Автоматизація доменного виробництва

Безупинне зростання потужності доменних печей і впровадження нових методів інтенсифікації технологічного процесу істотно підвищили продуктивність доменного виробництва і збільшили потоки сировини, енергії і продуктів плавки, що беруть участь у виробничому процесі. Сучасний доменний цех щодоби споживає понад 50 тис. т різних матеріалів, 100 млн. м3 повітря, приблизно 2 млн. т води і витрачає більше 20 тис. квт-г електроенергії. Значно ускладнилося керування доменним виробництвом, зросла кількість інформації, яку необхідно освоїти і використовувати для керування процесом. Збільшилося також число керуючих впливів і ускладнився вибір керувань, найбільш раціональних для даних умов. Аналіз інформації, що надходить, і вибір оптимальних керуючих впливів вимагають високої кваліфікації персоналу, що обслуговує печі. У цих умовах зростає необхідність упровадження систем автоматичного контролю і керування.

Системи контролю і керування роботою доменних печей поступово ускладнювалися – від найпростіших систем стабілізації окремих параметрів до локальних систем керування окремими режимами роботи печі і, нарешті, до комплексних систем керування всім доменним процесом.

Автоматичний контроль і стабілізація деяких параметрів доменного процесу зіграли у свій час велику роль у справі підвищення продуктивності й економічності роботи доменних печей. Упровадження локальних систем стабілізації витрати, температури і вологості гарячого дуття, тиску колошникового газу, нагрівання повітронагрівачів дозволило підвищити продуктивність доменних печей на 5 – 9% і отримати економію коксу 6 –7%. Крім того, локальні системи стабілізації полегшили працю металургів і підвищили загальну культуру виробництва.

Упровадження локальних систем керування, таких, наприклад, як системи автоматичного керування шихтоподачею, розподілу гарячого дуття і природного газу по фурмах доменної печі, автоматичне переключення і керування нагріванням повітронагрівачів і т.д., дало додатковий економічний ефект: продуктивність доменних печей збільшилася ще на 4–5%, а витрати коксу знизилися на 2–3%.

В даний час розробляється і впроваджується комплексна система автоматичного керування з застосуванням управляючих обчислювальних комплексів (УОК). До складу комплексної системи входять підсистеми керування шихтовкою і шихтоподачею, керування тепловим і газодинамічним режимами і керування ходом печі. За попередніми розрахунками, упровадження комплексної системи підвищить продуктивність печей на 9–11% і знизить витрати коксу на 12–14%. Незважаючи на високу вартість комплексної системи керування, термін її окупності менш двох років.

1. Доменний процес, задачі автоматичного керування

Основною технологічною задачею доменної плавки є відновлення залізних руд і одержання чавуну заданого складу і температури. Доменна піч відноситься до класу шахтних печей, у яких здійснюється шаровий режим роботи з противотечією оброблюваного матеріалу, що заповнює весь робочий об'єм печі, і гарячих газів, що фільтруються через порівняно щільні шари цих матеріалів.

Характерними рисами шарового режиму роботи печі є велика поверхня матеріалів, що піддаються тепловій і хімічній обробці, і в той же час невизначеність активної частини поверхні, що приймає участь у процесах тепло- і масообміну.

Причиною невизначеності є рух матеріалів, які у ході обробки змінюють розміри і форми кусків і перетерплюють зміни хімічного складу й агрегатного стану, що змінює умови фільтрації горнових газів через різні ділянки перетину печі. Іншою особливістю шарового режиму є те, що усі види теплопередачі (радіація, конвекція і теплопровідність) тісно переплетені і практично нероздільні. Це ускладнює теоретичні розрахунки процесів теплообміну й експериментальне визначення теплотехнічних характеристик доменних печей.

Зі сказаного вище випливає, що основний технологічний процес доменної плавки - відновлення заліза, незважаючи на свою хімічну природу, значною мірою залежить від теплового режиму, розподілу газового потоку в стовпі шихтових матеріалів і характеру руху шихти.

Основна задача автоматичного керування доменним процесом полягає в створенні найбільш сприятливих умов для протікання відновлювальних процесів. При цьому доменна піч працює з максимальною продуктивністю й економічністю при обмеженнях, обумовлених якістю сировини, потужністю повітродувних машин, ресурсами кисню, природного газу, станом печі, допоміжного устаткування та ін.

