книги из ГПНТБ / Рудницкий В.Б. Автоматизация процессов рудной электроплавки в цветной металлургии

ропечной установки при ненормальных и аварийных ре­ жимах. В цени печного трансформатора иногда устанав­ ливают специальный переключатель, обеспечивающий переключение обмоток трансформатора с высокой сто­ роны со «звезды» на «треугольник».

Электрическую схему электропечной установки мож­ но разделить на высоковольтный и низковольтный участ­ ки. Высоковольтная цепь электросхемы состоит из разъединителя, выключателя, высоковольтной обмотки печного трансформатора с переключателем ступеней на­ пряжения. С высокой стороны подключены измеритель­ ные трансформаторы тока и напряжения, питающие це­ пи электроизмерительных приборов, устройств релейной защиты и автоматических регуляторов мощности.

Низковольтная часть электросхемы включает в се­ бя низковольтные обмотки печного трансформатора, ко­ роткую сеть, электроды и токопроводящую зону рас­ плавленной ванны.

К о р о т к о й с е т ь ю называют систему проводни­ ков, передающих ток рабочего напряжения от источника

на небольшую (несколько метров) длину короткой сети, ее активное и особенно индуктивное сопротивление яв­ ляются определяющими для таких важных характе­

В связи с необходимостью пропускания токов боль­ шой силы (несколько десятков килоампер) сечение про­ водников короткой сети принимает значительные разме­ ры, доходящие до нескольких десятков тысяч квадрат­ ных миллиметров на одну фазу. Большая сила тока обусловливает появление вокруг проводников сильных магнитных полей, что сопровождается такими нежела­ тельными явлениями, как неравномерная нагрузка про­ водников и фаз, эффект близости и поверхностный эф­ фект, перенос мощности между фазами и проводниками.

Короткая сеть состоит из шихтового шинного пакета, от которого отходят гирлянды гибких проводников —

шлейфов, присоединяющихся к башмакам, закреплен­ ным на траверсе мантеля электрода. От башмаков идут токоведущие водоохлаждаемые медные трубы, соединяе­ мые с контактными щеками электродов.

электрической энергии в ванну печи. На электропечах для плавки медно-никелевых руд и концентратов приме­ няют непрерывные самоспекающиеся электроды, пред­

тродной массой. Кожух электрода изготавливают из от­ дельных секций. По мере обгорания рабочего конца электрода и его перепуска к кожуху электрода наращи­ вают новую секцию.

Нормальная работа электропечи в значительной сте­ пени зависит от физических и химических свойств мате­ риала, из которого изготовлены электроды, а также от качества спекания электродной массы. К электродам предъявляют следующие требования: высокая электро­ проводность; достаточная механическая прочность при высокой температуре; высокая температура начала окисления на воздухе; хорошая химическая стойкость по отношению к продуктам плавки. Указанным требовани­ ям удовлетворяют электроды из углеродистых мате­ риалов.

В современных мощных электропечах масса кожуха электрода вместе с заполняющей его электродной мас­ сой достигает 15 т, а длина 20 м, что предъявляет повы­ шенные требования к надежности конструкции его креп­ ления. Подвеску электродов и подвод тока к электродам осуществляют при помощи электрододержателей. Важ­ нейшим узлом электрододержателя является зажим, ко­ торый должен обеспечивать хороший электрический контакт между щекой и электродом. Электрододержатель состоит из восьми контактных щек, к которым подво­ дится ток при помощи медных труб. Трубы служат од­ новременно для подвода охлаждающей воды к щекам.

Электроды по мере их обгорания перепускают при помощи пружинно-гидравлических механизмов с дистан­ ционным управлением. Передвижение электродов по вертикали в процессе работы печи осуществляется элек­ трическими лебедками либо гидравлическими подъемнн-

ками. Гидравлические подъемники и механизмы пере­ пуска электродов питаются от одной системы гпдропровода, включающей насосно-аккумуляторную станцию и регулирующую гидроаппаратуру.

3.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ

ИМЕХАНИЗАЦИИ РУДНОТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

Уровень автоматизации процесса рудной электроплавки

Электроплавка является одним из важнейших, пер­ спективных и технологически более совершенных про­ цессов цветной металлургии. Как было отмечено выше, процесс плавки медно-никелевых руд в электропечах ха­ рактеризуется совокупностью достаточно сложных фи­ зико-химических процессов, взаимодействующих между собой. Для управления таким сложным объектом, как руднотермическая электропечь, необходимо обеспечить автоматический контроль и стабилизацию на определен­ ном уровне входных и выходных материальных и энерге­ тических потоков. Система автоматизации должна охва­ тывать весь технологический цикл от загрузки шихты до выпуска продуктов плавки, согласованный с тепловым, электрическим и газовым режимом печи.

