Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

ОАО «ММК». Доменная печь № 9. Регулирование температуры горячего дутья

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И. НОСОВА»

Кафедра промышленной кибернетики и систем управления

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине	Проектирование автоматизированных систем

на тему:	ОАО «ММК». Доменная печь № 9. Регулирование
	температуры горячего дутья

Исполнитель: Насекин И.Н. студент 4 курса, группа АМБ-09

Руководитель: Мухина Е.Ю., ст.преподаватель каф. ПК и СУ

Работа допущена к защите «_____»______________20___г. ________________

(подпись)

Работа защищена «______»___________20____г. с оценкой ___________ _____________

(подпись)

Магнитогорск, 2013г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И. НОСОВА»

Кафедра промышленной кибернетики и систем управления

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема:	ОАО «ММК». Доменная печь № 9. Регулирование
	температуры горячего дутья

Студенту	Насекин И.Н.

Исходные данные:	получены в доменном цеху ОАО «ММК» и в результате анализа
научно-технической	литературы и интернет-источников

Срок сдачи: «____»__________20___г.

Руководитель: _________________ /Е.Ю. Мухина/

(подпись)

Магнитогорск, 2013г.

РЕФЕРАТ

Тема курсового проекта: «ОАО «ММК». Доменная печь №9. Регулирование температуры горячего дутья».

Объем курсового проекта: количество страниц в пояснительной записке – двадцать одна, рисунков – два, формул – четырнадцать, использованных источников – шесть, листов графического материала – два.

ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ, ДУТЬЕ, ТЕМПЕРАТУРА, РЕГУЛИРОВАНИЕ, АВТОМАТИЗАЦИЯ.

Объект управления: доменная печь №9. Доменный цех.

Цель работы: создание типового контура регулирования температуры горячего дутья и ознакомление с государственными стандартами оформления технической документации.

Результат работы: спроектирована система автоматического регулирования горячего дутья на базе контроллера Simatic S7–400. Курсовой проект выполнен в соответствии с требованиями государственных стандартов оформления технической документации.

СОДЕРЖАНИЕ

с.

Введение 5

1 Автоматизация доменной печи № 9 в доменном цехе 6

1.1 Технология выплавки чугуна в доменной печи 6

1.2 Система управления доменной печи № 9 12

1.3 Схема автоматизации регулировани температуры горячего дутья

доменной печи № 9 13

2 Принципиальная электрическая схема контура регулирования температуры

горячего дутья доменной печи № 9 16

Заключение 19

Список использованных источников 20

Ведомость курсового проекта 21

на

отдельных

листах,

на диске

О.ЭА.220200.62.003.КП.13.С3. ОАО «ММК». Доменный цех. Доменная печь № 9. Регулирование температуры горячего дутья доменной печи. Схема автоматизации (CD-RW:С3 Насекин.dwg)

О.ЭА.220200.62.003.КП.13.Э0. Регулирование температуры горячего дутья доменной печи № 9. Принципиальная электрическая схема (CD-RW:Э0 Насекин.dwg)

ВВЕДЕНИЕ

Целью проектирования является: создание типового контура регулирования температуры горячего дутья доменной печи № 9 и ознакомление с государственными стандартами оформления технической документации. Данную систему регулирования используют в доменном цехе открытого акционерного общества «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»). Она обеспечивает в значительной мере автоматическое поддержание температуры горячего дутья на необходимом уровне, которое влияет на улучшение производительности печи.

Доминирующую роль в экстрактивной металлургии железа, как и в прошлом веке, сегодня уверенно сохраняет доменное производство, техника и технология которого непрерывно совершенствуются, качество шихтовых материалов повышается, топливо диверсифицируется и качество его повышается.

Промышленные технологии бездоменной металлургии чугуна пока уступают доменной технологии по масштабам производства, удельному расходу энергоносителей, себестоимости получаемого жидкого чугуна и техническому совершенству используемых агрегатов. Они также не являются альтернативой доменному производству. Выплавка чугуна этими процессами составляет менее 1% в общем его производстве. Таким образом, в ХХI в. доменные процессы остаются основными агрегатами экстрактивной металлургии железа, их технические характеристики и оснащенность улучшаются, технология доменной плавки и технологии подготовки шихтовых материалов и доменного топлива продолжают совершенствоваться [1].

