Технология плавки металла и сплавов с точки зрения информатизации

Размещено на http://www.allbest.ru/

"Технология плавки металла и сплавов с точки зрения информатизации"

1. Автоматизация управления технологическим процессом конвертерной плавки

С момента возникновения конвертерного процесса начались работы по автоматизации управления технологическими процессами. Задача остановки продувки при достижении заданных значений содержания углерода и температуры решалась на основании исходной информации, полученной перед плавкой. Применялись физико-химические (балансовые) либо статические математические модели или их комбинации с различной долей первой и второй.

Главная задача управления конвертерной плавкой - получение заданного состава стали по углероду, что в основном сводится к определению времени прекращения продувки. Это задача очень сложна, тем более, что обычно непосредственная информация о содержании углерода в металле отсутствует, а скорость выгорания углерода столь велика, что одна минута продувки приводит к получению другой марки стали. Выполнение задачи усложняется и тем, что скорость выгорания углерода существенно меняется по ходу продувки.

Другая задача управления заключается в получении к моменту достижения заданного содержания углерода необходимой по условиям разливки температуры стали (около 1600 С). Обеспечивается это предварительным расчетом количества охладителей (прежде всего лома, а также руды в завалку) и частично за счет присадок руды и известняка по ходу продувки.

Таким образом, выбор управляющих воздействий сводится к определению:

1) количества чугуна и охладителей (лома, руды), которые нужно подать в конвертер для получения массы стали и ее температуры в заданных пределах;

2) рационального режима продувки, то есть расхода кислорода, положения фурмы, времени присадок сыпучих материалов, обеспечивающих быстрое протекание процесса и минимальные потери железа с выбросами и шлаком;

3) количества шлакообразующих материалов, обеспечивающих заданный состав шлака и успешное протекание процесса дефосфорации и десульфурации;

4) момента окончания продувки при заданном содержании углерода.

Производительность конвертера определяется в основном скоростью окисления углерода, а последняя зависит от интенсивности подачи кислорода. Повышая расход кислорода, можно почти пропорционально увеличивать скорость обезуглероживания и уменьшать длительность процесса продувки. Однако при этом увеличение производительности конвертера приходит в противоречие с качеством металла. Для хорошего удаления серы и фосфора из металла требуется шлак достаточной основности и жидкоподвижности. Растворение извести в шлаке - довольно медленный процесс и для его ускорения в шлаке нужно иметь достаточное количество оксидов железа. Этого можно добиться снижая в начале плавки расход кислорода и увеличивая высоту расположения фурмы, то есть большим расходом кислорода на окисление железа. Таким образом, в начальной стадии плавки на интенсивность подачи кислорода наложено определенное ограничение. В таблице 1 приведены параметры конвертерной плавки.

Таблица 1- Измерение параметров конвертерной плавки

В АСУ ТП задания локальным системам рассчитываются ЭВМ и устанавливаются автоматически или оператором на основе рекомендации ЭВМ. Может применяться и прямое цифровое управление. В современных условиях локальные системы могут выполняться на базе микропроцессорных регулируемых контроллеров. Наиболее важной локальной системой является система регулирования расхода кислорода. Главное требование к этой системе - обеспечение высокой точности поддержания кислорода, что достигается измерением расхода сужающим устройством с коррекцией по температуре и давлению кислорода. В схеме может использоваться сумматор расхода кислорода, который после подачи в ванну заданного датчика количества кислорода дает сигнал на прекращение продувки и извлечение фурмы из конвертера.

К локальным системам управления можно отнести систему автоматического дозирования сыпучих материалов (САДСМ). САДСМ представляет собой систему управления и построена с использованием элементов логики и вычислительной техники. САДСМ предназначена для автоматического взвешивания и дозирования различных сыпучих материалов (руда, известь, шпат, боксит), загружаемых в конвертер по программе.

2. Автоматизация доменного процесса

конвертерный плавка доменный

Особенности доменного процесса как объекта автоматического управления.

Доменный процесс - это процесс удаления кислорода из окислов железа, содержащихся в агломерате, окатышах и железной руде, с последующим образованием чугуна - сплава железа с углеродом. В результате доменного процесса получаются продукты плавки - чугун, шлак, колошниковый (доменный) газ и колошниковая пыль. Главной целью автоматизации доменного процесса является выплавка максимального количества чугуна заданного качества при наилучших технико-экономических показателях.

