книги из ГПНТБ / Тарасов, В. П. Загрузочные устройства шахтных печей

(58)—(59) ] и фракции < 3 мм [формулы (74)—(75) ] были использованы при составлении программы работы системы автоматического регу­ лирования газового потока по окружности доменной печи [132, 136]. Внедрение указанной системы на Коммуиарском металлургическом заводе позволило значительно повысить эффект регулирования, благодаря чему получено снижение расхода кокса на 1,7% и повы­ шена производительность печи на 1,3% [137].

Рациональный метод управления газовым потоком по окружности печи

На Ждановском металлургическом заводе мм. Ильича долгое время регулировали газовый поток по окружности печи общепри­

В дальнейшем на этом и на дру­ гих заводах в область высоких температур периферии грузили агломерат со стороны откоса в воронке малого конуса и газовый поток по окружности печи значительно выравнивался. В зоны высо­ ких температур окружности печи вместо руды из гребня, как это обычно принято, загружали руду из откоса [85, 131— 134, 139]. При этом получали положительные результаты.

Однако регулирование хода печи таким способом не всегда эф­ фективно, в связи с различной степенью развития канальности газо­ вого потока по окружности печи. В случае значительно развитого

120

канала мелкие частицы шихты из этого района будут перевеиваться на другие участки и загрузка в район канала материалов со стороны откоса не даст ожидаемого эффекта. Целесообразно грузить в район развитого газового канала руду из гребня, так как крупные куски дойдут до зоны шлакообразования и уменьшат в данном секторе газопроницаемость.

Сказанное не всегда принимается во внимание и поэтому часто делаются поспешные выводы о том, что существующим распредели­ телем шихты типовой конструкции нельзя эффективно управлять окружным газовым потоком1. Указывается, например, что на одной из доменных печей (полезным объемом 1386 м3) предпринимались переходы на сосредоточенную загрузку, продолжавшуюся длитель­ ное время. При этом изучалось влияние, оказываемое изменением программы вращения распределительной воронки на изменение тем­ ператур периферийного газа. Даже в случаях наиболее неравномер­ ного распределения рудных нагрузок по окружности печи не прои­ зошло существенного изменения в распределении температур пери­ ферийного газа [140, 141 ]. В результате было поставлено под сомне­ ние сохранение окружной неравномерности в процессе ссыпания ма­ териалов с малого конуса. Более того, после исследований на модели в масштабе 1 : 10 было выдвинуто предположение, что количественная неравномерность уменьшается при ссыпании материалов с малого конуса в несколько раз.

В процессе ссыпания материалов с конусов нет условий, которые способствовали бы перемещению материалов в горизонтальной плоскости [4, 11, 45 и др. ]. Автором изучалось «сглаживание» объем­ ной неравномерности при ссыпании материалов с малого конуса перед задувкой доменной печи полезным объемом 1033 м3. Макси­ мальное отклонение для объемов железной руды и известняка из восьми замеров по окружности верхнего конуса составило 5,0%, а на нижнем конусе 3,2%. Следовательно, при ссыпании материалов с верхнего конуса на нижний изменение неравномерности составило всего 3,2 : 5,0 = 0,64 [62]. Во время опускания нижнего конуса перераспределения материалов в горизонтальном направлении не происходит, хотя некоторое усреднение массы при этом имеет место 1 [45, 62].

Таким образом, уменьшения неравномерности окружного рас­ пределения материалов в несколько раз при их ссыпании с малого конуса не происходит. Такое изменение точно определено (~0,65)

иможет несколько меняться в зависимости от высоты слоя шихты

вворонке малого конуса. Следовательно, управление окружным распределением газового потока печи возможно путем соответствую­ щего изменения программной загрузки типового распределителя шихты. Но такое управление весьма затруднено, так как в условиях современной доменной плавки весьма сложно определять степень развития канальное™ газа по окружности печи. Трудно поэтому

определить, в каких случаях следует в зону высоких температур

1 Б е р и н А. Л. Автореф. канд. дне. Днепропетровск, 1970.

121

грузить руду и агломерат со стороны их откосов в воронке малого конуса, а в каких случаях со стороны гребней.

