Доля Руслана Олексіївна ЗАВ-08-1
«Система автоматичного регулювання тиску газу на колошнику ДП-5 в умовах ПАТ «Арселор-Міттал Кривий Ріг»
РЕФЕРАТ
Пояснювальна записка до дипломного проекту: 93 стор., 19 рис., 11 таблиць., 24 джерела.
Об'єкт розробки – Автоматизована система регулювання тиску газу на колошнику ДП-5 в умовах ПАТ "Арселор-Міттал Кривий Ріг".
Мета роботи – автоматизувати процес виробництва чавуну в доменної печі у часті регулювання тиску газу на колошнику, поліпшення умов проходження процесу плавки чавуну, зменшення необхідної кількості коксу на тону готової продукції доменної печі, збільшення продуктивності доменної печі..
Мета дослідження та апаратура - аналіз існуючої системи регулювання тиску газу. Дослідження можливості її удосконалення завдяки застосуванню сучасної вимірювальної та мікропроцесорної техніки. Одночасно здійснюється заміна морально та фізично застарілих технічних засобів виміру та регулювання на сучасні цифрові на базі мікропроцесорної техніки.
Результати роботи можуть стати основою для створення комплексної системи автоматичного регулювання тиску газу на колошнику ДП-5 в умовах ПАТ "Арселор-Міттал Кривий Ріг".
ДОМЕННА ПІЧ, КОЛОШНИКОВИЙ ГАЗ, АВТОМАТИЧНЕ РЕГУЛЮВАННЯ ТИСКУ, МІКРОКОНТРОЛЕР, РЕГУЛЯТОР, АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА, МОДЕЛЮВАННЯ
ЗМІСТ
ВСТУП 7
1 АНАЛІТИЧНА ЧАСТИНА 10
1.1 Технологічний процес виплавки чавуну на доменній печі ДП-5 11
1.2 Колошниковий газ як вторинний продукт виплавки чавуну в доменній печі 18
1.3 Технологічні особливості автоматизації доменного виробництва 22
1.3.1 Основні функції АСУ ТП доменної печі №5 24
1.4 Огляд існуючих рішень 28
1.5 Розробка основних вимог до системи 29
2 ОСНОВНА ЧАСТИНА 31
2.1 Розробка функціональної схеми автоматизації регулювання тиску газу на колошнику ДП-5 32
2.2 Вибір технічних засобів автоматизації 35
2.2.1 Вибір вимірювальних перетворювачів 35
2.2.2 Вибір виконавчих механізмів 38
2.2.3 Вибір мікропроцесорних засобів для реалізації системи 40
2.3 Розробка структурної схеми системи 48
2.4 Розробка алгоритму функціонування системи 51
2.5 Моделювання системи 53
2.5.1 Обґрунтування математичної моделі об'єкта регулювання й визначення її параметрів 53
2.5.2 Розрахунок регулятора і його параметрів 55
2.5.3 Моделювання АСР тиску колошникового газу 58
4 ОХОРОНА ПРАЦІ 64
3.1 Аналіз основних шкідливих і небезпечних факторів ДП-5 65
4.5 Виробнича санітарія та гігієна праці 71
4.6 Пожежна профілактика 72
ВИСНОВКИ 75
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 76
ВСТУП
Складність технологічного процесу виробництва чавуну, розмаїтість збурювань, прикладених у різних місцях технологічної лінії, приводять до того, що процес виробництва чавуну характеризується великим числом контрольованих і регульованих величин і керуючих впливів.
У загальному процесі керування виробництвом чавуну можна виділити наступні складові керування:
формування запасу шихтових матеріалів на бункерній естакаді;
набір і подача шихтових матеріалів на колошник;
завантаження шихтових матеріалів у доменну піч;
нагрівання дуття й подача його в доменну піч;
подача в піч природного газу й додаткового палива;
виплавка чавуну;
випуск продуктів плавки;
очищення колошникового газу.
