Vi доменного производства

Глава АВТОМАТИЗАЦИЯ

VI ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

1. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Восстановление железа в процессе доменной плавки решаю­щим образом зависит от теплового состояния печи. В свя­зи с этим основная задача автоматического управления до­менным процессом заключается в создании наиболее благо­приятных условий для протекания восстановительных процессов, что выражается в стабилизации теплового со­стояния печи. При этом доменная печь работает с макси­мальной производительностью и экономичностью при огра­ничениях, обусловленных качеством сырья, мощностью воз­духодувных машин, ресурсами кислорода, природного газа, юстоянием печи, вспомогательного оборудования и др.

Главными причинами колебаний теплового состояния шляются изменения качества шихты, отклонения темпера- уры и состава дутья от заданных значений, нарушения распределении материалов по сечению печи. Сильное воз-

Действие на тепловое состояние оказывает влажность кокса (так как кокс дозируют по массе),.содержание и сте­пень окислениости железа в шихте. Так, при изменении влажности кокса на 1,5—2,0 % содержание кремния в чу­гуне изменяется на 0,1—0,15 %• Поэтому именно эти воз­мущения должны быть в первую очередь скомпенсированы при ручном и автоматическом управлении ходом доменной печи,.

Для работы печи существенное значение имеет соотно­шение скоростей потоков материалов и газов. Это соотно­шение может изменяться довольно быстро, и при амплиту­де колебания соотношения 15—20 % отклонения в концен­трации кремния в составе чугуна могут достигать 1—1,6 %. Из-за инерционности процесса колебания состава чугуна на печи не достигают таких размеров. Для повышения точ­ности контроля теплового состояния печи и прогноза содер­жания кремния в чугуне необходим контроль расхода дутья, выхода колошникового газа и расхода загружаемых ших­товых материалов. С помощью этих параметров расчетным путем можно получить соотношение интенсивностей движе­ния потоков материалов и газов.

Производство чугуна является непрерывным процессом, протекающим во всем объеме доменной печи. Получение рабочей информации о ходе технологического процесса из внутренних областей доменной печи практически невозмож­но. Поэтому для контроля за ходом процесса и управления используются косвенные показатели, в известной мере от­ражающие состояние отдельных участков (зон) доменной печи. К таким показателям относятся, например, состав ко­лошникового газа, перепады статического давления по вы­соте шахты печи и т. д.

25*

В частности, показатели прямого восстановления мож­но контролировать по измерениям количеств дутья и газов. Прогноз содержания кремния уточняется, если рассчиты­вать действительный и расчетный выход чугуна. Темпера­туру колошникового газа можно использовать в качестве контрольного сигнала при прогнозировании колебаний теплового состояния, вызванных временными отклонения­ми отношений интенсивностей потоков шихты и газа от установившихся величии. Существенную информацию о теп­ловом состоянии печи могут дать общий (фурмы—колош­ник) и частные '(фурмы — середина шихты, середина ших­ты — колошник) перепады давления газа в печи, интенсив­ность излучения из фурменных очагов и т. д. Часть рабочей информации получается нерегулярно и со значительным

опозданием (анализ химического состава сырья и продук­тов плавки), часть информации отражает прошлое состоя­ние процесса (температура чугуна и шлака, содержание кремния в чугуне). Недостаточность и запаздывание ин­формации затрудняют управление процессом плавки.

Следует отметить еще одну особенность доменной печи как объекта автоматического управления: технологический процесс проходит во всем объеме печи, а управления сосре­доточены на границах шахты печи. Управление «сверху»

осуществляется на ко­лошнике путем измене­ния условий загрузки, а «снизу» — из фурмен­ной зоны изменением параметров дутья (рис134

Доменная печь как объект автоматического управления обладает большой инерционно­стью. Поэтому при каждом возмущении необходимо выбрать такое управляющее воздействие, которое повлияло бы на состоя­ние некоторой области печи, далеко отстоящей от места приложения этого управления. Естественно, что это приводит к сущест­венным запаздыванием управляющих воздействий. Так, на­пример, изменение рудной нагрузки на кокс сказывается на тепловом состоянии горна доменной печи только через 5—6 ч.

