Глава. 9 Автоматизация конвертерного процесса производства

стали

9.1.Технологические особенности конвертерного процесса как объекта автоматического управления

В настоящее время самым распространенным способом производства стали является кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой. Вместе с тем существуют процессы с донной продувкой кислородом и комбинированные процессы, в которых верхняя продувка дополняется нижней продувкой, например инертным газом. Процессы с комбинированной продувкой имеют существенные преимущества и поэтому их доля в конвертерном производстве стали будет увеличиваться.

Плавка в конвертере начинается с загрузки всего лома и части извести. Затем заливается жидкий чугун и начинается продувка ванны кислородом. Оставшуюся известь, руду (если она применяется) и плавиковый шпат, объединенные общим названием «сыпучие» даются несколькими порциями по ходу продувки. В конце плавки для охлаждения металла вместо руды может применяться известняк. Кислородно-конвертерный процесс протекает очень быстро: время собственно продувки в 100-350-тонных конвертерах не превышает 20-25 мин и определяется расходом кислорода (интенсивность продувки ванны кислородом достигает 5-8 м³/(т-мин) и имеет тенденцию к увеличению (получение заданной массы стали заданного состава и необходимой температуры). Для предотвращения насыщения стали азотом чистота дутья должна быть как можно больше (не менее 99,5% О₂).

В начале плавки активно окисляется кремний и марганец.

Во втором периоде плавки окисляется главным образом углерод и скорость обезуглероживания увеличивается в 2-2,5 раза по сравнению с начальной. При этом практически весь кислород, усваиваемый ванной (степень усвоения составляет 90-95%), расходуется на окисление углерода. В конце плавки скорость окисления углерода снижается. Продолжительность плавки в 100-300-т конвертерах составляет 40-50 мин.

Если проанализировать конвертерный процесс как объект автоматического управления (рис. 53), то можно выделить следующие управляемые величины, возмущающие и управляющие воздействия (вопросы контроля и регулирования охладителя конвертерных газов и газоочистки не рассматриваются).

Рис.53 – Структурная схема конвертерного процесса как объекта автоматического управления

1.Основные выходные управляемые величины (величины Х₁)-концентрация углерода, фосфора и серы в металле в процессе и в конце продувки, температура металла в процессе и в конце продувки; масса металла в процессе и в конце продувки.
2. Дополнительные выходные величины (величины Х_n ): окисленность металла в конце продувки, масса шлака; состав шлака, количество конвертерных газов, температура конвертерных газов; состав конвертерных газов.
3. Контролируемые возмущающие воздействия (величины Z₁): содержание в чугуне кремния, марганца, серы, фосфора; изменение температуры чугуна; интервал времени между плавками; содержание кислорода в дутье.       
4. Неконтролируемые возмущающие воздействия (величины Z_n содержание углерода в чугуне; состав сыпучих материалов; состав, размеры и температура лома; масса и состав попадающего в конвертер миксерного шлака.
5.Управляющие воздействия (величины U): масса, чугуна; масса лома; масса руды в каждой порции сыпучих; масса извести в каждой порции сыпучих; время ввода в конвертер сыпучих материалов; расход кислорода и расстояние между кислородной фурмой и уровнем спокойной ванны; продолжительность продувки.

К основным выходным управляемым величинам отнесены те величины, получение конечных значений которых является целью конвертерногопроцесса (получение заданной массы стали заданного состава и необходимой температуры). Основные и дополнительные выходные величины характеризуют состояние конвертерного как по ходу; так и в конце плавки и их значения определяются возмущающими и управляющими воздействиями. К дополнительным выходным величинам отнесены такие величины, значение которых не является целью управления процессом. Кроме перечисленных выше можно выделить еще ряд дополнительных величин, характеризующих ход и состояние процесса: скорость окисления углерода, скорость изменения температуры конвертерных газов, интенсивность шума конвертера, излучение пламени над горловиной конвертера (в конвертерах с дожиганием СО), вибрацию продувочной фурмы и др.

Возмущающие воздействия подразделены на контролируемые, (значения которых измеряются и известны в процессе плавки), и неконтролируемые, значения которых нецелесообразно или невозможно измерить. Все возмущающие воздействия, кроме содержания кислорода и давления дутья, действуют до начала процесса, поскольку относятся в основном к характеристикам шихтовых материалов. Управляющие воздействия призваны обеспечивать реализацию целей управления (получение стали заданного состава и температуры). Первые два управляющих воздействия (масса чугуна и лома) относятся к разовым (статическим), которые по ходу плавки изменить невозможно. Почти все остальные воздействия динамические, т. е. могут изменяться во времени по ходу плавки.