У дипломному проекті вирішуються проблеми, зв'язані безпосередньо з виплавкою чавуну в доменній печі, а саме забезпеченням роботи доменної печі з раціональним тиском газу на колошнику.
Підвищення тиску газу на колошнику впливає на газодинаміку доменного процесу, саме й продуктивність, що лімітує в сучасних умовах, доменних печей.
Збільшення тиску газу на колошнику досягається введенням додаткового опору на шляху руху газу на виході з доменної печі. Звичайний тиск газу на колошнику становить 110 кПа.
Внаслідок підвищення підпору газів перед додатковим опором зростає тиск газів не тільки на колошнику, але й у повному обсязі печі, а значить підвищується тиск дуття, що розвивається повітродувкою.
Підвищення тиску газу у фурм із Р1ф до Р2ф без зміни масової кількості дуття зменшує його обсяг пропорційно відношенню Р2ф/Р1ф відповідно до чого знижується швидкість газів і перепад тиску газів між горном і колошником Рг-к. При постійній масовій витраті дуття втрата напору при русі газу через шар шихтових матеріалів приблизно обернено пропорційна абсолютному тиску газу.
Якщо прийняти що при звичайному тиску газу на колошнику 110 кПа перепад тиску Рг-к досягав критичного значення, перевищення якого викликало б порушення сходу шихти, то зниження перепаду тиску при переході на роботу з підвищеним тиском газів у робочому просторі печі дозволяє збільшити обсяг і швидкість газу шляхом збільшення масової кількості дуття до досягнення критичного перепаду тиску.
Ступінь підвищення тиску газів у робочому просторі печі оцінюється величиною тиску газів на колошнику.
Ефективність підвищення тиску газів залежно від умов роботи печі й величини тиску різна. При підвищенні тиску газів на колошнику до 180 кПа продуктивність печі збільшується на 5%, витрата коксу знижується на 2%, винос пилу скорочується на 35%.
Подальше підвищення тиску газів у робочому просторі печі сприяє поліпшенню показників доменної плавки. Так, підвищення тиску газу на колошнику з 200 до 250 кПа на Череповецькому меткомбінаті супроводжувалося збільшенням продуктивності печі на 2% і зниженням витрати коксу на 0,5% на кожні 10 кПа підвищення тиску газу на колошнику.
Таким чином, висока ефективність впровадження режиму роботи печей з підвищеним тиском газу на колошнику, досягається при підтримці його значення на раціональному рівні не порушує нормальний схід шихти, що свідчить про актуальність розробки автоматизованої системи регулювання тиску газу на колошнику.
У дипломному проекті надалі приділена увага системі стабілізації тиску газу під колошником, розробці її схеми, вибору комплексу технічних засобів.
1 Аналітична частина
1.1 Технологічний процес виплавки чавуну на доменній печі дп-5
Доменний цех є одним з основних цехів металургійного заводу.
Роль цього цеху на металургійному заводі визначається не тільки виробництвом чавуну, але й виробітком доменного газу, використовуваного як паливо. Лише частина цього газу використовується в самому доменному цеху; газ споживається іншими цехами заводу - металургійними й енергетичними, а також коксовими печами прилеглих коксохімічних заводів. Тому від роботи доменних печей залежить робота не тільки сталеплавильних цехів, але й нагрівальних, а часто й коксових печей, а також вся енергетика заводу.
Доменний цех, крім того, зв'язаний з допоміжними цехами заводу як споживач їхньої продукції. Цехи - паро-котельний, повітродувний, вогнетривкий, водопостачання, залізничного транспорту безупинно обслуговують доменний цех. Перебої в обслуговуванні викликають аварійний стан у доменному виробництві, а перебої в подачі з доменного цеху чавуну й газу споживачам зривають роботу інших. От чому від доменного цеху залежить робота всього заводу.
Доменний процес - це відновлення залізних руд, тобто видалення кисню з окислів заліза, з наступним утворенням чавуну - багатокомпонентного сплаву на основі заліза, що містить вуглець, кремній, марганець, сірку й фосфор.