1 АВТОМАТИЗАЦИЯ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ № 9 В ДОМЕННОМ ЦЕХЕ

1.1 Технология выплавки чугуна в доменной печи

Задачей доменного процесса является восстановление максимального количества железа из рудного минерала (получение чугуна), удаление пустой пароды, вредных примесей (получение шлака).

Доменная печь представляет собой шахтную печь, т. е. печь с вертикальным рабочим пространством, в котором происходят химические и другие процессы. Ее высота (до 35 м) примерно в 2,5 - 3 раза больше диаметра. Стенки печи выкладывают из огнеупорных материалов – в основном из шамота. Нижнюю часть горна и его основание (лещадь) выполняют из особо огнеупорных материалов – углеродистых (графитизированных) блоков. Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливают (примерно на 3/4 высоты печи) металлические холодильники, по которым циркулирует вода. Для уменьшения расхода воды (для крупных печей до 70 000 м³в сутки) применяют испарительное охлаждение, основанное на том, что поглощаемое тепло используется для парообразования. Кладка печи снаружи заключена в стальной кожух толщиной до 40 мм. Для уменьшения нагрузки на нижнюю часть печи ее верхнюю часть (шахту) сооружают на стальном кольце, опирающемся на колонны. Конструкция доменной печи представлена на рисунке 1. Восстановление железа из сырой руды или агломерата совершается непрерывно в горне доменной печи. Процесс восстановления железа сопровождается обогащением его углеродом, а также восстановлением находящихся в руде примесей кремния, марганца, фосфора, поглощающихся жидким шлаком. Жидкий чугун (удельный вес 6,9) накапливается в нижней части горна, а жидкий шлак (удельный вес 2,5) —на поверхности жидкого чугуна. Шлак выпускается из печи через шлаковую летку 15—18 раз в сутки, в жидкий чугун — через нижерасположенную чугунную летку обычно 5—6 раз в сутки.

1 — засыпной аппарат; 2 — газоотводы; 3 — защитные плиты; 4 — огнеупорная кладка; 5 — стальной кожух; 6 — кольцевые площадки; 7 — холодильники шахты; 8 — опорное кольцо; 9 — кольцевой воздухопровод; 10 — фурменный рукав; 11 — рабочая площадка; 12 — колонна; 13 — летка для чугуна; 14 — холодильники; 15 — летка для шлака; 16 — ось чугунной летки.

Рисунок 1 – Доменная печь

Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы, агломерат, кокс и др., загружают сверху при помощи засыпного (загрузочного) аппарата. Навстречу опускающимся материалам снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива (кокса), а также природного газа.

В доменной печи протекают следующие основные процессы.

Восстановление железа. Этот процесс происходит последовательно от высших оксидов к низшим и далее к чистому металлу : Fe₂O₃– Fe₃O₄– FeO – Fe.

Главными восстановителями железа в доменной печи являются оксид углерода и твердый углерод кокса. Оксид углерода образуется при взаимодействии углекислого газа с раскалённым коксом:

C + CO₂=2CO. (1)

Восстановление оксидом углерода называется косвенным (непрямым) восстановлением и происходит по реакциям:

3Fe₂O₃+ CO = 2Fe₃O₄+ CO₂+ Q, (2)

Fe₃O₄+ CO = 3FeO + CO₂– Q, (3)

FeO + CO = Fe + CO₂+ Q. (4)

Восстановление Fe₂O₃начинается при сравнительно низких температурах (400 – 5 000 °С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температурах около 900 – 9 500 °С.

Значение косвенного восстановления очень велико. В зависимости от условий работы печи оксидом углерода СО восстанавливается 60 - 80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом.
Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950 – 10 000 °С (зона распара печи) по реакции:

FeO + C = Fe + CO – Q. (5)

Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии:

FeO + CO = Fe + CO₂+ Q, (6)

CO₂+ C = 2CO– Q, (7)

FeO + C = Fe + CO₂– Q. (8)

Таким образом, при прямом восстановлении расходуется только углерод кокса, хотя реагентом, взаимодействующим с FeO, является оксид углерода СО. Непосредственное восстановление оксидов железа при контакте с углеродом кокса практически не происходит.

