Новые средства контроля и оснащение доменных печей АСУ ТП

Категория:
Выплавка чугуна


Новые средства контроля и оснащение доменных печей АСУ ТП

Современные крупные доменные печи оборудованы автоматизированными системами управления с использованием ЭВМ и локальных систем программного логического управления. Применяемые системы отличаются большим набором выполняемых функций, уровнем технического математического и информационного обеспечения.

На рис. 1 показана схема расположения контрольно-измерительной аппаратуры. Измерения параметров комбинированного дутья, давления и температуры колошникового газа, а также уровня засыпи и температуры газа на периферии выполняются стандартными устройствами. К ним можно отнести и аппаратуру для непрерывного анализа колошникового газа, измерения химического состава и температуры продуктов плавки.

Из оригинальных средств измерения следует выделить термовизор и телекамеры инфракрасного излучения, установленные в куполе печи; зонды для измерения профиля поверхности засыпи шихты; горизонтальные зонды для измерения параметров газа на одном или двух уровнях под поверхностью засыпи; вертикальный зонд, вводимый черед купол печи, для контроля температурного поля и параметров газа по высоте печи; магнитометры для контроля толщины слоев шихты в верхней части печи и скорости ее перемещения; датчики для измерения износа футеровки по всей высоте печи, а также толщины гарниса-жа и настылей в верхней ее части; системы контроля за состоянием кожуха доменной печи; устройства для измерения давления по высоте печи на нескольких горизонтах, в том числе в зоне размягчения -плавления рудных материалов; телевизионные камеры для наблюдения за движением кокса в фурменных очагах.

Для непрерывного контроля за распределением температур на поверхности шихты на раде крупных доменных печей применяют термо-визионные установки типа “Спиротерм”. Такими установками оснащены в СССР доменные печи № 9 комбината “Криворожсталь” и № 5 ЧерМК.

Система “Спиротерм” состоит из измерительной головки со вспомагательным оборудованием, блока обработки и хранения информации и устройства отображения информации. Измерительная головка представляет собой детектор инфракрасного излучения и механизм сканирования, закрытые герметичным корпусом, и может быть полностью изолирована от печи с помощью специальной задвижки с пневматическим управлением. Датчик инфракрасного излучения защищен сапфировым иллюминатором, который постоянно обдувается сухим очищенным газом (например, азотом) с давлением, превышающем давление газа в печи. При остановке или кратковременном снижении давления дутья ниже заданного шибер закрывается автоматически и отделяет измерительную головку от атмосферы печи. Диапазон температур, измеряемых инфракрасным датчиком, составляет 50-900 “С, время одного замера 20 с. Блок обработки и хранения информации включает микроЭВМ, алгоритмическое и программное обеспечение. Результаты обработки информации выдаются на цветной дисплей или печатающее устройство.

С помощью клавишного переключателя на экране дисплея может быть выдано четыре вида информации: температурное поле на поверхностью засыпи, которое индуцируется как температура в каждой из 61 равновеликих зон; в зависимости от температуры меняется цвет отдельных зон; диаметральное распределение температур по двум взаим -ноперпендикулярным диаметрам (рис. 2); радиальное распределение температур в отклонениях температуры от средней температуры над поверхностью шихты; периферийное распредиление температур в отклонениях от средней температуры периферии.

Рис. 1. Схема расположения современных средств контроля: 1 – термовизор; 2 – контроль профиля засыпи и состава газа над ее поверхностью; 3 -горизонтальный зонд для контроля параметров газа; 4 – вертикальный зонд; 5 – отбор газа на .периферии; 6 – датчики давления газа и термопары в кладке шахты; 7 – термопары в плитовых холодильниках; 8 – телекамера фурменной зоны; 9 – расходомер горячего дутья (для каждой фурмы); 10 – пробоотборник газа из фурменной зоны

Рис. 2. Распределение температуры (t) по диаметру колошника поверхности засыпи (ЛО – номер – зоны)

Опыт эксплуатации термовизионных установок показал, что на основании информации о температуре над поверхностью засыпи можно получить качественную оценку радиального распределения газового потока, особенно при его значительной неравномерности, а также степени развития каналов в столбе шихты. Профиль поверхности засыпи шихты измеряют обычно с помощью отвеса, который опускается на шихту изд. вводимого в печь над уровнем засыпи горизонтального зонда. Этот способ контроля профиля шихты известен давно, но в последнее время его значительно усовершенствовали, благодаря автоматизации операций по перемещению зонда, опусканию и подъему груза по заданной программе с помощью микроЭВМ, что позволило до минимума сократить продолжительность измерений.

