Вдосконалення взаємодії процесів грохочення та сходу шихти на колошнику для підвищення ефективності роботи доменної печі

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Національна металургійна академія України

05.16.02 - Металургія чорних і кольорових металів

та спеціальних сплавів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вдосконалення взаємодії процесів грохочення та сходу шихти на колошнику для підвищення ефективності роботи доменної печі

Верховська Аліна Олександрівна

Дніпропетровськ - 2009

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національній металургійній академії України (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник

доктор технічних наук,

професор кафедри автоматизації виробничих процесів,

завідуючий науково-дослідною лабораторією

«Мікрохвильова техніка в металургії»

ГОЛОВКО В'ЯЧЕСЛАВ ІЛЛІЧ

Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

КОВШОВ ВОЛОДИМИР МИКОЛАЙОВИЧ

Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ

Міністерство освіти і науки України

професор кафедри металургії чавуну;

доктор технічних наук, професор

ПАЗЮК МИХАЙЛО ЮРІЙОВИЧ

Запорізька державна інженерна академія

Міністерство освіти і науки України

проректор з науково-педагогічної роботи,

професор кафедри автоматизації технологічних процесів.

Захист відбудеться 19.01.2010 р. о 12-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Факс: (0562) 47-44-61, E-mail: lydmila_kamkina@ukr.net

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

Автореферат розісланий 14.12 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03

доктор технічних наук, професорЛ.В. Камкіна

Размещено на http://www.allbest.ru//

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Доменний процес є складною взаємодією хімічних і фізичних процесів, які безперервно протікають в печі у взаємозв'язку із функціонуванням систем шихтоподачі та завантаження матеріалів. В цих умовах значна роль і відповідальність належить управлінню доменною плавкою, яке спрямоване на досягнення оптимальних показників плавки, що вимагає розробки, а також впровадження надійних методів і засобів контролю та управління. Вміст дрібної фракції 0…5 мм в залізорудній частині шихти, яка завантажується в доменну піч, істотно впливає на хід доменної плавки. Так, за даними проф. І.Г. Товаровського, зменшення змісту некондиційної фракції в шихті на кожен 1 % збільшує продуктивність печі на 1 % і знижує витрати коксу на 0,5 %. Це пов'язано з тим, що, окрім чинників власне доменної плавки, фракція 0...2,5 мм у складі агломератів для доменних печей, наприклад ВАТ «Арселор Міттал Стіл Кривий Ріг», містить мінімальну кількість заліза і максимальну кількість сірки. У зв'язку із цим, управління ефективністю грохочення вимагає компромісного рішення між суперечливими чинниками: збільшення кількості відсіяної фракції приводить до підвищення техніко-економічних показників плавки, але при цьому в умовах постійного дефіциту сировини зростають витратні коефіцієнти, кількісні показники повернення, виникають труднощі, із забезпечуванням вторинного використання відсіву.

Крім того, стримуючим чинником для регулювання відсіву дрібної фракції матеріалу є на даний час режим роботи грохотів шихтоподачі з максимальною продуктивністю за сигналом завантаження вагових бункерів (воронок). До найбільш істотних недоліків цього режиму відноситься грохочення матеріалів без урахування часу сходу шихти в печі до заданого рівня висоти колошнику, при досягненні якого виконується чергове завантаження матеріалу в піч. Ця обставина приводить до завантаження в піч збільшеної кількості дрібних фракцій сировини, що збільшує технологічне навантаження на механізми грохотів, а також істотно знижує продуктивність печі та якість чавуну.

Таким чином, створення системи управління продуктивністю грохотів, а, отже, й ефективністю відсіву дрібних фракцій сировини залежно від швидкості сходу шихти в доменній печі, є на даний час актуальним завданням.

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності функціонування доменних печей за рахунок оперативного управління відсівом дрібної фракції сировини в процесі грохочення у взаємозв'язку із швидкістю сходу засипу шихти на колошнику.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

оцінити технологічні вимоги і конструктивні особливості агрегатів, систем контролю й управління відсівом некондиційних фракцій та швидкості сходу шихти в печі для обгрунтування параметрів, що впливають на ефективність грохочення матеріалів; доменний піч шихта грохочення

визначити технічні засоби контролю матеріалу на колошнику доменної печі та в процесі відсіву дрібної фракції на грохоті;

виконати фізичне моделювання радіолокаційного зондування матеріалів доменної шихти і розробити методи та алгоритми прикладного математичного забезпечення для його аналізу;

розробити структуру і математичну модель системи управління ефективністю грохочення з урахуванням швидкості сходу шихти на колошнику доменної печі;

визначити адекватність роботи адаптивної системи управління ефективністю грохочення матеріалів за результатами функціонування її фізичної та математичної моделей.

Об'єкт дослідження: процес розсівання компонентів шихти та регулювання кількості дрібної фракції залежно від ходу доменної печі.

Предмет дослідження: вплив швидкості сходу шихти на колошнику доменної печі на параметри роботи системи управління грохоченням для підвищення продуктивності металургійного агрегату.

Методи досліджень. Параметри ефективності відсіву дрібних фракцій при грохоченні матеріалів отримані з використанням регресійних методів при апроксимації даних. При проведенні досліджень використані теоретичні і практичні методи теорії автоматичного управління. Дослідження характеристик рівня сипких матеріалів проведене в режимі реального часу із застосуванням серійних та модернізованих зразків радіолокаторів в умовах фізичного моделювання та реальних металургійних процесів із використанням аналогових, цифрових засобів вимірювання, а також ПЕОМ. Експериментальні дані оброблені із застосуванням методів спектрального аналізу радіосигналів, математичної статистики, розробленого та існуючого програмного забезпечення ПЕОМ. Математична модель системи управління ефективністю грохочення та її програмне забезпечення реалізовані на мові Techno FBD і Techno ST SCADA-системи Trace Mode.