Уже в шахте доменной печи при температурах выше 400 - 5 000 °С наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание за счет оксида углерода СО по реакции:

3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂+ Q. (9)

Карбид железа Fe₃С хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образуется сплав железа с углеродом. С увеличением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального значения 11 470 °С при 4,3%. В зонах печи с высокими температурами – обычно в нижней части шахты – начинается плавление сплава. Жидкий сплав – чугун, стекая вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний, сера и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.

Восстановление других элементов. В доменную печь с шихтовыми материалами попадают марганец, кремний, сера и другие элементы в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства. Постоянными полезными примесями чугуна являются марганец и кремний, вредными – сера и фосфор.

Марганец – постоянная примесь железных руд. При выплавке чугунов с повышенным содержанием марганца в доменную печь загружается марганцовая руда. Высшие оксиды марганца восстанавливаются до оксида марганца MnO окисью углерода, аналогично окислам железа: MnO₂- Mn₂O₃- Mn₃O₄- MnO. Закись марганца восстанавливается твердым углеродом по реакции:

MnO + C = Mn + CO – Q. (10)

Эта реакция протекает при температурах выше 11 000 °С с поглощением тепла. Поэтому для восстановления марганца требуется увеличить расход кокса и температуру дутья. Например, при выплавке зеркального чугуна с 10-25% Mn расход кокса увеличивается в 2 - 2,5 раза. Значительная часть MnO находится в виде силикатов, из которых может быть выделена известью.
Таким образом, дополнительным условием для увеличения степени восстановления марганца является достаточное количество извести CaO в шлаке, т.е. его повышенная основность.

Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема SiO₂или в виде силикатов (SiO₂·2СaO и др.).
Восстановление кремния происходит из кремнезема SiO₂по реакции:

SiO₂+ 2С = Si + 2СО – Q. (11)

По-видимому, кремний восстанавливается из SiO₂и карбидом железа Fe₃C. Эта реакция протекает с поглощением тепла при температурах не ниже 14 500 °С. Поэтому для выплавки чугуна с повышенным содержанием кремния необходимо значительно увеличивать расход кокса и применять высокотемпературное дутье, обогащенное кислородом. Для увеличения количества свободного кремнезема в шлаке необходимо уменьшать в нем содержание извести CaО, т.е. понижать его основность.

Другие полезные примеси – никель, ванадий, титан и т.д. – попадают в доменную печь в виде примесей железной руды. При доменной плавке никель восстанавливается и переходит в чугун полностью, хром – на 85 - 95%, ванадий – на 70 - 80%.

Фосфор – вредная примесь железных руд находится в них главным образом в виде P₂O₅· 3СaO. Восстановление фосфора происходит окисью углерода СО, водородом, а также твердым углеродом. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью.

Сера – особенно вредная примесь в чугуне (а также в стали). Основное количество серы вносит кокс, часть – железная руда. В доменной печи 10 - 20% серы удаляется в виде соединений. Остальная часть серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS и др. Сульфид железа FeS хорошо растворяется в чугуне.

В условиях доменной плавки основным способом десульфурации, т.е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция CaS по реакции:

FeS + CaO = FeO + CaO + Q. (12)

Сульфид кальция CaS нерастворим в чугуне и находится в шлаке. Наиболее интенсивно эта реакция протекает при прохождении капель чугуна через слой шлака. Из этой реакции следует, что одним из основных условий удаления серы из металла является достаточное количество извести CaO в шлаке. Удалению серы способствует высокая температура в горне; с нагревом уменьшается вязкость шлака, что улучшает диффузию сульфидов и способствует восстановлению FeO. Часть серы удаляется с помощью MgO (всегда содержащемся в шлаке), а также марганца по реакциям:

FeS + MgO = FeO + MgS, (13)

FeS + Mn = Fe + MnS. (14)

Сульфид магния MgS нерастворим в металле, а сульфид марганца MnS растворяется незначительно. Широкое распространение получило внедоменное удаление серы из чугуна. При выдержке его в ковшах-чугуновозах и в миксере часть серы может переходить из металла в шлак в виде сульфида марганца MnS, так как растворимость этого соединения в металле при понижении температуры уменьшается. Такой способ дает хорошие результаты при содержании в чугуне более 2% Mn [2].