Анализ работы руднотермических печей для плавки медно-никелевых руд позволяет выделить основные па­ раметры, подлежащие автоматическому контролю и ре­ гулированию. К ним относятся электрическая мощность, вводимая в электропечь; электрические параметры электропечного агрегата; перемещение, заглубление в шлаковый расплав и перепуск электродов; химический состав и количество загружаемой шихты; давление в га­ зовом пространстве печи и газоходной системе; темпе­ ратура шлаковой и штейновой ванны; температура фу­ теровки стен и подины печи, охлаждаемых деталей кон­ струкции печи; уровень шлака и штейна в печи; количе­ ство, состав и температура выданного штейна и выпу­ щенного шлака.

Рудная электроплавка, по сравнению с другими ви­ дами плавок, например шахтной и отражательной, тех­ нологически более совершенный процесс, легче поддаю­

щийся механизации и автоматизации. В отличие от дуго­ вых сталеплавильных, карбидных и других электропечей процесс электроплавки медно-никелевых руд непрерыв­ ный, что существенно облегчает его автоматизацию. Од­ нако работы по автоматизации руднотермических элект­ ропечей цветной металлургии пока не получили доста­ точного развития. Лишь частично решены вопросы автоматизации процессов подготовки шихты, загрузки шихты в печь, энергетического и газового режима плавки.

Уровень автоматизации действующих руднотерми­ ческих печей можно отнести к начальной ступени частич­ ной автоматизации.

Для регулирования основного параметра электроплавки— электрической мощности, вводимой в печь, до последнего времени применяли регуляторы различных типов, которые не удовлетворяли основным требованиям регулирования мощности шестиэлектродных руднотер­ мических печей для плавки медно-никелевых руд.

Весовое дозирование компонентов шихты на боль­ шинстве печей не осуществляется. Существующие систе­ мы автоматической загрузки печных бункеров, выпол­ ненные на контактных релейных элементах, не обеспечи­ вают раздельной переработки руды и окатышей в печи.

Автоматизация технологического режима действую­ щих электропечей ограничивается только регулировани­ ем газового режима печи, а также контролем некоторых параметров плавки.

Величина заглубления электродов в расплав не конт­ ролируется, уровень шлака и штейна измеряют вручную, сырье и продукты плавки отбирают вручную и анализи­ руют лабораторными методами.

К основным причинам, которые сдерживают развитие автоматизации руднотермических электропечей цветной металлургии, относятся:

1. Сложность и недостаточная изученность руднотер­ мических печей как объектов автоматизации. Исследо­ вание печей и внедрение устройств автоматики затрудне­ но тем, что процессы рудной электроплавки протекают при высоких температурах и в агрессивных средах.

2.Недостаточная степень механизации и надежности работы обслуживающих механизмов.

3.Отсутствие необходимых датчиков и устройств для надежного измерения ряда параметров процесса: темпе­

ратуры расплава в печи; величина заглубления электро­ дов в расплав; уровня шлака и штейна; взвешивания расплавленных масс; автоматического определения со­ держания основных компонентов в шихте и продуктов плавки. В результате контроль некоторых параметров электроплавки осуществляют вручную.

Анализ состояния автоматизации руднотермических электропечей подтверждает актуальность работ по даль­ нейшему исследованию их как объектов автоматизации, а также необходимость разработки новых и усовершен­ ствования существующих устройств контроля, регулиро­ вания и управления процессом рудной электроплавки. Для поднятия""уровня автоматизации действующих печей необходимо шире оснащать их серийно выпускаемыми приборами КИП и автоматики, а также осваивать на пе­ чах новые устройства автоматизации, созданные для ме­ таллургических агрегатов.

Механизация и усовершенствование руднотермических печей в связи с их автоматизацией

Технология рудной электроплавки за последние годы значительно усовершенствована. На ведущих предприя­ тиях цветной металлургии— комбинатах Норильском, «Печенганикель», «Североникель» в содружестве с ин­ ститутом «Гипроникель», Ленинградским горным инсти­ тутом и другими научно-исследовательскими и проектны­ ми организациями накопили значительный опыт пере­ работки сульфидных медно-никелевых руд методом электроплавки и систематически проводят работы по со­ вершенствованию конструкции, механизации и автома­ тизации руднотермических печей.

Рудную электроплавку совершенствовали в следую­ щих направлениях: повышение мощности действующих печей в результате их модернизации; перевод электропе­ чей на работу с глубокой ванной; повышение коэффици­ ента извлечения никеля, меди и кобальта; внедрение са­ морегулирующейся загрузки шихты в печь; освоение способа раздельной переработки руды и концентрата в одной печи; повышение коэффициента использования печей под нагрузкой и др. [14, 17—19].

