книги из ГПНТБ / Рудницкий В.Б. Автоматизация процессов рудной электроплавки в цветной металлургии
.pdfАВТОМАТИЗАЦИЯ
ПРОЦЕССОВ
РУДНОЙ
ЭЛЕКТРОПЛАВКИ В ЦВЕТНОЙ
МЕТАЛЛУРГИИ
В. Б. РУДНИЦКИЙ
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РУДНОЙ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ
В ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
МОСКВА «МЕТАЛЛУРГИЯ» 1973
з ш а ш р
УДК 669.2:65.011.56
Автоматизация процессов рудной электроплавки в цветной металлур
гии. |
Р у д н и ц к и й В. Б. М., «Металлургия», 1973, ил. 73, список |
лит. |
117, 248 с. |
Приведены краткие сведения по технологии электроплавки мед но-никелевых руд и концентратов, конструкции электропечных агрега тов, рассмотрены методики экспериментальных исследований и харак теристики руднотермической печи как объекта автоматизации. Описа ны принципы действия и схемы устройств для автоматического контроля и регулирования электрических и технологических парамет ров рудной электроплавки. Обобщен опыт работ по разработке и внедрению новых устройств автоматизации руднотермических элект ропечей для плавки медно-никелевых руд и концентратов. Рассмотре ны перспективы оптимального управления рудной электроплавкой.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, за нимающихся проектированием и эксплуатацией систем КИП и авто матики в цветной металлургии. Она может быть полезна студентам техникумов и вузов соответствующих специальностей.
© Издательство «Металлургия» 1973
3103-132
Р124—73
Предисловие.......................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
||
Р а з д е л п е р в ы й . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Руднотермическая электропечь как объект автоматизации |
|
|
||||||||||||
Г л а в а |
I. |
Электроплавка |
медно-никелевых |
руд |
и |
концент |
7 |
|||||||
ратов |
..................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. Технология рудной электроплавки ....................................... |
|
|
|
|
7 |
|||||||||
Подготовка шихты к |
плавке................................................ |
|
|
|
|
|
7 |
|||||||
Процесс ...........................................рудной электроплавки |
|
|
|
|
8 |
|||||||||
2. Конструкция ............................. |
электропечпого |
агрегата |
|
|
|
печи |
10 |
|||||||
Конструктивные |
|
элементы |
рудпотермической |
15 |
||||||||||
Электрооборудование электропечной установки . . . . |
15 |
|||||||||||||
3. Современное |
состояние |
автоматизации |
и |
механизации |
18 |
|||||||||
руднотермических ..................................................... |
п е ч е й |
|
|
|
|
|
22 \ |
|||||||
Уровень автоматизации процесса рудной электроплавки |
22 |
|||||||||||||
Механизация |
и |
усовершенствование рудпотермических |
24 |
|||||||||||
печей ....................................в |
связи сих |
автоматизацией |
|
|
|
|
||||||||
Г л а в а |
II. |
Основные |
понятия по автоматическому -регулиро |
|
||||||||||
ванию .................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
; . |
. |
- |
г • • . • * . »' -25 |
||
1. Принципы построения |
систем |
автоматическаго • р£гулц; |
26 |
|||||||||||
ровани ...................................................................................................я |
|
и |
характеристики |
|
|
|
. . . . . . |
|||||||
Терминология ........................ .... |
' .' |
’. |
|
26 |
||||||||||
Классификация ................................... |
С А Р |
|
|
|
|
. |
28 |
|||||||
Типовые .................................. ..........................звенья С А Р |
|
|
|
> |
|
|
|
30 |
||||||
Способы ................................................соединения звеньев |
|
|
|
|
|
33 |
||||||||
2. Элементы систем автоматического регулирования . . . |
36 |
|||||||||||||
Объекты ..................................................... |
регулирования |
|
|
|
|
|
36 |
|||||||
Чувствительные элементы, датчики, задатчики . . . . |
38 |
|||||||||||||
Автоматические ................................................ |
регуляторы |
регулирующие |
органы |
39 |
||||||||||
Исполнительные |
|
механизмы, |
42 |
|||||||||||
3. Переходные процессы в линейных системах |
автомати |
43 |
||||||||||||
ческого ............................................................... |
регулирования |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Уравнения ........................и передаточные функции С А Р |
|
|
|
43 |
||||||||||
Устойчивость |
систем |
|
автоматического |
регулирования |
45 |
|||||||||
Качество |
процесса |
автоматического |
регулирования |
47 |
||||||||||
4. Нелинейные системы |