Главная задача управления конвертерной плавкой - получение заданного состава стали по углероду, что в основном сводится к определению времени прекращения продувки. Эта задача очень сложна, тем более, что обычно непосредственная информация о содержании углерода в металле отсутствует, а скорость выгорания углерода столь велика; что одна минута продувки приводит к получению другой марки стали. Выполнение задачи усложняется и тем, что скорость выгорания углерода существенно меняется по ходу продувки.

Другая задача управления заключается в получении к моменту достижения заданного содержания углерода необходимой по условиям разливки температуры стали (около 1600°С). Обеспечивается это предварительным расчетом количества охладителей (прежде всего лома, а также руды в завалку) и частично за счет присадок руды и известняка по ходу продувки. Некоторое влияние оказывает высота расположения кислородных фурм.

Требуемые дефосфорация и десульфурация обеспечиваются за счет получения нужного количества и состава шлака, что в основном определяется количеством извести на плавку.

Таким образом выбор управляющих воздействий сводится к определению:
1) количества чугуна и охладителей (лома, руды), которые нужно подать в конвертер для получения массы стали и ее температуры в заданных пределах;
2) рационального режима продувки, т. е. расхода кислорода, положения фурмы, времени присадок сыпучих материалов, обеспечивающих протекание процесса и минимальные потери железа с выбросами и шлаком;
3) количество шлакообразующих материалов, обеспечивающих заданный состав (основность) шлака и успешное протекание процесса дефосфорации и десульфурации;
4) момента окончания продувки при заданном содержании углерода.

9.2 Система автоматического управления конвертерной плавкой c применением управляющей вычислительной машины

В целом автоматического управления с применением управляющей вычислительной машины (УЭВМ) состоит из следующих функциональных частей:

1)узлов контроля и регулирования технологических и теплотехнических параметров;
2) обработки информации, т.е. передачи в вычислительную машину и передачи рекомендаций от машины обслуживающему персоналу;
3) управляющей вычислительной машины.

Схема системы автоматического управления представлена на рис.54.

Рис.54 – Схема автоматизации конвертера

Вся необходимая для управления информация поступает в УЭВМ и в пост управления конвертером ПК от автоматических датчиков с непрерывными и дискретными выходными сигналами и с пультов ручного ввода данных. Датчик с непрерывными (аналоговыми) выходами обеспечивают контроль температуры чугуна в ковше и стали в конвертере; анализ кислорода на чистоту, его давление перед фурмой и суммарный расход за продувку, контроль расхода Р_ух, температуры t_vx и разрежения газов, покидающих конвертер; контроль излучения пламени конвертера; контроль положения фурмы Л_ф и положения конвертера. По каналам с дискретными сигналами обычно передают данные о ма< па (ч, скрапа, стали, шлака, сыпучих материалов, легирующих добавок лд иные об анализе проб чугуна, стали, шлака, сыпучих материалов.

Данные анализов проб материалов из экспресс-лаборатории ЭЛ и центральной заводской лаборатории ЦЛ поступают через пульты ручного ввода.

Для получения стали заданной марки и плавки заданной массы пропорционируется соотношение исходных количеств скрапа и чугуна. Данные о массе скрапа в соответствующих тележках передаются в пульт управления миксером ПМ и оператор миксера при помощи автоматизированного весового устройства производит дозированный слив чугуна из миксера в ковш. При этом отбирается проба чугуна, которая поступает по пневмопочте в экспресс-лабораторию и анализируется в спектрометре на углерод, марганец, кремний, фосфор и серу. При выходе из миксерного отделения автоматизированной термопарой погружения измеряется температура чугуна в ковшах.

После поступления в УЭВМ всей информации о выше перпечисленных составах и масса машина рассчитывает рекомендации о количестве кислорода на плавку, руды как охладителя и шлакообразующих, которые индицируются на световом табло и регистрируются печатающим устройством.

Начиная продувку металла кислородом, оператор устанавливает задания, рекомендованные машиной на расход и количество кислорода, соответственно на регуляторе мгновенного расхода кислорода и сумматоре его количества. Взвешивание и подача материалов и добавок в конвертер по рекомендациям УЭВМ осуществляются автоматически по заданной программе и командам оператора. Продувка заканчивается после ввода в конвертер заданoго количества кислорода. Из агрегата отбирается проба стали и шлака и если конвертер не оборудован установкой непрерывного измерения температуры, то производится замер температуры стали термопарой разового погружения. Результаты экспресс-анализа передаются на пульт оператора и в УЭВМ. При удовлетворительном совпадении состава и температуры металла с требованиями технологии выплавки данной марки стали машина рассчитывает рекомендации на количества раскислителей и легирующих добавок. Окончательная проба стали для полного анализа отбирается в процессе разливки.

При управлении любым конвертерным процессом УЭВМ с помощью автоматического печатающего устройства обеспечивает регистрацию всей основной информации о каждой проведенной плавке и накопление в блоках памяти данных, которые используются для корректировки коэффициентов зависимостей при расчетах последующих плавок.

