Автоматизация в дуговой электросталеплавильной печи

Содержание

Содержание              2

Введение              3

Общая характеристика дуговой сталеплавильной печи              4

Описание и конструкция дуговой              сталеплавильной печи              6

Дуговая сталеплавильная 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

В дуговых электросталеплавильных печах осуществляется одна из разновидностей процессов выплавки стали. Отличительной особенностью этого плавильного процесса является то, что генерация рабочего вида энергии процесса – тепловой энергии происходит за счет электроэнергии посредством горящих между электродами и металлом электрических дуг. В связи с этим системы автоматического контроля и управления дуговых печей имеют ряд сторон, общих для всех сталеплавильных процессов, а также и существенные различия в задачах и построении систем автоматики.

Электросталеплавильному производству принадлежит ведущая роль в производстве качественной и высоколегированной стали. Благодаря ряду принципиальных особенностей этот способ приспособлен для получения разнообразного по составу высококачественного металла с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и других вредных или нежелательных примесей и высоким содержанием легирующих элементов, придающих стали особые свойства – хрома, никеля, марганца, кремния, молибдена, вольфрама, ванадия, титана и других элементов.

Преимущества электроплавки по сравнению с другими способами сталеплавильного производства связаны с использованием для нагрева металла электрической энергии. Выделение тепла в электропечах происходит либо в нагреваемом металле, либо в непосредственной близи от его поверхности.

Электропечь лучше других приспособлена для переработки металлического лома, причем твердой шихтой может быть занят весь объем печи, и это не затрудняет процесс расплавления.

В электропечах можно выплавлять сталь обширного сортамента.

Общая характеристика дуговой сталеплавильной печи.

    Концентрированный ввод огромного количества тепловой энергии в сочетании с простотой регулирования подводимой мощности, широким набором технических и технологических средств ведения плавки является неоспоримым преимуществом дуговой сталеплавильной печи в сравнении с другими плавильными агрегатами. Кроме того, электросталеплавильная технология обеспечивает высокий уровень энергосбережения и значительно снижает нагрузку на окружающую среду, что обеспечивает возможность достаточно быстрой адаптации ДСП в самых различных географических районах и экономических условиях.

    Совершенствование и трансформация агрегатов, входящих в состав сталелитейного модуля, привели к коренному изменению технологических функций дуговой сталеплавильной печи, которые в настоящее время, в основном, сводятся к плавлению металлошихты, нагреву расплава, обезуглероживанию, дефосфорации и бесшлаковому выпуску жидкого полупродукта.

    Несмотря на существующие различия, дуговые электросталеплавильные печи имеют много общего в конструкции функциональных узлов и механизмов: корпуса( кожуха), футеровки рабочего пространства печи, рабочего окна с заслонкой, сталевыпускного отверстия, сливного желоба, электродержателей и электродов, уплотнителей электродных отверстий в своде(экономайзеры), люльки(опорного элемента дуговой электростале

    Несмотря на существующие различия, дуговые электросталеплавильные печи имеют много общего в конструкции функциональных узлов и механизмов: корпуса (кожуха); футеровки рабочего пространства печи; рабочего окна с заслонкой; сталевыпускного отверстия; сливного желоба; электродержателей и электродов; уплотнителей электродных отверстий в своде (экономайзеры); люльки (опорного элемента дуговой электросталеплавильной печи); портала; механизмов подъема и поворота свода; механизма выдвижения портала со сводом у печей серии ДСВ или механизма поворота корпуса печи; механизма наклона печи; механизма перемещения электродов; силовой электрической цепи («короткая» сеть) с печным трансформатором; пульта управления; приборов КИПиА; защитной и сигнальной аппаратуры; системы водоохлаждения элементов печи; системы газоочистки.

На рисунке показана современная дуговая электросталеплавильная печь с 200-тонной вместимостью. Она представляет из себя стальной кожух, выполненный в форме цилиндра со сферическим днищем, внутри которого имеется огнеупорная футеровка. Плавильное пространство печи закрывает съемный свод. Дуговая электросталеплавильная имеет выпускное отверстие со сливным желобом и рабочее окно. Питание производится трехфазным электрическим током. В качестве опоры для печи выступают два специальных опорных сектора, которые перекатываются по станине. Нагрев и плавление металла осуществляют мощные электрические дуги, горящие между тремя концами электродов и металлом в печи. При помощи реечного механизма производится наклон печи в сторону выпуска, а также рабочего окна.

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 (tкип=-195,8˚С), затем аргоном (tкип =-189,4˚С), вследствие чего остаток постепенно обогащается кислородом  (tкип=-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 180о, 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 – 400о 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 180о 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.

Отечественные заводы выпускают турбовоздуходувные машины с комбинированным управлением, что позволяет управлять расходом дутья в широких пределах. Для максимальной скорости вращения ротора машины предусматривается предохранительное устройство, выключающее подачу пара при достижении ротором максимально допустимых оборотов. Система безопасности предусматривает также отключение пара при появлении осевого сдвига, прекращении подачи масла и при других аварийных ситуациях.