|
автоматического- |
регулирования |
50 |
||||||||||
Статические |
характеристики |
нелинейных |
|
элементов |
50 |
|||||||||
Методы анализа динамики нелинейных систем . . . . |
52 |
|||||||||||||
Г л а в а |
III. Статические и динамические характеристики руд |
54 |
||||||||||||
нотермической ............................................................................ |
п е ч и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
1. |
Статические |
характеристики |
рудпотермической |
печи |
56 |
|||||||||
Корреляционные зависимости процесса рудной электро |
57 |
|||||||||||||
плавки ....................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1* |
3 |
Статические электрические характеристики . . . . . . |
54 |
2.Динамические характеристики руднотермической печи 68
Динамика электрического реж има |
....................................... |
|
|
68 |
||||||
Динамика |
газового |
реж им а................................................. |
|
|
|
|
72 |
|||
Р а з д е л в т о р о й |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Автоматический контроль и регулирование электрических |
|
|
||||||||
параметров плавки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Г л а в а |
IV. Электротехнические измерения и релейная защита |
77 |
||||||||
1. Автоматическое |
измерение |
электрических |
параметров |
|
||||||
Измерение |
напряжения |
и т о к а ............................................ |
|
|
|
78 |
||||
Измерение электрической мощности и энергии . . . . |
79 |
|||||||||
2. Автоматический |
контроль |
перемещения н |
заглубления |
80 |
||||||
э л е к т р о д о в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
83 |
Устройства для контроля перемещения электрода . . . |
83 |
|||||||||
Методы и устройства для измерения заглубления элект |
|
|||||||||
родов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
86 |
3. Релейная защита электропечного агрегата........................ |
|
|
91 |
|||||||
Общие сведения о релейной защ ите............................. |
|
|
91 |
|||||||
Принцип |
действия |
и |
устройство |
электромеханических |
|
|||||
р е л е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
93 |
Виды |
повреждений |
трансформатора и |
типы |
защит |
96 |
|||||
Г л а в а |
V. Автоматическое регулирование электрической мощ - |
- |
||||||||
н о с т и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
1. Краткий |
регуляторов |
мощности |
электропечей |
101 |
||||||
Релейно ..................................-контакторные |
|
р егуляторы |
|
|
101 |
|||||
Регуляторы с электромашинными усилителями . . . . |
104 |
|||||||||
Регуляторы .............................с магнитными усилителями |
|
|
107 |
|||||||
Электрогидравлические .................................. |
|
регуляторы |
|
|
111 |
|||||
2. Особенности руднотермических электропечей как |
объ |
|
||||||||
ектов ....................................................регулирования мощности |
|
|
|
|
114 |
|||||
Выбор .......................................регулируемого |
параметра |
|
|
|
114 |
|||||
Требования к САР электрической мощности РТП . . . |
119 |
|||||||||
Г л а в а |
VI. Бесконтактный регулятор мощности типа БРМ - 1 |
121 |
||||||||
1. Принцип |
действия |
и |
устройство |
регулятора БРМ-1 |
121 |
|||||
Блок-схема |
регулятора . . |
|
|
|
|
121 |
||||
Принципиальная .................................. |
схема |
регулятора |
|
|
115 |
|||||
2. Анализ динамики замкнутой САР мощности с регулято |
|
|||||||||
ром ...................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
132 |
Уравнения ...................и характеристики элементов С А Р |
|
132 |
||||||||
Исследование устойчивости САР, определение парамет |
|
|||||||||
ров ............................................................... |
автоколебаний |
|
|
|
|
|
|
|
|
137 |
3. Стендовые ........................ |
испытания |
регулятора |
Б Р М -1 |
|
|
142 |
||||
Физическая ....................................... |
водяная |
модель печи |
|
|
|
141 |
||||
Методика ..................................и результаты |
испытаний |
|
|
145 |
||||||
4. Промышленные |
испытания |
и |
внедрение |
регулятора |
|
|||||
Б Р ...............................................................................................М - 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
146 |
Программа .................................. |
и методика |
испытаний |
|
|
146 |
|||||
Результаты .......................................................... |
испытаний |
|
|
|
|
|
|
|
148 |
|
Технико-экономическая эффективность внедрения регу |