Наукова новизна отриманих результатів.

За результатами теоретичних та експериментальних досліджень:

1. Удосконалено процес підготовки компонентів шихти на основі оперативної зміни висоти їх слою в процесі грохочення у взаємозв'язку зі швидкістю сходу засипу на колошнику, що забезпечує покращення гранулометричного складу матеріалів у періоди неінтенсивного ходу доменної печі.

2. Вперше отримана аналітична залежність ефективності відсіву дрібної фракції матеріалу шихти, що виражає її зв'язок із прогнозованими часом набору дози у вагову воронку та часом досягнення шихтою заданого рівня в печі з урахуванням об'ємної маси матеріалу, кількості грохотів у каналі та конструктивних параметрів кожного з них.

3. Розроблено розрахунковий метод визначення епюри швидкості сходу шихти по діаметрам колошника доменної печі в процесі багатопозиційної радіолокації поверхні засипу, який забезпечує оцінку зміни рівня матеріалу в кожен момент часу відповідно до технологічних тенденцій доменної плавки..

Обґрунтованість і достовірність отриманих результатів, висновків і рекомендацій забезпечується використанням сучасних методик візуального крізного програмування математичної моделі системи управління ефектив-ністю грохочення компонентів шихти залежно від ходу доменної печі, коректністю математичної постановки завдання взаємозв'язку процесів грохочення і сходу матеріалу на колошнику, позитивними результатами перевірки отриманих моделей з використанням інструментів імітаційног моделювання, а також промислово-дослідницьких випробувань радіолокаторів для регулювання висоти шару матеріалу під час грохочення та визначення швидкості сходу засипу шихти на колошнику печі в умовах ВАТ «Арселор Міттал Стіл Кривий Ріг».

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблена адаптивна система управління ефективністю грохочення шихтових матеріалів для доменного виробництва ВАТ «Арселор Міттал Стіл Кривий Ріг», що забезпечує збільшення продуктивності, наприклад, доменної печі об'ємом 2000 м3 на 1,59 %. Очікуваний економічний ефект при цьому становитиме більше 1 млн. грн....

2. Розроблено програмне забезпечення системи контролювання набору дози шихти при поєднанні процесів грохочення та її опускання в доменній печі, яка є невід'ємною частиною автоматизованої системи шихтоподачі та завантаження при її модернізації.

3. Для конвертерного комплексу ВАТ «Запоріжсталь» розроблена та прийнята для проектування система управління ефективністю грохочення вапняку в процесі його підготування до випалення у шахтній печі.

4. Результати досліджень дисертаційної роботи прийняті для участі в тендері по автоматизації ДП № 2 ВАТ «Арселор Міттал Теміртау».

5. Комбінатом ВАТ «Арселор Міттал Стіл Кривий Ріг» прийнята в промислову експлуатацію багатопозиційна радарна система визначення швидкості сходу шихти в доменній печі об'ємом 5000 м3 із застосуванням алгоритмів обробки цифрового радіолокаційного сигналу.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював мету, завдання дослідження, наукові положення і результати, виконав теоретичну та практичну частину роботи, брав участь безпосередньо в проведенні лабораторних і промислових досліджень. У наукових працях, виконаних спільно із співавторами по темі дисертації, безпосередньо автору належить: у роботах [1,3,4,7] - обробка і аналіз інформаційних сигналів від радіолокатора; у роботі [2] - методика корекції ходу доменної печі шляхом зниження кількості дрібної фракції шихтових матеріалів; у роботі [5] - розробка системи управління ефективністю грохочення вапняку з одночасним набором заданої дози в процесі підготовки до його випален-ня в шахтній печі; у роботі [6] - обґрунтування установки радіолокатора над гро-хотом для визначення висоти матеріалу на ситі; у роботі [7] - розробка методики розрахунку відносної швидкості сходу матеріалів в доменній печі за даними радіолокаційного зондування; у роботах [8,9] - розробка системи управління ефективністю грохочення агломерату з одночасним набором заданої дози в процесі шихтопідготовки перед завантаженням в доменну піч; у роботі [10] - обґрунтована раціональна величина відношення відбитого радіолокаційного сигналу до шуму для застосування у металургійному виробництві; у роботі [11] - обґрунтоване встановлення радарів з кутовим зсувом на куполі колошника по діаметру доменної печі.

Публікації. По темі дисертаційної роботи в співавторстві опубліковано 7 друкарських робіт [1-7], зокрема 5 наукових робіт у виданнях, які входять до Переліку спеціалізованих видань ВАК України [1-5], отримано 3 патенти України на корисну модель [8-10] і патент України на винахід [11].

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 131 сторінці печатного тексту, включає 53 малюнки, 18 таблиць і 46 сторінок додатків. Список використаних джерел складається з 143 найменувань.

Робота виконана на кафедрі автоматизації виробничих процесів Національної металургійної академії України.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та основні завдання досліджень, визначені наукова новизна і практична цінність роботи.

У першому розділі дисертаційної роботи розглянуто об'єкт дослідження. Виконано аналіз ефективності процесів формування порцій шихти з відсівом дрібної фракції матеріалу.

Аналіз літературних джерел показав, що значні резерви зниження собівартості чавуну полягають у вдосконаленні процесів підготовки залізоруд-ної сировини (агломерату А, окатишів О) і коксу (К) при одночасному поліпшенні їх якості. Оперативне управління відсівом дрібної фракції матеріалу при грохоченні у взаємозв'язку зі швидкістю сходу шихти в доменній печі дозволить вирішити протиріччя економії рудної частини шихти та підтримки високої газопроникності стовпа шихти й підвищення відновлюваності агломерату. Аналіз процесів грохочення показав, що є можливість підвищення ефективності відсіву дрібних фракцій сировини за рахунок збільшення часу насівання матеріалів від моменту А до моменту часу Б (рис. 1). В цьому випадку час грохочення матеріалу, наприклад, по коксу К1 зростає на 40 %. Це дозволяє сумістити між собою процеси сходу шихти в печі і відсіву матеріалів на грохоті.

