yandex.metrica
Конвертерное производство

Автоматизация кислородно-конвертерного процесса

Высокопроизводительный кислородно-конвертерный процесс является одним из наиболее важных металлургических объектов автоматизации. Усовершенствование его управления необходимо для получения стали с заданными температурой и составом при максимальной экономичности плавки. Однако задача полной авто­матизации на основе совершенной модели процесса является крайне сложной и требует знания закономерностей воздействия множе­ства факторов: физико-химических, газо-гидродинамических и других, до настоящего времени недостаточно исследованных. Поэтому автоматическое управление вводится этапами и ограничивается пока главным образом применением статического метода.

Новые  конвертерные  цехи  оборудуют  автоматизированной  системой  управления  (АСУ),  которая  должна  обеспечить  управление  как  отдельными  технологическими  процессами  и  агрегатами,  так  и  производством  цеха  в  целом.  Составной  частью  такой  АСУ  является  автоматизированная  система управления  технологическим  процессом  плавки  в  кислородном  конвертере  (АСУ  ТП  “Плавка”);  подобные  АСУ  ТП  созданы  во  многих  ранее  построенных  цехах.

Основные  задачи  автоматизации  конвертерной  плавки  взаимосвязаны  и  должны  решаться  практически  одновременно.  К  ним  относятся:

  • Получение стали  заданного  состава,  заданной  температуры и  в  заданном  количестве.
  • Формирование шлака  необходимого  состава  и  количества, при  этом требуемая  основность  шлака должна  обеспечить  условия удаления  фосфора  и  серы,  а  требуемая  окисленность  должна обеспечить  максимальную  степень  дефосфорации  и,  одновременно, минимальные  потери  железа  в  шлаке.
  • Обеспечение максимальной  производительности  агрегата (минимальные  продолжительность  операции  и  потери  металла в  шлаке  и  отходящих  газах).
  • Минимальные затраты  на  процесс  (все  вышеперечисленное  должно  обеспечиваться  при  минимальном  расходе  кислорода,  шлакообразующих,  огнеупоров  (высокой  стойкости  футеровки) и  минимальных  затратах  рабочей  силы  на  обслуживание  систем  контроля  и  управления).

Организация  контроля  и  автоматизации  конвертерного  процесса  представляет  собой  очень  трудную  задачу.  Основными  причинами,  обусловливающими  эти  трудности,  являются  следующие:

  • В отдельные  моменты  продувки  скорость  окисления  углерода  достигает  0,3—0,5  %  С/мин.  Одна  марка  углеродистой  стали  от  другой  отличается  обычно  содержанием  углерода  на  0,05  %.  Такое  количество  углерода  может  окислиться  в  конвертере  всего за  6—10  с.  Таким  образом,  небольшая  ошибка  в  определении  момента  окончания  продувки  может  привести  к  получению  стали не  той  марки.
  • Для получения  металла  строго  определенных  температуры  и  состава  в  конце  операции  необходимо  учитывать  как  энтальпию  и  массу  материалов  в  начале  операции  (массу  чугуна  и  лома,  их  точный  химический  состав  и  температуру,  количество  тепла,  аккумулированного  кладкой  конвертера,  количество  и  состав  попавшего  в  конвертер  миксерного  шлака  и  т.  д.),  так  и  изменение  этих  параметров  по  ходу  продувки  (с  учетом  массы  и  точного  состава  всех  вводимых  в  конвертер  шлакообразующих,  количества  выделившихся  газов,  количества  окислившегося  и  улетевшего  с  плавильной  пылью  железа,  потерь  тепла  через  стенки,  с  охлаждающей  фурму  водой,  с  отходящими  газами  и  т.  д.).

Из  этого  следует,  что  при  проведении  конвертерного  процесса  необходимы  безотказно  действующие  датчики  для  определения  массы  заливаемого  чугуна,  взвешивания  лома  и  шлакообразующих,  измерения  температуры  и  состава  отходящих  газов,  расхода  кислорода,  подаваемого  для  продувки  металла,  и  т.  п.  Если  в  цехе  обеспечена  абсолютная  стандартность  от  плавки  к  плавке  состава  шихты  и  температуры  жидкого  чугуна  и  установлены  надежные  устройства,  обеспечивающие  точность  взвешивания  материалов,  то,  проведя  предварительно  расчеты  по  определению  количества  кислорода,  необходимого  для  окисления  примесей  и  количества  выделившегося  при  этом  тепла,  контролировать процесс  плавки  можно,  зная  лишь  количество  израсходованного  на  продувку  ванны  кислорода  (а  при  постоянном  расходе  кислорода  —  по  времени).  Необходимо  провести  серию  контрольных  плавок  для  уточнения  данных  о  режиме  шлакообразования  и  установления  количества  железа,  переходящего в  процессе плавки  в  шлак  и  удаляющегося  с  отходящими  газами.

