okien interfejsu programu Argon
Po zaakceptowaniu danych wczytanych z bazy danych nale¿y zdefiniowaæ podsta-wowe parametry modelu hybrydowego. W tym celu w nowo otwartym oknie (Konfi-guracja modelu hybrydowego), przedstawionym na rysunku 29, nale¿y wprowadziæ wartoæ kroku czasowego dt oraz podaæ wartoci strumieni wymiany masy pomiêdzy reaktorami elementarnymi.
Rys. 28. Okno programu Argon, pozwalaj¹ce na ustalenie pocz¹tkowego sk³adu chemicznego faz.
Objanienia:
1) wybór bazy danych, z której program ma wczytaæ do symulacji dane dotycz¹ce sk³adu chemicznego metalu i ¿u¿la; 2) sk³ad chemiczny metalu i ¿u¿la oraz dodatkowe informacje
o wytopie, odczytane z bazy danych; 3) akceptacja danych powoduje zamkniêcie okna i automatyczne otwarcie okna interfejsu, s³u¿¹cego do definicji parametrów modelu
hybrydowego przedstawionego na rysunku 29; 4) przycisk umo¿liwiaj¹cy przeprowadzenie statycznych obliczeñ dotycz¹cych stanu równowagi,
obliczanego na podstawie danych wczytanych z bazy danych
W najprostszym wariancie konfiguracja sprowadza siê do wprowadzenia wartoci kroku czasowego, poniewa¿ pozosta³e wartoci obliczane s¹ automatycznie. Wartoci strumieni wymiany masy, podczas wyboru bazy danych, zmieniaj¹ siê automatycznie na te, które zweryfikowano w dalszej czêci pracy jako najlepiej opisuj¹ce dan¹ grupê wytopów eksperymentalnych.
Interfejs programu Argon, umo¿liwiaj¹cy wprowadzanie dodatków, zosta³ opisany w Za³¹czniku 1.
Rys. 29. Okno programu Argon, s³u¿¹ce do edycji parametrów modelu hybrydowego.
Objanienia:
1) pole edycyjne, do którego wprowadzana jest wartoæ kroku czasowego dt; 2) pasek pozwalaj¹cy na ustalenie objêtoci reaktora I (objêtoci reaktorów II i III obliczane s¹
automatycznie z zachowaniem sta³ych pocz¹tkowych proporcji); 3) pola edycyjne, do których u¿ytkownik mo¿e wprowadziæ wartoci strumieni wymiany masy pomiêdzy
reaktorami; 4) opcja umo¿liwiaj¹ca wywietlenie zaawansowanych ustawieñ modelu hybrydowego; po jej zaznaczeniu w oknie pojawiaj¹ siê dodatkowe pola edycyjne, standardowo niewidoczne; nale¿¹ do nich: pole pozwalaj¹ce na edycjê wspó³czynnika obiegu metalu dla reaktora II, liniowy wspó³czynnik zale¿noci wartoci strumienia m23,
pole umo¿liwiaj¹ce modyfikacjê przyjêtej definicji wspó³czynnika alfa, pola edycyjne, pozwalaj¹ce na rêczne wprowadzenie wartoci alfa i beta, niezale¿nie od pozosta³ych parametrów modelu; 5) wizualna reprezentacja modelu hybrydowego; 6) akceptacja
wprowadzonych danych powoduje zamkniêcie okna i automatyczne otwarcie interfejsu pozwalaj¹cego na zdefiniowanie dodatków wprowadzanych podczas symulacji;
7) wybranie przycisku Wstecz powoduje zamkniêcie okna i powrót do interfejsu edycji sk³adu chemicznego metali i ¿u¿la
Oprócz omówionych powy¿ej opcji dostêpnych w menu Widok, zwi¹zanych z edycj¹ stanu pocz¹tkowego uk³adu, istnieje równie¿ mo¿liwoæ wywietlenia interfej-su j¹dra programu. Po wybraniu opcji Menu/Widok/Schemat przep³ywów program otwiera okno zawieraj¹ce podstawowe obiekty pakietu SimuSage, za których pomoc¹ zbudowano model procesu rafinacji. Strukturê j¹dra programu, zbudowan¹ z obiektów pakietu SimuSage, przedstawiono na rysunku 30.
Rys. 30. Struktura modelu hybrydowego zbudowana z obiektów pakietu SimuSage
Ze wzglêdu na z³o¿on¹ strukturê modelu, przedstawion¹ na rysunku 30, wywo³a-nia kolejnych obiektów przedstawiono w formie algorytmu, co obrazuje rysunek 31 (na wklejce). Przedstawia on kolejnoæ wykonywania obliczeñ przez poszczególne obiekty pakietu SimuSage.
Poniewa¿ j¹dro programu bazuje na komercyjnym pakiecie SimuSage, do urucho-mienia aplikacji wymagany jest specjalny elektroniczny klucz HASP, dostarczany przez dystrybutora pakietu SimuSage.
Maj¹c na uwadze przyk³adowe wykorzystanie opracowanego programu do wspo-magania rzeczywistego procesu rafinacji stali, stworzono ogólny algorytm dzia³ania aplikacji w warunkach huty, przedstawiony na rysunku 32. Nale¿y jednak zaznaczyæ,
¿e integracja opracowanej aplikacji z istniej¹cymi w zak³adach systemami wymaga wie-lu modyfikacji i jest oddzielnym zagadnieniem, którego w pracy nie rozpatrywano.
Rys. 32. Przyk³ad integracji programu Argon z systemem nadrzêdnej kontroli w hucie