Таким чином, вирішення поставлених у дисертаційній роботі завдань дозволить підвищити ефективність функціонування доменних печей.

Другий розділ дисертації присвячений дослідженню застосовності радіолокації в доменному виробництві.

За результатами промислових випробувань на приймальних бункерах шихтоподачі ДП № 9 ВАТ «Арселор Міттал Стіл Кривий Ріг» встановлено, що найбільш доцільним для вирішення поставлених у дисертаційній роботі завдань є застосування мікрохвильових радарних рівнемірів (радарів). Отримані при випробуваннях дані про вимірювання рівня матеріалу відповідали технологічним уявленням, а похибка вимірювань незалежно від перепаду висот в зоні спостереження не перевищувала ± 0,03 м, що відповідає технологічній похибці використовуваного радара РДУ-Х2. Отже, технічні характеристики радіолокатора, що застосовується, дозволяють забезпечити оперативну оцінку зміни рівня засипу шихти на колошнику в кожен момент часу відповідно до технологічних тенденцій доменної плавки.

Для аналізу технічних можливостей радіолокації матеріалу на грохоті було проведено дослідження відбивної здатності суміші металургійних окатишів діаметром 5...25 мм, що були поміщені в радіопрозору ємність. При цьому з метою зниження похибки вимірювання був реалізований варіант із «ступінчастою» зміною частоти модуляції (модернізований зразок РДУ-Х2). Додатково для підвищення точності вимірювань в системі було застосовано калібрувальний (опорний) канал з використанням лінії затримки НВЧ-сигналів з частотою вище за 37 ГГц. Проведені лабораторні випробування радарів показали, що похибка вимірювання не перевищувала ± 0,004 м. Це вказує на принципову можливість надійного визначення відстані до поверхні шихти при хаотичному її русі, що в достатній мірі характеризує переміщення матеріалу в процесі грохочення.

Розроблений та випробуваний на доменній печі алгоритм обробки первинних сигналів і параметрів функціонування радіолокатора РДУ, які поступають в систему по цифровому інтерфейсу RS-485. В алгоритмі передбачена оперативна зміна параметрів обробки амплітудно-частотного спектру з метою забезпечення надійного визначення рівня засипу та фільтрації техногенних перешкод. Спектром отриманого сигналу є полігон, вершинами якого є 64 значення амплітуд спектральних гармонік радіосигналу.

В алгоритмах обробки спектру інформаційного сигналу кожного з радарів використані методи цифрової обробки інформації: обчислення та аналіз характеристик спектру, його рекурсивне усереднювання, а також визначення відстані до мети по частоті середньозваженої провідної гармоніки спектру.

Аналіз спектру сигналу РДУ, що транслюється по RS-каналу, показав, що рівень відбитого від поверхні шихтових матеріалів радіосигналу на 15...25 дБ перевищує рівень шумів в каналі радіолокаційного зондування, що дозволяє надійно визначати положення засипу на колошнику доменної печі.

З метою зіставлення динаміки рівня засипу за даними радарів і чотирьох штатних механічних зондів, їх показники по відповідних радіусах фік-сувалися засобами автоматизації ДП № 9. На рис. 2 вперше наведений фраг-мент сходу і завантаження матеріалу по одному з радіусів (рис. 3) колошника доменної печі.

Схід шихти в печі фіксувався у періоди 0…5,5 хв., 7,2…9,2 хв. і 12,7…16 хв. Завантаження шихти відбувалося в періоди 5,5…7,2 хв. (відкриття другого шиберного затвору), 9,2…10,7 хв. (відкриття першого шиберного затвору) і далі з перервою 10,7…11,3 хв. (механічні зонди повертаються в початкове положення) завантаження протягом 11,3…12,7 хв. продовжувалося з відкриттям другого шиберного затвору.

Технологічна ситуація на рис. 2 характеризується зсувом матеріалу центральної частини печі в напрямі її периферії (максимальна величина рівня становить більше 2,5 м). Перекіс засипу шихти в центральній частині печі (у межах двох метрів від її осі) згідно з даними РДУ4 в деякі моменти часу становив близько 2 м. Першу спробу вирівняти рівень засипу по периферії печі можна вважати невдалою, оскільки завантаження матеріалу було проведене у район спостереження рівня засипу радарами РДУ5 і РДУ6. Друга спроба була зроблена з метою ліквідації стрімкого опускання шихти в центральній частині печі. В результаті цих дій перевищення рівня шихти по центру печі (РДУ4 і РДУ5) становило близько 1 м у порівнянні з периферією. При цьому по периметру колошника (момент часу 13 хв.) рівень у центральній частині печі змінювався від 0,5 до 1,25 м.

Таким чином, згідно з аналізом поведінки шихти на колошнику доменної печі радарне зондування її рівня засипу забезпечило оцінку його зміни в кожен момент часу відповідно до технологічних тенденцій доменної плавки. В той же час визначення рівня матеріалу в печі за допомогою даних, отриманих від меха-нічних зондів характеризується похибкою відносно до показників відповідних радарів на 0,4...0,7 м по периферії печі та більше 1,0 м у центральній її частині (рис. 2), що підтверджує недоліки використання зондових рівнемірів.

Технологічним критерієм процесу набору дози матеріалу у вагову воронку є досягнення матеріалом в печі заданого рівня. Оперативну оцінку швидкості досягнення поверхнею шихти певного рівня в доменній печі забезпечує відносна величина швидкості сходу шихти, яка приведена до заданого рівня засипу шихти. Відносна швидкість сходу визначається за наслідками одночасного вимірювання рівня шихти радарами, встановленими по двох діаметрах колошника та периферійних радарів (рис. 2), і розраховується згідно з виразом:

, (1)

де Uнач - початковий рівень поверхні, м; Uтек - поточний рівень поверхні, м; Нз - заданий рівень засипу в даній точці діаметру колошника, м; Дt - час між моментами здійснення розрахунків, с.