9.3 АСУ ТП выплавки стали

Как уже отмечалось, достаточно полная автоматизация современного конвертерного процесса выплавки стали невозможна без использования ЭВМ, которые входят в состав АСУ ТП. Функции АСУ ТП выплавки стали могут

сформулированы следующим образом).

Информационные и информационно-вычислительные функции

1.Измерение и контроль: температуры чугуна; количества сыпучих материалов; положения конвертера; положения продувочной фурмы; расхода кислорода на продувку и его количества, поданного от начала продувки; параметров кислорода (давление, чистота); параметров воды на охлаждение фурмы (давление, расход, температура); температуры металла в конвертере (непрерывное или разовое измерение); окисленности металла (непрерывное или разовое измерение): содержания углерода в металле; времени продувки с сигнализацией истечения заданного времени; расхода отходящих газов; состава отходящих газов (содержание СО, ССЬ, СЬ); температуры отходящих газов.

2.Расчетные функции: расчет металлической части ШИХТЫ И выдача рекомендаций по расходу чугуна и лома; расчет и выдача рекомендаций по расходу сыпучих материалов (известь, руда, плавиковый шпат); расчет и выдача рекомендаций по расходу ферросплавов; расчет общего расхода

кислорода на плавку: расчет екорости выгорания углерода (например по

расходу и составу отходящих газов); расчет текущего содержания углерода в металле (например, по балансу углерода); прогнозирование содержания углерода в металле по ходу и в конце продувки; прогнозирование температуры металла по ходу и в конце продувки; прогнозирование времени прекращения продувки; расчет технико-экономических показателей.

Управляющие функции

1.Управление: расходом кислорода на продувку; положением кислородных фурм; давлением в кессоне (в конвертерах без дожигания).

2.Управление процессами: дозирования и загрузки сыпучих материалов; продувки (динамическое); прекращения продувки (определение момента времени); додувки плавки.

Здесь отмечены, по существу, все возможные желательные функции контроля и управления. Б реальных АСУ ТП в разных цехах в зависимости от принятого в них уровня автоматизации и методов управления выполняются далеко не все из перечисленных функций. Например, не всегда используется

прогнозирование содержания углерода и температуры металла по ходу продувки, не применяется динамическое управление продувкой и т. д.

В целом АСУ ТП с УЭВМ в конвертерном производстве стали обеспечивает:

1) слежение за технологическим процессом, положением и состоянием оборудования;
2) автоматизированный и централизованный контроль и учет;
3) выдачу управляющих (задающих) сигналов в локальные системы автоматического управления или прямое цифровое управление соответствующими величинами.

Для функционирования АСУ ТП предусматривают следующие автоматические и автоматизированные системы оперативного технологического контроля и управления:

— автоматизированная система взвешивания чугуна в ковше;
— автоматизированная система измерения температуры чугуна;
— система автоматической подачи кислорода в конвертер (контроль и регулирование расхода и качества);
— система автоматического контроля и регулирования положения продувочной фурмы;
— система автоматического контроля положения конвертера;
— автоматизированная система измерения температуры и содержания углерода в металле (зонд);
— система автоматического контроля параметров кислорода и воды для охлаждения фурмы;
— система аварийной сигнализации основных технологических параметров процесса и автоблокировки работы оборудования;
—система автоматического аварийного прекращения продувки и извлеченияфурмы из конвертера;
—автоматизированная система дозирования и подачи в конвертер сыпучих материалов.

Работа отдельных АСУ ТП может проводиться в следующих режимах управления:

1) в режиме замкнутого управления от УЭВМ (оператор-дистрибугорщик только контролирует работу АСУ ТП);
2) в режиме программного управления, когда работа ведется по жесткой программе (дистрибуторщик вмешивается в работу отдельных систем последний период плавки);
3) автоматическая работа локальных систем, задание которым устанавливает оператор;
4) ручное дистанционное управление оператором всеми системами.

Различные системы могут работать в каждый данный момент с различным уровнем управления. Причем при переходе какой-либо системы к более низкому уровню управления все остальные системы продолжают работать с установленными для них уровнями управления. Непосредственная установка задания от УЭВМ (супервизорное управление) или прямое цифровое управление, в том числе с использованием микропроцессорных устройств обычно применяется для трех наиболее важных систем: дозирование и подача сыпучих материалов, регулирование расхода кислорода и регулирование положения кислородной фурмы. Большинство других систем автоматически передают в УЭВМ соответствующую информацию, которая обрабатывается УЭВМ и используется для расчета рекомендаций по ведению плавки и для отображения на соответствующих устройствах-дисплеях и световых табло.

Контрольные вопросы

1.В чем особенность конвертера как объекта автоматического управления?

2.Укажите основные и дополнительные величины при конвертерной плавке

3.В чем сущность АСУ ТП выплавки стали в конвертере?

Вернуться к началу главы

Вернуться к началу учебника