АСУ ТП в металлургии

метки: Металлургия, Расход, Тепловой, Состояние, Температура, Материал, Заданный, Регулирование

Автоматизация доменного производства: Система управления тепловым режимом

автоматизация доменный тепловой управление

1.1 Краткое описание ТП и технологического оборудования

Основным способом получения чугуна является доменный процесс, осуществляемый в специальных (доменных) печах. Доменная печь работает непрерывно до капитального ремонта в течение многих лет.

Выплавка чугуна в доменных печах характеризуется сложным комплексом трудоемких подготовительных производственных процессов.

Для производства обычного доменного чугуна используют шихту, состоящую из железных и марганцевых руд, флюсов, флюсованного агломерата, окатышей и топлива. От качества подготовки сырых материалов — дробления, сортировки, обогащения, окускования — зависит в конечном счете качество выплавленного чугуна.

Устройство доменной печи

Технический прогресс в доменном производстве характеризуется прежде всего увеличением объемов доменных печей.

На рис. 1 дана современная схема доменного производства.

Доменную печь относят к печам шахтного типа. Рабочее пространство печи состоит из горна, заплечиков и шахты. Шахта — часть печи выше заплечиков; она состоит из нижней цилиндрической части — распара, средней конической части и верхней цилиндрической части — колошника.

Колошник предназначен для приемки шихтовых материалов и отвода газов. Коническая часть шахты облегчает опускание проплавляемых материалов и распределение газов по поперечному сечению печи. Сужение заплечиков книзу связано с уменьшением объема материалов при переходе в жидкое состояние (чугун и шлак).

В верхней части горна расположены воздушные фурмы. Из кольцевого воздухопровода воздух поступает к каждой фурме печи по футерованному фурменному рукаву и металлическому патрубку. Воздушная фурма состоит из собственной фурмы, бронзового конического холодильника и чугунной амбразуры, закрепленной в огнеупорной кладке печи. Медная водоохлаждаемая фурма выступает внутрь печи на 150-200 мм для отвода дутья от стены печи. Диаметр выходного отверстия фурмы составляет около 150 — 160 мм.

Нижнюю часть горна называют лещадью. Она состоит из нескольких рядов высококачественного шамотного кирпича или из графито-глинистых блоков. На ней собирается чугун и шлак, выпускаемые через соответствующие летки в ковши.

Экономическая часть дипломной работы строительство

... о выполненной дипломной работе и результаты работы. ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ, ПОДЛЕЖАЩИХ РАЗРАБОТКЕ В ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКЕ Постановка задачи Общая часть Практическая часть, Экономическая часть, Заключение:, Приложения:, Список используемой литературы, Графические материалы: Руководитель дипломной работы ФИО ________________ ...

Рис. 1 — Разрез доменного цеха с печами полезного объема 2000м ² :

1 — портальный кран; 2 — бункеры для шихтовых материалов; 3 — вагон-весы; 4 — скип; 5 — железнодорожные пути; 6 — лебедка для подъема скипов; 7 — наклонный мост; 8 — свечи; 9 — газоотводы; 10 — засыпной аппарат; 11 — шахта; 12 — перекрытие литейного двора; 13 — распар; 14 — кольцевой воздухопровод; 15 — заплечики; 16 — фурма; 17 — горн; 18 — ковши для перевозки шлака; 19 — колонны, поддерживающие шахту печи; 20 — фундамент; 21 — лещадь; 22 — ковши для перевозки чугуна; 23 — рабочая площадка у печи; 24 — колошник; 25 — колошниковая площадка; 26 — монтажная балка; 27 — наклонный газоотвод; 28 — газоочиститель

Чугунная летка находится на 600 -1700 мм выше уровня лещади. Поэтому на ней всегда остается жидкий чугун, предохраняющий лещадь от разрушения. Эта летка имеет форму канала, проходящего: через огнеупорную кладку нижней части горна. Обычно их две, но на больших печах — свыше 3200м ² — ограничиваются одной. В период между выпусками чугуна летку забивают огнеупорной массой.