Розроблений і випробуваний на ДП № 9 ВАТ «Арселор Міттал Стіл Кривий Ріг» алгоритм визначення відносних швидкостей сходу шихти по двох діаметрах колошника на основі даних радіолокаторів про рівень засипу матеріалу. Згідно з алгоритмом, швидкість сходу визначається полем (епюрою) швидкостей по кожному із зондованих діаметрів печі, на яких визначають 2N+1 точку, що рівномірно розташовані по діаметру, де N - число РДУ (додатково проводиться розрахунок ординати точки, розташованої на осі печі як середнє значення між ординатами точок перетину прямих, проведених через пари точок одного радіусу, з віссю печі).

У третьому розділі за даними досліджень роботи промислових грохотів д.т.н., проф. О.Д. Учителя була визначена залежність ефективності грохочення від питомої продуктивності грохоту. При цьому з'ясувалося, що фактична ефективність грохочення по агломерату й коксу не перевищує 30-40 %, на відміну від паспортної 70-80 %. Таким чином, встановлено, що, при решті незмінних параметрів грохоту й матеріалу, ефективність відсіву дрібної фракції на ньому залежить тільки від висоти шару, що транспортується (рис. 4).

За результатами досліджень шляхом апроксимації приведених експериментальних даних із використанням функції Харрінгтона встановлена емпірична залежність ефективності відсіву дрібної фракції агломерату від висоти його шару на грохоті:

, (2)

де Нсл - висота шару агломерату на грохоті, м; Е(Нсл) - ефективність грохочення, %.

Коефіцієнт детермінації при цьому становив 0,95, що свідчить про дуже тісний зв'язок між експериментальними даними та отриманою моделлю. Отримана залежність дозволяє визначити максимальну ефективність відсіву некондиційної фракції агломерату для окремо узятого грохоту.

Додатково у КВМШ на стендовому грохоті з направленими коливаннями сита були проведені випробування для визначення можливостей контролю на грохоті висоти шару матеріалу в процесі його транспортування, а також залежності ефективності відсіву від висоти шару агломерату.

Для контролю висоти шару агломерату на грохоті використовувався радіолокатор РДУ-Х2М (модернізований варіант). Експериментальні дослідження цього радару для контролю рівня агломерату при його грохоченні на лабораторному вібраційному грохоті підтвердили, що управління висотою шару матеріалу за допомогою регулювання відкриття отвору заслонки прийма-льного бункера впливає на зміну ефективності грохочення агломерату. При цьому із зменшенням висоти шару матеріалу на грохоті ефективність грохочення збільшується (рис. 5) і, при досягненні за певної висоти матеріалу максимального свого значення, починає різко зменшуватися.

За результатами експериментальних досліджень встановлено, що радар, який використовувався, дозволяє визначити висоту шару матеріалу, що транспортується по грохоту, з абсолютною похибкою вимірювань, яка не перевищує ± 0,004 м. Таким чином, встановлено, що радіолокатор є надійним засобом для визначення висоти шару матеріалу на грохоті, і це дає можливість використовувати його в системі управління ефективністю грохочення з урахуванням швидкості сходу матеріалу на колошнику доменної печі та в інших аналогічних системах.

Одночасно з цим був встановлений діапазон зміни висоти шару агломерату на грохоті, в якому проводиться управління ефективністю відсіву, що дозволяє уникнути підвисання матеріалу при його подачі з приймального бункера. Так, для грохоту ГСТ-62А (встановленого на шихтоподачі ДП № 9) ефективність грохочення досягає максимального свого значення 63,5 % при висоті шару агломерату, що дорівнює 0,124 м (рис. 5). Найбільша ж висота шару (0,35 м), при якій зараз здійснюють відсів дрібної фракції, забезпечує ефективність менше 20 %. Таким чином, для збільшення ефективності грохочення слід знижувати висоту шару матеріалу на ситі до деякої оптимальної товщини шару Нопт, яка дозволяє отримати максимальну ефективність відсіву дрібної фракції.

В результаті можна зробити висновок, що для збільшення ефективності грохочення слід зменшувати висоту шару матеріалу на ситі грохоту аж до деякої оптимальної товщини шару Нопт, яка дозволяє отримати максимальну ефективність відсіву дрібної фракції. Таким чином, регулювання висоти шару агломерату на грохоті ГСТ-62А слід проводити в межах від Нопт, що дорівнює 0,124 м, до максимально можливої величини шару матеріалу Нmax, що транспортується та дорівнює 0,35 м (рис. 5).

Додатково регресійними методами встановлені функціональні залежності швидкості сходу окатишів, коксу і агломерату від товщини їх шару на промисловому вібраційному грохоті ГСТ-62А (рис. 6).

За результатами досліджень та встановлених залежностей розроблена адаптивна система управління ефективністю грохочення матеріалу (рис. 7), що здійснює регулювання висоти шару матеріалу з урахуванням трьох параметрів: часу прогнозованого закінчення дозування матеріалу у вагову воронку, прогнозованого часу досягнення заданого рівня матеріалом по мірі його опускання в доменній печі, кількості матеріалу, що залишилася до набору заданої дози, з контролем виконання завдання по висоті шару шихти на грохоті за допомогою радару.

Прогнозований час досягнення матеріалом заданого рівня по мірі його опускання в печі визначається як співвідношення різниці заданого та поточного рівня матеріалу в печі до відносної швидкості сходу шихти на колошнику згідно з виразом:

, (3)

де НЗ - заданий рівень матеріалу в печі, м; НТ - поточний рівень матеріалу в печі, м.