Вместе с тем можно указать некоторые обстоятельства, благоприятствующие работе управляющих систем. Домен­ные печи, как правило, длительное время работают в ста­ционарных производственных условиях, выплавляют чугун одной и той же марки, работают на идентичном сырье, что позволяет выбрать оптимальный для этих условий режим работы. Задача систем управления заключается в выборе этого режима и затем в компенсации флуктуаций входных параметров процесса, которые сравнительно невелики. Дру­гим благоприятным фактором является большая аккуму­лирующая способность печи. Огромная масса материалов, участвующих в процессах массо-и теплообмена, способству- ет сглаживанию возмущающих воздействий. В этом смыс­ле инерционность процесса позволяет иметь некоторый ре­зерв времени для выбора рационального управления,

2. АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА

В табл. 4 представлены основные технологические парамет­ры доменного процесса, определяющие работу доменной печи и подлежащие автоматическому контролю (рис. 135).

Система контроля основных параметров доменного про­цесса представляет сложный комплекс датчиков, преобра­зователей и вторичных приборов. Количество щитов, пуль­тов и стендов, на которых размещается эта аппаратура, не­прерывно растет. Информация становится трудно воспри­нимаемой и обслуживающий печь персонал не в состоянии полностью использовать ее для оперативного управления процессом.

Поэтому в настоящее время на доменных печах устанав­ливают системы централизованного контроля и управления (СЦКУ), основанные на использовании микро- и мини- ЭВМ, а показатели основных параметров процесса, кроме регистрации на диаграммах вторичных приборов, перфоно- сителях и магнитных носителях информации, выносятся также на дисплей и мнемонические схемы в виде цифровой индикации, причем индикаторы расположены в точках мне­мосхемы, соответствующих положению датчика на объекте. Применение СЦКУ дает возможность более рационально использовать всю.информацию, поступающую от системы контроля доменного процесса, и выдавать ее в форме, удоб­ной для ввода в управляющие вычислительные машины, В системе СЦКУ может быть предусмотрена предваритель­ная обработка данных, сглаживание, усреднение, расчет комплексных показателей, что облегчает анализ инфор­мации.

3. ЛОКАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Локальные системы решают следующие задачи: стабилиза­ция параметров комбинированного горячего дутья, посту­пающего в доменную печь; стабилизация давления колош-

никового газа; управление нагревом воздухонагревателей печи.

Основным условием ровной, высокопроизводительной ра­боты доменной печи является постоянство материального и энергетического режимов плавки. Комбинированное горя­чее дутье, поступающее в печь, состоит из воздуха, кисло­рода, природного газа и водяного пара. Случайные измене­ния количества, состава или температуры горячего дутья вызывают нарушения материальных и энергетических ус­ловий доменной плавки и приводят к нежелательным по­следствиям. В то же время сознательные воздействия на параметры комбинированного дутья могут быть использо­ваны для управления «снизу» ходом доменной плавки. По­этому выбор заданного значения того или иного параметра комбинированного дутья является функцией управления, а стабилизация этого параметра на заданном уровне — функцией локальных, стабилизирующих систем.

Турбовоздуходувка подает смесь воздуха и кислорода, поступающего с кислородной станции, в воздухонагревате­ли — теплообменники периодического действия регенера­тивного типа. Нагретая до высокой температуры кислород­но-воздушная смесь поступает в смесительный трубопро­вод, куда поступает также часть холодной смеси для полу­чения необходимой температуры дутья перед подачей его в печь, В трубопровод холодного дутья подается водяной пар. Воздух, кислород и пар, нагретые до заданной темпе­ратуры, сначала поступают в кольцевой трубопровод, опоя­сывающий доменную печь, а из него через фурмы непосред­ственно вдуваются в домну. Природный газ поступает в кольцевой коллектор, а из него через распределительные клапаны подводится к фурмам.

