Автоматическое управление процессом дутья при выплавке чугуна в доменной печи

Содержание

Содержание 2

Введение 3

Общая характеристика доменного  производства 4

Доменный процесс, задачи автоматического регулирования 6

Доменная печь как  объект автоматического управления 7

Подача и нагрев дутья 11

Конструкция и принцип  действия воздухонагревателя 12

Основные параметры  дутья 14

Автоматическая стабилизация расхода 

кислородно-воздушного дутья 14

Автоматическое распределение  дутья по фурмам

доменной печи 16

Регулирование расхода  и распределения природного газа

и кислорода по фурмам доменной печи 19

Автоматическая стабилизация температуры 

горячего дутья 20

Автоматическая стабилизация влажности горячего дутья 

доменных печей 22

Список литературы 24

Введение

Непрерывный рост мощности доменных печей и внедрение новых  методов интенсификации технологического процесса существенно повысили производительность доменного производства и увеличили потоки сырья, энергии и продуктов плавки, участвующих в производственном процессе. Увеличилось число управляющих воздействий и усложнился выбор управлений, наиболее рациональных для данных условий. Анализ поступающей информации и выбор оптимальных управляющих воздействий требуют высокой квалификации персонала, обслуживающего печь. В этих условиях возрастает необходимость внедрения систем автоматического контроля и управления.

Системы контроля и управления работой доменных печей постепенно усложнялись — от простейших систем стабилизации отдельных параметров до локальных систем управления отдельными режимами работы печи и, наконец, до комплексных систем управления всем доменным процессом.

Автоматический контроль и стабилизация некоторых параметров доменного процесса сыграли в свое время большую роль в деле повышения производительности и экономичности работы доменных печей. Внедрение локальных систем стабилизации расхода, температуры и влажности горячего дутья, давления колошникового газа, нагрева воздухонагревателей позволило повысить производительность доменных печей на 5—9% и получить экономию кокса 6—7%. Кроме того, локальные системы стабилизации облегчили труд металлургов и повысили общую культуру производства.

Внедрение локальных  систем управления, таких, например, как  системы автоматического управления шихтоподачей, распределения горячего дутья и природного газа по фурмам доменной печи, автоматический перевод и управление нагревом воздухонагревателей ит. д., дало дополнительный экономический эффект: производительность доменных печей увеличилась еще на 4—5%, а расход кокса снизился на 2—3%.

Доменная печь - большая металлургическая, вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья. Важнейшей особенностью доменного процесса является его непрерывность в течение всей кампании печи (от строительства печи до ее «капитального» ремонта) и противоток поднимающихся вверх фурменных газов с непрерывно опускающимся и наращиваемым сверху новыми порциями шихты столбом материалов.

Общая характеристика доменного  производства.

Доменная печь представляет собой непрерывно действующий аппарат  шахтного типа. Загрузка шихты осуществляется сверху, через типовое загрузочное устройство, которое одновременно является и газовым затвором доменной печи. В домне восстанавливают богатую железную руду, агломерат или окатыши. Иногда в качестве рудного сырья используют брикеты.

Доменная печь состоит  из пяти конструктивных элементов: верхней  цилиндрической части — колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части — шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части — распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части — заплечиков, где образуется восстановительный газ—монооксид углерода; цилиндрической части — горна, служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса — чугуна и шлака.

В верхней части горна  располагаются фурмы — отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья — сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне фурм развивается  температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит около 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количества тепла.

C + O₂ = CO₂ + Q

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса.

CO₂ + C = 2CO

Поднимаясь вверх монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла:

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

Полученное в результате реакции железо каплями стекает  по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14 — 6,67 % углерода. Такой сплав называется чугуном. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси — сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.

Перед загрузкой в  доменную печь увлажняют пылеватую шихту и отсеивают коксовую мелочь на грохотах. Загрузка шихты в печь полностью механизирована. Скиповый подъемник поднимает шихту на колошник в скипах, из которых шихта поступает в приемную воронку двухконусного засыпного аппарата. Для распределения шихты по сечению колошника предусмотрен вращающийся распределитель шихты (ВРШ).