Аналогічно, за допомогою значень відносної швидкості набору, поточного та завданого значень маси матеріалу у ваговій воронці, визначається прогнозований час закінчення дозування матеріалу згідно з виразом:

, (4)

де QЗ - задана кількість дози, що набирається у вагову воронку, т; QТ - поточна кількість матеріалу у ваговій воронці, т.

При цьому кількість матеріалу, що залишилася до набору дози у вагову воронку визначається як різниця заданого та поточного значення маси матеріалу, що набирається:

.(5)

Для проведення математичного моделювання розробленої системи вперше був встановлений функціональний взаємозв'язок між прогнозованою висотою шару матеріалу, що транспортується по грохоту, кількістю матеріалу, що залишилася до набору дози у вагову воронку, прогнозованими часом закінчення дозування матеріалу й часом досягнення шихтовим матеріалом заданого рівня по мірі його опускання в доменній печі, об'ємною масою матеріалу, що транспортується, а також параметрами і кількістю грохотів, що працюють на одну вагову воронку:

, (6)

де ТО - прогнозований час закінчення дозування матеріалу, с; ТУ - прогнозований час досягнення матеріалом заданого рівня по мірі його опускання в доменній печі, с; S - площа поверхні сита грохоту, м2; с - об'ємна маса матеріалу, що транспортується, т/м3; n - кількість грохотів, що працюють на одну вагову воронку. При цьому параметри сит грохотів, а також матеріалу, що транспортується по них, і кількість грохотів, що одночасно працюють на кожну з вагових воронок шихтоподачі доменної печі, вносяться до системи оператором-технологом.

Процес сходу шихтового матеріалу на колошнику доменної печі характеризується високим ступенем статичності (наприклад, максимальна швидкість сходу матеріалу по ДП № 4 Череповецького металургійного комбіна-ту становить близько 5 мм/с), тому немає необхідності здійснювати управління ефективністю грохочення матеріалу безперервно. Крім того, час, що відводиться на другу стадію процесу грохочення (формування необхідного шару матеріалу на ситі), є чистим транспортним запізнюванням при управлінні ефективністю відсіву залежно від швидкості сходу матеріалу в доменній печі. Для промислового грохоту, встановленого на шихтоподачі ДП № 9 ВАТ «Арселор Міттал Стіл Кривий Ріг», при максимальній висоті шару матеріалу на грохоті (0,35 м) швидкість сходу агломерату по грохоту становить 0,16 м/с. Тому, враховуючи конструктивні особливості цього грохоту (робоча довжина сита і кут його нахилу до горизонту), максимальний час переміщення матеріалу по грохоту можна розрахувати за формулою:

, (7)

де L - робоча довжина грохоту, м; VСХ - швидкість переміщення матеріалу по грохоту, м/с; в - кут нахилу сит до горизонту, град.

Таким чином, час переміщення матеріалу по грохоту (згідно з рис. 6) становить 31,37 с. Отже, сигнал про введення управляючої дії на заслонку приймального бункера поступатиме не раніше, ніж після відліку вказаного часу. При цьому буде виключено перерегулювання, яке може бути викликане стрибкоподібною зміною швидкості сходу шихтового матеріалу на колошнику доменної печі. Так, для формування дози агломерату із заданою масою, наприклад, 30 т, яка буде сформована від 2,5 до 13 хв., в процесі її відсіву може бути введено від 8 до 23 управляючих дій, які дозволяють скоректувати товщину шару матеріалу на грохоті.

У рамках дисертаційної роботи розроблені алгоритми розрахунку усіх використовуваних параметрів, які представлені в додатках до роботи. Система управління ефективністю грохочення залежно від швидкості сходу матеріалу в доменній печі розрахована на роботу з будь-якою кількістю як радіолокаційних рівнемірів, так і механічних зондів. Проте для коректної оцінки швидкості сходу шихти на колошнику доменної печі рекомендовано використовувати радіолокатори, які мають вищу точність вимірювання у порівнянні з механічними рівнемірами, не контактують з поверхнею матеріалу у печі і на грохоті та охоплюють практично всю площу засипу.

Розроблена система управління ефективністю грохочення матеріалу прийнята для проектування фірмою «Techcom» для цеху випалення вапняку у киснево-конвертерному комплексі ВАТ «Запоріжсталь».

У четвертому розділі виконано математичне моделювання системи управління ефективністю грохочення у взаємозв'язку зі швидкістю сходу шихти в печі із застосуванням технології монітора реального часу пакету крізного програмування TRACE MODE. Вибір вказаного SCADA-пакету, що увібрав в себе останні досягнення в області промислової автоматизації та програмування, зокрема широко вживаний на ВАТ «Запоріжсталь», заснований на встановленій принциповій можливості реалізації розробленої системи на всіх грохотах шихтоподач доменних печей великого об'єму, враховуючи визначення швидкості сходу матеріалу в печі, за рахунок отримування та обробки сигналів одночасно від 50-ти радарів.

На сьогодні практичне впровадження систем управління на діючих металургійних агрегатах пов'язане як із тривалими процесами монтажу і наладки, так і з вирішенням великої кількості організаційних питань. Тому оцінка адекватності функціонування системи управління ефективністю грохочення у взаємозв'язку зі швидкістю сходу матеріалу на колошнику доменної печі в дисертаційній роботі проводиться на основі програмної реалізації розробленої системи по відповідних математичних моделях.

Алгоритми узгодження швидкості сходу шихти на колошнику зі зміною ефективності її відсіву на грохоті, які становлять структуру системи управління ефективністю грохочення, були реалізовані за допомогою вбудованих мов програмування Techno ST (Structured Text) і Techno FBD (Function Block Diagram) міжнародного стандарту IEC 61131-3. Для обчислення швидкості сходу матеріалу на колошнику були використані архівні дані чотирьох діаметрально протилежно встановлених на ДП № 9 радіолокаторів. Накопичення значень дальності до насипу в периферійній зоні в базу даних MS Access проводилося в реальному часі раз на секунду протягом 2 годин безперервної роботи. При внесенні значень до бази також проводилася реєстрація періодів завантаження шихти в піч, під час яких проводилося автоматичне відключення радарів.