|
|||||||||
ляторов ......................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
150 |
Р а з д е л т р е т и й . |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Автоматический контроль и регулирование технологических |
|
154 |
|||||||||
параметров плавки |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Г л а в а |
VII. Автоматизация дозирования компонентов шихты |
154 |
|||||||||
и загрузки |
печных бункеров.......................................................... |
|
|
|
|
|
|||||
1. Автоматическое |
дозирование |
компонентов |
шихты . |
. |
156 |
||||||
Весоизмерительные и дозирующиеустройства . . . . |
|
156 |
|||||||||
Система автоматического регулирования дозировки ком |
160 |
||||||||||
понентов |
ш и х т ы .............................................................. |
|
|
б у н кер о в |
, |
. |
|||||
2. Автоматическая |
загрузка печных |
|
|
164 |
|||||||
Способы загрузки шихты в электропечь........................ |
|
. |
164 |
||||||||
Система |
автоматической |
загрузки |
печных бункеров . |
167 |
|||||||
Г л а в а |
VIII. Автоматическое |
измерение |
расплава |
|
|||||||
в п е ч и .......................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
172 |
|
|
1. Методы и устройства для контроля уровня расплава |
. |
173 |
|||||||||
2. Особенности измерения уровня шлака и штейна в рудно |
|
||||||||||
термической п е ч и |
.................................................................. |
|
|
|
|
178 |
|
||||
Выбор контролируемых парам етров |
|
179 |
|||||||||
Требования к электроконтактпому устройству. . . . |
|
181 |
|||||||||
3. Принцип |
действия и устройство |
электромеханического |
|
||||||||
уровнемера расплава типа Э М У Р -1 ................................ |
|
183 |
|||||||||
Блок-схема уровнем ера................................................... |
|
|
|
|
183 |
||||||
Измерительное устройство уровнем ера...................... |
|
187 |
|||||||||
Схема |
электрооборудования |
и автоматики ................... |
|
|
189 |
||||||
4. Применение бесконтактных логических элементов в схе |
|
||||||||||
ме автоматики уровнемера Э М У Р -1 ................................ |
|
194 |
|||||||||
Управление |
приводом компенсации .................................. |
|
|
195 |
|||||||
Управление приводом электрода |
внедрение....................................... |
ѵровнемера |
199 |
||||||||
5. Промышленные |
испытания |
и |
202 |
||||||||
ЭМУР-1 |
|
............................................................... |
|
|
|
|
|
J . . . . . |
|
||
Г л а в а |
IX. Автоматизация теплового и газового режима печи " |
205 |
|||||||||
1. Автоматическое |
измерение тем пературы ................. |
|
206 |
|
|||||||
Контактные |
м е т о д ы ........................................................ |
: |
: |
|
|
207 |
|
||||
Пирометры |
излучения |
|
|
214 |
|
||||||
2. Автоматическое |
регулирование д ав л .................е н и я |
печи . |
218 |
219 |
|||||||
Особенности |
регулирования газового |
. |
|||||||||
Определение |
оптимальных |
параметров |
настройки |
|
|||||||
САР |
д авл ен и я .................................................................. |
|
|
|
|
221 |
|||||
Г л а в а |
X. |
Перспективы комплексной |
автоматизации рудно |
224 |
|||||||
термических |
электропечей ............................................................... |
|
|
|
|
|
|||||
1. Система |
автоматизации |
руднотермической |
электропечи |
225 |
|||||||
для плавки медно-никелевых руд и концентратов. . . . |
|
||||||||||
Требования |
к системе автоматизации ............................. |
|
226 |
225 |
|||||||
Назначение и функции си стем ы .................................... |
|
|
|
||||||||
2. Оптимизация энергетического режима рудной электро |
|
||||||||||
плавки |
медно-никелевого |
с ы р ь я .................................... |
|
|
231 |
|
|||||
Метод оптим изации ....................................................... |
|
|
|
|
231 |
|
|||||
Система оптимального управления энергетическим режи |
|
||||||||||
мом п е ч и .......................................................................... |
|
|
|
|
|
|
236 |
|
|||
Список литературы ..................................................................... |
|
|
|
|
|
243 |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Электроплавка— один из важнейших технологиче ских процессов в металлургии черных и цветных метал лов. Широкое применение руднотермические печи нахо дят также при производстве продуктов химической, аб разивной и других отраслей промышленности.
