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

Контролируемая  величина.	Название контроля.	Способ контроля.
Давление холодного и горячего дутья в кольцевом воздухопро- воде ; разность давлений между кольцевым воздухопроводом  и шахтой печи, между кольцевым  воздухопроводом и колошником, между  шахтой печи и колошником.	Определение сопротивления  столба шихты, прогнозирование нарушений схода шихты(подвисаний), определение зон с повышенным сопротивлением газовому потоку(низ или верх печи); верхний перепад 0,038—0,040 Мн/м2 (0,38—0,40 кГ/см2) характерен для тугого хода печи; перепад 0,033—0,034 Мн/м2 (0,33—0,34 кГ/см2) близок к условиям нормального хода.	Манометры и дифманометры( давление дутья на 0,12-0,15 Мн/ , или 1,2-1,5 кГ/с -большое давление на колошнике; перепад давления в нижней части печи ~65%, в верхней части ~35% от общего перепада по высоте печи); отбор давления в средней части шахты устройством типа «раструб», возможен также отбор давления через штуцер в кожухе печи без выполнения отверстия в кладке.
Давление природного газа.	Предотвращение снижения давления природного газа ниже давления дутья и попадания горновых газов в газопровод.	Манометр (давление газа на 0,15— 0,25 Мн/м2, или 1,5—2,5 кГ/см2, больше давления дутья).
Температура в фурменной (1400- -1800°С).	Оценка теплового состояния  низа печи (t очага горения выше t верхнего шлака на 80—190 град, зависимость между температурой фурменного очага , °С, и содержанием кремния в чугуне на выпуске [Si], %, имеет вид [Si]≈0,00125 - 1,227); оценка хода печи (при ровной работе фурм температура изменяется на ±30 град, при нарушениях работы печи колебания достигают 150—200 град).	Радиационные пирометры(или  тепломеры полного излучения) в комплекте с электронным потенциометром
Температура периферийных газов над уровнем засыпи и  под ней.	Контроль распределения  газового потока по секторам печи (число секторов соответствует числу фурм).	Термопары гр. ХА в кладке печи, многоточечные электронные потенциометры.
Температура и состав газов по радиусу колошника	Контроль радиального  распределения газового потока; температура у стен 400— 600° С, в центре 600—800° С, содержание С02 у стен ~5%, в центре- 9,5%, на расстоянии 1,15м от стен (СО2)max=13%	Термопара гр. ХА или газоотборная труба, приводимые в движение лебедкой.
Температура колошникового  газа по четырем газоотводам печи (190-490 °С).	Контроль распределения  газового потока по четырем секторам печи.	Термопара гр. ХА в комплекте  с многоточечным потенцио- метром.
Температура чугуна (1420—1475°  С) и шлака (1500—1550° С) на выпуске.	Контроль теплового  состояния низа печи.	Температуры погружения на чугунном и шлаковом желобах.
Состав колошникового  газа (12— 20% С02, 22—27% СО, 2—7% Н2).	Контроль развития процессов .прямого и косвенного восстановления и использования химической энергии  газов .	Газоанализаторы оптико-акустические на С02 и СО и термокондуктометриче- ский на Н2; отбор газа на анализ - после пылеуловителя.
Температура охлаждающей  воды, разность температур воды на входе  и выходе системы охлаждения	Контроль работы системы  охлаждения, оценки потерь тепла.	Термометры сопротивления в комплекте с электронными мостами; термисторы.
Температура кладки.	Контроль состояния  кладки.	Термопара гр. ХА, многоточечные  электронные потенциометры.
Расходы и давления охлаждающей  воды, пара, сжатого воздуха.	Контроль непрерывности  подачи, учетные цели.	Манометры и дифманометры(в  комплекте с диафрагмами)