Величина поточної висоти шару матеріалу після чергового запуску грохоту встановлюється в системі за умовчанням максимальною та рівною 0,35 м. При цьому після закінчення завантаження печі матеріал починає вільно поступати на сито грохоту максимальним шаром і напруга на автоматизований електропривод заслонки приймального бункера не подається. Таким чином, зменшується витрата електроенергії на замикання отвору бункера і відсутнє «смикання» заслонки при роботі доменної печі в найбільш інтенсивному режимі «догонка міри».

Завдання величини відкриття заслонки для управління ефективністю відсіву матеріалу на грохоті формується автоматизованим електроприводом, по практично встановленій закономірності висоти шару матеріалу від величини підняття конкретної заслонки, за допомогою триконтурної схеми підлеглого регулювання. Таким чином, при промисловому використанні розробленого програмного забезпечення для управління положенням заслонки приймального бункера сигнал завдання буде поданий на відповідний задатчик для зміни положення заслонки. Проте у рамках математичного моделювання для перевірки адекватності реагування системи на непрогнозовану зміну швидкості сходу засипу шихти в доменній печі сигнали завдання положення заслонки і відключення приводу грохоту подаються як аргументи на відповідні тренди. На тренди також виводяться дані радарів, що відображають процес сходу шихти на колошнику доменної печі у зондованих точках засипу; значення абсолютних швидкостей набору вагової воронки та сходу засипу матеріалу; вихідні сигнали системи та значення необхідної ефективності грохочення, обратно пропорційної положенню відкритої заслонки, а також процеси набору вагової воронки. Значення дальності подаються на тренди по мірі надходження їх до системи безпосередньо з бази даних показань рівня.

У результаті встановлено, що розроблена система в автоматичному режимі оперативно регулює ефективність відсіву некондиційної фракції залежно від зміни швидкості сходу матеріалів на колошнику. У промислових умовах це дозволить забезпечити піч в періоди «тихого ходу» якіснішою за гранулометричним складом сировиною, а також приведе до зменшення технологічного навантаження на агрегати шихтоподачі, що неминуче підвищить їх надійність та зменшить забивання сит.

Встановлено, що при реалізації розробленого програмного забезпечення в промислових умовах шихтоподачі доменної печі воно може бути адаптоване для роботи із двома або більш грохотами, що насівають дозу матеріалу у вагову воронку. За наслідками роботи системи виведена рекомендація на формування управляючих дій не частіше одного разу за 30...40 с у зв'язку із стрибкоподібною зміною швидкості сходу засипу у печі. Інакше можуть мати місце різкі зміни положення заслонки приймального бункера, що спричинить не тільки зношування регулюючого механізму, але й додаткові витрати на електроенергію для роботи двигуна потужністю не менше як 5,5 кВт.

Використання розробленої системи управління дозволяє до двох разів збільшити час набору дози при регулюванні висоти шару матеріалу на грохоті в порівнянні з нерегульованим грохоченням.

Застосування системи управління в промислових умовах дозволяє максимально можливо уповільнити процес набору необхідної дози матеріалу для ретельнішого відсіву дрібної фракції сировини та зменшити технологічне навантаження на агрегати шихтоподачі.

Встановлено, що запропонована система управління може працювати як в автоматизованому (як «порадник» операторові), так і в автоматичному режимі (оператор має можливість лише спостерігати за процесом роботи і при необхідності відключати систему). Але під час експлуатації розробленої системи на виробництві рекомендується її робота в автоматичному режимі з виводом операторові-технологові необхідної інформації у вигляді трендів і/або числових значень, що пов'язане з постійністю більшості вхідних параметрів системи.

ВИСНОВКИ

1. Аналіз процесів формування порцій шихти показав, що оперативне управління відсівом дрібної фракції матеріалу при грохоченні у взаємозв'язку зі швидкістю сходу шихти в доменній печі не відбувається через відсутність алгоритму взаємодії цих процесів. Встановлено, що значні резерви зниження собівартості чавуну полягають в удосконаленні процесів управління підготовкою залізорудної сировини і коксу, оскільки гранулометричний склад шихти відноситься до основних зовнішніх впливів, які необхідно враховувати при регулюванні технологічного режиму доменної плавки.

2. Радарне зондування рівня засипу шихти на колошнику доменної печі та висоти шару матеріалу в процесі грохочення забезпечує оперативну оцінку їх зміни в кожен момент часу. При цьому абсолютна похибка вимірювань висоти шару не перевищувала ± 0,004 м. Характерною особливістю залишаються непрогнозовані похибки показників механічних зондів, що підтверджує недоліки їх використання.

3. Розроблений і введений в промислову експлуатацію на доменній печі № 9 ВАТ «Арселор Міттал Стіл Кривий Ріг» алгоритм обробки сигналів радіолокатора і визначення епюр відносних швидкостей сходу шихти по двох діаметрах колошника на основі даних рівня засипу матеріалу.

4. Встановлений функціональний взаємозв'язок між прогнозованою висотою шару матеріалу, що транспортується по грохоту, кількістю матеріалу, що залишилася, до набору дози у вагову воронку, прогнозованими часом закінчення дозування матеріалу і досягнення шихтовим матеріалом заданого рівня під час його опускання в доменній печі, об'ємною масою матеріалу, що транспортується, а також параметрами (габарити сит та їх кут нахилу) і кількістю грохотів, що працюють на одну вагову воронку.

