Автоматизация производства чугуна и стали

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Hовотроицкий филиал

Кафедра ПИиУСА

Домашняя работа по дисциплине

Автоматизация производства чугуна и  стали

Вариант 6.

Выполнил: Морозова Д.А.

Группа: М-10-42

Проверил: Лицин К.В.

Новотроицк

2013 

Содержание

Введение 3

Глава 1. Локальные  системы управления доменным процессом 4

Глава 2. Автоматизация  доменной печи 10

Заключение 16

Список литературы 17

Задача 18

Введение

Чтобы получить технические  железные сплавы, из которых в дальнейшем будут изготовлены различные  машины и конструкционные сооружения, нужно из руды извлечь железо. Это  достигается двумя способами. Первый – это прямое восстановление железа коксом без плавления и дальнейшим его науглероживанием и расплавлением, в результате чего получают чугун  или ферросплавы. И второй способ, в настоящее время основной способ производства чугуна из руд — доменный процесс. Чугун используется в изготовлении различных фасонных деталей для машиностроения, из него изготавливаются люки канализационные. Чугун участвует в производстве стали. А чугунные отливки и специальные сплавы получают из доменных ферросплавов.

Технология производства доменного чугуна постоянно совершенствуется и развивается.

В последнее время большое  развитие получили локальные системы управления основными процессами производства чугуна (автоматическое регулирование температур и промывка углей перед коксованием и т.д.).

Широко внедряются форсированные  способы ведения плавки с использованием повышенного нагрева дутья, кислородного дутья, частичной заменой кокса  природным и коксовым газом и  жидкостным топливом, обогащения и  агломерации руд, а также с  использованием повышенного давления под колошником. Благодаря механизации  и автоматизации всех этих мероприятий  выпуск чугуна значительно увеличивается.

Глава 1. Локальные системы управления доменным процессом

Основной технологической  задачей доменной плавки является восстановление железных руд и получение чугуна заданного состава и температуры. Доменная печь относится к классу шахтных печей, в которых осуществляется слоевой режим работы с противотоком обрабатываемого материала, заполняющего весь рабочий объем печи, и горячих  газов, фильтрующихся через сравнительно плотные слои этих материалов.

Характерными особенностями  слоевого режима работы печи являются большая поверхность материалов, подвергающихся тепловой и химической обработке, и в то же время неопределенность активной части поверхности, участвующей  в процессах тепло- и массообмена. Причиной неопределенности является движение материалов, которые в ходе обработки  меняют размеры и формы кусков и претерпевают изменения химического  состава и агрегатного состояния, что изменяет условия фильтрации горновых газов через различные  участки сечения печи. Другой особенностью слоевого режима является то, что все  виды теплопередачи (радиация, конвекция  и теплопроводность) тесно переплетены  и практически неразделимы. Это  затрудняет теоретические расчеты  процессов теплообмена и экспериментальное  определение теплотехнических характеристик  доменных печей.

Из сказанного выше следует, что основной технологический  процесс доменной плавки – восстановление железа, несмотря на свою химическую природу, в значительной мере зависит от теплового  режима, распределения газового потока в столбе шихтовых материалов и характера  движения шихты.

Основная задача локальных систем управления доменным процессом заключается в создании наиболее благоприятных условий для протекания восстановительных процессов. При этом доменная печь работает с максимальной производительностью и экономичностью при ограничениях, обусловленных качеством сырья, мощностью воздуходувных машин, ресурсами кислорода, природного газа, состоянием печи, вспомогательного оборудования и др.

Локальная система  управления (ЛСУ) — это совокупность микропроцессорных средств вычислительной техники и автоматизации, объединенных в единую систему посредством  специального программного обеспечения  для управления единицей оборудования в рамках реализуемого технологического процесса.

На современных печах  контролируются и автоматически  регулируются многие параметры технологического режима доменной плавки, работы оборудования, управляемого системами локального характера. Однако течение самого доменного  процесса контролируется недостаточно. Конечные результаты его определяются с опозданием, а промежуточные  практически не контролируются из-за отсутствия современных датчиков информации. Отстают в развитии такие системы, как непрерывный анализ материалов в потоке и продуктов плавки на выпуске.

Локальная система управления доменной плавкой включает подсистему шихтоподачи, подсистему собственно доменной печи и подсистему блока воздухонагревателей. Подсистемы содержат функциональные элементы контроля, функциональные элементы управления и объединены комплексом технических средств измерения и комплексом технических средств управления.

