2.Статичні і динамічні характеристики доменного процесу

Складний характер взаємних зв'язків між параметрами доменного процесу ускладнює визначення статичних і динамічних характеристик доменної печі за окремими каналами. Деякі вихідні координати доменного процесу залежать від декількох вхідних величин, тому при визначенні залежності такої вихідної координати від одного вхідного впливу необхідно стабілізувати всі інші вхідні параметри.

Внаслідок нелінійності системи статична і динамічна характеристики по одному каналу можуть змінюватися при різних умовах стабілізації інших входів. Тому в деяких випадках доцільно мати поруч характеристики, отримані при найбільш характерних виробничих умовах. У цих випадках можна, оцінюючи реальні виробничі умови, керувати об'єктом з урахуванням його характеристик, що найбільше близько відповідають даному стану процесу.

Деякі вихідні координати доменного виробництва являють собою розрахункові показники, що характеризують різні сторони технологічного процесу, наприклад показники теплового стану різних ділянок печі, показники, що оцінюють розвиток процесів прямого і непрямого відновлення заліза, і ін.

Зв'язок розрахункових показників з технічними й економічними показниками роботи печі і їхня зміна в часі є важливими характеристиками процесу. В даний час розрахункові показники (індекси) широко використовуються при розробці алгоритмів керування доменним процесом.

При сприятливих умовах (у стаціонарному режимі) вдається визначити динамічні характеристики доменної печі за окремими каналами, користуючись відомими експериментальними методами. Найчастіше використовуються методи нанесення пробних ступеневих або імпульсних збурювань по даному каналу при стабілізації інших вхідних величин.

Мал.2д. Експериментальна перехідна крива по каналу вмісту кремнію в чавуні:Si-приріст вмісту кремнію в чавуні,%.

Криві розгону апроксимуються перехідними функціями аперіодичної ланки і ланки чистого запізнювання, основними параметрами цих ланок є постійна часу Т, коефіцієнт передачі (посилення) К и час запізнювання τ.

У таблиці 1 наведені значення цих параметрів за деякими каналами локальної стабілізації і керування. З таблиці видно, що динамічні характеристики по каналах стабілізації температури, вологості, тиску і т.д. істотно відрізняються від характеристик по параметрах керування тепловим режимом, вихідною координатою якого є вміст кремнію в чавуні на випусках з доменної печі. Якщо для перших значення запізнювання і постійних часу виміряються секундами, то для других - годинами.

На мал.2д наведена експериментальна крива розгону по каналу зміни вмісту кремнію в чавуні на випуску з печі - зміна витрати коксу в подачу. Параметри апроксімуючихся ланок для цієї печі обсягом 2700 м3 дорівнюють: τ=4г; Т=5,3г; К=(0,09%Si)/(100кг коксу/ в подачу).

Весь час перехідного процесу 12-13 годин. Природньо, що керування режимом нагрівання печі є більш складною задачею, ніж стабілізація параметрів гарячого дуття.

Вище уже вказувалося, що випадковий характер явищ, що протікають у робочому просторі доменної печі, і нестаціонарність процесу ускладнюють визначення статичних і динамічних характеристик об'єкта, тому в останні роки набули поширення статистичні методи дослідження процесу за даними, отриманими у ході нормальної експлуатації печі.

Застосування статистичних методів дослідження стало можливим внаслідок широкого застосування електронних цифрових обчислювальних машин (ЕОМ), тому що ці методи вимагають великої обчислювальної роботи.

Таблиця 1. Динамічні характеристики доменної печі

Вихідна величина

Вхідна величина

Параметри динамічних ланок

		tau	Т	К
Т-ра гарячого дуття	Положення змішувального клапану	20с	80с	6___град____ %ходу ВМ
Вологість дуття	Витрати пару на зволожування дуття	45с	135с	6*10-3г/с
Тиск колошникового газу	Положення регулюючої заслінки на дросельній групі	3с	32с	0,35___кН/м2___ %ходу ВМ
Перепади тиску по висоті шахти печі: а)верхній перепад б)нижній перепад	Витрати дуття	2с   2с	48с   39с	38,3__Н/м2__ м3/хв 42,2__Н/м2__ м3/хв
Витрати дуття через фурму	Положення дросельноє заслінки у фурмовому рукаві	0,26с	1с	6__м3/хв__ %ходу ВМ
Т-ра куполу воздухонагрівача	Коефіцієнт витрати повітря	18с	88с	1,3__град___ %надлишку
Вміст кремнію в чавуні на випусках	Т-ра гарячого дуття	1год.	5год.	0,025__%Si__ град
Те саме	Вологість дуття	1,5год.	5год.	0,022__%Si__ г/м
Те саме	Рудне навантаження на кокс	4,5год.	6год.	0,06__%Si 100кг