Однако как было отмечено выше, одной из причин, сдерживающих развитие автоматизации РТП, является недостаточная степень механизации и надежности рабо­ ты механизмов печи. На действующих печах не механи­ зированы и не автоматизированы следующие операции:

и разделка проб шихты, шлака и штейна; наращивание кожухов самоспекающихся электродов и засыпка элек­ тродной массы. Практически не решена задача гермети­ зации электропечей. Надежность устройства переключе­ ния ступеней напряжения печного трансформатора под нагрузкой недостаточна для использования его в системе регулирования.

Дальнейшее совершенствование электроплавки свя­ зано с ликвидацией перечисленных недостатков.

Гл а в а II

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПО АВТОМАТИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ

Металлургический завод имеет сложную структуру управления, которая связана с особенностями технологии и организации. На каж­ дой ступени системы управления решается своя задача, подчиненная общей цели управления предприятием в целом.

Первой ступенью являются технологические процессы, протека­ ющие в отдельных агрегатах. Задача управления на этой ступени сводится к стабилизации заданных технологических режимов. Она решается с помощью локальных систем автоматического регулирова­ ния (САР) отдельных технологических параметров: электрической мощности, температуры, состава, давления и др.

На второй ступени, объединяющей металлургические агрегаты в участки и цехи, задача управления сводится к обеспечению получе­ ния продукции требуемого качества при минимальных затратах на ее производство. Системы управления на этой ступени являются бо­ лее сложными по своей структуре и функциональным характеристи­ кам. Они решают задачи поиска оптимальных технологических ре­ жимов отдельных металлургических агрегатов, взаимосвязанного управления технологическими процессами участка или цеха (напри­ мер, шихтоподготовки, плавки, конвертирования, рафинирования) и выдают задания локальным САР.

Третья" ступень — управление металлургическим заводом в це­ лом. Управление на этой ступени включает в себя решение планово­ экономических задач, определяющих эффективность работы всего предприятия.

Решение задач более высоких ступеней управления обеспечивает­ ся, с одной стороны, применением более сложных устройств автома­ тического управления, включая управляющие вычислительные маши­ ны, с другой, четким функционированием локальных САР, осуществ­ ляющих непосредственное воздействие на технологические процессы. Это предъявляет высокие требования к качеству и надежности ло­ кальных систем автоматического регулирования.

В гл. II кратко изложены основные понятия по автоматическому регулированию, необходимые для уяснения, изложенных ниже ма­ териалов по автоматизации рудиотермичеекпх электропечей. Подроб­ ное изложение теории автоматического регулирования дано в спе­ циальной литературе [20—22].

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЕОРЕГУЛИРОВАНИЯ

Терминология и характеристики

Основная терминология, применяемая при изложении вопросов автоматического регулирования, охватывает следующие понятия и определения.

Р е г у л и р у е м ы м п а р а м е т р о м и л и р е г у л и р у е м о й

в е л и ч и н о й называют технологический параметр, который необ­ ходимо поддерживать постоянным или изменять по определенному закону. Значение регулируемой величины, которое согласно заданию должно быть в данный момент времени, называют заданным значе­ нием регулируемой величины. Действительное же значение регулиру­ емой величины в данный момент времени называют текущим значе­

изменение которого нарушает нормальный ход процесса, вызывая от­ клонение регулируемого параметра от заданного значения.

Технологический агрегат или процесс, в котором необходимо осу­ ществлять регулирование того или иного параметра, называют о б ъ ­ е к т о м р е г у л и р о в а н и я .

А в т о м а т и ч е с к и м р е г у л я т о р о м называют устройство или комплекс устройств, присоединяемых к регулируемому объекту и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения регулируемой величины или изменение ее по определенному закону.

Совокупность автоматического регулятора и-регулируемого объ­ екта, взаимодействующих между собой, составляет с и с т е м у а в ­ т о м а т и ч е с к о г о р е г у л и р о в а н и я .

При анализе систем автоматического регулирования обычно ис­ пользуют не принципиальную схему САР, а ее функциональную блоксхему (рис. 4). В общем случае система автоматического регулиро­ вания состоит из следующих элементов: объекта регулирования ОР, измерительного устройства ИУ, задающего устройства, элемента сравнения ЭС, усилителя У, преобразовательного элемента ПЭ, ис­ полнительного механизма ИМ к регулирующего органа РО.

