3.1 Технологические особенности и задачи управления доменным процессом

Доменный процесс характеризуется некоторыми особенностями:

а) доменная печь работает непрерывно в течение многих лет, при этом непрерывно загружаются в печь материалы, подается дутье и отводится газ; чугун и шлак выпускаются из горна периодически;

б) в результате противотока шихты и газов тепловой коэффициент полезного действия печи высок – до 85–90%, но для достижения этого необходимо организовать хороший контакт газов с материалами, т. е. требуемый характер газового потока;

в) топливо используется в доменной печи как источник тепла и как химический реагент-восстановитель, поэтому доменный газ содержит много СО и Н₂, которые не могут быть полностью использованы для восстановления оксидов.

В доменной печи в качестве шихтовых материалов используют руду, агломерат, окатыши, металлодобавки, кокс и флюсы (обычно – известняк). В результате доменного процесса получаются продукты плавки – чугун, шлак, колошниковый (доменный) газ и колошниковая пыль. Загруженные материалы продвигаются по шахте печи сверху вниз, а газы, образующиеся в горне, снизу вверх. В процессе плавки происходит восстановление различных элементов, в первую очередь железа, а кислород оксидов переходит в газ в виде СО и СО₂.

Перед загрузкой в доменную печь пылеватую шихту увлажняют и отсеивают на грохотах коксовую мелочь. Загрузка шихты в печь полностью механизирована. Скиповый подъемник или конвейер поднимает шихту на колошник, затем шихта поступает в приемную воронку двухконусного засыпного аппарата. Для распределения шихты по сечению колошника предусмотрен вращающийся распределитель шихты (ВРШ). На печи объемом 5000 м³ на колошник подается до 30 тыс. т шихтовых материалов в сутки.

Известна также бесконусная загрузка материалов в печь, когда опускающийся конус заменен поднимающимся колоколом. Если опускающийся конус направляет материал к стенам печи, то поднимающийся колокол направляет материал к оси печи.

Дутье подается в печь воздуходувными машинами, установленными на паровоздуходувной станции (ПВС). Перед подачей в печь дутье нагревают в регенеративных воздухонагревателях, увлажняют паром до заданного влагосодержания и обогащают кислородом. Обычно в доменных печах используют комбинированное дутье, содержащее в своем составе природный газ.

Доменный газ в системе газоочистки очищают от пыли в пылеуловителях (грубая очистка) и водой в скрубберах высокого и низкого давления. После скруббера высокого давления газ пропускают через каплеуловитель для сушки.

Чугун и шлак из соответствующих леток по желобам поступают в ковши и в них транспортируются к месту использования. Для охлаждения печи и очистки газа в больших количествах расходуют воду.

Рисунок 3.1 – Схема автоматизации доменной печи:

ДП – доменная печь;

В – блок воздухонагревателей;

Т – турбовоздуходувная машина;

Г – газоочистка;

1 – система управления загрузкой шихтовых бункеров;

2 – управление шихтоподачей и загрузкой;

3 – распределение шихтовых материалов по окружности колошника;

4 – управление дозированием компонентов шихтовых материалов;

5 – стабилизация влажности дутья;

6 – стабилизация расхода кислорода;

7 – стабилизация соотношения расхода природного газа и воздуха с коррекцией на концентрацию кислорода в дутье;

8 – стабилизация распределения дутья и природного газа по фурмам;

9 – стабилизация теплоты сгорания смешанного газа на отопление воздухонагревателей;

10 – управление перекидкой клапанов воздухонагревателей;

11 – стабилизация температуры горячего дутья;

12 – стабилизация температуры купола воздухонагревателей;

13 – оптимальное управление нагревом воздухонагревателей;

14 – управление тепловым состоянием доменной печи;

15 – управление шихтовкой доменной плавки;

16 – управление сходом шихтовых материалов;

17 – управление распределением газового потока по сечению шахты печи;

18 – контроль и управление охлаждением доменной печи и воздухонагревателей;

19 – система централизованного контроля параметров процесса;

20 – стабилизация расхода дутья;

21 – стабилизация давления колошникового газа

Основной задачей при управлении доменным процессом является стабилизация теплового состояния печи, что выражается в постоянстве производительности печи, состава и температуры продуктов плавки. Главными причинами колебаний теплового состояния являются изменения качества шихты, отклонения температуры и состава дутья от заданных значений, нарушения в распределении материалов по сечению печи. Сильное воздействие на тепловое состояние печи оказывают влажность кокса (так как кокс дозируют по массе), содержание и степень окисленности железа в шихте. Так, при изменении влажности кокса на 1,5–2,0% содержание кремния в чугуне изменяется на 0,1–0,15%. Поэтому именно эти возмущения должны быть в первую очередь скомпенсированы при ручном и автоматическом управлении ходом доменной печи.

Для работы печи существенное значение имеет соотношение скоростей потоков материалов и газов. Это соотношение может изменяться довольно быстро, и при амплитуде колебания соотношения 15–20% колебания в составе чугуна могут достигать 1 – 1,6% [Si]. Из-за инерционности процесса колебания состава чугуна на печи не достигают таких размеров. Для повышения точности контроля теплового состояния печи и прогноза содержания кремния в чугуне необходим контроль расхода дутья, выхода колошникового газа и расхода загружаемых шихтовых материалов. С помощью этих параметров расчетным путем можно получить соотношение интенсивностей движения потоков материалов и газов.

Тепловое состояние печи, т. е. ее температурное поле, неоднозначно связано с ходом процессов восстановления по высоте печи. Если изменяется восстановимость шихты и характер распределения потоков шихты и газа, то печь разогревается с ростом степени косвенного восстановления и степени использования энергии газов. Причиной изменений в этом случае является изменение использования энергии газов, а следствием – изменение теплового состояния печи.

Если же в шихту начинает поступать неучтенное количество углерода или изменяется количество (состав) железорудного сырья, то уже изменение температурного поля печи, т. е. ее теплового состояния, является причиной изменения энергии газов.

Многие алгоритмы управления тепловым состоянием доменной печи основаны на первой форме связи (изменение в газовом потоке – причина, изменения в столбе шихты – следствие). При использовании таких алгоритмов необходимо осуществлять как можно более полное зарегулирование возмущений на входе, т. е. стабилизировать соотношение в шихте углерода и кислорода оксидов железа.

Доменная печь как объект регулирования обладает большой инерционностью. При изменении состава шихты переходный процесс длится (2–3)τ_o (τ_o – время нахождения материалов в печи, равное 5–6 ч), а при изменении параметров дутья (1–2) τ_o.

Так как тепловое состояние и степень использования энергии газов взаимно влияют друг на друга (принцип обратной связи), то параметры теплового состояния печи испытывают низкочастотные автоколебания, Так, на печах объем 1200–1400 м³ период колебаний состава чугуна составляет 16–50 ч.

В таких условиях контроль и управление доменным производством является достаточно трудной задачей, поэтому контроль и прогноз изменений теплового состояния необходимо вести с использованием всей доступной информации о работе доменной печи. В частности, показатели прямого восстановления можно контролировать по измерениям количеств дутья и газов. Прогноз содержания кремния уточняется, если рассчитывать действительный и расчетный выход чугуна. Температуру колошникового газа можно использовать в качестве контрольного сигнала при прогнозировании колебаний теплового состояния, вызванных временными отклонениями отношений интенсивностей потоков шихты и газа от установившихся величин. Существенную информацию о тепловом состоянии печи могут дать общий (фурмы – колошник) и частные (фурмы – середина шихты, середина шихты – колошник) перепады давления газа в печи, интенсивность излучения из фурменных очагов и т. д.

На рисунке 3.1 приведена функциональная схема автоматизации доменных печей объемом 2700–3200 м³. Высокая оснащенность доменных печей контрольно-измерительными приборами, которые измеряют и регистрируют параметры комбинированного дутья, уровень шихты, перепады давления по высоте, расходы дутья и природного газа по фурмам и многое другое способствует автоматизации технологического процесса. Автоматически стабилизируются расход, температура и влажность дутья, содержание в нем кислорода, давление газа на колошнике, расход и давление природного газа, распределение его по фурмам и т. д. Но тепловое состояние печи контролируется недостаточно. Конечные результаты доменного процесса определяются с большим запаздыванием, а промежуточные стадии почти не контролируются из-за отсутствия датчиков информации. Недостаточно развиты контроль распределения материалов и газа по радиусу печи, непрерывный контроль состава материалов в потоке и продуктов плавки на выпуске. В связи с этим в управлении доменной плавкой все еще очень высока роль технологического персонала.

Так как параметры процесса существенно различаются на печах различного объема, в перечне технологических требований к системе контроля и управления процессом доменной плавки приведена только допустимая погрешность измерения или стабилизации, но не даны абсолютные значения параметров.