Целесообразнее регулировать газовый поток по окружности печи коксом. В районы преимущественного хода газов следует гру­ зить кокс со стороны его впадины в воронке малого конуса, а в об­ ласть меньшего потока — со стороны гребня. Значительная объемная разность содержания кокса в гребне и во впадине позволяет эффек­ тивно воздействовать на газовый поток по окружности печи. При этом рудная составляющая подачи распределяется равномерно, что

•способствует стабильности зоны шлакообразования.

Вдоменном цехе Ждановского металлургического завода им. Ильича газовый поток по окружности колошника часто изменяют программной загрузкой кокса. При загрузке определенной зоны

печи большим количеством кокса газопроницаемость этого района увеличивается и температура соответствующих точек периферии и газоотводов повышается. В случае длительной загрузки в опре­ деленную область колошника кокса из гребней или дополнительной его части (добавочная станция кокса) можно изменить профиль печи. Так, одна из доменных печей в первом полугодии 1965 г. работала неудовлетворительно с неравномерным газовым потоком по окруж­ ности колошника. Изменения программной загрузки не устраняли основной неравномерности газораспределения по окружности печи. Во время замены засыпного аппарата столб шихтовых материалов опустили до распара, что позволило осмотреть профиль шахты. В рай­ оне между газоотводами № 2 и 3 кладка была целой, в остальной части окружности печи обнаружили значительный разгар. Таким образом, со стороны воздухонагревателей образовался «порог», отрицательно влияющий на распределение газового потока.

После задувки печи увеличили поток газов со стороны воздухо­ нагревателей, для чего ввели дополнительную станцию (седьмую) для кокса (60, 105, 120, 180, 240, 300 и 360°). Агломерат грузили на шесть станций. Такую загрузку осуществляли в течение 14 сут. На протяжении всего времени, когда кокс грузили на семь станций, температура в точках периферии со стороны воздухонагревателей была выше, чем в остальной части окружности колошника. Это спо­ собствовало разгару кладки со стороны воздухонагревателей, после чего газовый поток по окружности печи стал более равномерным.

Как видно из табл. 13, фактическая производительность печи увеличилась с 2576 до 2808 т чугуна/сут, а расход кокса снизился на 15 кг/т чугуна. Значительное увеличение выплавки чугуна от­ части объясняется применением обогащенного кислородом дутья, но главным образом связано с увеличением температуры вдуваемого воздуха (после исправления профиля шихты) и более ровным ходом печи. Практика регулирования хода доменных печей на заводе им. Ильича путем изменения программы загрузки кокса дает хорошие результаты.

Таким образом, регулирование газового потока по окружности доменной печи изменением программы загрузки рудной части подачи значительно затруднено и в большинстве случаев не дает положи-

122

* В июле — 2 осадки, а в сентябре — 3 осадки; на тихий ход печь не переводили.

тельного эффекта. Целесообразнее пользоваться изменением про­ граммы загрузки кокса, который имеет более равномерный грануло­ метрический состав, вследствие чего в гребне кокса находится и большее его количество по массе. Эффективное воздействие на рас­ пределение потоков газа по окружности печи возможно и путем соответствующего размещения гребней и откосов кокса, и путем включения дополнительных станций загрузки кокса.

Г л а в а 4

АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Высокая экономичность доменного производства и возможность перехода к непрерывному процессу получения стали открывают пер­ спективы совершенствования производства чугуна и в первую оче­ редь автоматизации хода доменной печи.

Вследствие непрерывности доменного процесса, высокого уровня его механизации и уже имеющейся автоматизации работы отдельных участков (подача сырых материалов на колошник, работа воздухо­ нагревателей, распределение дутья и природного газа по фурмам

123

и т. д.), комплексная автоматизация всего процесса в целом вполне достижима и реальна. Однако сложность газодинамических и физико­ химических условий доменной плавки не позволили до настоящего времени выработать надежный алгоритм управления ходом печи. Еще нет математического описания доменного процесса, хотя в этом вопросе и наметились определенные сдвиги [142— 144].