1.2 Система управления доменной печи №9

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:

управление шихтоподачей;
управление тепловым режимом печи;
управление распределением газовых потоков в столбе шихтовых материалов;
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. 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. 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. Схема управляющих воздействий представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема управляющих воздействий доменной плавки

1.3 Схема автоматизации регулирования температуры горячего дутья доменной печи №9

Схема автоматизации регулирования температуры горячего дутья доменной печи № 9 приведена на листе О.ЭА.220200.62.003.КП.13.С3.

На схеме изображены два контура регулирования температуры горячего дутья. Ниже представлено описание контура регулирования.

В качестве первичного измерительного прибора температуры используется термопара – ТПП 10 - поз.1а. Номинальное значение сигнала – 1200 °С.

Электрический сигнал с термопары подается на вторичный преобразовательный прибор, поз. 1б, типа ДИСК-250М-10R.

С вторичного прибора сигнал поступает на регулирующий контроллер, поз. РК, типа SimaticS7–400.

В качестве первичного измерительного прибор расхода используется сужающее устройство – диафрагма - поз. 2а, типа ДФК-4-30. Номинальное значение сигнала – 250 000 м³/m.

Пневматический сигнал с диафрагмы подается на вторичный преобразовательный прибор, поз. 2б, типа Метран-100ДД-1440.

Измеренная и преобразованная величина подается на регистрирующий прибор, поз. 2в, типа Диск–250-1221. С регистратора сигнал поступает на регулирующий контроллер, поз. РК, типа SimaticS7–400. Контроллер предназначен для построения современных АСУ ТП и позволяет выполнять оперативное управление с использованием персональных электронных вычислительных машин (ЭВМ), автоматическое регулирование, автоматическое логико–программное управление, автоматическое управление с переменной структурой, защиту и блокировку, сигнализацию, регистрацию событий.

Также на вход контроллера поступает сигнал (4–20 мА) с ручного задатчика типа РЗД–22, поз. 1в, который представляет собой регулируемый источник постоянного тока.

Контроллер SimaticS7–400 формирует ошибку рассогласования, которая равна разности между сигналом, формируемым преобразователями Метран–100ДД, поз. 2б и сигналом с задатчика РЗД–22, поз 1в, и по заданному закону регулирования формирует управляющий сигнал (4–20мА). Сигнал, выходящий с регулирующего устройства, по величине порядка 24В и, как правило, мощности такого сигнала недостаточно для приведения в движение исполнительного механизма. Поэтому этот сигнал усиливается с помощью преобразователя, поз. 2г, типа ПБР–3А.

Усиленный сигнал подается на исполнительное устройство – механизм электрический однооборотный (МЭО), поз. 2д, типа МЭО–100/63–0,63–99К.

В аварийной ситуации или в случае замены приборов схема предусматривает переход на ручное управление регулирующем органом. Для этого используется универсальные переключатели выбора режима («автомат», «ручное»), поз. SA и кнопка управления в ручном режиме, поз.SB.

Для визуального наблюдения за поведением регулирующего органа в систему включается дистанционный указатель положения. ДУП, переключатель выбора режима и кнопка управления в ручном режиме объединены в один блок ручного управления, поз.К, типа БРУ–32.

2 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЯЧЕГО ДУТЬЯ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ № 9

Принципиальная электрическая схема системы автоматического регулирования температуры горячего дутья представлена на листе О.ЭА.220200.62.003.КП.13.Э0.

Маркировка проводов осуществлена для контура регулирования температуры горячего дутья печи №9.

Входная величина (температура) измеряется с помощью термопары типа ТПП 10. Электрический сигнал с термопары подается на вторичный преобразовательный прибор, поз. 1б, типа ДИСК-250М-10R. Питание подводится из бока питания БП-36, входящего в комплект.