Автоматизация является необходимым условием, обеспечивающим интенсификацию и получение требуе мых технико-экономических показателей процесса элек троплавки. Однако, несмотря на широкое применение электроплавки, вопросы автоматизации руднотерми ческих печей недостаточно освещены в литературе.
Предлагаемый материал является обобщением опыта работ по автоматизации руднотермических электропе
чей для плавки медно-никелевых |
руд и концентратов. |
В его основу положены работы, |
проведенные Кирова- |
канским институтом «НИИАвтоматика» в содружестве с Кишиневским политехническим институтом и комбина том «Печенганикель» под руководством и при непосред ственном участии, автора, а также некоторые закончен ные работы других организаций (ВНИКИ «Цветметавтоматика», КБ «Термоприбор» и др.). Описанные в книге новые разработки устройств автоматизации, по кото рым получены положительные результаты эксплуатации на руднотермических печах цветной металлургии, могут найти применение при автоматизации руднотермических печей других отраслей промышленности.
Вследствие ограниченного объема книги дополнитель ные сведения по некоторым вопросам (технология элект роплавки, серийные приборы контроля и регулирования и др.) можно получить из литературных источников. Но вые материалы по автоматизации руднотермических электропечей (статические и динамические характери стики объекта регулирования, бесконтактный регулятор мощности БРМ-1, электромеханический уровнемер рас плава ЭМУР-1 и др.) изложены более подробно.
Раздел первый
РУДНОТЕРМИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОПЕЧЬ КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ
Г л а в а I
ЭЛЕКТРОПЛАВКА МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ
Электроплавка является одним из важнейших и пер спективных процессов в металлургии черных и цветных металлов, в химической промышленности. В черной ме таллургии электроплавку применяют в основном для
производства качественных |
сталей |
и ферросплавов, |
||
в цветной металлургии—для |
переработки |
сульфидных |
||
медных и медно-никелевых |
руд |
и |
концентратов на |
|
штейн и окисленных никелевых |
руд |
на |
ферроникель. |
В электропечах осуществляется восстановительная плав ка оловянных, свинцовых и цинковых концентратов. Электроплавку эффективно используют для переработки различных шлаков с целью глубокого извлечения ме таллов.
Наиболее крупных масштабов достигла рудная элек троплавка сульфидного медно-никелевого и медного сырья. Установленная мощность парка электропечей приближается к 500 Мва, мощность единичного агрегата превышает 30 Мва. Поскольку в настоящей книге авто матизация руднотермических печей рассмотрена на при мере электроплавки медно-никелевых руд и концентра тов, остановимся на технологии этого процесса.