Выходными величинами доменной печи как объекта управление являются производительность печи и экономическая эффективность ее работы. Одной из главных задач при управлении доменным процессом является стабилизация теплового состояния и производительности печи, состава и температуры продуктов плавки. Непрерывность доменного процесса значительно облегчает задачу автоматического управления. Однако усложнения в управлении возникают из-за нарушения непрерывности процесса периодическим выпуском продуктов плавки.

Значительные трудности при разработке систем автоматического управления процессами возникают из-за отсутствия целого ряда первичных датчиков информации (датчики химического состава чугуна и шлака, датчики распределения материалов и газа по радиусу печи).

На современных доменных печах автоматически контролируются и регулируются следующие основные показатели:

1) шихты и ее загрузки: содержание в шихте железа, SiO2, CaO, MgO; влажность кокса; содержание серы в коксе; скорость опускания шихты; масса рудных компонентов и добавок в подаче;

2) комбинированного дутья: расход и давление холодного и горячего дутья, температура и влажность горячего дутья, содержание кислорода в дутье, расход природного газа и кислорода на печь, распределение природного газа по фурмам;

3) доменного процесса и продуктов плавки: содержание CO, CO2, H2 в колошниковом газе и в газе под уровнем засыпи, температура колошникового газа в газоотводах и в общем газоотводе, перепады давления по высоте печи, температура чугуна и шлака, масса чугуна и шлака на выпуске;

4) состояние печи: степень износа кладки лещади, горна и шахты, прогар холодильников, режим работы систем испарительного охлаждения;

5) состояния воздухонагревателей: температура подкупольной зоны, продуктов сгорания, кладки и в камере горения, наличие факела в камере горения.

Уровень засыпи шихты автоматически измеряется механическими или радиометрическими уровнемерами. Механическими уровнемерами (зондами) уровень измеряется в двух точках по сечению колошника. Зонд представляет собой трос и цепь с чугунным грузом на конце, который опирается на поверхность шихты. Зондовые уровнемеры не дают точных измерений уровня вследствие погружения их в шихту и затягивания вниз. В этом отношении радиометрический уровнемер имеет преимущества. Принцип действий уровнемера основан на поглощении гамма-излучений шихтой.

Контроль профиля поверхности засыпи необходим для определения расположения впадины и гребня шихты по диаметру колошника, перекосов поверхности и одностороннего схода шихты. Наличие такой информации позволяет усовершенствовать управление распределением шихтовых материалов и газового потока по диаметру колошника и сечению печи. Для замера профиля засыпи используются радиометрические (гамма-локаторы) или электромагнитные профилемеры.

Для отбора проб газа и измерения температуры по радиусу печи используется установка, которая стационарно монтируется на кожухе печи ниже уровня материалов. Установка состоит из двух консольных балок, в которых размещаются водоолаждаемые газоотборные трубки и термопары для измерения температуры. Химический состав газов измеряется газоанализаторами, а температура регистрируется вторичными измерительным прибором.

Для оценки теплового состояния низа печи и хода всего процесса на современных печах внедрены информационно-измерительные системы непрерывного контроля температуры чугуна на выпуске. В основу системы положен бесконтактный способ измерения температуры расплавов с помощью бихроматных датчиков (пирометров излучения, работающих на излучение при двух различных длинах волн).

Современные мощные печи оснащены транспортерными системами загрузки материалов в скипы, но на большинстве печей пока используют вагон-весы. Управление системой загрузки осуществляется с помощью командоконтроллера программы (ККП) и командоконтроллера циклов задач (ККЦ). Первый устанавливает очередность загрузки скипов, второй чередование подач в цикле загрузки.

Автоматическая работа вагон-весов осуществляется при помощи программного коммутатора, на котором мастер печи набирает программу подач - поездок для набора материалов рудной части шихты и необходимую массу ее компонентов. После выполнения заданной программы поездок вагон-весы уходят на разгрузку к скиповой яме. По сигналу об остановке скипа у разгрузочной воронки вагон-весы разгружаются.