Входная величина (расход) измеряется с помощью преобразователя типа Метран–100ДД-1440, который состоит из преобразователя расхода (сенсорный блок) и электронного преобразователя. Датчики имеют унифицированный электронный преобразователь. Питание подводится из бока питания БП-36, входящего в комплект [3].

Измеряемая входная величина подается в камеру сенсорного блока и преобразуется в деформацию чувствительного элемента (тензопреобразователя), вызывая при этом изменение электрического сопротивления его тензорезисторов. Электронный преобразователь датчика преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал. С преобразователя сигналы с клемм 2, 4 поступают на регистрирующие приборы типа Диск–250, поз. 2в, на клеммы входа 1, 3. Диск–250 предназначены для отображения и регистрации различных параметров управления процессом.

Преимущества и конструктивные особенности приборов серии Диск–250:

универсальность: показания, регистрация, сигнализация, регулирование;
хорошо видимая издалека круговая шкала;
непрерывная линия регистрации на диаграммном диске;
светодиодная индикация включения прибора, обрыва датчика, состояния сигнализирующих и регулирующих устройств [4].

Сигналы 4–20 мА с клемм 5, 7 регистрирующего прибора поступают на вход регулирующего контроллера SimaticS7–400, поз. РК, на клеммы 3, 4 системного модуля SM431 (сигнальный модуль предназначенный для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов).

SimaticS7–400 - это программируемый логический контроллер для построения систем автоматизации средней и высокой степени сложности, представляющий собой комплекс технических средств, обеспечивающий решение задач автоматического регулирования и логического управления. Питание контроллера осуществляется при помощи блока питания PS 407 4A на 24В постоянного тока.

На клеммы 5, 6 системного модуля SM 431 контроллера подается сигнал задания с задатчика РЗД–22, поз. 1в, с клемм 5, 8. Задатчик ручной РЗД–22 рассчитан на применение в АСУ ТП и предназначен для выполнения ручной установки сигналов задания для стабилизирующих регуляторов и регуляторов соотношения. Питание задатчика осуществляется по клеммам 1, 2 из сети 220В.

Управляющий сигнал с контроллера снимается с клемм 3, 4, 5 системного модуля SM 432 и подается на вход блока ручного управления БРУ–32, поз. К, на клеммы 2, 8 и 14.

С выхода БРУ–32, поз. К, управляющий сигнал снимается с клемм 1, 3, 7 и подается на вход усилителя ПБР–3А, поз. 2г. Тиристорный усилитель используется для управления электрическим исполнительным механизмом. Электрическое питание - переменный трехфазный ток с напряжением 220/380, 260/400 или 240/415 В при отклонении от -15 до +10% и частотой 50 или 60 Гц при отклонении от -1 до +1 Гц [5].

С выхода усилителя, поз. 2г, сигнал поступает на исполнительный механизм, поз. 2д, который в свою очередь поворачивает заслонку, изменяя тем самым расход в фурме. Механизм предназначен для перемещения регулирующего органа в системах автоматического управления технологическими процессами в соответствии с командными сигналами автоматических регулирующих и управляющих устройств. Принцип работы МЭО заключается в преобразовании электрического командного сигнала, поступившего с регулирующего или управляющего устройства, во вращательное перемещение выходного вала. Питание МЭО осуществляется с помощью блока питания БСПТ–10, поставляемого комплектно с ним [6].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате спроектирован типовой контур автоматического регулирования температуры горячего дутья доменной печи № 9 на основе контроллера SimaticS7–400. Курсовой проект выполнен в соответствии с требованиями государственных стандартов оформления технической документации.

Использование спроектированной системы регулирования обеспечивает в значительной мере равномерность температуры горячего дутья, тем самым обеспечивая улучшение качества выплавки чугуна, и обеспечивает максимальную производительность печи.

Полученные результаты соответствуют целям, которые были поставлены в данном курсовом проекте, и способствуют усовершенствованию и улучшению автоматизации исследуемого объекта.

ОАО «ММК». Доменная печь № 9. Регулирование температуры горячего дутья 📙 Курсовая → 🆔 144062