Впервые автоматизацией выплавки чугуна с применением вы­ числительной техники занялся В. А. Сорокин [145, 146]. Большие работы по тепловому регулированию доменного процесса проведены в Московском институте стали и сплавов под руководством А. Н. Похвиснева [147— 150]. Созданная иа базе этих работ автоматическая система управления («советчик мастера») опробована на одном из южных металлургических заводов. В Днепропетровском металлур­ гическом институте разработана и опробована в промышленности

изучения предложенных алгоритмов управления и результатов исследования доменной печи как объекта автоматического управле­ ния в ЦЛА разработана схема комплексного автоматического управ­ ления доменным процессом с широким использованием универсаль­ ных вычислительных машин [154]. Внедренная иа КМК система централизованного контроля (СЦК) состоит из унифицированных датчиков и информационной машины ИА4-2 [154, 155]. С помощью этой системы на КМК исследованы критерии выбора оптимальной частоты дискретных измерений непрерывно изменяющихся пара­ метров. Изучены возможности сокращения объема информации для ВМ и УВМ, а также методы отбора наиболее ценной информации. На КМК установлена также система СК-1 для контроля п управления взвешиванием кокса, загружаемого в скипы. На НТМК доменную плавку контролировали с помощью электронно-цифровой вычисли­ тельной машины (ЭЦВМ) «Урал-2», одновременно контролировали н регистрировали среднюю температуру и выход колошникового газа, отношение содержаний С 02 : СО, степень использования окиси угле­ рода и водорода, общий перепад по высоте печи, температуру газового потока на периферии, по радиусу печи, по окружности колошника над уровнем засыпи и т. д. [156]. На некоторых доменных печах Советского Союза используются вычислительные машины типа «ВНИИЭМ-1» для автоматического регулирования теплового состоя­ ния.

Автоматизацией доменного процесса в последнее время зани­ маются также во Франции, Бельгии, США, ФРГ и Японии [157— 162 ]. На новых печах и заводах в этих странах устанавливают элек­ тронные вычислительные машины в первую очередь для регулиро­ вания теплового состояния печи и управления линией загрузки. Так, на доменной печи в США для управления ее ходом используется вычислительная машина IBM-1710, в которую поступает информация о таких 30 параметрах, как влажность и состав колошникового газа, температура отходящей воды и шлака, статическое давление в сред­

124

ней части шахты, масса материалов, загружаемых в скип, и т. д. При помощи этой машины вычисляют балансы углерода и водорода, рас­ ход кокса и др. В последнее время вычислительную машину IBM-1710, не обладающую запоминающим устройством, заменили системой с машиной IBM-1800. Программа накопления данных служит источ­ ником информации для устройства, каждые полчаса выдающего отчеты, в которых указываются средние значения всех переменных величин на этот период. Кроме того, программное устройство соби­ рает информацию от всех источников и передает ее на диск запоми­ нающего устройства. После заполнения диска его заменяют новым, а заполненный передают для изучения на другую вычислительную машину. На одном диске может накапливаться информация о работе печи в течение 30 дней. Имеются также еще три программы — регу­ лирования температуры дутья, управления работой печи и иденти­ фикации материалов в системе определения массы скипов [161].

На трех доменных печах во Франции применена система автома­ тического контроля за ходом доменного процесса. Аппаратура сигна­ лизирует об отклонениях от заданных величин различных параметров доменной плавки и регистрирует время, дату и число таких откло­ нений [162].

В Японии для регулирования хода печи применяют электронные вычислительные машины, которые рассчитывают состав доменной шихты. При этом в машину задаются данные о стоимости компонентов шихты, основности шлака, доле элементов, переходящих в чугун, рудной нагрузке, минимальном выходе шлака, содержании глино­ зема и окиси титана в шлаке. Помимо расчета шихты, машина кон­ тролирует уровень материалов в загрузочной воронке и в доменной печи. С помощью математических моделей решаются уравнения ма­ териального и теплового баланса и определяется оптимальный расход дутья. При этом задаются данные о требуемой производительности, степени развития прямого восстановления и вводится информация

одействительном количестве выпущенного чугуна, его температуре

ит. д. На одной из печей фирмы «Кавасаки сэйтэцу» с помощью вы­ числительной машины НОС-ЗОО регулируют тепловой режим [160].

Автоматические контроль и регулирование теплового состояния печи применяют также в Италии, Бельгии и ФРГ. Очевидно, в даль­ нейшем все шире будут применяться различные автоматические си­ стемы управления в доменном производстве. Одновременно будут совершенствоваться алгоритмы управления и повышаться надежность работы автоматической системы в целом.