Одним  из  основных  контролируемых  параметров  плавки  является  концентрация  в  ванне  углерода.  Получение  непрерывной  информации  о  количестве  окислившегося  углерода  возможно  в  том  случае,  если  точно  известна  масса  и  состав  металлической  шихты  в  начале  операции  и  состав  и  количество  отходящих  газов.

Весь  окислившийся  в  процессе  плавки  углерод  удаляется  из  конвертера  в  виде СО  и  С02.  Имея  точные данные  о  количестве  выделившихся  газов  и  их  составе,  можно  составлять  мгновенные  балансы  и  в  любой  момент  плавки  знать,  сколько  углерода  осталось в  ванне.  Однако  вследствие  тяжелых  условий  эксплуатации датчиков  в  зоне  высоких  температур  и  большой  запыленности

отходящих  газов  плавильной  пылью  данные  о  составе  и  количестве  газов  недостаточно  надежны,  чтобы  ими  можно  было  пользоваться  для  определения  момента  окончания  продувки.

При  проектировании  систем  контроля  и  регулирования  приходится  учитывать,  что  на  практике  от  плавки  к  плавке  изменяются  состав  чугуна,  лома  (обычно  известен  примерный  состав) и  добавочных  материалов.  По  ходу  кампании  изменяются  (в  связи с  износом)  и  размеры  конвертера,  соответственно  изменяется  количество тепла,  аккумулированного кладкой,  потери тепла  через кладку,  поверхность  ванны  металла  (по  мере  износа  футеровки поверхность  ванны  при  неизменной  массе  металла  возрастает, а  глубина  ванны  уменьшается),  изменяются  условия  подсоса в  полость  конвертера  атмосферного  воздуха  и  т.  д.  В  связи  с  этим  системы  автоматического  контроля  за  ходом  конвертерной  плавки пока  еще  не  всегда  позволяют  полностью  отказаться  от  визуального  контроля  (яркость  факела  отходящих  газов,  характер  вылетающих  искр  и  т.  п.)  и  от  отбора  проб  металла  и  замера  его  температуры.  Отбор  проб  и  измерение температуры  можно  проводить как  при  повалке  конвертера  (предварительно  для  этого  прекращают  продувку  и  поднимают фурму),  так  и  без  прекращения  продувки  и  повалки  конвертера.

На  рис.  1  представлена  схема  устройства  для  измерения температуры  ванны  и  отбора  проб  металла  без  повалки  конвертера,  разработанного  для  конвертеров  вместимостью  350—400  т.

Устройство  для  замера  температуры  ванны  и  отбора  проб  металла  без  повалки  конвертера

Рисунок  1.  Устройство  для  замера  температуры  ванны  и  отбора  проб  металла  без  повалки  конвертера

Это  достаточно  сложное  сооружение:  масса  фурмы  с  охлаждающей  водой  4700  кг,  масса  всей  установки  с  направляющей,  кареткой  и  с  механизмами  перемещения  составляет  57 т.  На  ряде  предприятий  температуру  ванны  измеряют  небольшими  термопарами  (термопарами-«бомбами»)  одноразового  использования,  которые  вводят  на  гибком  тросе  в  ванну,  измеряют  ее  температуру,  затем  термопары  вместе  с  концом  троса  отгорают  и  остаются  в  ванне.  Таким  же  способом  измеряют  активность  кислорода  в  металле.  В  конвертер  забрасывают  «бомбу»,  заключающую  в  себе  небольшую  термопару  и  прибор  для  замера  активности  кислорода  (активометр  или  кислородный  зонд).  Прибор  передает информацию о  температуре металла  и  активности  в  нем  кислорода  а [о]    и  сгорает.  Учитывая связь  между а [о]    и  содержанием в  ванне  углерода,  данные  замера  а [о]  могут  быть  использованы  для  ориентировочного  представления  о  содержании  в  металле  углерода.