Разработаны профилемеры по типу микроволнового датчика. В нижней части трубы-зонда размещены антенна рефлекторного типа и микроволновая схема. Зонд, перемещаясь в радиальном направлении, излучает и принимает волны. Антенна для предотвращения налипания пыли обдувается азотом. Поступающая информация обрабатывается с помощью микроЭВМ. Несмотря на оснащение некоторых мощных доменных печей зондами, вводимыми в рабочее пространство над уровнем засыпи, и расположенными над шихтой стационарными балками для контроля температуры и состава газа по радиусу колошника, все большее распространение получают горизонтальные зонды, вводимые в печь под поверхностью засыпи на различных горизонтах (на одном или двух уровнях).

В СССР на доменной печи № 6 НЛМЗ успешно эксплуатируется система управления отбором и анализом газа по четырем взаимно перпендикулярным радиусам сечения верхней части’шахты на расстояний 1,5-2,0 м ниже уровня засыпи. Контролиру- : ются содержание СО, С02 и Н2 в газе и его температура. Отбор проб производят зондами, вводимыми в печь через амбразуры. Зонды автоматически перемещаются от периферии к центру печи одновременно по двум противоположным радиусам. При обратном движении происходит их остановка с отбором газа и измерением его температуры в шести точках по каждому радиусу. Пробы газа после очистки поступают в емкости для хранения и после выхода зонда из печи подаются на автоматические оптикоакустические газоанализаторы. Информация о контролируемых параметрах вводится для обработки в ЭВМ и выдается на печать в цифровом и графическом виде, а также регистрируется на диаграммах вторичных приборов в пульте управления. Здесь же размещена панель выбора режима работы системы и мнемосхема работы оборудования. Управление зондами, системой газораспределительных клапанов и последовательностью их работы осуществляет комплекс программно-логического у правлния KM-2401 серии КТСЛИУС.

За рубежом широкое применение получили горизонтальные зонды фирмы Данго и Диненталь, устанавливаемые в шахте печи на различном уровне под поверхностью засыпи (от 5 до 12 м). Считают, что в этой зоне поток газа параллелен стенкам печи и не перемешивается при движении вверх. Это позволяет более надежно оценить газораспределение в печи. С помощью зондов измеряют состав газа (содержание СО, СОг, Нг), его температура и статическое давление в заданных точках по радиусу печи. В зависимости от уровня расположения зондов их конструкции и параметры могут быть разлйчными.

На доменной печи завода в Швельгерне фирмы “Тиссен” (ФРГ) установлен вертикальный зонд, вводимый периодически в рабочее пространство печи через купол. Зонд разового пользования достигает температуры 1150-1200 °С. Получаемая при этом информация о распределении температурного поля используется для оценки протекания теплообменных и восстановительных процессов по высоте печи.

Японской фирмой “Кобе сейко” разработана система измерения степени разрушения футеровки доменной печи на основе многоэлементного термодатчика. Датчик состоит из набора чувствительных термопар, заключенных в общий цилиндрический кожух, размещенных параллельно друг другу и вмонтированных в днище кожуха. Система оснащена компьютером с математическим обеспечением для оценки степени разрушения футеровки огнеупорной кладки с использованием метода реакции на пусковой сигнал (РПС). Датчик одновременно измеряет изменения температуры в нескольких точках по толщине кладки, а метод РПС дает возможность оценивать остальную толщину футеровки посредством анализа инерционности, имеющей место при распространении в ней температурных измерений.

Рис. 3. Типы и характеристики горизонтальных измерительных зондов: а – Rk – 42; б – Ну – 267; в – Ну -210/425; г -Ну-210/550

Разработаны многоцелевые термодатчики, которые устанавливаются в кладку доменной печи при строительстве или капитальном ремонте. Эти датчики могут измерять также толщину гарнисажа и настылей на стенках печи. Защитная трубка изготовлена из жаропрочной стали, внешний диаметр трубки 40-60 мм, длина 500-1000 мм.