Дутье подается в печь воздуходувными машинами. При подготовке дутье нагревают в регенеративных воздухонагревателях, увлажняют паром и обогащают кислородом. Если в печи используют природный газ, то естественную влажность дутья обычно не изменяют.

Доменный газ очищают от пыли в пылеуловителях(грубая очистка) и водой в скрубберах высокого и низкого давления. После скруббера высокого давления газ пропускают через каплеуловитель для осушки.

Чугун и шлак из соответствующих  леток по желобам поступают в ковши и в них транспортируются к месту использования. Для охлаждения печи и очистки газа в больших количествах расходуют воду.

Доменный процесс, задачи автоматического управления.

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 является 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 автоматического  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 печей, вспомогательного оборудования и др.

Основная задача управления может быть разделена на ряд локальных (частных) задач, решение которых позволяет выбрать и стабилизировать рациональные режимы работы печи» В частности к этим задачам относятся;

1. Управление шихтоподачей.
2. Управление тепловым режимом печи.
3. Управление распределением газовых потоков в столбе шихтовых материалов.
4. Управление сходом шихты (ходом печи).

На первом этапе автоматизации доменного производства стабилизируются отдельные параметры процесса: расход, температура и влажность горячего дутья, давление колошникового газа и т. д. На втором этапе решаются указанные выше частные задачи по выбору и стабилизации оптимальных режимов и; наконец, последний этап управления процессом заключается в координации работы всех частных систем с целью достижения заданного критерия управления.

Для решения всех указанных  выше задач в первую очередь необходимо изучить особенности доменной печи как объекта автоматического управления.

Доменная печь как объект автоматического управления.

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.(табл. 1). Получаемая информация является далеко не полной и не может отразить влияния на процесс множества факторов (число которых достигает 700). Поэтому многие явления, происходящие в доменных печах, проявляются как случайные функции времени. 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 (рис. 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. Регулируемые параметры представлены в таблице 2.

Рис.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 флуктуаций 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.

 Контролируемые параметры доменного  процесса  Таблица 1

 Регулируемые параметры  доменного процесса       Таблица 2

Подача и нагрев дутья.

Для нормального протекания доменного процесса и достижения высокой производительности необходимо вдувать ежеминутно 1,6-2,3 м³ (или 1,9-3,2 кг) дутья на 1 м³  полезного объёма печи. Нижний предел относится к работе на дутье, обогащённом кислородом. Так, при работе доменной печи объёмом 3000 м³ ежеминутно необходимо подавать дутья около 4800 м³, а для доменной печи объёмом 5000 м³  - около 8000 м³. А так как давление газов на колошнике повышается до 250 кПа, то давление дутья, подаваемого в печь, достигает 350-400 кПа. Для подачи в доменную печь дутья и его сжатия применяют воздуходувные машины различных типов. Наибольшее распространение получили центробежные воздуходувные машины с паротурбинным приводом, так называемые паротурбовоздуходувки производительностью 4000-7000 м³/мин, создающие давление дутья на выходе, равное 400-500 кПа.

В настоящее время в качестве дутья широко применяют воздух, обогащённый кислородом. Последний получают на кислородных станциях с блоками разделения воздуха. Производительность больших блоков по кислороду составляет 35 000 м³/ч. В этих блоках процесс состоит из предварительного сжижения воздуха, который затем подвергают ректификации, т. е. разделению, основанному на различии температур сжижения различных составляющих воздуха. При разделении необходимо достигать отрицательных температур до -200 ˚С, так как температура кипения воздуха составляет -192˚С. Такие низкие температуры достигают в результате многократного расширения сжатого воздуха и системы теплообменников, в которых происходит передача холода от одной среды к другой. При испарении жидкого воздуха в первую очередь улетучивается смесь газов, богатых азотом (t_кип=-195,8˚С), затем аргоном (t_кип =-189,4˚С), вследствие чего остаток постепенно обогащается кислородом  (t_кип=-183˚С). Полученный на кислородной станции газообразный технический кислород (95-97% О₂) либо добавляют во входной патрубок воздуходувной машины или же подают к воздухонагревателям по отдельному кислородопроводу.