Однако  датчиков,  при  помощи  которых  можно  было  бы  установить  содержание  в  металле  углерода  без  отбора  пробы,  пока  еще  не  создано.  Помимо  данных,  полученных  в  результате  отбора  проб  и  непосредственного  измерения  температуры,  по  ходу  плавки  автоматически  контролируют  следующие параметры:  давление,  расход  и  общее  количество  кислорода;  положение  фурмы над  уровнем  спокойной  ванны;  содержание  в  отходящих  газах  СО,  С02  и  02;  давление  и  расход  воды,  подаваемой  для  охлаждения  фурмы,  и  температура  воды  на  входе  и  выходе.  Разность температур  воды  на  входе  и  выходе  может  быть  использована для косвенного контроля температуры в  полости  конвертера. С этой же целью  используют  данные  о  некотором  «удлинении»  наружной трубы  фурмы  относительно  внутренней  «холодной»  трубы  вследствие  нагрева.  Системы  автоматического  управления  ходом плавки  выполняют  следующие  операции:

  • Получение информации  о  составе  шихты  и  расчет  необходимого  соотношения  и  количества  шихтовых  материалов  для  получения  стали  данной  марки.
  • Расчет количества  кислорода,  необходимого  для  окисления примесей,  а  также  расхода  охладителей  и  шлакообразующих.
  • Определение момента  ввода  в  ванну  добавок  охладителей и  шлакообразующих.
  • Регулирование интенсивности  подачи  кислорода  и  положения  (высоты)  кислородной  фурмы  по  ходу  плавки.
  • Автоматический контроль  температуры  и  состава  металла по  ходу  плавки.
  • Определение момента  окончания  продувки.

Существующие  АСУ  ТП  работают  в  статическом  или динамическом режиме  управления  процессом.  В  первом  случае  ЭВМ  выполняет  расчеты  по  статической  математической  модели  процесса.  Она  построена  на  использовании  только  известной  до  начала  плавки  информации:  в  ЭВМ  вводят  данные  о  составе  и  температуре  чугуна,  составе  шлакообразующих  материалов,  чистоте  кислорода,  состоянии  и  температуре  футеровки,  требуемых  составе  и  температуре  стали,  основности  шлака  и  др.  На  основании  этих  данных  по  заданной  программе  ЭВМ  рассчитывает  параметры  плавки,  не  являющиеся  функцией  времени, —  расход  чугуна  и  стального  лома, расход  шлакообразующих  и  кислорода,  программу  изменения  расхода  кислорода  и  положения  фурмы,  длительность  продувки  и  момент  ее  окончания.  Однако  точность  выдаваемых  ЭВМ рекомендаций  невелика,  так  как  в  реальных  условиях  ход продувки  отличается  от  стандартного,  заложенного  в  математическую  модель  процесса.

При  работе  в  динамическом  режиме  управления  ЭВМ  выполняет  расчеты  по  динамической  модели  процесса,  которая учитывает  как  исходные  данные,  так  и  получаемую  по  ходу продувки  текущую  информацию  о  параметрах  процесса  (составе  и  температуре  металла  и  др.).  С  учетом  этих  дополнительных  данных  ЭВМ  вырабатывает  динамические  управляющие воздействия,  выполнение  которых  обеспечивает  полную  автоматизацию  управления  ходом  плавки.  В  этом  случае  при  наличии  надежно  работающих  при  высоких  температурах  датчиков  будет  обеспечиваться  остановка  продувки  с  точным  получением  заданных  содержания  углерода  в  металле  и  его температуры.

Однако  проблема  создания  надежных  датчиков  для  контроля  всех  необходимых  параметров  конвертерной  плавки  пока не  решена.  Не  представляет  проблемы  контроль  при  низких температурах  множества  параметров  с  помощью  серийно  выпускаемых  приборов  (контроль  массы  материалов,  давления  и расхода  воды,  кислорода  и  других  газов,  расхода  сыпучих  материалов  и  др.).  В  то  же  время  непрерывный  контроль  параметров  высокотемпературной  конвертерной  ванны,  и  в  первую  очередь,  состава  и  температуры  металла,  пока  не  освоен,  хотя  работы  в  этом  направлении  ведутся  много  лет.  Основной  трудностью  при  этом  является  создание  датчиков, способных  длительное  время  работать  в  условиях  разрушающего  воздействия  высокотемпературных  сред  —  шлаковой  и газовой  фаз.  Поэтому  предложено  и  опробовано  много  косвенных  методов  контроля,  например  непрерывного  определения  содержания  углерода  по  количеству  и  составу  отходящих  газов,  уровню  шума  в  конвертере, интенсивности  излучения конвертерных  газов,  данным  о  вибрации  конвертера  и  др.

Однако  все  они  не  вышли  пока  из  стадии  промышленной  отработки.

В  настоящее  время  наиболее  надежным  методом  остановки  продувки  при  заданном  содержании  углерода  считают  применение  в  сочетании  с  ЭВМ  измерительной  фурмы-зонда,  вводимой  в  ванну  сверху  за  2—3 мин  до  окончания  продувки,  фурма-зонд  подобна  продувочной  фурме,  на  ее  конце  крепится  сменный  измерительный  блок,  а  внутри  проложен  кабель, соединяющий  блок  с  ЭВМ.  В  сменном  керамическом  блоке  имеется  термопара  для  замера  температуры  металла;  снабженная  термопарой  полость,  куда  затекает  металл  и  при  его  затвердевании  по  температуре  ликвидус  определяют  содержание  углерода;  полость  для  отбора  пробы  металла,  которую  анализируют  после  вывода  зонда  из  конвертера.  В  момент  погружения  зонда  в  ванну  данные  о  содержании  углерода  в  металле  и  его  температуре  поступают  в  ЭВМ,  что  позволяет  точно  рассчитать  расход  кислорода,  необходимого  для  окисления  углерода  до  заданного  содержания,  обеспечивая  остановку  продувки  точно  при  нужном  содержании  углерода.  При  повышенной  температуре  в  конвертер  вводят  охладители,  при  дефиците  тепла  вводят  теплоноситель  (например,  уголь,  ферросилиций),  что  позволяет  за  оставшиеся  2—3 мин  продувки  получить  требуемую  перед  выпуском  температуру  металла.

На рисунке 2 приведена принципиальная схема автоматического управления плавкой, разработанная ЦНИИЧМ. В электронно-вычислительную машину цифрового типа поступает информация о массе, температуре и составе чугуна, составе железной руды и извести, чистоте и давлении подаваемого кислорода, а также о времени простоя между плавками и степени износа футеровки конвертера. По этим данным машина рассчитывает количество кислорода, руды и извести, управляет включением и выключением дутья и дозировкой добавок.

Эта схема предусматривает использование данных о составе, количестве и температуре отходящих газов и некоторые другие текущие характеристики процесса, вводящие в систему управления элементы динамического контроля. Однако проблема динамического управления процессом с определением оптимального режима дутья и добавок на основе непрерывных измерений основных параметров процесса во времени находится еще в стадии разработки.

 

Схема автоматического управления конвертерной плавкой

1 — заливочный ковш; 2 — миксер; 3 — чугуновозный ковш; 4 — бункера сыпучих материалов; 5 — конвертер; б — сталеразливочный ковш; 7 — бункера легирующих и раскислителей; 8 — кислородопровод; 9 — котел-утилизатор; 10 — газоочистка; 11 — дымовая труба;

а — информация, вводимая в вычислительную машину ВМ вручную; б — информация, поступающая из экспресс-лаборатории ЭЛ (анализ стали); в — информация, поступа­ющая из квантометрической КВ (анализ чугуна и стали после раскисления); г — информация общецехового контроля ОК (анализ чистого кислорода); Дх—Д7 — информация о массе: Дх — чугуна, Д2 — руды, Д3 — боксита, Д4 — извести, Д5 — стали, Д6 — рас кислителей и легирующих, Д7 — скрапа: ех и е2 — информация о температуре: ех — чугуна, е2 — стали; жх—ж2 — информация об отходящих газах: жх — состав, ж2 — количество, ж3 — температура; з — данные о давлении, расходе и количестве 02; и — положение фурмы: к — излучение пламени над горловиной конвертера; Лх—Ла — ре­комендации вычислительной машины в пост управления конвертером ПК и миксером ПМ о требуемом на плавку количестве: Лх, Л2 — чугуна, Л3 — руды, Л4 — извести, Л6 — раскислителей, Лв — легирующих; м — рекомендации о количестве кислорода на плавку; н — сведения о текущем содержании углерода в металле; п — данные, поступающие для введения вручную из центральной лаборатории ЦЛ (состав руды, извести и шлака); Рх — Р5 — данные о составе проб: Рх — чугуна, Р2 — стали, Р3 — руды, Р4 — извести, Ръ — стали после раскисления; С — положение миксера; Т — положение конвертера; у — передача информации остальным конвертерам; ШМ — шихтовой двор металлических материалов; ШС — шихтовой двор сыпучих материалов.

Рисунок 2.  – Схема автоматического управления конвертерной плавкой: