35

Автоматизация кислородно-конвертерного производства стали

Начиная с 2009 года производство стали на Украине в кислородных конвертерах превзошло ее производство в мартеновских печах, которые к тому времени были основными сталеплавильными агрегатами отечественной металлургии. В 2013 году в Украине останется всего 2 предприятия с мартеновским производством – «Запорожсталь» и меткомбинат им.Ильича.

Общая продолжительность плавки в 100-тонном кислородном конвертере составляет ~45 минут, из которых лишь 24-25 минут длится сугубо сталеплавильный процесс, т.е. процесс продувки ванны кислородом. За это время обеспечивается вывод примесей и нагревание металла до температуры 1600 ºC - 1650 ºC.

Все остальное время тратится на проведение контроля параметров металла и шлака, который сопровождается остановками процесса и потерей производительности агрегата. Поэтому усовершенствование методов контроля и автоматизации кислородных конвертеров, которые должны обеспечить выпуск плавки без промежуточных повалок конвертера для проведения необходимых измерений, дают немалый экономический эффект.

Внедрение современных АСУТП в кислородных конвертерах приводит к:

• уменьшению затрат кислорода и шихтовых материалов;

• увеличению выхода жидкого металла в результате меньшего угара железа;

• сокращению количества плавок выданных не по заказу;

• получению плавок заданной массы;

• росту производительности конвертера из-за сокращения простоев для взятия проб металла и проведения лабораторных анализов.

Управление технологическим процессом в кислородном конвертере нуждается в первую очередь в более точном контроле состава и массы шихтовых материалов, расхода кислорода, а также в оперативном контроле основных параметров сталеплавильной ванны – ее температуры и состава.

Для надежной и безопасной работы агрегата необходимо контролировать положение кислородной фурмы, давления кислорода, расход и давления воды в системе охлаждения фурмы, положение конвертера, работу системы охлаждения и очистки конвертерных газов.

В связи с тем, что высокотемпературная ванна находится в замкнутом объеме конвертера, доступ к ней и измерение основных параметров затруднены.

Во время продувки ванна неоднородная по составу. Металл и шлак образуют в значительном объеме конвертера шлакометаллическую эмульсию, в ванне наблюдается значительный градиент температур и концентраций элементов.

Концентрационные и температурные поля нестационарны, они зависят от расхода кислорода, положения кислородной фурмы, уровня шлака и т.д.

После остановки продувки происходит выравнивание температуры и состава ванны. Нестационарность состояния ванны во времени необходимо учитывать при выборе представительных точек для осуществления измерений ее параметров.

В силу разнообразия физико-химических явлений, которые имеют место в зоне высоких температур, и недостаточной изученности этих явлений, сталеплавильный конвертерный процесс с точки зрения автоматизации является объектом большой сложности.

1. Хронометраж плавки в 130-тонном конвертере

Операция Время, мин. - сек.

начало окончания

1. Завалка лома, 27т от 02-05 до 04-37

2. Слив чугуна, 103т от 05-05 до 06-07

3. Продувка от 06-15 до 27-29

4. Отбор пробы металла,

измерение температуры 29-23

Ожидание результатов анализов из лаборатории

5. Додувка от 34-46 до 35-07

6. Отбор пробы металла,

измерение температуры 36-12

Ожидание результатов анализа из лаборатории

7. Выпуск металла от 41-46 до 44-04

8. Конец выпуска шлака 46-00

Общая продолжительность плавки 43мин.55сек.

Общая продолжительность ожидания результатов и потери времени на промежуточные повалки (~13минут), составляют почти 30% от общей продолжительности плавки.

2. Основные функции асутп в современных кислородно-конвертерных цехах

Локальный уровень:

1. Контроль параметров процесса, автоматическая стабилизация интенсивности продувки, давления отходящих газов, программное управление положением кислородной фурмы.

2. Аварийные отсечки кислорода и подъем фурмы.

3. Взвешивание и дозирование добавок по программе в функции времени или количества продутого кислорода.

Верхний уровень:

1. Расчет общего количества кислорода на продувку металла Vд [м³] и интенсивности продувки Ід [м³/мин].

2.Управление интенсивностью продувки и положением фурмы Н_{ф .}

Автоматизированный расчет массы добавок, определение времени их ввода в конвертер и автоматическое управление подачей добавок в ходе продувки.

2. Автоматизированный прогноз и (или) автоматический контроль температуры металла и содержания углерода без повалки конвертера.

3. Расчет и реализация корректирующих воздействий – Vд, м³; Gохл.,т; Н_{ф ,}мм и других.

4. Определение момента окончания продувки.

5. Контроль состояния оборудования и средств автоматизации.

6. Печать отчетной документации.

7. Связь со смежными АСУТП и АСУ высшего уровня.

3. Особенности кислородного конвертера как объекта контроля и управления.

1. Высокая скорость процесса - достоинство, которое затрудняет управление. Ошибка в определении момента окончания продувки на 1 минуту при скорости окисления углерода Vс = 0,12 %/мин. изменит марку стали, например, с 0,3 % С до 0,18 % С.

2. Отсутствует независимый источник тепла, нагрев ванны связан с изменением ее состава. Взаимная зависимость температуры и состава металла усложняет управление плавкой.

3. Трудности получения информации о параметрах ванны. Ванна находится в замкнутом объеме конвертера, доступ к ней затруднен, стойкость измерительных элементов в ванные низкая.

4. Ванна неоднородна по составу и температуре в период продувки. Температурные и концентрационные поля нестационарны, зависят от интенсивности продувки, положения фурмы и т.п. Это необходимо учитывать при выборе места измерения параметров ванны.

5. Большое количество возмущений:

• колебание состава шихтовых материалов;

• колебание температуры чугуна;

• колебание давления кислорода;

• износ футеровки конвертора и изменения тепловых потерь процесса;

• разное время простоя между плавками ( изменение потерь тепла, аккумулированного футеровкой);

• ошибки измерения расхода и общего количества кислорода;

6. Ограниченность управляющих воздействий, которыми являются:

• массы шихтовых материалов G (чугуна, лома, руды, шпата, извести, известняка, агломерата и др.);

• интенсивность продувки металла кислородом Ід , м³/ мин.;

• положение кислородной фурмы Нф, мм;

• общее количество дутья на продувку Vд, м³, или продолжительность продувки τ, мин;

• массы добавок, т.

Из перечисленных управляющих влияний только положение фурмы и интенсивность продувки являются непрерывными, а остальные – или периодическими, или вообще разовыми. Эти особенности управляющих воздействий, безусловно, усложняют управление технологическими процессами в конвертере.

Эффективная работа АСУТП кислородных конвертеров обеспечивает:

1. Сокращение средней продолжительности плавки за счет уменьшения количества корректирующих операций.

2. Уменьшение затрат материалов и энергоресурсов.

3. Повышение количества выплавленной стали.

4. Увеличение выхода годного металла.

5. Уменьшение доли незаказанного металла.

Основные критерии качества функционирования АСУТП:

• доля плавок, полученных без корректирующих операций с первой повалки;

• выход годного металла;

• удельные затраты сырья, материалов, энергоресурсов;

• процент незаказанного металла.