Автоматическое управление газовым потоком по радиусу печи

Дальнейшая интенсификация процесса доменной плавки с целью достижения оптимальных показателей требует разработки и внедре­ ния надежных методов и технических средств автоматического ре­ гулирования и управления ходом доменной печи «сверху». Автома­ тическое регулирование с помощью программной загрузки возможно

125

лишь при надежном автоматическом контроле таких важных пара­ метров, как уровень и рельеф поверхности засыпи шихты по диаметру и окружности колошника, температура и состав газа по окружности и радиусу печи, распределение руды и кокса и скорость их схода в определенных секторах рабочего пространства печи, ситовый со­ став агломерата и кокса, влажность скипового кокса, вынос колош­ никовой пыли и т. д. Обеспечение оптимального и стабильного рас­ пределения потока газа по радиусу колошника при этом является одним из основных факторов, определяющих производительность, доменной печи и расход кокса.

В доменном производстве крайне трудно осуществлять как отбор исходных параметров для автоматической регулировки хода печи, так и их обработку с целью получения соответствующих рекоменда­ ций или команды. Для автоматического регулирования радиального газового потока необходим непрерывный контроль состава и темпе­ ратуры газа по диаметру колошника, профиля засыпи (или хотя бы глубины воронки материалов), размещения рудной и коксовой ча­ стей подачи по радиусу печи. Для контроля температуры и состава газа наиболее рациональными оказались установки периодического действия. На основании работ советских исследователей [4, 53, 55, 77, 78 и др.], показавших, что с увеличением содержания двуокиси углерода понижается температура газа, на КМК в 1958 г. была предложена схема автоматического контроля газораспределения пу­ тем замера температуры по радиусу колошника. Установка работала вполне удовлетворительно, а ее показания были стабильными и надежными [163]. На Череповецком металлургическом заводе раз­ работали и опробовали автоматическую установку для периодиче­ ского контроля одновременно температуры и состава газа в 32 точ­ ках по двум взаимно перпендикулярным диаметрам колошника [ 164 ]. Эти замеры осуществляются с помощью четырех горизонтальных зондов, периодически вводимых электролебедками в печь ниже уровня засыпи. Установка снабжена устройствами для управления электро­ приводами зондов и распределением газа в системе хранения проб для химического анализа, который выполняется автоматическими оптико-акустическими газоанализаторами. Температура измеряется термопарой в комплексе с автоматическим электронным потенцио­ метром. Известно много различных конструкций зондов для автома­ тического отбора и анализа радиального газа, а также для замера его температуры [146, 165— 168 и др. ].

Большое значение имеет точность определения содержания в газе СО, С 02 и Н 2. Работа типовых газоанализаторов доменных печей в Советском Союзе не всегда отвечает требуемым условиям [169]. Для увеличения точности анализа газа оптико-акустическими газо­ анализаторами применяется очистка колошникового газа. В таком устройстве, предложенном Запорожским филиалом Института ав­ томатики, применены фильтры, выполненные в виде мультициклона и заполненные коксиком (грубая очистка) и стекловатой (тонкая очистка). Сальник выполнен с автоматической подтяжкой грундбуксы [165]. Кроме того, в ВНИИАЧМ разработана промышленная

126

хроматографическая установка газоанализатора, которая имеет относительную погрешность анализа менее ±1% [154].

Большая точность определения содержания СО, С 02 и Н 2 в газе достигнута в оптико-акустических газоанализаторах на французских и нидерландских заводах. Так, в Нидерландах, на заводе KNHS среднеквадратические часовые отклонения показаний газоанализа­

и 0,15%. Такая высокая точность анализа колошникового газа до­ стигнута благодаря тщательному отбору и подготовке пробы, а также автоматической коррекции показаний газоанализатора по контроль­ ным газовым смесям через каждый час. Грязный анализируемый газ очищается сначала в системе первичной очистки, затем вымора­ живанием из него удаляется влага и происходит окончательная очи­ стка от пыли в специальных керамических фильтрах. Газоанализаторы находятся в помещении с постоянным микроклиматом, где темпера­ тура поддерживается с точностью ±2° С. Кроме того, в корпусе газоанализатора поддерживается постоянное избыточное давление подачей чистого воздуха или азота.