Управление производственными процессами является одним из важнейших направлений развития производительных сих современного общества.

Автоматическое управление производственными процессами в  металлургической промышленности используют недостаточно, в то время как большинство этих процессов по своей природе легко поддается автоматизации. Особенно это касается непрерывных термохимических и термомеханических процессов, протекающих в отдельных агрегатах без непосредственного вмешательства человека. Особенно подготовленным к автоматизации является доменный процесс ввиду его непрерывности, высокой степени механизации, оснащенности контрольно-измерительной аппаратурой.

На настоящем этапе  развития доменного производства его  управление необходимо вследствие огромной производительности доменных печей и постоянного усложнения как технологического процесса (высоко-нагретое комбинированное дутье, повышенное давление газов в печном пространстве) выплавки чугуна, так и оборудования доменных печей (конвейерная подача материалов в скипы, безконусные загрузочные устройства и др.). В этих условиях ручное управление становится весьма сложным, а неизбежные ошибки при этом приводят к глубоким расстройствам хода доменных печей, иногда к авариям и в каждом случае к потерям производства чугуна и ухудшению технико-экономических показателей доменной плавки.

Этим и объясняется  то, что 40-45 лет назад начали проводить  первые попытки локального управления некоторыми составляющими доменного процесса, исследования и проектные разработки по созданию методов и систем автоматизации доменного производства.

В значительной степени автоматизации  металлургических процессов способствовало развитие вычислительной техники. Именно с использованием вычислительной техники  В.А.Сорокиным одним из первых в  мировой практике были проведены  исследования по созданию методики автоматического  регулирования теплового состояния  доменной печи. А.Д. Готлиб предложил  и в дальнейшем разработал методику регулирования теплового состояния  и хода доменной печи, на основании  которой с использованием вычислительных машин была создана промышленная автоматическая система регулирования этих параметров доменного процесса.

Большие работы по тепловому  регулирование доменного процесса были проведены в Московском институте  стали и сплавов под руководством А.Н. Похвиснева.

Методики регулирования  доменного процесса, определения  его характерных показателей  с целью автоматического управления разработаны А.Н. Раммом. В дальнейшем эти и другие работы получили развитие и нашли промышленное применение. На ряде металлургических предприятий созданы системы автоматизации загрузки шихты, распределения материалов и газов по окружности и вертикальному сечению доменной печи, распределения дутья и углеводородсодержащих добавок по фурмам, регулирования теплового состояния доменной печи и отдельных ее зон и др.

В области механизации  доменного производства главное  внимание конструкторов направлено на разработку приспособлений и механизмов, облегчающих условия обслуживания горновых работ на литейных дворах, а также выпуска, транспортирования  и обработки продуктов доменной плавки. К ним относятся: кольцевые и напольные краны, приспособления для смены воздушных фурм, заправки и очистки желобов, одноносковые разливки чугуна и шлака, различные системы большегрузных чугуновозных ковшей (до 600 т), припечные грануляционные установки, оборудование для механизации ремонтных работ. Внедряются системы сигнализации, предупреждающие о прогарах фурм, контроль уровня расплава в горне, системы автоматического обнаружения сгоревших фурм и холодильников. Все они облегчают горновые работы, предупреждая возникновение аварийных ситуаций, для ликвидации которых требуется трудоемкий ручной труд в тяжелых условиях. Большое внимание уделяется вопросам аспирации, вентиляции и герметизации, загрязненности окружающей водной и воздушной среды, а также социально-бытовым условиям работы обслуживающего персонала.

Конечной целью  всех работ является создание локальной системы управления доменным производством. В основе такой системы должен лежать алгоритм управления. Алгоритмом называют предписание, определяющее содержание и последовательность операций, переводящих исходные данные в искомый результат. Построение алгоритма возможно только на основе математического описания процесса, в данном случае – процессов, протекающих в доменной печи. Однако задача эта весьма сложная и на практике чаще всего пользуются логическими и статистическими зависимостями между отдельными факторами процесса.

Что касается оптимизации  доменного процесса, то она определяется поставленной целью: получение максимальной производительности доменной печи; достижение минимальных энергетических затрат на выплавку чугуна, обеспечение минимальной  себестоимости чугуна.