Основными параметрами дутья, стабилизируемыми ло­кальными системами автоматического регулирования, яв­ляются: расход кислородно-воздушной смеси; расход кис­лорода (или концентрация кислорода в дутье); соотноше­ние расходов природного газа и воздуха с учетом концентрации кислорода в дутье; распределение горячего дутья и природного газа по фурмам печи; температура го­рячего дутья; влажность дутья.

3.1. Автоматическая стабилизация расхода кислородно-воздушного дутья

26*

Турбовоздуходувные машины, снабжающие доменные печи воздухом повышенного давления, устанавливаются в отдель­ном здании — паровоздуходувной станции (ПВС). Связь

между доменной печью и ПВС осуществляется по телефо­ну (телетайпу) и с помощью дистанционной передачи. При этом мастер доменной печи по телефону (телетайпу) выда­ет заказ на расход дутья дежурному по турбовоздуходув- ной машине. Давление и расход дутья на печь контролиру­ются и регистрируются приборами, установленными на главном пульте.

Особенности управления турбовоздуходувной машиной обусловлены ее рабочими характеристиками. Производи­тельность машины и развиваемое ею давление зависят от числа оборотов турбины и степени дросселирования воз­душного потока на всасывании или на стороне нагнетания. При уменьшении расхода воздуха развиваемое машиной давление вначале повышается, достигает экстремального значения, а затем начинает снижаться. В этом случае дав­ление в сети (т. е. в системе трубопроводов и шахте печи, обладающей определенной инерцией) становится больше, чем давление на выходе машины, и образуется обратный поток воздуха — из сети в машину. Через некоторое время давление в сети снижается, и воздуходувка вновь нагнетает воздух в сеть до тех пор, пока давление в ней опять не пре­высит давления на выходе машины. Возникает режим не­устойчивой работы (режим «помпажа»), который сопро­вождается сильными вибрациями ротора турбины и может привести к аварии. Для предупреждения возникновения этого режима работы на турбовоздуходувках устанавлива­ют противопомпажные регуляторы, которые при подходе расхода дутья к критическому значению искусственно уве­личивают расход воздуха, сообщая сеть с атмосферой.

Расход дутья в доменных печах остается постоянным при всех возможных колебаниях сопротивления столба ших­товых материалов. При этом турбовоздуходувная машина должна обеспечить постоянство расхода дутья независимо от сопротивления сети. Это может быть достигнуто либо из­менением числа оборотов машины, либо дросселированием воздушного потока на входе или выходе машины. Стабили­зация расхода путем изменения числа оборотов турбины более экономична, но если диапазон изменения расхода до­статочно велик, то скорость машины может недопустимо возрасти. В этом случае приходится дросселировать воз­душный поток.

Отечественные заводы выпускают турбовоздуходувные машины с комбинированным управлением, что позволяет управлять расходом дутья в широких пределах. Для мак­симальной скорости вращения ротора машины предусмат-

ривается предохранительное устройство, выключающее по­дачу пара при достижении ротором максимально допусти­мых оборотов. Система безопасности предусматривает также отключение пара при появлении осевого сдвига, пре­кращении подачи масла и при других аварийных ситуациях.

3.2. Автоматическое распределение дутья по фурмам доменной печи

Автоматическое регулирование распределения горячего дутья по фурмам доменной печи обеспечивает равномерное распределение газового потока в области трехфазного со­стояния материалов. При этом футеровка доменных печей изнашивается-более равномерно, что удлиняет продолжи­тельность работы печей от ремонта к ремонту. Кроме того, равномерное распределение газовых потоков по окружно­сти горна способствует устранению перекосов при опуска­нии шихтовых материалов в горн. В самом деле, если через одну из фурм (или группу фурм) по какой-либо причине расход дутья уменьшается, интенсивность горения кокса, в этой зоне снижается и сход материалов в столбе шихты над этой зоной замедляется. Поскольку воздуходувная ма­шина обеспечивает постоянный расход дутья на данную печь, другие фурмы начинают работать более интенсивно, что вызывает ускорение схода материалов в соответствую­щих участках печи и прогрессирующее снижение скорости схода шихты в столбе материалов над слабо действующи­ми фурмами. Возникает как бы положительная обратная связь, которая может привести к серьезному нарушению нормальных условий работы печи.