1.ТЕХНОЛОГИЯ РУДНОЙ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ
Внастоящее время никель в заводских масштабах выплавляют из двух типов никелевых руд: сульфидных (медно-никелевых) и окисленных (силикатных). В Со
ветском Союзе сульфидные медно-никелевые руды добы вают на Кольском полуострове (комбинаты «Печенганикель» и «Северонпкель») и в Таймырском округе (Но рильский комбинат), окисленные никелевые руды— на Среднем и Южном Урале (комбинат «Южуралникель», Уфалейский никелевый завод). Открыты новые место рождения окисленных никелевых руд в Оренбургской области (Буруктальское месторождение), на Украине (Побужское месторождение) и др. За рубежом большое месторождение сульфидных медно-никелевых руд имеет
ся в Канаде, |
окисленные |
никелевые руды |
добывают |
в Новой Каледонии, на Кубе, в Индонезии и др. |
|||
Технология |
переработки |
сульфидных и |
окисленных |
никелевых руд различна. В Советском Союзе основным методом переработки сульфидных медно-никелевых руд служит электроплавка [1, 2]. За рубежом электроплав ку медно-никелевого сырья применяют в Канаде на за воде «Томпсон» [3].
Переработку окисленных никелевых руд на действу ющих заводах страны осуществляют путем восстанови- тельно-сульфидирующей плавки в шахтных печах на штейн. Для новых строящихся предприятий—Бурукталь- ского и Побужского комбинатов — в институте «Гипроникель» разработана и опробована технология электро плавки ферроникеля из окисленных никелевых руд, ха рактеризующаяся высоким извлечением никеля и кобальта в железоникелевый сплав, сравнительно низким расходом восстановителя и электроэнергии, комплекс ным использованием сырья и возможностью автомати зации процесса [4].
Подготовка шихты к плавке
Состав сульфидных медно-никелевых руд изменяет ся в широких пределах по различным месторождениям. Однако их минералогический состав имеет много обще го. Никель находится в основном в виде минерала пентландита (Ni, Fe) S, представляющего собой изоморф ную смесь сульфидов железа и никеля. Из медных ми нералов преобладает халькопирит CuFeS2. Обычно присутствует кобальт в виде CoS. Основным сульфидом железа является пирротин FeySs. Пустая порода состо ит из ряда минералов и горных пород, основные компо
центы |
которых: Si02, MgO, |
А120з, CaO. |
Особую |
роль |
играет |
MgO, при высоком |
содержании |
которой |
руда |
тугоплавка. |
поступающее на плавку |
|||
Металлургическое сырье, |
в руднотермические электропечи, должно удовлетво рять следующим требованиям: однородность химическо го состава, определенное содержание цветных металлов и шлакообразующих окислов, оптимальная крупность и минимальная влажность.
Сырье перед плавкой подвергают предварительной подготовке, заключающейся в дроблении, обогащении, сушке, окусковании флотоконцентратов и рудной ме лочи, обжиге в кипящем слое, шихтовке. Объем подго товительных операций зависит от вида сырья и содер жания в нем металлов.
Бедные руды, содержащие менее 1,5% никеля, под вергают флотационному обогащению на обогатитель ной фабрике. Получаемый флотоконцентрат, содержа щий 4—6% никеля, плавят вместе с богатой крупноку сковой рудой либо перед электроплавкой окусковывают методом агломерации или окатывания с последующим агломерирующим обжигом [5]. Богатые руды, содер жащие никеля более 2,0%, направляют на электроплав ку без обогащения. Подготовка богатых руд к плавке заключается в дроблении до крупности 20—50 мм.
При необходимости руду, поступающую на плавку, подсушивают до влажности около 3,0% во вращающих ся сушильных барабанах. К содержанию влаги в шихте для электроплавки предъявляют жесткие требования. Загрузка в печь шихты с повышенным содержанием влаги приводит к нарушению режима плавки, а в слу чае опрокидывания шихтовых откосов в ванну печи про исходит сильный взрыв—хлопок, который разрушает свод и опасен для обслуживающего персонала.
Заключительным этапом подготовки сырья к плавке является шихтовка — процесс смешения различных ком понентов шихты в заданной пропорции. Для улучшения состава рудного сырья к нему добавляют вспомогатель ные материалы — флюсы и восстановитель (каменный уголь, коксик). При смешении материалов стремятся по лучить шихту такого химического состава, чтобы при плавлении ее обеспечить максимальный проплав при незначительных потерях металлов с отвальными шлака