В настоящее время  имеются все возможности для  разработки и внедрения автоматического  управления доменным процессом и  доменным производством:

• развитая индустрия ЭВМ;
• высокие знания технологических закономерностей доменного процесса;
• достаточная изученность статических и динамических характеристик доменной печи;
• наличие датчиков, надежно и непрерывно регистрирующих важнейшие показатели доменного процесса.

С учетом особенностей доменного производства (исключительно  высокая производительность единичных  агрегатов) окупаемость локальных систем управления доменным процессом и доменным производством, как правило, не превышает 4-6 месяцев. Если исходить из уже достигнутых результатов, то автоматическое регулирование только теплового состояния доменной печи позволяет снизить удельный расход кокса на 2,5-3 %. Несомненно, что внедрение других систем позволит улучшить эти показатели.

Глава 2. Автоматизация доменной печи

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 над 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. Получаемая информация является далеко не полной и не может отразить влияния на процесс множества факторов. Поэтому  многие явления, происходящие в доменных печах, проявляются как случайные  функции времени. 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

Управление «сверху» осуществляется на колошнике путем  изменения условий загрузки, а  «снизу» из фурменной зоны изменением параметров дутья (рисунок 1).

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 запаздываниям управляющих воздействий; так, например изменение рудной нагрузки на кокс сказывается на тепловом состоянии  горна доменной печи только через 5–6 ч.

Рисунок 1 – схема  управляющих воздействий доменной плавки

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  флуктуации входных параметров процесса, которые сравнительно невелики. Другим благоприятным фактором является большая  аккумулирующая способность печи. Огромная масса материалов, участвующих в  процессах массо- и теплообмена, способствует сглаживанию возмущающих  воздействий. В этом смысле печь как  бы является фильтром для возмущающих  воздействий. Инерционность процесса позволяет иметь некоторый резерв времени для выбора рационального  управления.

Сложность и случайный  характер явлений, протекающих в  доменной печи, затрудняют аналитическое  детерминированное описание процесса, поэтому для его идентификации  часто используются методы математической статистики и статистической динамики. Уравнения множественной регрессии  позволяют с известной погрешностью прогнозировать некоторые явления, а методы планируемого эксперимента и статистической динамики дают возможность  оценить усредненные динамические характеристики доменной печи по различным  каналам. Оценивая трудности получения  информации, сложность процесса, ограниченность возможностей управления, следует отметить, что доменный процесс достаточно управляем. Это доказывается практикой  работы технологов – доменщиков России, добивающихся высоких показателей  работы мощных доменных печей.

Контрольно-измерительная  аппаратура, установленная на доменных печах, позволяет получить доступную  для измерения рабочую информацию о технологическом процессе, а  также о состоянии печи и вспомогательного оборудования. Кроме того, она должна обеспечить безопасность работы всех агрегатов, составляющих комплекс доменного  производства.

Контролируемыми параметрами  являются:

1. Химический состав и физические свойства шихтовых материалов: рудно-флюсовой части и кокса.

Эта информация поступает  периодически и сравнительно редко (один раз в смену или в сутки). Она используется для коррекции  шихтовки доменной плавки. Разрабатываются  методы автоматического отбора представительной пробы материалов и средства для  экспресс-анализа состава материалов, в частности квантометры, рентгеновские  спектрометры и др. Более частый контроль состава шихты позволит корректировать шихтовку по ходу доменной плавки, что существенно уменьшит возмущения процесса по этому каналу.

2. Загрузка шихтовых материалов.

Сюда входят: рудная  и коксовая  подачи, количество подач, порядок загружаемых материалов, работа конусов, уровень засыпи и  скорость схода шихты, положение  вращающегося распределителя шихты, распределение  материалов в печи.   

3.    Состояние верхней зоны печи (колошника).

Здесь контролируются: давление  и температура  в  газоотводах, давление колошникового  газа, расход  и давление  пара, подаваемого в печь, давление в  междуконусном пространстве, температуры  по окружности  и по диаметру  колошника, содержание СО, СО₂ и Н₂ в колошниковом газе и по диаметру колошника (проводится периодически).

4.     Состояние шахты печи.