Шлаковые летки располагают на 1,4-1,9м выше уровня чугунной летки. Шлаковая летка представляет медную коническую водоохлаждаемую кольцевую трубу, узкое отверстие которой направлено внутрь печи, а более широкое наружное — в сторону желоба для выпуска шлака. В период между выпусками шлака летку закрывают металлическим стопором.

Доменная печь опирается на железобетонный фундамент. По наружной поверхности фундамента установлены стальные колонны, поддерживающие опорное кольцо шахты печи.

Огнеупорная кладка шахты охвачена стальным кожухом, имеющим коробчатые холодильники, по которым циркулирует вода. Стенки горна и заплечиков заключены в прочную стальную броню с плитовыми холодильниками.

Над колошником печи имеется засыпной аппарат, состоящий из узкой приемной вращающейся воронки.

Порядок работы доменной печи

Новую доменную печь после проверки работы оборудования ставят под задувку, т.е. ее подготавливают для непрерывной работы в течение 5-10 лет. Задувку печи начинают с медленной сушки огнеупорной кладки в течение 5-6 суток. Для этого в горне сжигают доменный газ или подают туда горячее воздушное дутье от действующей печи. На новом заводе первую печь сушат при сжигании на лещади дров и кокса. Воздух для горения подают через фурмы, газообразные продукты горения отводятся через колошник.

После сушки и некоторого прогрева кладки в печь осторожно загружают задувочную шихту, поджигают кокс около фурм и подают дутье. Задувочная шихта состоит только из одного кокса (холостые колоши), а затем — из кокса с небольшим количеством флюса и руды. С развитием горения кокса в загружаемой шихте увеличивают содержание руды и флюсов до расчетных значений.

Первый выпуск шлака из доменной печи производят через 15-20ч после задувки, а чугуна — через сутки. Образующийся при задувке печи газ сначала выходит в атмосферу, а затем направляется на газоочистку и далее потребителю.

Производство чугуна в доменной печи

... здесь наблюдаются наибольшие темпе­ратуры. 2.2 Удаление влаги Шихта, загружаемая в доменную печь, содержит гигроско­пическую влагу (например, в коксе 0,5-5 %), а иногда гид­ратную влагу. Гигроскопическая ... окружности колошника дан выше при описа­нии засыпного аппарата.) Для управления распределением агломерата и кокса по сечению колошника применяют следующие приемы: изменение порядка набора скипов ...

Со склада шихтовых материалов шихта поступает в вагон-весах к скиповой яме. Скип загружают шихтой из загрузочной воронки. После этого скип лебедкой поднимают по рельсам наклонного подъемника печи на колошник. Шихта попадает сначала в приемную воронку с малым конусом, затем в загрузочную воронку с большим конусом и далее в рабочее пространство печи.

После загрузки очередной порции шихты приемная воронка с малым конусом поворачивается на 60°, что позволяет равномерно распределить шихту на поверхности большого конуса перед опусканием ее в печь. Маневрирование большим и малыми конусами в загрузочном аппарате доменной печи производится независимо друг от друга.

Наиболее важна реакция, конечным продуктом которой является металлическое железо. Она называется реакцией косвенного восстановления.

Текущее тепловое состояние доменной печи определяется разностью между количеством тепла, поступаемого в печь и количеством тепла, которое необходимо для выплавки чугуна заданного состава, причем выплавленный чугун должен иметь заданную температуру. На тепловое состояние доменной печи влияет множество факторов: изменение состава шихты; распределение газового потока по высоте; влажность кокса; изменение физических свойств шихты. Тепловое состояние доменной печи оказывает заметное влияние на производительность и удельный расход дорогостоящего дефицитного кокса на тонну чугуна.

Основной причиной нарушения — теплового равновесия является изменение тепловой и восстановительной работы газового потока, которое меняет соотношение прямого и косвенного восстановления железа.

Целью управления тепловым режимом является стабилизация теплового режима печи для обеспечения равномерного хода и снижения расхода кокса.

1.2 Структура и функции системы управления тепловым режимом

Тепловое состояние печи принято оценивать по косвенным параметрам: по содержанию кремния в чугуне на выпуске; по содержанию серы в чугуне.