Розрізняють два види продукції:
а) передільний чавун, що переробляється в сталь;
б) ливарний чавун, з якого відливаються готові вироби, феросплави, які призначені для використання в сталеплавильних печах.
Оскільки основна кількість чавуну призначена для переробки в сталь, то частка передільного чавуну в загальній його кількості становить від 85 до 95%.
Процес одержання чавуну здійснюють у доменних печах, які відносяться до шахтних печей.
Коротко резюмуючи, можна сказати, що доменний процес є відбудовним противоточним процесом, що полягає у взаємодії шихтових матеріалів, що опускаються долілиць і потоку, що піднімається нагору, гарячих газів.
Продуктами доменного процесу є чавун, шлаки й колошниковий газ.
Спрощена схема доменного процесу представлена на рисунку 1.1.
Рисунок 1.1 - Схема доменного процесу
Внутрішній обрис печі по вертикальному перерізі називається профілем. У горизонтальному перетині піч кругла. Віковий досвід установив найбільш оптимальну форму профілю. Верхня циліндрична частина профілю називається колошником і призначена для завантаження матеріалів. Нижче розташовується шахта, що представляє собою конус, що розширюється до низу. Це розширення необхідне для полегшення опускання твердих матеріалів через збільшення їхнього обсягу при нагріванні. До нижньої частини шахти примикає сама широка циліндрична частина, що називається розпаром, у якій відбувається плавлення шихти. Нижче розпару розташована заплічка, що має форму усіченого конуса з меншою основою внизу. Такий перетин, пояснюється зменшенням обсягу матеріалів внаслідок плавлення.
Нижньою частиною профілю є циліндричне горно, у якому відбувається горіння коксу й збираються рідкі продукти плавки.
У нижній частині горна розташований отвір, називаний чавунною льоткою, призначений для періодичного випуску чавуну. Льотка розташована на висоті 600 мм від рівня лещади. У горні на висоті 1400 мм від рівня чавунної льотки розташована жужільна льотка, призначена для періодичного випуску шлаків з доменної печі. Жужільних льоток на печі дві, і вони розташовані під кутом 900 друг до друга.
Повітря для горіння палива подається в доменну піч через отвори, розташовані у верхній частині горна - фурменій зоні.
В отвір у вогнетривкій кладці вставляється фурмений прилад, що складається з амбразури, холодильника й фурми. Відстань між осями фурм по окружності приймається рівною від 1,1 до 2,0 м.
Дуття підводиться до фурм по кільцевому повітропроводі із внутрішнім діаметром до 1400 мм, що оперізує доменну піч і підвішене до колон печі. Кільцевий повітропровід з'єднаний трубопроводом гарячого дуття з повітронагрівачами.
У доменну піч завантажують кокс, як тверде паливо доменної плавки, місцевого коксохімічного цеху.
На доменній печі №5 використовується агломерат місцевого виробництва й окатиші Північного й Центрального гірничозбагачувальних комбінатів.
Агломерат, руда, вапняк і кокс завантажуються на колошник доменної печі за допомогою спеціального засипного апарата. Нагрівання дуття здійснюється чотирма повітронагрівачами з убудованими камерами горіння. Режим роботи повітронагрівачів - послідовний.
Через фурми в доменну піч вдувається нагріте до високої температури повітря, зволожене паром, збагачене киснем, а також природний газ.
За рахунок кисню, що міститься в дутті, у зоні поблизу фурм відбувається горіння коксу й утвориться окис вуглецю, що відновлює на своєму шляху нагору залізну руду.
Внаслідок горіння коксу в горні й зменшенні обсягу шихти через плавлення чавуну й шлаків, завантажені на колошник матеріали безупинно опускаються в нижню частину печі. Назустріч, що опускаються матеріалам, рухається потік відбудовних газів.
Всі фізико-хімічні процеси, що протікають, у доменній печі можна розділити на три групи:
а) процеси окислювання палива;
б) процеси відновлення заліза й інших елементів;
в) процеси плавлення.