Зі сказаного випливає, що статичні і динамічні характеристики доменного процесу можуть бути отримані відомими аналітичними – балансовими розрахунками, складанням диференціальних рівнянь, експериментальними методами нанесення пробних збурювань чи статистичними дослідженнями.

Інерційність об'єкта за окремими каналами істотно відрізняється У більшості випадків зв'язки між параметрами процесу нелінійні, тому характеристики процесу залежать від конкретної виробничої ситуації.

3. Автоматичний контроль основних параметрів доменного процессу

Контрольно-вимірювальна апаратура, встановлена на доменних печах, дозволяє отримати доступну для вимірювання робочу інформацию про технологічний процес, а також про стан печі і допоміжного устаткування. Крім того, вона повинна забезпечити безпеку роботи всіх агрегатів, що складають комплекс доменного виробництва.

На мал.3 представлена схема контролю параметрів доменного виробництва. Контрольованими параметрами є:

Хімічний склад і фізичні властивості шихтових материалов:руднофлюсової частини, коксу (7). Ця інформація надходить періодично і порівняно рідко (один раз у зміну чи в добу). Вона використовується для корекції шихтовки доменної плавки. Розробляються методи автоматичного добору представницької проби матеріалів і засоби для експрес-аналізу складу матеріалів, зокрема квантометри, рентгенівські спектрометри й ін.

Завантаження шихтових матеріалів (2). Сюди входять: вага рудної і коксової подачі, кількість подач, порядок матеріалів, що завантажуються, робота конусів або лоткових завантажувальних апаратів, рівень засипки і швидкість сходу шихти, положення обертового розподільника шихти (ОРШ), розподіл матеріалів у печі.

Стан верхньої зони печі (колошника) (3). Тут контролюються: тиск і температура в газовідводах, тиск колошникового газу, витрата і тиск пари, що додається в піч, тиск у міжконусному просторі, температури по периметру та по діаметру колошника, вміст СО, СО2 і Н2 у колошниковому газі та по діаметру колошника (проводиться періодично).

Стан шахти печі (4). На декількох горизонтах шахти по периметру в кладку вмонтовані термопари, що контролюють температуру по периметру шахти на даному горизонті. Виміряються витрата і тиск охолоджуючої води на різних горизонтах шахти. У середній частині шахти монтується добірний пристрій, що дозволяє вимірювати перепади статичного тиску між кільцевим повітропроводом

Мал. 3д. Схема автоматичного контролю параметрів доменного процесу (Ш -шихтовка плавки; ШП - шихтоподача; КГ - колошниковий газ; Т - турбоповітродувка; У - повітронагрівачі; Д - комбіноване дуття; Ч - параметри чавуна; ШЛ - параметри шлаку на випусках)

і серединою шахти (нижній перепад).Вимірюється також загальний перепад тиску по шахті печі DРзаг від кільцевого повітропроводу до колошника.

Перепади статичного тиску дозволяють судити про гідравлічний опір стовпа шихтових матеріалів на різних ділянках шахти печі.

Параметри комбінованого дуття (5): кількість, тиск і температура холодного дуття, кількість і тиск природного газу, кількість і тиск кисню, вміст кисню в дутті, вологість дуття, температура дуття, розподіл дуття і природного газу по фурмах доменної печі.

Стан нижньої зони печі (горн) (6.). Вимірюються температури у фурменій зоні, температури поду і фундаменту печі на декількох рівнях.

Контроль хімічного складу, маси і фізичних властивостей чавуну на випуску (7).

Контроль хімічного складу, маси і температури шлаку на випусках (8).

Контроль параметрів на повітродувній машині (витрата дуття, його температура і тиск) (9).