Основными параметрами для управления тепловым режимом печи является значения содержания СО ₂ и СО в колошниковом газе, расход пылеугольного топлива, поступающего в печь, масса железорудного сырья, кокса и флюса в подаче, влажность кокса, температура и химический состав чугуна на выпуске.

Дополнительную информацию о тепловом состоянии доменной печи несет температура чугуна и шлака на выпуске, но эти замеры производятся периодически, и они характеризуют состояние печи за прошедший период времени. В этих условиях важное значение имеет выбор критерия и алгоритма управления тепловым режимом. В настоящее время нет единого мнения по выбору критерия управления теплового режима, но можно выделить несколько направлений работ в этой области:

1. Создание математической модели процесса и алгоритмов управления на основе материального и теплового баланса, рассчитанного как для всей печи, так и отдельных участков по высоте шахты.

2. Разрабатываются алгоритмы оценки текущего теплового состояния и управления тепловым состоянием на основе анализа скоростей изменения некоторых параметров, которые характеризуют тепловое состояние печи. При этом учитывается не только величина, но и знак отклонения выбранного параметра за фиксированный интервал времени.

3. Разработка методов оценки теплового состояния по характеру изменения температуры поля по высоте шахты печи. Измерение температуры в шахте печи на разных горизонтах осуществляется с помощью специальных термозондов, вводимых в рабочее пространство печи на разную глубину по радиусу шахты. При этом оценивается соотношение температур реально измеряемых по отношению к расчетным теоретическим значениям температур на каждом уровне, которые обеспечивали бы максимальную скорость восстановительных процессов.

4. Прогнозирование и определение теплового состояния печи осуществляется по величине некоторого параметра на выпуске чугуна. Наиболее используемым параметром является содержание кремния в чугуне.

5. Разработка математических динамических моделей процесса на основе изучения процессов тепло- и массо- переноса, протекающих на различных участках печи.

6. Разработка нейросетевых моделей оценки теплового состояния доменной печи.

Обилие методов при формировании алгоритмов управления тепловым режимом свидетельствует о том, что точного и объективного метода до сих пор не создано.

В основном алгоритмы управления функционируют в режиме «советчик мастера».

Таблица — Технические средства для автоматического управления тепловым режимом доменной печи.

Наименование измеряемого параметра	Средство измерения	Диапазон измерений	Предел допускаемой погрешности измерения
Масса кокса, агломерата, угольной пыли	Тензометрические весы	0 — 5т.	1,5%
Влажность кокса	Нейтронные влагомеры
Содержание СО, СО 2 , Н2	Газоанализатор АО	0,5 — 100%	0,5%
Общий расход дутья	Дифференциальный манометр	5Па — 100МПа	0,5%
Температура дутья	Радиационные пирометры	30 — 6000 °С	± 25°С
Температура чугуна и шлака на выпуске	Радиационные пирометры	30 — 6000 °С	1%
Температура колошникового газа	Термопары ХА	20 — 1000 °С	2%

Расход кокса, агломерата и флюсующих добавок, поступающих из бункеров, контролируется тензометрическими датчиками установленными на весовых воронках, и измерительными приборами. Сигналы с приборов поступают в УВК. Заданное значение расхода компонентов поступает с задатчиков установленных на оперативном щите. При отклонении текущего значения расхода от заданного, УВК вырабатывает управляющее воздействие, и исполнительные механизмы, и регулирующие органы через шиберные затворы путем их открывания приводят расход в соответствие с заданием.

Для взвешивания шихтовых материалов применяются весоизмерительные устройства с тензорезистивными чувствительными элементами (месдозами).

В корпусе, опирающемся на плиту весоизмерительного устройства, установлен стакан с опорным стержнем. Взвешиваемая емкость опирается на шариковую поверхность стержня и усилие от его веса через шар, и вкладыш передается на дно стакана (в весоизмерительном устройстве может использоваться несколько месдоз).

нижняя часть стакана удлиняется пропорционально прикладываемому усилию (сила тяжести вагона).