5. Виконано математичне моделювання адаптивної системи управління ефективністю грохочення матеріалу у взаємозв'язку зі швидкістю сходу шихти в печі з використанням мов Techno ST і Techno FBD, а також технології монітора реального часу пакету TRACE MODE. Встановлено, що розроблена система в автоматичному режимі оперативно регулює ефективність відсіву некондиційної фракції залежно від зміни швидкості сходу матеріалів на колошнику. У промислових умовах це дозволить забезпечити піч в періоди «тихого ходу» якіснішою за гранулометричним складом сировиною, а також приведе до зменшення технологічного навантаження на агрегати шихтоподачі, що неминуче підвищить їх надійність і зменшить забивання сит.

6. Очікуваний економічний ефект від впровадження розробленої системи управління в умовах системи шихтоподачі доменної печі об'ємом 2000 м3 ВАТ «Арселор Міттал Стіл Кривий Ріг» становить більше 1 млн грн. з терміном окупності системи - менше 2 років.

7. Розроблена система управління ефективністю грохочення матеріалу прийнята для проектування фірмою «Techcom» для цеху випалення вапняку в киснево-конверторному комплексі ВАТ «Запоріжсталь». Результати досліджень дисертаційної роботи прийняті для участі в тендері по автоматизації ДП № 2 ВАТ «Арселор Міттал Теміртау».

ПЕРЕЛІК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Верховская А.А. Использование радаров для управления грохочением и загрузкой шихты в доменную печь / А.А. Верховская, В.И. Головко, О.Н. Кукушкин [и др.] // Современные проблемы металлургии [cб. науч. труд.] - Том 9. - Днепропетровск: НМетАУ, 2006. - с. 42-52.

2. Верховская А.А. Управление эффективностью грохочения с использова-нием радара в доменном производстве / А.А. Верховская, В.И. Головко, О.Н. Кукушкин [и др.] // Теория и практика металлургии, 2008. - № 1. - С. 8-10.

3. Кукушкин О.Н. Радиолокационный контроль процессов в доменном производстве / О.Н. Кукушкин, В.И. Головко, А.А. Верховская [и др.] // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии [сб. науч. труд.] - № 16. - Днепропетровск: ИЧМ им. З.И. Некрасова НАНУ, 2008. - с. 380-385.

4. Верховская А.А. Принципы алгоритмической обработки радарных сиг-налов для определения уровня материала в реакторах и емкостях / А.А. Верховская, В.И. Головко, О.Н. Кукушкин [и др.] // Системные технологии [сб. науч. труд.] - Днепропетровск, 2008. - № 3(56). - Т. 2. - С. 141-144.

5. Верховская А.А. Управление эффективностью грохочения сырья для об-жига известняка / А.А. Верховская, В.И. Головко, О.Н. Кукушкин [и др.] // Но-вости науки Приднепровья. Инженерные дисциплины, 2008. - № 3-4. - С. 93-94.

6. Верховская А.А. Возможности регулирования эффективности грохоче-ния материала в ходе работы доменной печи / А.А. Верховская, В.И. Головко, О.Н. Кукушкин [и др.] // Академический вестник. - Кривой Рог, 2007. - № 19. - с. 24-25.

7. Verhovskaja А.А. System of definition of speed mix materials leaving and formation of multicomponent portions of mix material on a gathering belt / A.A. Verhovskaja, V.I. Golovko, O.N. Kukushkin [и др.] // Materials and metallurgy. 8th International Symposium of Croatian Metallurgical Society (CMS) [доклады межд. конфер.] - Љibenik: Metallurgy. - Vol. 47. - № 3, 2008. - P. 261.

8. Пат. 25553 Украина, МПК (2006) С21В 7/24 G01R 27/04 Способ дози-рования материала шихты для доменной печи / Кукушкин О.Н., Головко В.И., Михайловский Н.В. [и др.]; заявитель и патентообладатель НМетАУ (Украина) № u200704048; заявл. 12.04.07; опубл. 10.08.07, Бюл. № 12.

9. Пат. 32956 Украина, МПК(2006) С21В 7/24, G021R 27/04 Способ дозирования материала шихты для доменной печи / А.А. Верховская, В.И. Головко, О.Н. Кукушкин [и др.]; заявитель и патентообладатель НМетАУ (Украина) № u200800315; заявл. 08.01.08; опубл. 10.06.08, Бюл. № 11.

10. Пат. 43344 Украина, МПК(2006) С21В 7/24, G021R 27/04 Способ ведения конверторной плавки / Ю.И. Жаворонков, В.И. Головко, О.Н. Кукушкин [и др.]; заявитель и патентообладатель НМетАУ (Украина) № u200902987; заявл. 30.03.09; опубл. 10.08.09, Бюл. № 15.

11. Пат. 85021 Украина, МПК(2006) С21В 5/00, С21В 7/00 Способ загрузки материала шихты в доменную печь / В.И. Головко, А.А. Верховская, О.Н. Кукушкин [и др.]; заявитель и патентообладатель НМетАУ (Украина) № а200800304; заявл. 08.01.08; опубл. 10.12.08, Бюл. № 23.

АНОТАЦІЯ

Верховська А.О. Вдосконалення взаємодії процесів грохочення та сходу шихти на колошнику для підвищення ефективності роботи доменної печі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.02 - металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, 2009.

У дисертаційній роботі вирішена актуальна задача, яка полягає в підвищенні ефективності функціонування доменних печей великого об'єму на основі оперативного управління відсівом дрібної фракції компонентів шихти за рахунок регулювання товщини їх шару в процесі грохочення у взаємозв'язку зі швидкістю сходу матеріалу на колошнику.

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження процесів формування порцій шихти та визначення рівня засипу шихти на колошнику показали, що є можливість підвищення ефективності відсіву дрібних фракцій матеріалу за рахунок збільшення часу його насівання. Крім того, радарне зондування забезпечує оперативну оцінку зміни рівня засипу в кожен момент часу.

Розроблений і введений в промислову експлуатацію на ВАТ «Арселор Міттал Стіл Кривий Ріг» алгоритм обробки сигналів радіолокатора і визначення епюр відносних швидкостей сходу шихти по двох діаметрах колошника.