Фирма “Сумито киндзоку” (Япония) разработала систему контроля за состоянием кожуха доменной печи на основе термопар и приборов для измерения переноса тепла через кожух доменной печи. Аналогичные системы применяют в ФРГ. С помощью таких систем оцениваются тепловые нагрузки на кожух печи. Для этого в пли-тах-холодильниках на различных уровнях кольцевых секций вблизи от внутренней поверхности кожуха устанавливают термоэлементы. Данные обрабатывают на микроЭВМ и выдают на экран дисплея или печатающее устройство.

На доменной печи № 1 в Швельгерне (ФРГ) контролирует расход воды и перепад ее температуры на холодильниках в кольцевых зонах по высоте печи. Для этой цели используют компактные высокоточные расходомеры и термоэлементы. Система позволяет определять тепло-съем в различных зонах по высоте и окружности печи, более точно производить расчет теплового баланса доменной плавки, а также контролировать тепловые нагрузки на кожух. На ряде доменных печей в ФРГ на различных уровнях по высоте от верха шахты до заплечиков измеряют статическое давление газа с помощью специальных устройств. Особый интерес представляет контроль давления газа по высоте зоны размягчения, что требует специальной конструкции газоотборных устройств, исключающих залипание материалами отверстий, и позволяет оценить положение и протяженность этой зоны.

Японская фирма “Ниппон кокан” разработала высокоскоростную телевизионную камеру для наблюдения за состоянием кокса в фурменной зоне. Телекамера оснащена электронным прерывателем, обеспечивающим получение каждую 1 /30 с статических изображений движущихся с высокой скоростью частиц кокса. Принцип действия электронного прерывателя основан на периодическом воздействии на усилитель изображения импульсами высокого напряжения. Телекамеру устанавливают на входе воздушной фурмы и наблюдают изображение на экране. Кроме того, данные обрабатывают на микроЭВМ, которая выдает информацию о распределении частиц кокса по гранулометрии и траекториях их движения. Такие телекамеры при капитальном ремонте с реконструкцией установили на фурмах доменной печи № 4 объемом 4016 м3 завода фирмы “Кавасаки сэйтэцу” в Мид-зусиме (Япония).

Представляют интерес и новые разработки средств контроля положения зоны плавления в доменной печи, базирующиеся на применении индикаторов, рефлектометрии, вертикальном и горизонтальном зондированиии, измерении тепловых нагрузок на футеровку по высоте печи и др. Способы определения профиля зоны плавления с использованием различных индикаторов опробованы в Японии и Франции. Однако эти способы сложны и требуют точного учета времени нахождения индикатора в горне, при этом необходимо также знать скорости схода шихты в радиальном направлении.

В Японии на доменной печи № 2 объемом 4052 м3 завода фирмы “Ниппон кокан” в Огасиме применили автоматизированную систему непрерывного измерения уровня зоны плавления, разработанную на основе рефлектометрического метода. При этом методе в печь через трубу на колошнике вводят коаксиальные или многожильные кабели и опускают их вместе с шихтой до зоны плавления. По длине и скорости разматывания кабеля определяют скорость схода шихты, а по времени прохождения электрических импульсов до оплавленных концов определяют профиль зоны плавления. Другая японская фирма “Кавасаки сэйтэцу” предложила при использовании рефлектометрического метода вместо кабелей использовать гибкие световоды. В этом случае верхнюю границу зоны плавления можно определить по времени прохождения не только электрического, но и светового импульса.

Наибольшее распространение, особенно в Японии, получили методы контроля положения зоны плавления с помощью зондирования. Разработан ряд зондов, в которых размещаются различные датчики: термопары, пирометры, датчики давления, газоанализаторы, световоды и др. В ФРГ и Японии разработаны способы определения профиля зоны плавления по данным о распределении тепловых нагрузок на стенку печи и вертикальном распределении температур плитовых холодильников. На базе современных измерительных средств, разнообразной вычислительной техники, математических моделей и технических устройств отображения информации создаются комплексные иерархические автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) доменных печей, АСУ ТП в первую очередь оснащают мощные доменные печи, так как эффективность их применения на крупных агрегатах выше и срок окупаемости меньше.