Установка систем автоматического регулирования рас­пределения дутья по фурмам устраняет указанные выше не­достатки, в результате чего производительность печей по­вышается на 1,0—2,0 %, расход кокса снижается на 1,5— 2,5 % и удлиняются межремонтные периоды. Для управле­ния распределением дутья по фурмам в фурменные рука­ва встраивают измерительные устройства и регулирующие органы. Регуляторы расхода получают задания, пропорцио­нальные общему расходу дутья на печь или давлению го­рячего дутья.

3.3. Регулирование расхода

и распределение природного газа по фурмам

Автоматическое регулирование общего расхода природно­го газа на доменную печь осуществляется с помощью ре­гулятора соотношения. Этот регулятор поддерживает за­данное соотношение между расходом холодного дутья и при­родного газа с учетом концентрации кислорода в дутье и его влажности.

Расход природного газа через фурму измеряется диф- манометром по перепаду давления на сужающем устрой­стве, установленном на трубопроводе подачи газа из обще­го коллектора к отдельной фурме.

Автоматическое распределение природного газа осуще­ствляется автоматической регулирующей системой обегаю­щего типа, которая поочередно воздействует на исполни­тельные механизмы регулирующих клапанов на фурмах.

На некоторых заводах распределение природного газа по фурмам осуществляется только дистанционно. При этом датчики через коммутатор или поочередно подключаются к контрольному прибору или их показания выводятся на многоточечные самопишущие приборы. Дистанционное управление распределением природного газа дает достаточ­но удовлетворительные результаты, потому что давление в линии природного газа значительно превышает сопротив­ление столба шихтовых материалов и колебание сопротив­ления шихты практически не сказывается на расходе при­родного газа через фурмы печи.

3.4. Автоматическая стабилизация

температуры горячего дутья

Постоянство температуры дутья при прочих равных усло­виях способствует ровному высокопроизводительному ходу печи, при этом меньше колеблется температура в горне и стабилизируются химический состав и Температура чугу­на на выпусках. Нагревом дутья можно в определенной сте­пени управлять газодинамикой процесса, так как при изме­нении температуры дутья изменяется объем, а следователь­но, и скорость газового потока.

Колебания температуры дутья допустимы в пределах, обусловленных аккумулирующей способностью печи, одна­ко резкое повышение температуры может вызвать резкое со­кращение окислительной зоны у фурм, вследствие чего воз-

можно подстывание гарнисажа в заплечиках и ухудшение условий схода шихтовых материалов в горне.

Система стабилизации температуры горячего дутья принципиально не отличается от типовой схемы регулиро­вания температуры. Она состоит из термоэлектрического датчика, электронного потенциометра, ПИД (или ПИ)-ре­гулятора с задатчиком, исполнительного механизма при смесительном клапане. Регулятор автоматически устанав­ливает такое соотношение горячего и холодного воздуха, по­ступающего в смесительный воздухопровод, при котором в зоне установки термоэлектрического датчика поддержи­вается заданная температура горячего дутья.

Для того чтобы предупредить недопустимое повышение температуры дутья в момент перехода с остывшего возду­хонагревателя на нагретый, в схемах автоматического пе­ревода воздухонагревателей предусматриваются временное отключение регулятора температуры дутья и выдача сиг­нала на открытие смесительного клапана. Регулятор тем­пературы дутья включается через заданное время и доводит температуру до заданного значения без перегрева дутья.

3.5. Автоматическая стабилизация влажности дутья

Изменение содержания влаги в дутье доменных печей на­рушает постоянство-условий производства, так как на дис­социацию водяного пара расходуется значительное количе­ство тепла. Расчеты показывают, что изменение влажности дутья на 1 г/м³ вызывает изменение температуры в фур­менной зоне на 9 °С. Кроме того, диссоциация влаги на кис­лород и водород изменяет восстановительную способность горновых газов и условия горения кокса у фурм.

Очевидно, что стабилизация влажности горячего дутья содействует ровной, высокопроизводительной работе домен­ных печей. Для этого в дутье добавляют водяной пар.

Проба воздуха отбирается из трубопровода холодного дутья. Сигнал от датчика влажности поступает на вторич­ный регистрирующий прибор, включенный в схему регуля­тора влажности. Регулятор воздействует на исполнитель­ный механизм клапана на паропроводе. Пар подается в тру­бопровод холодного дутья, увлажняя воздух до заданно­го значения. Следует отметить, что при измерении влаж­ности холодного дутья не учитывается влага, которая мо­жет попадать в дутье из охлаждающих устройств возду­хонагревателей, поэтому более целесообразно измерять влажность горячего дутья.

В качестве регулятора в системе стабилизации влажно­сти используются электрические ПИ- или ПИД-регуляторы, воздействующие на электрические исполнительные меха­низмы, связанные с регулирующими клапанами.

Изменение влажности дутья при постоянстве его тем­пературы изменяет тепловой режим печи и сказывается на содержании кремния в чугуне на выпусках из доменной печи.

Локальные системы автоматического регулирования и стабилизации подачи дутья необходимы для поддержа­ния оптимальных параметров дутья, распределения его ком­понентов по фурмам, стабилизации параметров горнового газа, выравнивания хода печи и устранения возмущений по входным параметрам.

3.6. Автоматическая стабилизация давления колошникового газа

Структурная схема автоматического контроля и регулиро­вания давления колошникового газа представлена на рис. 136.

Рис. 136. Структурная схема автоматического контроля и регулирования давле­ния колошникового газа

Колошниковый газ из доменной печи 1 проходит по га­зоотводам 3 и наклонному газоходу в пылеуловители пер­вичный 2 и вторичный 5, водяной затвор 4 и скруббер 6. Из скруббера газ поступает в дроссельную группу 7, состоя­щую из пяти или шести труб, соединенных параллельно. В трубы встроены регулирующие дроссельные заслонки,

оснащенные дистанционным электроприводом 8 и указате­лями положения заслонок 9. Одна из труб имеет диаметр меньший, чем другие, а ее дроссельная заслонка 14 исполь­зуется для автоматического регулирования давления ко­лошникового газа. Импульс для регулирования давления отбирается из подкупольного пространства и передается на датчик давления 10, вторичный прибор 11 и регулятор 12, управляющий исполнительным механизмом 13 при регули­рующем органе 14.

Таким образом, схема автоматической стабилизации давления принципиально не отличается от типовой. Однако можно отметить некоторые ее особенности: сравнительно большое расстояние между точками отбора импульса дав­ления и расположением регулирующего органа, что вызы­вает появление транспортного запаздывания управляющего воздействия; наличие параллельных путей для потока газа в дроссельной группе. Если изменяется перепад давления на дроссельной группе, то изменяется и рабочая характе­ристика регулирующей заслонки, что может повлиять иа качество регулирования давления. Обычно поступают сле­дующим образом: регулирующую заслонку с помощью ди­станционного управления устанавливают в среднее поло­жение, затем дистанционным управлением остальных за­слонок добиваются такого положения, при котором давление в печи равно заданному значению, после чего включают систему автоматической стабилизации этого дав­ления. При этом диапазон автоматического управления не­велик: ±10—±20 кПа, но точность стабилизации давления достаточно высока (0,5—1 %).

При работе доменных печей с повышенным давлением колошникового газа необходимо перед опусканием большо­го конуса 15 уравнивать давление в межконусном прост­ранстве 16 и в доменной печи 1. Для этой цели в межконус­ное пространство перед опусканием большого конуса подаются полуочищенный доменный газ и водяной пар. Сиг­нализатор разности давления 17 измеряет перепад давле­ния между печью и межконусным пространством и только при условии, что этот перепад близок к нулю, дает разре­шение на опускание большого конуса.

Перед опусканием малого конуса необходимо давление в межконусном пространстве 15 уравнять с атмосферным. Для этого перед опусканием малого конуса открывается свеча 18. Сигнализатор разности давления 19 разрешает опускание малого конуса, когда давление в межконусном пространстве сравнивается с атмосферным.

Дата добавления: 2015-08-28