Проектирование информационно-измерительной системы измерения температуры в сталеплавильной печи

1. Описание объекта измерения.

 

Рисунок 1 – Дуговая сталеплавильная печь (ДСП-180).

 1 – механизм наклона печи; 2 – фиксатор; 3 – насосно-аккумуляторная станция; 4 – механизм поворота портала; 5 – механизм перемещения электродов; 6 – печной трансформатор; 7 – вторичный токоподвод; 8 – электрододержатель; 9 – графитированный электрод; 10 – свод водоохлаждаемый; 11 – механизм подъема свода; 12 – полупортал; 13 – патрубок газоотсоса сводовый; 14 – стеновые водоохлаждаемые панели; 15 – корпус печи; 16 – люлька; 17 – сливной носок; 18 – фундаментная балка; 19 – фундамент.

 

Основные технические  характеристики, устройство и особенности  технологического процесса в современных  ДСП рассмотрим на примере ДСП - 180 ЭСПЦ ОАО «ММК», введенного в эксплуатацию в 2006 г.

Две дуговые сталеплавильные печи с номинальной емкостью 180 тонн каждая предназначены для расплавления и нагрева до заданной температуры жидкого расплава металла. Печи оснащены практически всеми современными устройствами для обеспечения ведения высокопроизводительного технологического процесса. Управление устройствами осуществляется автоматическими системами известных фирм VAI – FUCHS и SIEMENS.

Основные элементы оборудования ДСП-180 представлены на рис. 1.

Выплавку стали осуществляют в рабочем пространстве ограниченном водоохлаждаемым сводом, водоохлаждаемыми панелями, стенами и подиной из огнеупорного материала.

Куполообразный водоохлаждаемый  свод несет наибольшую функциональную нагрузку. В своде предусмотрены  технологические отверстия для  отвода плавильных газов, подачи сыпучих, ввода трех электродов и отбора импульса давления в рабочем пространстве.

Огнеупорная футеровка  подины и стен выполняется из основных огнеупоров (магнезитохромитовых и  хромомагнезитовых). Огнеупорная кладка подины и стен заключена в металлический защитный кожух, имеющий сферическое днище и небольшой выступ (эркер) на стороне сталевыпускного отверстия имеющего шиберный затвор. При выплавке стали в ДСП-180 используется различное сырье и материалы. Фракция используемых ферросплавов должна составлять 20-50 мм. В качестве шлакообразующих материалов используется обожженная известь собственного производства, известняк, сырой доломит, обожженный или ожелезненный доломит. Фракция извести должна составлять 10-40 мм. Содержание Са2 в плавиковом шпате должно быть не меньше 75%.

 

 

 

 

 

 

2. Разработка структурной схемы ИИС.

Для эффективного управления тепловым режимом процесса плавки стали в дуговых сталеплавильных печах (ДСП) большое значение имеет задача непрерывного автоматизированного контроля температурного режима плавки. В этом случае ведение процесса плавки становится прогнозируемым, что позволяет получить заданную марку стали с минимальными затратами. Используемые в настоящее время для измерения температуры термопары погружения позволяют получить информацию только в определенный момент плавки. Кроме того, данный метод требует достаточно большого расхода дорогостоящих термопар.

Целью работы является разработка относительно дешевого метода непрерывного измерения температуры жидкой стали.

Для этого предлагается использовать косвенный способ контроля по распределению температуры по толщине огнеупорной футеровки. В основе этого метода лежит измерение температуры по толщине огнеупорной кладки дуговой сталеплавильной печи с помощью термодатчиков, замурованных в кладку печи.

Этот способ был предложен для  контроля состояния огнеупорной  футеровки печи: ее толщины, тепловых нагрузок на кладку и холодильники. Но, в виду того, что обязательным условием определения толщины футеровки является знание еще двух параметров — температуры рабочей (печной) среды на горизонте установки термодатчиков и условий теплообмена этой среды с рабочей поверхностью футеровки (коэффициента теплоотдачи), так как эти параметры измерить или задать даже весьма приближенно не представляется возможным (они определяются ходом тепло- и массообменных, газодинамических процессов в объеме печи, особенностями распределения материалов и газов и так далее), то возможно использование этого метода для непрерывного контроля температуры жидкой стали в ДСП.

Для определения температуры рабочей среды на горизонте установки термодатчиков и коэффициента теплоотдачи предложено установить в кладку печи дополнительно не менее трех вкладных элементов из огнеупорных материалов с отличными друг от друга и материала кладки значениями коэффициентов теплопроводности и регистрировать температуры как в материале кладки, так и в каждом элементе.

 

Рисунок 2 – структурная схема  ИИС.

 

Структурная схема непрерывного контроля температуры жидкого металла, осуществляемого с помощью термопреобразователей, замурованных в кладку печи представлена на рис. 8.