Ввиду того, что доменная печь как объект управления является высокоинерционным агрегатом, информация о тепловом состоянии получается с запаздыванием. А такие выходные параметры теплового состояния как состав и температура чугуна и шлака на выпуске характеризует работу печи за прошедший длительный период и не позволяет судить о тепловом состоянии печи в текущий момент времени и прогнозировать его на будущее. Поэтому для управления тепловым состоянием идут пути составления математического описания доменного процесса. Разработанные алгоритмы автоматического управления тепловым состоянием доменной печи главным образом основаны на материальных и тепловых балансах и учитывают с определенной степенью полноты отдельные стороны технологического процесса.

3. Автоматизация мартеновских печей

Мартеновские печи металлургических заводов работают скрап-рудным процессом, при котором шихта состоит из 50-60% лома; при необходимости количество лома в шихте может быть увеличено. Мартеновский процесс заключается в переплавке лома и удалении примесей из чугуна (углерода, серы, фосфора).

Плавка мартеновской печи подразделяется на следующие периоды:

1) заправка печи;

2) завалка сыпучих материалов (руда, известняк) и лома;

3) прогрев заваленных материалов;

4) заливка жидкого чугуна;

5) плавление;

6) доводка металла до заданного состава;

7) выпуск стали.

Главной теплотехнической задачей всех периодов плавки от начала до окончания плавления является передача как можно быстрее и как можно большего количества тепла. Эта же задача, сводящаяся к обеспечению необходимой тепловой мощности, является и главной задачей управления.

С технологической точки зрения управление процессом плавления направлено на удаление из металла определенной части углерода и значительно части серы и фосфора. Последнее обеспечивается главным образом шихтовкой плавки, определяющей нужный шлаковый режим, а также удалением и частичной корректировкой состава шлака.

Для облегчения ручного управления мартеновской печью ряд величин в печи контролируется автоматически: температура (свода рабочего пространства, верха насадок регенераторов, в общем своде борове перед дымовой трубой, жидкого металла в ванне печи), расходы ( природного газа, мазута или другого топлива, вентиляторного воздуха, кислорода, сжатого воздуха), давление (под сводом рабочего пространства, разрежение в общем борове), содержание кислорода в продуктах сгорания, содержание углерода в металле, положение кислородных фурм.

Температура свода рабочего пространства в пределах 1400-1800? С измеряется радиационными пирометрами, устанавливаемыми в водоохлаждаемой арматуре и направленными на свод через амбразуры в задней стенке печи. Используется два пирометра, подключаемые к вторичному прибору попеременно так, чтобы измерялась температура свода на отводящей стороне печи. Температура в общем борове в диапазоне 400-700? С измеряется хромель-алюмелевой термопарой, устанавливаемой в стальном чехле.

Избыточное давление под сводом рабочего пространства (30-60кПа) измеряется колокольными дифманометрами. Отбор давления в рабочем пространстве осуществляется импульсной трубкой через отверстие в центральной части свода печи.

Продукты сгорания в мартеновских печах контролируется на содержание кислорода и СО. Водоохлаждаемые газоотборные фурмы устанавливаются в вертикальных каналах или в пережимах между шлаковиками и регенераторами.

Состав металла и шлака определяется в экспресс-лабораториях химическим путем или с применением физических методов (спектрометров) при анализе проб, отбираемых специальной ложкой из ванны мартеновской печи.

В некоторых случаях осуществляется непрерывный или периодический контроль окисленности металла в период доводки с помощью твердоэлектролитных датчиков-активометров.

Контроль положения кислородных фурм относительно фиксированной точки осуществляется с помощью сельсинов, механически связанных с редуктором привода фурм. Положение фурм фиксируется на вторичном приборе с точностью 1 см.

В наиболее распространенных системах управления мартеновским процессом автоматизируется только тепловой режим мартеновской печи, технологический режим автоматизации практически не подвергается. В системах автоматического управления тепловым режимом решается четыре основные задачи: управление тепловой мощностью, регулирование горения, регулирования давления в рабочем пространстве и автоматическая защита насадок регенераторов от перегрева.

Задача регулирования горения - обеспечить полное сжигание топлива и выделяющегося из ванны СО в пределах рабочего пространства печи. Для этой цели могут применяться отдельные регуляторы расхода вентиляторного воздуха и кислорода, стабилизирующие эти расходы на уровнях, заданных сталеваром.

4. Автоматизация производства стали в дуговых печах

Основная задача автоматизации дуговой сталеплавильной печи (ДСП) - получить сталь заданного химического состава и требуемой температуры, а также максимальную производительность печи.