На нескольких горизонтах шахты по окружности в кладку вмонтированы термопары, контролирующие температуру  по окружности шахты на данном горизонте. Измеряются расход  и давление  охлаждающей воды на различных горизонтах шахты. В средней части шахты  встраивается отборное устройство, позволяющее  измерять перепады статического давления между кольцевым воздухопроводом  и серединой шахты АРН (нижний перепад) и между серединой шахты  и колошником  (верхний перепад). Измеряется также общий перепад  давления по шахте печи от кольцевого воздухопровода  до колошника. Измерение  перепадов статического давления позволяет  судить о гидравлическом сопротивлении  столба шихтовых материалов на различных  участках шахты печи.

5.      Параметры комбинированного дутья.

Количество, давление  и температура  холодного дутья, количество  и давление  природного газа, количество  и давление  кислорода, содержание кислорода в дутье, влажность дутья, температура дутья, распределение дутья и природного газа по фурмам доменной печи.

6.    Состояние нижней зоны печи (горн).

Измеряются температуры  в фурменной зоне, температуры  лещади  и фундамента печи  на нескольких – уровнях. Контролируются на выпусках температура чугуна  и шлака. Содержание кремния, серы и  марганца в чугуне, основность шлака.

Продукты плавки исследуются периодически (на выпусках) и сведения об их составе получаются с опозданием. Внедрение современных  методов экспресс-анализа позволит ускорить получение этой важной информации.

7.   Технико-экономические показатели плавки.

Производительность  печи, расход углерода на тонну чугуна, к. и. п. о., себестоимость продукции  оцениваются по результатам работы доменной печи за сутки.

8. Тепловое состояние воздухонагревателей. Здесь контролируются общее количество и давление газа, расходуемого на обогрев воздухонагревателя; расход газа на обогрев каждого воздухонагревателя; температуры купола  и продуктов сгорания, покидающих воздухонагреватель, разрежение перед дымовым шабером. На различных участках дымового и воздушного трактов устанавливают сигнализаторы перепада давления, обеспечивающие безопасность перевода воздухонагревателя с режима обогрева на режим «дутья».

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 обозримой и персонал, обслуживающий печь, не в состоянии полностью использовать ее для оперативного управления процессом.

В настоящее время  на мощных доменных печах устанавливают  системы централизованного контроля (СЦК), а показатели основных параметров процесса, кроме регистрации на бланках  и перфокартах, выносятся также  на мнемонические схемы в виде цифровой индикации, причем индикаторы расположены в точках мнемосхемы, соответствующих положению датчика  на объекте. Примечание СЦК и мнемосхем  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 СЦК может  быть предусмотрена предварительная  обработка данных: сглаживание, усреднение, расчет комплексных показателей, что  облегчает анализ информации.  

Заключение

Лидирующую роль в управлении доменного процесса вели, ведут и будут вести специалисты металлурги. Каждая система локального управления технологическим процессом включает в себя большое количество компонентов (входные и выходные параметры, принципиальная схема, алгоритм, структурная схема, функциональная схема, аппаратурное обеспечение и т.д.). Ключевыми, в конечном счете, являются аспекты, связанные со знанием природы и основных закономерностей доменного процесса, а приоритетным носителем этих знаний является специалист-технолог доменного процесса.

Не случайно первыми разработчиками автоматического управления доменным процессом были (и остаются) специалисты и ученые в области доменного производства, а не вычислительной техники, хотя роль последних в автоматизации металлургических процессов, а в частности доменного, конечно же, значительна. Тем не менее, решение проблемы заключается не только и не столько в создании соответствующей аппаратуры автоматизации, «но главным образом в полном овладении процессом, в установлении точных закономерностей взаимозависимостей параметров, характеризующих режим печи, их связи с факторами, воздействующими на режим плавки». Поэтому главенствующая роль в процессе автоматизации металлургического процесса, в том числе доменного, принадлежит технологам.

Список  литературы

1. Беленький A.M. и др. Автоматическое управление металлургическими процессами. - М.: Металлургия, 1989. - 384 с.
2. Бойко В.И., Смоляк В.А. Автоматизированные системы управления технологическими процессами в черной металлургии. Днепродзержинск: ДГТУ, 1997. - 576 с.
3. Глинков Г.М. и др. Проектирование систем контроля и автоматического регулирования металлургических процессов. – М.: Металлургия, 1986. – 352 с.
4. Тверской Ю.С. Локальные системы управления. – Иваново, 
   2011. – 128 с.

Задача

Задание: Построить асимптотическую ЛАЧХ звена с передаточной функцией _. Значение v=-1,0,1.

Решение:

V=1

V=0

V= - 1