Здесь датчики Д₁, Д₃, Д₅ – термопары, установленные соответственно на расстоянии 200, 400 и 600 мм от границы раздела сред «футеровка – жидкий металл». Датчики Д₂ и Д₄ – термопары, производящие дублирование сигнала в точках, наиболее приближенных к рабочей поверхности, в целях надежности получения информации. Датчик Д₆ – контрольная термопара погружения типа ТПР-0492, необходимая для проверки правильности расчета температуры металла, с помощью который измеряется температура  непосредственно в печи.

Сигналы с датчиков через нормирующие  преобразователи, в качестве которых  используются блоки усиления сигналов с термопар БУТ, поступают в блок контроллера БК микропроцессорного контроллера РЕМИКОНТ Р-130. Предварительно обработанные сигналы через кольцевую сеть «Транзит» поступают на ЭВМ. Для подключения контроллера к ЭВМ необходимо использовать блок шлюзов БШ-1, блок питания БП-21. Блок шлюзов представляет собой микропроцессорное устройство для связи сети “Транзит” с устройствами верхнего уровня. Значения температур, считанные термопреобразователями, обрабатываются по существующей математической модели (программе) на ЭВМ. После этого сигнал, пропорциональный рассчитанной температуре жидкого металла, через кольцевую сеть «Транзит» обратно поступает в блок контроллера Р-130, а далее - на Диск-250. На основании этой температуры осуществляется непрерывный контроль температуры жидкого металла в дуговой сталеплавильной печи

В качестве альтернативного метода измерения температуры можно рассмотреть измерение температуры шомпольным термозондом. Применять данный метод в своей работе не стал, поскольку счел его достаточно трудоемким по реализации, и по цене дорогостоящим.

Шомпольный термозонд  представляет собой устройство периодического действия, служащее для измерения интегральной интенсивности падающего теплового потока по температурному перепаду в стенке теплоприемника, охлаждаемого с внутренней стороны водой. Механический автооматизированный привод обеспечивает периодическую очистку наружной поверхности теплоприемника от любых отложений. Теплоприемник достаточно близок к теплоприемнику сферического излучения. Он имеет форму удлиненного цилиндра, причем рабочей является его боковая поверхность, это конструктивно облегчает очистку и дает возможность относительно просто путем увеличения длины теплоприемника практически полностью избавиться от стоков тепла, минующих его чувствительный элемент.

Конструктивные особенности

Термозонд состоит из трех основных узлов рис.3: водоохлаждаемого цилиндрического шомпола с чувствительным элементом на конце, водоохлаждаемой фурмы  пневмоцилиндра , приводящего в движение шомпол. Фурму устанавливают в кладке свода или стен печи, с кольцевым резцом  для очистки поверхности шомпола погружают в кладку до внутренней его поверхности или выдвигают в рабочее пространство. В отличие от станционарных тепломеров чувствительный элемент прибора выдвигает вместе с шомполом в рабочее пространство печи только на время измерения, а затем убирают до следующего замера внутрь фурмы. В результате кратковременного погружения шомпола в печь поверхности чувствительного элемента загрязняется незначительно, точность измерения не снижается. Небольшой налет плавильной пыли, брызг металла и шлака, успевший образоваться на цилиндрической поверхности чувствительного элемента во время измерения, очищают кольцевым резцом. Таким образом устраняется основное препятствие, мешавшее успешному применению водоохлаждаемых приборов полусферическому излучения в сталеплавильных печах. В принятой компановке термозонда жесткое соединение пневмоцилиндра с фурмой полностью освобождает кладку печи от усилий, развивающихся на штоке поршня при очистке шомпола.

Шомпол  охлаждается водой, поступающей к его штецерам по гибким шлангам. Чувствительным элементом шомпола служит дифференциальная батарея миниатюрных хромель-алюмелевых термопар , горячие и холодные спаи которых расположены на разных расстояниях от наружной поверхности шомпола в глухих концах соответственно наклонных и прямых отверстий , высверленных с торца термоцилиндра по всей его окружности. Таким образом, термобатарея фиксирует температурный перепад по толщине цилиндрической стенки термоцилиндра между заданными ее сечениями. Этот перепад температуры ∆t определяется удельным тепловым потоком, проходящим через стенку теплоприемника, который в свою очередь связан с величиной падающего теплового потока. Торец термоцилиндра  закрыт медным наконечником , наружный буртик которого защищает кольцевой паз , соединяющий все отверстия с трубками , служащими для вывода концов термобатареи.

 

Рисунок 3 – шомпольный термозонд.

 

 

 

 

 

3. Выбор первичных и вторичных измерительных преобразователей для ИИС измерения температуры в ДСП-180.