Таким образом, в настоящее время имеются надежные средства как для автоматического отбора проб газа по радиусу печи, так и для точного определения температуры и состава газа. Однако для автоматического регулирования газового потока этого недостаточно. Необходимо еще подобрать эталоны распределения СО и С 02 по ра­ диусу колошника, соответствующие наиболее ровной и экономичной работе доменной печи, и заложить их в компьютер, который будет затем поддерживать заданное распределение газового потока измене­ нием программной загрузки.

Известно, что ровный ход печи достигается при определенной степени неравномерности в радиальном распределении углекислоты, которая для различных сырьевых условий может изменяться в сравни­ тельно узких пределах. Но единой достаточно полно разработанной теории организации газового потока по радиусу печи еще нет. За­ служивают внимания исследования взаимосвязи между параметрами кривой радиального распределения углекислоты в газе и параметрами системы загрузки, которые проводились на заводе «Запорожсталь»

[170].

Во время исследований на трех доменных печах устанавливали необходимую систему загрузки и наблюдали за изменением распре­ деления углекислоты по радиусу колошника. Были рассмотрены следующие критерии, характеризующие кривую распределения угле­ кислоты (рис. 69, а):

1) тангенс угла наклона кривой на периферии между первым и вторым отбором проб газа (далее индексами 1—7 отмечаются точки отбора газа по радиусу, а индексом а — расстояние между соответ­ ствующими точками):

(СОг)2 - (СО,)! .

3)отношение тангенсов: tg сц/tg а 7;

4)отношение площадей под кривой от точки максимального со­ держания углекислоты (влево 5 П', вправо 5ц):

Рис. 69. Схема выбора кри­ терия, характеризующего форму кривой распределе­ ния С 02 а газе (а) и пре­

делы среднеквадратического отклонения значений крите­

рия Д'д (б)

5) отношение тех же площадей, взятых упрощенно по треугол никам:

Наиболее представительным и надежно характеризующим сте­ пень загрузки периферии оказался критерий КА,< который после подстановки в формулу (96) значений площадей равен:

«чистых» систем загрузки по возрастающей степени подгрузки пери­

Условно приняли, что степень догрузки периферии х наиболее «периферийной» системой равна единице (КА = 3,45), а наиболее «осевой» системой четырем (КА = 0,7). Степени распределения по радиусу материалов системами II и III оказались примерно одина­ ковыми и по отношению к предыдущим для них х = 2. Система IV

128

(загрузка подач «одним коксом вперед») по своему влиянию на рас­ пределение газового потока в радиальном направлении занимает промежуточное положение между системами II, III, с одной стороны, и системой V («осевой»), с другой стороны. Поэтому для системы IV приняли х = 3. В случае применения комбинированных систем за­ грузки показатель х находится по соответствующему числу «чистых» систем в общем цикле. Например, если система загрузки состоит из пяти подач типа IV и двух подач типа V, то показатель х будет равен:

Между показателями х и Ка была получена тесная корреляционная связь в виде уравнения регрессии:

и газов по радиусу печи необходимо знать «нормальные» колебания для каждой системы загрузки. В случае превышения или умень­ шения этих «нормальных» отклонений следует переходить на сле­ дующую систему загрузки. На рис. 68, б представлен график пределов среднеквадратического отклонения значений критерия Ка о т усред­ ненной прямой для «чистых» систем загрузки I—V.

На основании полученных среднеквадратических отклонений Ка от максимального (—2,5) до минимального (—0,5) предложены ком­ бинированные и «чистые» системы для автоматического изменения очередности загрузки агломерата и кокса:

Рассмотренная выше схема автоматического регулирования га­ зового потока по радиусу печи — одна из наиболее изученных и поэтому, безусловно, имеет важное значение для дальнейшего раз­ вития автоматизации управления ходом доменной печи. Однако она имеет существенные недостатки, основными из которых являются: 1) пригодность только к узким, специфическим условиям работы отдельных печей; 2) пригодность для изменения радиального разме­ щения материалов только одним из способов регулирования — оче­ редностью загрузки; 3) алочисленность информации о распределе­ нии газового потока в печи; 4) ненадежность критерия /Сд; 5) весьма широкие границы нерегулируемой зоны.

Ненадежность критерия КА можно проследить на рис. 70, на ко­ тором показаны две различные схемы (а и б) радиального размещения содержания углекислоты, но с одинаковым значением Ка- Из рис. 70 видно, что площади 5Пи Sц (заштрихованы) в обоих случаях равны,