Так, на доменной печи № 3 объемом 5050 м3 завода фирмы “Сумито киндзоку” в Касиме, Япония, функционирует система управления технологическим процессом с центральной-ЭВМ и связанной с нею миниЭВМ для управления шихтоподачей. АСУ ТП управляет загрузкой шихтовых материалов и работой воздухонагревателей; производит сбор, обработку и анализ данных о рабочих параметрах доменной печи с их индикацией и представлением на экранах дисплеев в удобном для восприятия виде; осуществляет контроль состояния оборудования; выдает рекомендации по управлению тепловым состоянием доменной печи с возможностью перехода в замкнутый режим управления; обрабатывает и передает данные о количестве, составе и температуре чугуна в сталеплавильный цех; управляет работой чугуновозных ковшей миксерногб типа. Особенностью АСУ ТП является наличие подсистемы АСУ тепловым состоянием доменной печи с математической моделью, разработанной фирмой. Структурная схема АСУ ТП доменной печи № 3 в Касиме приведена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема АСУ доменной печи № 3 объемом 5050 м3 в Касиме, Япония: 1 – доменная печь; 2 – чугуновозный ковш миксерного типа; 3 – воздухонагреватели; 4 – загруктный конвейер; 5-7 – бункеры для шихтовых материалов; 8 – пульт управления шихтоподачей; 9 – миниЭВМ для управления шихтоподачей; 10 – дисплей (6 компонентов); 11 – печатающее устройство (4 компонента); 12 – линия связи главной ЭВМ с миниЭВМ; 13 – память на магнитном барабане; 14 – память на магнитных дисках; 15 – главная ЭВМ управления доменной печью; 16 – пульт управления доменной печью и воздухонагревателями; 17 – каналы связи с главной ЭВМ; 18- АСУ доменными печами № 1 и 2; 19 – АСУ складом шихтовых материалов; 20 – АСУ кислородными конвертерами; 21 – АСУ работой экспресс-лаборатории

АСУ ТП осуществляет связь с АСУ доменными печами 1 и 2, АСУ складом шихтовых материалов, АСУ кислородными конвертерами и АСУ работой лаборатории для анализа шихтовых материалов. Функции системы подразделяют на три группы: кратковременные (5-15 мин) – сбор информации для обработки данных и управления процессом; средней длительности (около суток) – ежесуточный отчет; большой длительности (месяц и более) – ежемесячный отчет, анализ работы печи, выявление низкочастотных тенденций. МиниЭВМ в системе шихтоподачи управляет взвешиванием материалов и осуществляет корректировку возможных ошибок взвешивания. Имеется устройство для дистанционной автоматической калибровки весов, которая производится с помощью миниЭВМ.

Математическая модель теплового состояния доменной печи прогнозирует темпера -туру чугуна на основе моделирования теплообменных процессов в пяти зонах по высоте печи: предварительного подогрева шихты на колошнике; восстановления Fe203 в верхней части шахты; восстановления Fe304 в средней части шахты; восстановления FeO в нижней части шахты, распаре и верхней части заплечиков; пла&ления рудных материалов и горения кок£а. По непрерывно поступающим данным о шихтовых материалах, составе и температуре колошникового газа и других параметрах работы печи рассчитывается скорость протекания реакций в каждой зоне и с учетом подводимого и отводимого тепла и тепла реакций производится оперативный расчет теплового баланса для определения температур материалов и газа в каждой зоне. Расчетная температура материалов в пятой нижней зоне используется для’прогноза температуры чугуна. Управление тепловым состоянием доменной печи обычно осуществляется путем измерения подачи мазута и реже измерением содержания влаги в дутье. Отмечается, что при использовании математической модели для управления тепловым состоянием доменной печи стабильность состава чугуна и его температуры заметно возрастает. В результате удалось понизить температуру чугуна на 15 °С и содержание кремния в чугуне на 0,15%, что позволило значительно сократить расход топлива.