В выборе датчике было отдано предпочтение термопаре ТПР-0492. Данная термопара обширно используется в металлургии, так как имеет широкий диапазон измерения температур +600 до +1400°C, не чувствителен к химически агрессивным средам. Низкая погрешность измерения +0,0051(*). Габаритные размеры, и устройства датчика представлены на рис. 4.

Рисунок 4 – датчик ТПР-0492.

Также для реализации проекта потребуется блок усиления сигнала БУТ-30. Предназначен для  преобразования ЭДС от термопары  в токовый сигнал 0...5 мА, 0...20 мА, 4...20 мА с компенсацией термо-ЭДС свободных концов термопары.

Имеется возможность  настройки нуля и диапазона изменения  входного сигнала.

Технические характеристики представлены в таблице 1.

 

 

 

Параметры	Значение
Напряжение питания, В	=24
Количество каналов  усиления	2 или 4
Потребляемая мощность, не более, Вт при выходных сигналах   0-5мА  0(4) - 20 мА	1,9…2,8 2,6…4,6
Входной сигнал	Сигналы термопар ТХА, ТХП, ТВП, ТПР
Выходной сигнал	0…5, 0…20, 4…20мА
Гальваническая развязка каналов	индивидуальная
Вес	Не более 0,5 кг.

Таблица 1 – технические  характеристики БУТ 30.

 

Для возможности применения данного  метода необходимо наличие вычислительного  устройства, в качестве которого можно  использовать какой – либо из микропроцессорных контроллеров, таких как Ремиконт Р-130 или SIMATIC S7-300/400. Их работа организуется по принципу циклического сканирования и выполнения программы с фиксированным временем цикла. В основном все участки программы выполняются в строгой последовательности, и каждый участок выполняется периодически с периодом, равным времени цикла. Создание циклических процедур внутри основной программы сильно ограничено, так как это может привести к нарушению заданного времени цикла и привести к сбою контроллера. Поэтому для реализации данного метода расчёта температуры жидкой стали на микропроцессорных контроллерах требуется разработать такие разностные уравнения расчёта, чтобы исключить итерационные расчёты внутри цикла выполнения основной программы.

Так как задание итерационных вычислений внутри цикла контроллера не всегда возможно то в качестве “основного” цикла для реализации итерационного поиска используется цикл контроллера. В этом случае поиск производится путём последовательного приближения. Вычисляется значение функционала (3.1) и определяется направление поиска. Для этого находится знак выражения:

 

    (3.1)

 

При s>0 требуется уменьшать расчётное значение температуры жидкой стали, при s<0 – увеличивать. Шаг поиска находится в зависимости от величины I и весового коэффициента w:

 

k = w ^. I.        (3.2)

 

Аналогичным образом организуется поиск величины разгара футеровки.

Была проведена проверка предложенного метода в лабораторных условиях. Специально для чего была разработана физическая модель сталеплавильной  печи. По толщине футеровки были замурованы датчики температуры – термисторы. В качестве рабочей среды, температура которой измерялась, использовалась вода. Заданная температура воды поддерживалась нагревателем, управляемым регулятором.

На рис. 5 показано полученная расчетная и действительная температуры рабочей среды. Из графиков видно, что предлагаемый метод показал достаточно высокую точность измерения температуры и эффективность для непрерывного измерения температуры жидкой стали.

Также было проведено  испытание данного метода на реальном объекте. В течение 2,5 лет производили непрерывное измерение температур в трех точках по толщине огнеупорной кладки и регистрацию показаний автоматическим потенциометром. За все время эксплуатации не было случаев выхода из строя датчиков температуры, все термопары находились в работоспособном состоянии и давали достоверную информацию о распределении температур в футеровке печи.

Какие - либо кратковременные изменения  в режиме работы печи практически  не оказывали влияния на температуру  внутреннего (рабочего) слоя кладки вследствие ее высокой тепловой аккумулирующей способности. На основании анализа результатов исследований было принято целесообразным усреднить показания датчиков температур с интервалом, равным циклу выпусков жидких продуктов плавки.

В период опытно-промышленных испытаний в местах установки датчиков температур разрушения футеровки не наблюдалось, и колебания степени ее износа не превышали 5%, то есть они находились в пределах погрешности разработанного метода. Нормальное состояние футеровки косвенно подтверждалось и другими показателями, в частности перепадом температуры воды на входе и выходе из холодильников, состоянием брони и так далее.

Учитывая положительные  результаты опытно-промышленных испытаний  конструкции датчика и алгоритма  расчета показателей состояния футеровки, аналогичными системами оснащаются другие печи ММК. Места установки датчиков выбраны из соображений контроля параметров футеровки в зонах ее наиболее вероятного и существенного износа.