Встановлений взаємозв'язок між прогнозованою висотою шару матеріалу, що транспортується по грохоту, кількістю матеріалу, що залишилася, до набору дози у вагову воронку, прогнозованими часом закінчення дозування матеріалу і часом досягнення шихтовим матеріалом заданого рівня під час його опускання в доменній печі, об'ємною масою матеріалу, що транспортується, а також параметрами і кількістю грохотів, що працюють на одну вагову воронку.

Виконано математичне моделювання адаптивної системи управління ефективністю грохочення матеріалу, яка в автоматичному режимі оперативно регулює ефективність відсіву некондиційної фракції залежно від зміни швидкості сходу матеріалів на колошнику. Це дозволяє забезпечити піч в періоди «тихого ходу» якіснішою по гранулометричному складу сировиною, а також приведе до зменшення технологічного навантаження на агрегати шихтоподачі.

Розроблена система управління ефективністю грохочення матеріалу прийнята для проектування фірмою «Techcom» для цеху випалення вапняку в киснево-конверторному комплексі ВАТ «Запоріжсталь». Результати досліджень дисертаційної роботи прийняті для участі в тендері по автоматизації ДП № 2 ВАТ «Арселор Міттал Теміртау».

Ключові слова: ефективність грохочення, рівень засипу, радіолокаційний рівнемір, швидкість сходу шихти, адаптивна система управління.

АННОТАЦИЯ

Верховская А.А. Совершенствование взаимодействия процессов грохочения и схода шихты на колошнике для повышения эффективности работы доменной печи. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - Металлургия черных и цветных металлов и специальных сплавов, Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск, 2009.

В диссертационной работе решена актуальная задача, которая заключается в повышении эффективности функционирования доменных печей большого объема на основе оперативного управления отсевом мелкой фракции компонентов шихты за счет регулирования толщины их слоя в процессе грохочения во взаимосвязи со скоростью схода материала на колошнике.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов формирования порций шихты и определения уровня засыпи шихты на колошнике, показавшие, что есть возможность повышения эффективности отсева мелких фракций материала за счет увеличения времени его насевания. Кроме того радарное зондирование обеспечивает оперативную оценку изменения уровня засыпи в каждый момент времени.

Разработан и введен в промышленную эксплуатацию на ОАО «Арселор Миттал Стил Кривой Рог» алгоритм обработки сигналов радиолокатора и определения эпюр относительных скоростей схода шихты по двум диаметрам колошника.

Установлена взаимосвязь между прогнозируемой высотой слоя материала, транспортируемого по грохоту, количеством материала, оставшегося до набора дозы в весовую воронку, прогнозируемыми временами окончания дозирования материала и достижения шихтой заданного уровня во время ее опускания в доменной печи, объемной массой транспортируемого материала, а также параметрами и количеством грохотов, работающих на одну весовую воронку.

Выполнено математическое моделирование адаптивной системы управления эффективностью грохочения материала, которая в автоматическом режиме оперативно регулирует эффективность отсева некондиционной фракции в зависимости от изменения скорости схода материалов на колошнике. Это позволяет обеспечить печь в периоды «тихого хода» более качественным по гранулометрическому составу сырьем, а также приводит к уменьшению технологической нагрузки на агрегаты шихтоподачи.

Разработана система управления эффективностью грохочения материала принятая для проектирования фирмой «Techcom» для цеха обжига известняка в кислородно-конверторном комплексе ОАО «Запорожсталь». Результаты исследований диссертационной работы приняты для участия в тендере по автоматизации ДП № 2 ОАО «Арселор Миттал Темиртау».

Ключевые слова: эффективность грохочения, уровень засыпи, радиолокационный уровнемер, скорость схода шихты, адаптивная система управления.

SUMMARY

Verkhovskaya А.А. Perfection of screen separation interprocess and tails communication charge on furnace top for the increase of efficiency high furnace work. - Manuscript.

Dissertation for the degree of Сandidate of Technical Sciences, speciality 05.16.02 - Metallurgy of ferrous and non-ferrous metals and special alloys, National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2009.

A pressing task which consists in the increase of efficiency high furnaces functioning of high-cube on the basis of operative management sifting out of shallow faction of charge components due to adjusting thickness their layer in the process of screen separation in intercommunication at a speed of tails of material on furnace top is considered in dissertation.

Theoretical and experimental researches of charge portions forming processes and determination of stockline are conducted , rotinings, that is possibility of increase of sifting out efficiency of material shallow factions due to the increase of his extraction time. In addition the radar sounding provides the operative estimation of change surface level at every the instant.

Algorithm of radio-locator signals treatment and determination of charge speeds tails epures relative on two furnace top diameters are developed and put into an industrial operation on JSC «Arselor Mittal Krivoy Rog».

Intercommunication is set between the forecast height of layer of material, transported on a crash, by the amount material, staying till the set of dose in a gravimetric crater, forecast sometimes completion material dosage and achievement of the set level a charge during its lowering in a high furnace, by volume mass of the transported material, and also parameters amount screening machines, workings on one gravimetric crater.

The mathematical design of adaptive control the system by efficiency of material screen separation is executed, which in the automatic mode operatively regulates sifting efficiency out of unstandard faction depending on a change speed of materials tails on furnace top. It allows to provide stove in periods of «quiet motion» by more high-quality on a particle-size raw material, and also results in diminishing of the technological loading on the charge platform aggregates.

Control system by material screen separation efficiency is developed accepted for planning a firm «Techcom» for the workshop limestone burning in an oxygen-converter complex JSC «Zaporozhstal». The results and researches of the dissertation are accepted for participating in a tender on automation of DP № 2 JSC «Arselor Mittal Temirtau».

Keywords: efficiency of screen separation, stockline, radio-location level meter, speed of charge tails , adaptive control system.

Размещено на Allbest.ru

...