Представляет интерес комплексная автоматизированная система управления доменной печи № 6 объемом 4500 м3 завода фирмы “Кавасаки сэйтэцу” в Тибе, Япония. Иерархическая структура АСУ ТП представлена четырьмя уровнями управления: первый уровень – автоматический контроль на базе измерительных средств, преобразование, представление данных и ручное управление; втррой уровень – дистанционное управление и локальное цифровое управление; третий уровень – локальное цифровое управление с помощью микроЭВМ и систем программного логического управления; четвертый уровень – оптимальное управление технологическим процессом с применением ЭВМ. Функции в этой иерархической системе управления реализуются с помощью 15 локальных систем программного логического управления, 10 микроЭВМ и одной центральной ЭВМ для управления процессом.

Системы программного логического управления осуществляют управление подготовкой и дозированием шихты; управление транспортировкой шихтовых материалов и загрузкой (печь оснащена бесконусным загрузочным устройством фирмы “П. Вюрт”, Люксембург); управление циклической работой воздухонагревателей и оборудованием газоочистки.

Системы микроЭВМ производят сбор и обработку данных измерений, функционирование отдельных подсистем и оборудования доменной печи, воздухонагревателей, газоочистки и другого вспомогательного оборудования. С помощью микроЭВМ регулируют расход дутья, его температуру и влажность, давление на колошнике, а также расход мазута и кислорода; осуществляют контроль температуры во многих точках печи (около 300), в том числе’охлаждающей воды. МикроЭВМ управляет работой чугуновозов микросерного типа, включая взвешивание чугуна.

Доменная печь оснащена современным контрольно-измерительным оборудованием: стационарным зондом дляконтроля распределения температуры газа над поверхностью засыпи; горизонтальным перемещающимся зондом под уровнем шихты для измерения температуры и состава газа по радиусу печи; камерой инфракрасного излучения для контроля распределения температуры над поверхностью шихты; радиолокационным зондом для замера уровня засыпи шихты; телевизионной камерой для наблюдения за шихтой на колошнике и др. Управление технологическим процессом на основе поступающей информации выполняет центральная ЭВМ типа ЕДИК-1000, которая производит также балансовые расчеты. С целью экономии затрат на измерительное оборудование в системе применяется главным образом сканирующий метод, который предусматривает подключение многочисленных точек измерения с помощью небольшого числа измерительных преобразователей.

Для оценки состояния процесса применяют оригинальный метод “GO-STOP”, который представляет собой контрольно-диагностическую систему. Суть его заключается в общем анализе информации, основанном на логической формализации действий опытного оператора. Анализируется ~ 20 основных параметров работы печи, которые объединяются в восемь групп и в удобном для восприятия виде выводятся на экран дисплея. Основная задача этой системы – заблаговременное обнаружение отклонений технологических параметров от их оптимальных значений.

На отдельных доменных печах за рубежом внедрены АСУ ТП воздухонагревателей в виде полностью автоматизированных систем. Так, на одной из доменных печей фирмы “ФЁСТ-Альпине” в Линце, Австрия, с помощью цифрового вычислительного устройства оптимизирован режим работы воздухонагревателей в зависимости от заданной температуры и расхода дутья, применяемого топлива и других параметров. ЭВМ на базе данных о составе доменного газа определяет минимальный тепловой резерв, необходимый для поддержания заданной температуры дутья, а также расход воздуха горения с учетом содержания кислорода в дымовых газах. Наряду с повышением степени использования воздухонагревателей, задачей системы является обеспечение минимального расхода на нагрев дутья. Оптимизация режима работы воздухонагревателей позволила сократить потребление энергии на нагрев дутья на 6% и увеличить КПД воздухонагревателей на 2-4%. В СССР на доменной печи № 6 объемом 3200 м3 HJIMK, оборудованной конвейерной системой подачи шихты на колошник и бесконусным загрузочным устройством, внедрена автоматизированная система контроля и управления технологическими процессами с использованием ЭВМ, разработанная ВНИПИ САУ (Минприбор СССР) совместно с комбинатом и другими привлекаемыми организациями.