Контроль параметрів роботи повітронагрівачів (10): витрата і тиск газу, що надходить на обігрів повітронагрівачів, температура купола і низу насадок регенератора, розрідження в лежаку.

На різних ділянках газового, повітряного і димового трактів встановлюються сигналізатори падіння тиску і перепадів тиску газу і продуктів горіння, що забезпечує безпеку роботи при переключенні повітронагрівачів.

При автоматичному переключенні нагрівачів повітря передбачається встановлення приладу, що контролює запалювання газу.

Крім зазначених систем контролю, на доменній печі встановлюють ще цілий ряд сигналізаторів і пристроїв у системі завантаження печі, періодично визначають масу колошникового пилу, винесеного з печі, і ряд інших параметрів.

Система контролю основних параметрів доменного процесу представляє складний комплекс датчиків, перетворювачів і вторинних приладів.

В даний час на могутніх доменних печах встановлюють системи централізованого контролю, а показники основних параметрів процесу, крім реєстрації на бланках, передаються на мнемонічні схеми і дисплейні пристрої.

4. Локальні системи стабілізації окремих параметрів доменного процесу

Першим етапом автоматизації доменного виробництва стало впровадження локальних систем стабілізації окремих параметрів доменного процесу, що дозволило звільнити персонал печі від спостереження за зміною важливих для процесу величин і від необхідності вживати заходів для їхньої стабілізації. У результаті стабілізації окремих параметрів були забезпечені умови для рівної, стійкої й економічної роботи печі. Локальні системи вирішують наступні задачі:

а) стабілізація параметрів комбінованого гарячого дуття, що надходить у доменну піч;

б) стабілізація тиску колошникового газу;

в) керування нагріванням повітронагрівачів печі.

Основною умовою рівної, високопродуктивної роботи доменної печі є постійність матеріального й енергетичного режимів плавки.

Комбіноване гаряче дуття, що надходить у піч, складається з повітря, кисню, природного газу і водяної пари. Випадкові зміни кількості, або складу температури гарячого дуття викликають порушення матеріальних й енергетичних умов доменної плавки і приводять до небажаних наслідків. У той же час свідомі впливи на параметри комбінованого дуття можуть бути використані для керування ходом доменної плавки (керування «знизу»). Тому вибір заданого значення того чи іншого параметра комбінованого дуття є функцією керування, а стабілізація цього параметра на заданому рівні — функцією локальних,- стабілізуючих систем.

Турбоповітродувка подає суміш повітря і кисню, що надходить з кисневої станції, у повітронагрівачі-теплообмінники періодичної дії регенеративного типу. Нагріта до високої температури киснево-повітряна суміш надходить у змішувальний трубопровід, куди також надходить частина холодної суміші для одержання необхідної температури дуття перед подачею його в піч.

У трубопровід холодного дуття подається водяна пара. Повітря, кисень і пара, нагріті до заданої температури, спочатку надходять у кільцевий трубопровід, що оперізує доменну піч, а з нього через фурми безпосередньо вдуваються в домну.

Природний газ ( або вугільний пил) надходить у кільцевий колектор, а з нього через розподільні клапани підводиться до фурм.

Основні параметри дуття, стабілізовані локальними системами автоматичного регулювання:

1.Витрати киснево-повітряної суміші.

2.Витрати кисню (чи концентрація кисню в дутті).

3.Співвідношення витрат природного газу(вугільного пилу) і повітря з урахуванням концентрації кисню у дутті.

4.Розподіл гарячого дуття і природного газу (вугільного пилу) по фурмах­ печі.

5.Температура гарячого дуття.

6.Вологість дуття.

4.1. Автоматична стабілізація витрати киснево-повітряного дуття

Турбоповітродувні машини, що постачають доменні печі повітрям підвищеного тиску, встановлюють в окремій споруді —пароповітродувній станції (ПВС).

У нашій країні прийнята система постачання печей дуттям, при якій кожна піч отримує повітря від окремої повітродувної машини. Зв'язок між доменною піччю і ПВС здійснюється по телефону (телетайпу) і за допомогою дистанційної сельсинної передачі.