Процеси окислювання або горіння палива протікають у горні доменної печі в невеликих обсягах біля повітряних фурм. Вихідне з фурм із високою швидкістю дуття, нагріте до 12000С спалює розпечений кокс, що перебуває в горні. Кінцевим продуктом горіння вуглецю коксу є окис вуглецю. Газ, що утворюється в горні, піднімається нагору й обробляє шихтові матеріали, що опускаються.
Доменна піч - основний агрегат комплексу - має корисний обсяг 2000м3. Процеси відновлення протікають у повному обсязі печі. Відновлюються в доменній печі залізо, марганець, кремній, сірка й деякі інші елементи. Але головним є відновлення основного елемента - заліза.
Відновлюючами в доменній печі є окис вуглецю, водню й твердий вуглець. Окис вуглецю утворюється в горні при горінні коксу. Твердий вуглець вноситься в піч коксом і є в будь-якій зоні печі. Природний газ, що вдмухується в піч, розкладається й вносить значну кількість водню.
Умови відновлення в доменній печі такі, що тільки від 50 до 80% усього заліза відновлюється окисом вуглецю й воднем, інша частина відновлюється твердим вуглецем.
Відновлення окислів газами називається непрямим відновленням, а відновлення твердим вуглецем - прямим відновленням.
Процеси плавлення можна розділити на утворення чавуну й утворення шлаків. У нижній частині шахти в шматку рудного матеріалу з'являється металеве залізо. Однак розплавиться воно не може, тому що температура плавлення чистого заліза висока – 15350С. Така температура є нижче, у районі горна, але свіжовідновлене металеве залізо енергійно розчиняє в собі вуглець, що є в газі й коксі. Це різко знижує температуру плавлення сплаву, що утворився, - при 4,3% вуглецю вона становить усього 11350С. Отже, металеве залізо, розчиняючи в собі вуглець, перетворюється в чавун, що плавиться. Розплавившись, чавун у вигляді крапель зі струмків стікає долілиць і накопичується в горні. Нижче обрію утворення чавуну у твердому стані перебувають порожня порода руди, вапняк і кокс. Опускаючись усе нижче, ці матеріали нагріваються до більш високих температур, і на певному рівні порода й флюс розплавляються, утворюючи рідкі шлаки. Він струменями стікає в горно й розташовується над шаром чавуну. Обрій утворення шлаків перебуває звичайно на рівні розпару. Нижче обрію шлакоутворення у твердому стані перебуває тільки кокс, що, опускаючись далі, нагрівається газами до 1600°С і, приходячи в горно, згоряє в струмені дуття.
При спільному стіканні долілиць шлаків і чавуну й взаємодії їх у горні відбувається очищення чавуну від сірки. Після нагромадження достатньої кількості шлаки й чавун випускають із печі через жужільну й чавунну льотки. Випуск чавуну виробляється періодично від 9 до 18 разів у добу по строго встановленому графіку. Випуск шлаків починається через 30-40 хв. після закінчення випуску чавуну й виробляється безупинно в міру нагромадження шлаків до початку наступного випуску чавуну.
Для забезпечення безперебійної подачі сирих матеріалів у доменні печі необхідно створювати запас матеріалів у печі. Цей запас створюється на складі, називаним рудним двором. Рудний двір розташовується поблизу доменних печей уздовж їхнього фронту.
Сирі матеріали доставляються на рудний двір доменного цеху залізничним транспортом. Вагони подаються до прийомної траншеї рудного двору, розташованої уздовж всієї його довжини. Запас матеріалів на рудному дворі повинен забезпечувати безперервну роботу доменного цеху в плині від 1,5 до 2 місяців. Вагони розвантажуються в прийомну траншею вагоноперекидачами. Рудний двір обслуговується кранами перевантажувачами, що перекривають своїми прольотами всю його ширину й перемішуються по всій його довжині. Ці крани призначені для перевантаження матеріалів із прийомної траншеї в штабелі, усереднення руд і переносу матеріалів з рудного двору на бункерну естакаду.