 Дутьё, подаваемое воздуходувной машиной, нагревают до1050-1300˚С в воздухонагревателях, называемых иногда кауперами. Современный воздухонагреватель имеет наружный диаметр 9 м, высота до верха купола составляет 36 м. Верхнюю часть насадки и купол выкладывают из высокоглинозёмистого кирпича или динаса, а нижнюю часть - из шамотного кирпича. Толщина насадочного кирпича составляет 40 мм. Из этого кирпича выложены ячейки размером 45 × 45 мм по всей высоте насадки. Поверхность нагрева 1 м³ такой насадки около 25 м². В последнее время предложено применять для насадки шестигранные блоки с круглыми ячейками, имеющими горизонтальные проходы. Это более сложная насадка, но её поверхность составляет около 30 м² на 1 м³ объёма насадки.

Следует различать газовый и  воздушный периоды работы воздухонагревателя.

 В газовый период осуществляется  нагрев насадки продуктами сжигания  газа, а в воздушный период  нагревается дутьё за счёт  охлаждения насадки. В газовый  период закрыты клапаны холодного  и горячего дутья и открыты  горелка и дымовые клапаны. Газ сжигается в камере горения и догорает под куполом, а продукты сгорания проходят сверху вниз через насадку, нагревают её и с температурой 250-400˚С уходят через дымовые клапаны и борова в дымовую трубу. Для подачи газа предусмотрена газовая горелка с вентилятором производительностью по воздуху 80-200 тыс. м³/ч. Сжигают главным образом очищенный колошниковый газ или смесь его с природным или коксовым газом.

В воздушный период закрыты дымовые  клапаны и отключена газовая  горелка, но открыты клапаны для подачи холодного и отвода горячего дутья. Холодное дутьё поступает в поднасадочное пространство, проходит насадку, где нагревается, и через клапан направляется в воздуховод горячего дутья и затем в печь. По мере охлаждения насадки воздухонагревателя температура горячего воздуха, выходящего из него, падает. Это недопустимо для нормальной работы доменной печи, поэтому воздух нагревают до более высокой температуры, чем это необходимо, и к нему подмешивают, используя автоматическое дозирование, требуемое количество холодного воздуха, чтобы поддержать температуру дутья постоянной. Это осуществляется при помощи смесительного воздухопровода и автоматического смесительного клапана. Газовый период примерно в два раза продолжительнее воздушного. Следовательно, необходимо не менее трёх кауперов - два одновременно нагреваются, а один нагревает воздух. Фактически на печь приходятся четыре каупера, а в некоторых случаях - семь кауперов на две печи.

Для обеспечения нагрева дутья  до высокой температуры (1200 ˚С и выше) необходимо, помимо наличия требуемой поверхности нагрева, применять в подкупольной части достаточно огнеупорные материалы. Для этого применяют специальный высокоглинозёмистый кирпич. Или малоразрыхляющийся динас. С целью увеличения поверхности нагрева воздухонагревателей в последнее время стали применять выносные камеры горения.

Для уменьшения или полного прекращения подачи дутья в печь без остановки воздуходувной машины на каждой печи имеется воздушно-разгрузочный клапан, или клапан снорт. Он установлен на воздухопроводе холодного дутья между воздухонагревателем и воздуходувной машиной, управление им осуществляется с площадки, расположенной у горна доменной печи.

Конструкция и  принцип действия воздухонагревателя.

Современный воздухонагреватель представляет собой вертикально  расположенный куполообразный цилиндр (основные размеры воздухонагревателей определяют путём теплотехнического и гидравлического расчётов, исходя из требуемой температуры нагрева дутья и его количества; кроме того, производят расчёт воздухонагревателя на прочность, руководствуясь заданным давлением дутья).