З а д а ю щ е е у с т р о й с т в о оказывает управляющее (задаю­ щее) воздействие на вход системы. Управляющее воздействие может быть постоянной заданной величиной при необходимости поддержа­ ния постоянного значения регулируемой величины или же изменяться по определенному закону, если в технологическом процессе по этому закону должна изменяться регулируемая величина.

Измеренное при помощи измерительного устройства ИУ дейст­

ствия Хв регулируемый параметр х отклоняется от своего заданного значения и возникает ошибка А х= х*я—х. Сигнал рассогласования

Рис. 4. Функциональная блок-схема САР

Ах усиливается у с и л и т е л е м У и поступает на п р е о б р а з о в а ­

гулирующий орган изменяет приток вещества или энергии в про­ цесс, осуществляя тем самым регулирующее воздействие на объект. В результате нарушенное равновесие восстанавливается и регулиру­ емая величина возвращается к заданному значению.

II и и, характеризующемся равенством или балансом приходов и рас­ ходов энергии и вещества в объекте регулирования; в н еу с т а по ­ в и в ш е м с я п е р е х о д н о м ( д и н а м и ч е с к о м ) с о с т о я - II и и, характеризующимся нарушением этих балансов.

Каждый элемент системы автоматического регулирования обла­ дает своими свойствами. Изменяя свойства элементов САР, можно соответствующим образом изменять свойства системы в целом. Со­ стояние любого элемента САР характеризуется входными и выходны­ ми параметрами.

Для всех элементов САР характерно следующее важное свой­ ство: воздействия через элементы передаются только в одном на­

в одном направлении, то выход одного элемента является входом по­ следующего и т. д. Очевидно, что входной величиной регулятора яв­ ляется регулируемый параметр, а его выходной величиной — регули­ рующее воздействие на объект. Входной величиной объекта является регулирующее воздействие регулятора, а его выходом — регулиру­ емый параметр.

называют замкнутой. Системы этого класса реагируют на различные возмущения. Однако в самом принципе регулирования заложена воз­ можность отклонения регулируемого параметра от заданного значе­ ния, что является его недостатком;

б) системы, в которых использован принцип регулирования по возмущению (рис. 5,6). В такой системе сигнал о появлении опреде­ ленного возмущающего воздействия поступает на регулятор, который осуществляет компенсирующее воздействие па процесс прежде, чем произойдет отклонение регулируемого параметра. У подобных САР имеется разомкнутый контур передачи воздействий и их называют разомкнутыми. В системах этого класса отсутствует контроль за действительным значением регулируемого параметра, отклонения ко­ торого могут возникать под влиянием других возмущающих воздей­ ствий, что является их существенным недостатком;

в) системы, в которых сочетают принцип управления по возму­ щающему воздействию и по 'отклонению регулируемой величины

(рис. 5, б). Эти системы называют комбинированными. В них влияние основного возмущающего воздействия компенсируется регулятором по разомкнутому контуру передачи воздействий, а вследствие замк­ нутого контура устраняется отклонение регулируемого параметра под влиянием остальных возмущающих воздействий.

2. В зависимости от функционального назначения системы авто­ матического регулирования разделяют па стабилизирующие, следя­ щие, программные и самонастраивающиеся.

Стабилизирующие САР обеспечивают поддержание регулируемо­ го параметра равным заданному значению. В таких системах хяя яв­ ляется постоянной величиной.

Следящие САР обеспечивают изменение регулируемого парамет­ ра в соответствии с произвольным законом изменения управляющего воздействия %. При этом закон изменения управляющего воздейст­ вия может быть неизвестной функцией времени или другого техно­ логического параметра.

Программные САР изменяют регулируемый параметр в соответ­ ствии с известным законом изменения хзд. При этом заданное зна­ чение регулируемого параметра изменяется по заранее известной программе.

В самонастраивающихся САР при изменении условий работы объекта происходит самоизменение заданий программ, законов вос­ произведения, постоянных параметров или схем соединения элемен­ тов. В общем случае самонастраивающаяся система, кроме элементов обычных САР, имеет элементы логического действия, элементы памя­ ти, вычислительные элементы и элементы автоматического поиска.

3. По характеру воздействия регулятора на объект системы автоматического регулирования разделяют на непрерывные и пре­ рывистые (релейные и импульсные).

В непрерывной САР непрерывному изменению регулируемого па­ раметра соответствует непрерывное регулирующее воздействие ис­ полнительного механизма, т. е. пока имеется рассогласование между текущим и заданным значением регулируемой величины существует регулирующее воздействие.

В прерывистой САР при непрерывном изменении регулируемого параметра регулирующее воздействие носит прерывистый характер, вследствие чего движение регулирующего органа происходит с пере­ рывами во времени.