На бункерній естакаді створюється запас необхідних матеріалів безпосередньо в печі, виробляється механізований набір і подача матеріалів у піч. Бункерна естакада розташована між рудним двором і доменними печами паралельно лінії печей і являє собою металеве й залізобетонне спорудження, що складається з ряду окремих бункерів і обслуговуючого їхнього встаткування. У загальному бункерна естакада складається з 18 бункерів, призначена для розподілу запасів шихтових матеріалів:
коксу – 2 бункери ємністю 230 м3;
окатишів ПівГЗК – 14 бункерів ємністю 250 м3;
агломерату – 14 бункерів ємністю 250 м3;
добавки – 2 бункери ємністю 230 м3;
рудні бункери – 14 бункерів ємністю 250 м3.
Подача коксу в коксові бункери здійснюється стрічковим конвеєром, розташованим у конвеєрній галереї. Конвеєрна галерея розташовується з боку доменних печей.
На бункерній естакаді паралельно коксовій галереї розташовуються дві залізничні вітки для подачі агломерату, руди, флюсів і добавок у рудні бункери. На кожній печі 14 рудні бункери. Коксові бункери встановлюються безпосередньо в скіпової ями, щоб уникнути додаткових перевантажень коксу.
Набір рудної частини шихти з бункерів і транспортування їх до підйомника виробляється вагон-вагами. За допомогою вагон-ваг здійснюється набір матеріалів з бункерів по заданій програмі, їхнє зважування, транспортування матеріалів до скіпової ями й вивантаження їх у скіп.
Устаткування для подачі коксу з бункерів у скіпи розміщено в скіповій ямі доменної печі, розташованої під бункерною естакадою в низу скіпового підйомника. Кокс із бункера по головній ринві подається на гуркіт (призначений для відсівання дріб'язку). Для прийому відсіяного коксу, його дозування й видачі в скіп служить коксова вагова воронка, що установлена в скіповій ямі над опущеним скіпом. Випускні отвори воронки закриваються затвором шиберного типу.
Матеріали з підбункерного приміщення на колошник доменної печі доставляються скіповим підйомником. Скіпової підйомник складається з похилого моста, двох скіпів і скіпової лебідки. Кут нахилу моста до обрію 500. Скіпи по похилому мосту переміщаються по рейковому шляху. Верхня частина рейкових шляхів похилого моста є розвантажувальною ділянкою. Робочим органом скіпового підйомника є скіп, що представляє собою вагонетку з подовженим кузовом.
Для збирання продуктів доменної плавки - чавуну й шлаків, біля доменної печі влаштовується спеціальна площадка, що називається ливарним двором. Ливарний двір це площадка біля горна доменної печі, призначена для розміщення ринв для чавуну й шлаків. Робоча площадка ливарного двору є продовженням робочої площадки горна, призначеної для обслуговування пристроїв подачі повітря в доменну піч. Робоча площадка ливарного двору виконується із залізобетонних плит, що опираються на колони. Ливарний двір закритий дахом. Уздовж споруди розташовані балкони для обслуговування ринв і спостереження за наповненням ковшів чавуном і шлаками. На робочій площадці ливарного двору також розташовується встаткування для відкриття й закриття чавунних і жужільних льоток. Ринви для чавуну й шлаків, розміщені на робочій площадці ливарного двору, призначені для транспортування чавуну й шлаків, що випускаються з відповідних льоток, у чавуновози й шлаковози, установлені під зливальними носками ринв.
По залізничних коліях рідкий чавун транспортується від доменної печі до розливочних машин і сталеплавильних печей. Рідкі шлаки транспортується для грануляції, тобто швидкому охолодженню в басейні. Після зливу шлаків у воду, він швидко охолоджується й перетворюється в зерна (гранули). Грануляційний басейн перебуває за межами доменного цеху. Гранульовані доменні шлаки є сировиною для виробництва будівельних матеріалів.