На наружной боковой поверхности нижней части стакана приклеены две пары фольговых тензодатчиков — одна из них (рабочая) наклеена с двух сторон стакана параллельно оси и при наличии усилия (растяжения стакана) электрическое сопротивление этой пары изменяется. Другая пара тензодатчиков (компенсационная) расположена перпендикулярно оси стакана и ее сопротивление практически не зависит от растяжения стакана. Пары тензодатчиков включаются в противоположные плечи измерительного моста, показания которого будут пропорциональны приложенному усилию (силе тяжести вагона), а наличие компенсационных тензодатчиков обеспечивает независимость этих показаний от температуры окружающей среды.

Коррекция рудной нагрузки по влажности кокса проводится по показаниям нейтронных влагомеров с учетом отклонения замеренной влаги кокса от его базовой величины.

В случае выхода из строя нейтронного влагомера или отключения системы коррекции массы кокса по его влажности, машинист загрузки по согласованию с мастером печи обязан скорректировать задание на массу кокса пропорционально разнице между его базовой и фактической влажностью.

Контроль за общим расходом природного газа осуществляется при помощи диафрагмы, а контроль при помощи диафманометра, сигнал с датчиков поступает на измерительные приборы, установленные в газовой доменной печи. Сигнал с приборов поступает в УВК. Заданное значение расходов природного газа поступает с задатчиков, установленных на оперативном щите. При отклонении текущего значения расхода от заданного, УВК вырабатывает управляющее воздействие, и исполнительный механизм и регулирующий орган через дозировочные клапаны и путем изменения положения дросселя приводят расход в соответствие с задание.

Для контроля радиального распределения газового потока измеряются температуру и состав газа по радиусу колошника, для чего применяют газоотборочную трубу, двигающуюся от лебедки. С помощью установки можно измерять сожержания СО, СО2 и Н2 в газе и температуры газа. Измерение температуры газа малоинерционной термопарой совмещают с отбором проб для химического анализа в 6 — 10 точка каждого радиуса. Содержание СО, СО2 и Н2 в колошниковом газе определяется при помощи оптико-акустических газоанализаторов и измерительных приборов. Температура измеряется термопарами и регистрируется вторичным измерительным прибором.

Сигналы с приборов поступают в УВК. Значения этих параметров обрабатываются для выработки управляющего воздействия в виде изменения количества кокса в подачу и температуру дутья.

Принцип действия оптико-акустических газоанализаторов основан на селективном поглощении различными газами инфракрасного излучения; величина поглощения зависит от состава газа.

Для измерения температуры колошникового газа применяются термометры сопротивления. Первичным преобразователем термоэлектрического термометра служит термопара, состоящая из двух разнородных проводников.

Для измерения температуры горячего дутья (~1300°С) наряду с термопарами в специальной плотной арматуре используются пирометры (один или два), которые визируются через отверстие в футеровке воздухопровода непосредственно на внутреннюю поверхность футеровки или на специальное визирное тело. Показания датчика температуры регистрируются приборами, расположенными на щите доменной печи.

Регулирование увлажнением дутья является самым неэкономным средством и поэтому кратковременно применяется только при резких отклонениях теплового состояния печи в сторону разогрева.

Регулирование теплового состояния печи путем снижения интенсивности плавки производится сокращением расхода дутья, что приводит к понижению теоретической температуры горения. Расход дутья измеряется при помощи сужающего устройства и дифференциального манометра, а так же измерительного прибора, сигнал с которого, пропорциональный расходу дутья, поступает в УВК. Заданное значение расхода дутья поступает с задатчика, установленного на оперативном щите. При отключении текущего значения расхода от заданного, УВК вырабатывает управляющее воздействие. Исполнительный механизм и регулирующий орган изменяют расход дутья до заданного значения.

Измерение расхода дутья основано на определении измерения давления вещества, протекающего через местное сужение в трубопроводе. Местное сужение создается специальными сужающими устройствами — диафрагмами (реже соплами или трубами Вентури).

Диафрагма представляет собой тонкий диск, установленный между фланцами в трубопроводе так, чтобы его отверстие было концентрично внутреннему контуру трубопровода. Создаваемый в сужающем устройстве перепад давления р1- р2 измеряется дифманометром.