Дуговая электросталеплавильная печь является мощным трехфазным агрегатом с соответствующим силовым электрическим оборудованием. Высокотемпературные дуги обеспечивают расплавление шихты и нагрев ванны до нужной температуры. Каждая плавка может быть подразделена на три основных периода:

1) расплавление загруженной в печь твердой шихты;

2) окисление (кипение) жидкой ванны;

3) раскисление ванны (восстановительный период).

Каждый период плавки предъявляет индивидуальные требования к автоматизации. Так во время межплавочного простоя обслуживающий персонал производит осмотр состояния футеровки печи, при необходимости очистку подины, откосов и выпускного отверстия, заправку печи огнеупорными материалами и загрузки печи шихтовыми материалами.

Период плавления является энергетическим периодом плавки. Основная задача периода - расплавление загруженных шихтовых материалов в кратчайший срок при минимальном расходе электроэнергии. В период плавления основное внимание необходимо уделить автоматизации электрического режима плавки.

Окислительный период плавки является, по существу, чисто технологическим. В этот период требуется тщательный контроль за температурным режимом футеровки, так как в процессе окислительного периода температура футеровки повышается и может доходить при выплавке, например, нержавеющих сталей до 1700-1800? С, а температура металла даже до 1900? С. Автоматизация окислительного периода плавки должна включать расчет и ввод в печь необходимого количества окислителей, отбор проб металла и получение результатов химического анализа, расчет, набор и загрузку шлакообразующих, скачивание шлака, контроль температуры футеровки стен.

При автоматизации восстановительного периода необходимо обеспечить расчет и ввод в печь требуемого количества раскислителей и легирующих элементов, контроль температуры металла и футеровки.

К основным задачам автоматизированного управления процессом плавки в ДСП можно отнести следующие:

1) Централизованный контроль за ходом технологического процесса с сигнализацией и регистрацией отклонений от заданных параметров.

2) Управление металлургическим процессом:

- расчет оптимального состава шихты, исходя из планируемых заданий и наличия исходных сырьевых материалов;

- управление загрузкой печи в соответствии с рассчитанным составом шихты;

- расчет кислорода, легирующих и шлакообразующих, обеспечивающих получение металла заданного состава и качества и экономию материалов;

- прогнозирование момента окончания технологических периодов с обеспечением заданных значений температуры и химического состава металла.

3 Управление энергетическим режимом, обеспечивающее:

- введение электроэнергии с учетом теплового состояния печи и тепловой энергии, вводимой в печь другими источниками;

- максимальное использование мощности печи;

- минимальные удельные расходы энергоносителей;

- нормальную эксплуатацию электрического и другого печного оборудования.

4. Управление вспомогательными операциями (отбором проб, замером температуры металла и др.).

5. Сбор и обработку информации с выдачей необходимой документации, в том числе учет и регистрацию расходов шихтовых материалов, электроэнергии, кислорода и других энергоносителей, распечатка протоколов плавки.

6. Контроль за работой оборудования с сигнализацией и регистрацией неисправностей и непредвиденных остановок.

Предусматриваемый на ДСП объем средств автоматического контроля и управления должен обеспечивать поддержание с требуемой точностью заданных технологией режимов и параметров процесса электроплавки, а также безопасность эксплуатации агрегата.

АСУ ТП выплавки стали в ДСП выполняет следующие функции:

- расчет шихты, кислорода, легирующих и шлакообразующих материалов;

- расчет параметров электрического режима;

- выдачу и коррекцию заданий локальным системам управления;

- регистрацию и сигнализацию отклонения текущих параметров от заданных значений, регистрацию неисправностей оборудования и нарушений технологического режима;

- централизованный контроль основных технико-экономических показателей работы печи;

- выдачу информации на печь;

- выдачу оперативной технологической информации оператору.

Автоматизация дуговых сталеплавильных печей в рациональном объеме должна обеспечить:

- увеличение производительности электропечей на 3-5%, сокращение расхода электроэнергии на 2-4%, повышение стойкости футеровки на 5-8% за счет оптимизации энергетического режима плавки и повышения точности поддержания заданного режима;

- снижение затрат на металлошихту, легирующие и шлакообразующие материалы на 1-2% за счет рационального их использования;

- снижение себестоимости выплавляемого металла не менее, чем на 1.5%.

Размещено на Allbest.ru