Снаружи воздухонагреватель заключён в стальной кожух, который изнутри выложен огнеупорным кирпичом для предотвращения прогара и деформаций кожуха, а также для уменьшения тепловых потерь в атмосферу. Внутреннее пространство воздухонагревателя разделено не доходящей до верха вертикальной стеной 7  из огнеупорного кирпича на две части: камеру сгорания 4 и огнеупорную насадку 6 с вертикальными каналами, которая сверху соединяется с камерой сгорания подкупольным пространством 5, а внизу с поднасадочным пространством 8. Поднасадочное пространство в зависимости от режима работы воздухонагревателя может соединяться либо с боровом и дымовой трубой, либо с воздухопроводом холодного дутья. Воздухонагреватель работает циклично. Цикл работы начинается с нагрева насадки. Для этого в камеру сгорания 4 через отверстие 2 принудительно подают газо-воздушную смесь, которая, соприкасаясь с раскалёнными стенами в нижней части камеры сгорания, воспламеняется и полностью сгорает в шахте камеры сгорания. Максимальная температура продуктов сгорания достигается в подкупольном пространстве 5, где газы, изменив направление движения на 180^о, устремляются сверху вниз через вертикальные каналы огнеупорной насадки 6, передавая ей своё тепло. Из вертикальных каналов насадки газы поступают в поднасадочное пространство 8, охлаждёнными до 200 – 400^о С и через отверстие 9 дымовых каналов поступают в дымовой боров и в дымовую трубу.

Передача тепла более нагретых газов менее нагретой огнеупорной  насадке происходит в основном конвекцией и лишь частично излучением. Поэтому чем выше скорость движения газов, чем больше поверхность их соприкосновения с насадкой и чем больше разность температур газов и насадки, тем интенсивнее протекает передача тепла. После окончания нагрева насадки воздухонагреватель переводят на нагрев дутья. Для этого специальными клапанами закрывают отверстия 2 и 9, отсоединяя воздухонагреватель от горелки и дымового борова, и через отверстие 1 соединяют поднасадочное пространство с воздухопроводом холодного дутья, а камеру сгорания через отверстие 3 с воздухопроводом горячего дутья. Холодный воздух от воздуходувной машины из поднасадочного пространства устремляется через каналы насадки и движется снизу вверх, отбирая тепло нагретой насадки. Из вертикальных каналов насадки нагретый до высокой температуры воздух выходит в подкупольное пространство, где изменяет направление движения на 180^о и через камеру сгорания и отверстие 3 поступает в воздухопровод горячего дутья, который соединён с кольцевым воздухопроводом доменной печи.

 В первый момент  после перевода из режима нагрева в режим дутья энтальпия насадки воздухонагревателя максимальна. Температуры купола и верха насадки тоже максимальны. По мере работы в дутьевом режиме насадка отдаёт тепло воздуху и её температура уменьшается. Когда температура верхних рядов насадки станет равной заданной температуре дутья, следует перевести в режим дутья новый нагретый воздухонагреватель, а остывший перевести в режим нагрева. Перевод воздухонагревателей осуществляется по программе: 1 час в режиме дутья, 2 часа в режиме нагрева. Работу воздухонагревателя в период нагрева насадки принято называть газовым режимом воздухонагревателя, а работу в период нагрева дутья – воздушным режимом воздухонагревателя.

Основные параметры  дутья

Автоматическая  стабилизация расхода кислородно-воздушного дутья

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

Принята система снабжения печей  дутьем, при которой каждая печь получает воздух от отдельной воздуходувной машины. Связь между доменной печью и ПВС осуществляется по телефону (телетайпу) и с помощью дистанционной сельсинной передачи; 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 давление, развиваемое машиной, 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 небольшое 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 шины: Возникает режим неустойчивой работы—режим «пом-пажа», 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, и поэтому, как правило, стабилизация расхода осуществляется этим методом, но если диапазон изменения расхода достаточно велик, то скорость машины может недопустимо возрасти. В этом случае приходится дросселировать воздушный поток.