Принцип измерения заключается в том, что при протекании потока через отверстие сужающего устройства повышается скорость потока по сравнению со скоростью до сужения. Увеличение скорости, а следовательно, и динамического давления вызывает уменьшение статического давления.

Разность давлений р1 — р3, называемая перепадом давления на сужающем устройстве, зависит от расхода вещества, протекающего через трубопровод. Таким образом, для измерения расхода дутья достаточно измерить перепад давления на сужающем устройстве, а расход вычислить по формуле. В датчиках расхода (дифманометрах) расчет по формулам производится автоматически и выходной сигнал пропорционален расходу дутья (а не перепаду давления).

Для оценки теплового состояния низа печи применяется непрерывное измерение температуры чугуна на выпуске радиационными пирометрами. Пирометр визируется непосредственно на струю чугуна и имеет относительную погрешность измерения ±1%. В основу работы пирометров положен принцип использования теплового и светового излучения нагретых тел. Температура чугуна на выпуске измеряется датчиками и регистрируется измерительными приборами на щитке доменной печи.

1.3 Функциональная (структурная) схема системы управления тепловым режимом

Структурная схема управления тепловым режимом печи представлена на рис.2.

Управление тепловым режимом осуществляется на основе информации о составе и температуре колошникового газа, о температурном поле шахты печи, параметрах комбинированного дутья, температуре, составе чугуна и шлака на выпуске и составе шихтовых материалов.

Вся текущая информация о параметрах, характеризующих температурное состояние печи, поступает на УВМ-2, которая способна реализовать один из ранее названных алгоритмов управления.

Данные о температуре колошникового газа 1, о температурном поле шахты печи 17 по данным отдельных термозондов 16,18, 19, о температуре фурменной зоны 10, температуре чугуна 14 и шлака 15 характеризуют текущее тепловое состояние доменной печи.

Рис.2. Структурная схема управления тепловым режимом печи

Информация о составе чугуна 11 и шлака 13 из экспресслаборатории 12 позволяет корректировать тепловое состояние по окончанию результирующей плавки.

Важное значение для контроля текущего теплового состояния имеет информация о составе колошникового газа формируемая комплексом 2 и 3. Также учитывается влажность, содержащаяся вода в колошниковом газе.

УВМ-2, управляющая тепловым режимом доменной печи корректирует рудную нагрузку через УВМ-1 и выдает управляющие воздействие путем формирования заданного значения в контуре управления:

• регулирование температур горячего дутья 5;
• регулирование расхода дутья 6;
• регулирование влажности дутья 7;
• регулирование расхода природного газа 8;
• регулирование расхода кислорода 9.

Расход дутья 6 корректируется дополнительно командами УВМ-4. Как правило, подсистема 2 функционирует в режиме «советчик мастера».

Заключение

В заключении стоит отметить, что введение системы управление тепловым режимом в доменной печи, способствовало более стабильному производству выплавки чугуна и снижению человеческого фактора, тем самым увеличив качество конечного продукта.

Список использованных источников

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kontrolnaya/asu-tp-v-metallurgii/

1. Бондарева А.Р. Информационные технологии в металлургии [Текст]. Учебное пособие / В. В. Гребенникова, Е. С. Рябчикова.- Издательский центр ФГБОУ ВПО «МГТУ».- 2014г.- 192 с.

2. Китаев Б.И. Теплотехника доменного процесса [Текст]. Учебник /. — М.: Металлургия, 1978г.- с. 181 — 239.

3. Сайт ВУнивере, — Автоматизация производственных процессов [Текст]. Учебная статья /. — http://vunivere.ru/work11885

4. Еланский Г.Н. Основы производства и обработки металлов [Текст]. Учебник дл ВУЗов / Б.В. Линчевский, А.А. Кальменев. — М.: МГВМИ, 2005.-416 с.

5. Бабич В. К. Основы металлургического производства (чёрная металлургия) [Текст]. Учебник СПТУ / Н. Д. Лукашин, А. С. Морозов, И. П. Поляк, А. Л. Соболевский, Ю. В. Тараканов, Л. Г. Шевякова.- Металлургия.- 1988г.- 272с.