Тиск і витрати дуття на піч контролюються і реєструються приладами, встановленими на головному пульті. Були проведені роботи з дистанційної зміни завдання регуляторам витрати дуття безпосередньо з приміщення контрольно-вимірювальних приладів доменної печі. Однак через особливості керування режимом роботи повітродувних машин дистанційне керування не отримало поширення.

Особливості керування турбоповітродувною машиною обумовлені її робочими характеристиками. Продуктивність машини і тиск, що розвивається нею, залежать від числа обертів турбіни і ступені дроселювання повітряного потоку на вході чи на боці нагнітання.

При зменшенні витрати тиск, що розвивається машиною, спочатку підвищується, досягає екстремального значення, а потім починає знижуватися. У цьому випадку тиск у мережі, тобто в системі трубопроводів і шахті печі, що має значну інерцію, стає більше, ніж тиск на виході машини, і утвориться зворотний потік повітря — із мережі у машину.

Через невеликий час тиск у мережі знижується і повітродувка знову нагнітає повітря в мережу доти, поки тиск у ній знову не перевищить тиск на виході машини. Виникає режим хитливої роботи — режим “помпажу”, що супроводжується сильними вібраціями ротора турбіни і може привести до аварії. Для попередження виникнення цього режиму роботи на турбоповітродувках встановлюють противопомпажні регулятори, що при підході витрати дуття до критичного значення штучно збільшують витрати повітря, з’єднуючи мережу з атмосферою.

Витрата дуття в доменних печах залишається постійною при всіх можливих коливаннях опору стовпа шихтових матеріалів. При цьому турбоповітродувна машина повинна забезпечити сталість витрати дуття незалежно від опору мережі. Це може бути досягнуто або зміною числа обертів машини, або дроселюванням повітряного потоку на вході або виході машини. Стабілізація витрати шляхом зміни числа обертів турбіни більш економічна, і тому, як правило, стабілізація витрати здійснюється цим методом, але якщо діапазон зміни витрати досить великий, то швидкість машини може неприпустимо зрости. У цьому випадку доводиться дроселювати повітряний потік.

Вітчизняні заводи випускають турбоповітродувні машини з комбінованим керуванням, що дозволяє керувати витратою дуття в широких межах. Для максимальної швидкості обертання ротора машини передбачається запобіжний пристрій, що виключає подачу пари при досягненні ротором максимально припустимих обертів. Система безпеки передбачає також відключення пари з появою осьового зрушення, припинення подачі мастила і при інших аварійних ситуаціях.

Схема автоматичної стабілізації витрати дуття показана на мал. 4.

Майстер доменної печі 1 по телефону (телетайпу) 2 видає замовлення на

витрату дуття черговому по машині 3, що встановлює отримане завдання на задатчику регулятора витрати дуття 4 і по сельсинному (телетайпному) зв’язку 5 сповіщає про це майстру доменної печі 1.

Для урахування температури і тиску атмосферного повітря в задатчик 4 вручну чи автоматично вводиться корекція по температурі 6 і тиску 7 повітря на вході в турбоповітродувну машину.

Сигнал зворотнього зв'язку по витраті надходить від діафрагми (або напірної трубки ) 8, встановленої на вході (або на боці нагнітання). При відхиленні витрати дуття від заданої регулятор витрати дуття 9 впливає на задатчик 10 регулятора числа обертів 11 повітродувної машини 12, а останній, керуючи системою золотників, змінює число обертів ротора машини. Як випливає зі схеми, у даному випадку використовується каскадна система стабілізації витрати дуття.

При зниженні витрати до критичного значення включається противопомпажний регулятор 13, що зв'язує мережу з атмосферою.

На малюнку 4д показані також прилади, що відключають подачу пари при досягненні максимально припустимої швидкості 14, осьового зрушення 15 і припинення подачі мастила 16.

За звичай в системі використовуються гідравлічні ПІ-регулятори, що забезпечуються мастилом від загальної системи.

Мал.4д. Схема стабілізації витрати дуття:

Зд — задатчики; n — регулятор числа обертів турбіни; Т - турбоповітродувна машина; С — атмосферний клапан маслозабезпечення турбоповітродувки. Стабілізація витрати дуття є однією з найважливіших систем локального регулювання параметрів комбінованого дуття.