Основна задача керування може бути розділена на ряд локальних задач, рішення яких дозволяє вибрати і стабілізувати раціональні режими роботи печі. Зокрема, до цих задач відносяться:

1.Керування шихтоподачею.

2.Керування тепловим режимом печі.

3.Керування розподілом газових потоків у стовпі шихтових матеріалів.

4.Керування сходом шихти (ходом печі).

Хоча всі процеси, що протікають у печі, взаємозалежні, зазначені задачі у значній мірі автономні, і тому такий поділ достатньо обґрунтований.

На першому етапі автоматизації доменного виробництва стабілізуються окремі параметри процесу: витрата, температура і вологість гарячого дуття, тиск колошникового газу і т.д. На другому етапі вирішуються зазначені вище локальні задачі по вибору і стабілізації оптимальних режимів і, нарешті, останній етап керування процесом полягає в координації роботи всіх локальних систем з метою досягнення заданого критерію керування.

Для вирішення всіх зазначених вище задач у першу чергу необхідно вивчити особливості доменної печі як об'єкта автоматичного керування.

2. Доменна піч як об'єкт автоматичного керування

Виробництво чавуну є безперервним процесом, що протікає у всьому об'ємі доменної печі. Одержання робочої інформації про хід технологічного процесу з внутрішніх областей доменної печі практично неможливе. Тому для контролю за ходом процесу і керуванням використовуються непрямі показники, у звісній мірі відображаючі стан окремих ділянок (зон) доменної печі.

До таких показників відносяться, наприклад, склад колошникового газу, перепади статичного тиску по висоті шахти печі і т.д. Одержувана інформація є далеко не повною і не може відобразити вплив на процес безлічі факторів (число яких досягає 700). Тому багато явищ, що відбуваються у доменних печах, виявляються як випадкові функції часу.

Частина робочої інформації виходить нерегулярно і зі значним запізненням (аналіз хімічного складу сировини і продуктів плавки), частина інформації відображає минулий стан процесу (температура чавуну і шлаку, вміст кремнію в чавуні).

Мал. 1д. Схема керуючих впливів доменної плавки

Недостатність і запізнювання інформації ускладнюють керувння процесом плавки.

Слід зазначити ще одну особливість доменної печі як об'єкта автоматичного керування: технологічний процес проходить у всьому об'ємі печі, а керування зосереджені на границях шахти печі.

Керування "зверху" здійснюється на колошнику шляхом зміни умов завантаження, а "знизу", з фурменої зони, зміною параметрів дуття (мал. 1).

При кожному збуренні необхідно вибрати такий керуючий вплив, який вплинув би на стан деякої області печі, що далеко відстоїть від місця прикладання цього керування. Природньо, що це приводить до істотних запізнювань керуючих впливів; так,наприклад,зміна рудного навантаження на кокс позначається на тепловому стані горна доменної печі тільки через 5-6 год.

Разом з тим можна вказати деякі обставини, які здатні покращити роботу керуючих систем. Доменні печі, як правило, тривалий час працюють у стаціонарних виробничих умовах, виплавляють чавун однієї марки, працюють на ідентичній сировині, що дозволяє вибрати оптимальний для цих умов режим роботи. Задача систем керування полягає у виборі цього режиму і потім у компенсації флуктуацій вхідних параметрів процесу, які порівняно невеликі. Іншим сприятливим фактором є велика акумулююча здатність печі. Величезна маса матеріалів, що беруть участь у процесах масо– і теплообміну, сприяє згладжуванню впливів, що збурюють. У цьому піч як би є фільтром для збурючих впливів. Інерційність процесу дозволяє мати деякий резерв часу для вибору раціонального керування.

Складність і випадковий характер явищ, що протікають у доменній печі, ускладнюють аналітичне детерміноване описання процесу, тому для його ідентифікації часто використовуються методи математичної статистики і статистичної динаміки. Рівняння множинної регресії дозволяють із відомою помилкою прогнозувати деякі явища, а методи планованого експерименту і статистичної динаміки дають можливість оцінити усереднені динамічні характеристики доменної печі за різними каналами.

Оцінюючи труднощі одержання інформації, складність процесу, обмеженість можливостей керування, слід зазначити, що доменний процес досить керваний. Це доводиться практикою роботи технологів-доменників, що домагаються високих показників роботи могутніх доменних печей.