АСУ включает управление шихтоподачей, индикацию вида и положения материалов на главном конвейере, централизованный контроль за ходом доменной печи с отображением информации на главном щите управления, регулирование технологических параметров, управление отбором и анализом газа по радиусу печи и др. Система выполнена на базе двух специализированных комплексов многоканального регулирования технологических параметров, пяти специализированных комплексов технических средств локальных информационных и управляющих систем (KTC ЛИУС) и двух вычислительных комплексов серии ACBT-M. АСУ “Шихтоподача” предназначена для дозирования шихтовых материалов в весовые воронки в соответствии с заданием, при этом производится автоматическая коррекция дозы кокса с учетом предыдущего фактического веса, а также его влажности. Система осуществляет контроль и протоколирование работы механизмов шихтоподачи, продолжительность набора материалов в весовые воронки. По специально разработанному алгоритму производится управление выгрузки материала с целью формирования порции на конвейере с заданными параметрами. Оперативная информация о ходе загрузки и работе механизмов шихтоподачи отображается на экране дисплея в центральном пульте управления, отчетные данные о расходе шихтовых материалов выдаются на печатающее устройство. Система централизованного контроля (СЦК) осуществляет сбор и обработку основной информации о работе печи и на ее базе производит решение ряда функциональных задач, а также ведет протоколирование данных. Одной из основных задач СЦК является формирование базы данных, что достигается выполнением следующих операций: приоритетного опроса измеряемых параметров и его периодичности, усреднением и сглаживанием информации, определением периодичности и последовательности расчета теоретических параметров. Связь между базой данных и прикладными технологическими задачами осуществляет друсто-ронний унифицированный интерфейс.

Из технологических задач следует отметить оптимизацию режимных параметров путем моделирования процесса при различных комбинациях входных переменных, а также корректировку масс кокса и флюса при изменении условий работы печи. С помощью математической модели, основанной на уравнениях тепло- и массообмена, теплового и материального баланса, а также эмпирических соотношений, оценивается развитие тепловых и восстановительных процессов, прогнозируется изменение параметров плавки при изменении состава шихты и комбинированного дутья. По результатам моделирования технолог выбирает лучшие значения режимных параметров для данных конкретных условий работы печи. Результаты прогноза выводятся на экран дисплея или на печатающее устройство. Математическое обеспечение АСУ ТП доменной печи разработано совместными усилиями УПИ, НЛМК, ВНИПИ САУ и ИЧМ. Система регулирования технологических параметров создана на базе многоканального комплекса KM 2201 KTC ЛИУС. Эта система осуществляет автоматическое регулирование температуры горячего дутья, температуры купола воздухонагревателей, давления газа на колошнике, расхода природного газа, вдуваемого в печь и др. Система управления отбором и анализом газа по радиусу печи контролирует содержание СО, С02 и Н2 в газе и его температуру. Данные для обработки поступают по межмашинной связи в СЦК, где рассчитывается степень использования оксида углерода по радиусу печи, формируется и выдается на печатающее устройство значения измерительных и рассчитанных величин и график их распределения по четырем радиусам.

Использование различной информации, выдаваемой АСУ, позволяет технологическому персоналу более качественно управлять процессом. Внедрение АСУ на доменной печи № 6 HJIMK с использованием ЭВМ на различных уровнях обеспечило снижение расхода кокса на 2,6% и повышение производительности агрегата на 2,7%. Позднее в комплексе АСУ доменной печи № 6 HЛMK на базе разработок ИЧМ и комбината ввели в промышленную эксплуатацию еще две подсистемы: технологической диагностики ровности хода печи и контроля разгара огнеупорной футеровки металлоприем-ника. В качестве критериев ровности хода печи выбрали показатели, характеризующие окружное и радиальное газораспределение, газопроницаемость столба шихтовых материалов в печи, использование тепловой и химической энергии газового потока и др. Исходными данными диагностирования являются отклонения от статистически установленных оптимальных параметров работы печи. Подсистема контроля разгара футеровки металлоприемника учитывает кроме теп-лосьема температуру поверхности футеровки со стороны холодильников металлоприемника. Для ее изучения установлены хромель-алюмелевые термопары, заглубленные на 20 мм в углеродистые блоки футеровки. Оснащение мощных доменных печей современными средствами контроля и АСУ ТП облегчает управление плавкой, позволяет вести процесс в оптимальных режимах и значительно повысить эффективность выплавки чугуна.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум