6.2. Керування завантаженням матеріалів у доменну піч

Завантаження доменної печі є найбільш механізованою й автоматизованою ділянкою доменного виробництва. Механізми завантаження автоматично виконують задану програму надходження матеріалів у піч, що встановлює величини коксової і рудної колош, порядок завантаження матеріалів у піч, порядок роботи конусів, рівень засипу, склад шихти і її розподіл на колошнику.

Усю роботу системи завантаження контролює командоконтролер програми. Він задає і перевіряє послідовність і чередування завантаження в скіпи рудно-флюсової і коксової частин шихти, контролює відправлення скіпів головного підйому, посилає команду на відкриття зрівняльних клапанів (байпасів), що наповняють газом міжконусний простір перед опусканням великого конуса і відкриваючих сполучення з атмосферою перед опусканням малого конуса. Командоконтролер програми також керує допоміжними програмними пристроями, що визначають цикл завантаження і кут повороту обертового розподільника шихти (ОРШ), роботою зондових лебідок і рядом допоміжних пристроїв.

В автоматичну систему керування завантаженням включено також більш ста блокувань. Частина цих блокувань встановлює початок і кінець відповідної операції, інша частина забороняє виконання наступних операцій, якщо не закінчені попередні, а третя частина забезпечує безпеку роботи системи, дозволяючи виконати дану операцію тільки при дотриманні визначених умов. Наприклад, опускання великого конуса дозволяється після вирівнювання тиску в печі і міжконусному просторі і рівні засипу, який не перевищує заданого значення, і т.д. Блокування здійснюють функції зворотного зв'язку і контролюють фактичне виконання програми завантаження, що забезпечує надійність і безпеку роботи всієї системи.

При завантаженні доменної печі велике значення мають маса однієї подачі, рівень засипу і порядок завантаження матеріалів на великий конус. Для конкретних умов виробництва існує оптимальна кількість палива в одній подачі, при якому газовий потік щонайкраще розподіляється по перетину доменної печі, Цій кількості палива відповідає розрахункова маса рудно-флюсової частини шихти.

Для збільшення завантаження периферійної частини шахти рудою можна зменшити масу однієї подачи, при цьому центральна частина шахти стає більш газопроникною. Якщо ж маса подачі не змінюється, то розподіл газового потоку по перетину печі можна регулювати, змінюючи чергування скіпів, що завантажують кокс і рудно-флюсову частину подачі. Якщо на великий конус спочатку висипається рудно-флюсова частина подачі, а потім кокс, то руда завантажує периферію шахти, а кокс скачується до центру. Газопроникність периферійної частини зменшується, центральної зростає. Такі подачі називають подачами типу А. При зворотньому чергуванні скіпів ефект також виходить зворотний: газопроникність периферії зростає, центральної частини зменшується (подачі типу Б).

Прийнята система завантаження, що дозволяє здійснювати цикл завантаження, у який можуть входити до 24 подач: 12 типу А и 12 типу Б. У кожну з подач (А чи Б) даного циклу може бути використане до 12 скіпів, причому кожний з цих скіпів може бути завантажений рудно-флюсовою або коксовою частиною подачі. Така система дозволяє досить гнучко змінювати черговість завантаження рудно-флюсової і коксової частин кожної подачі, а отже, досить тонко регулювати співвідношення газових потоків, що проходять по периферії і по центральній частині шахти доменної печі. За своїми технологічними можливостями, гнучкості і маневреності вітчизняна система керування завантаженням печі перевершує відомі закордонні системи.

Недоліком технічної реалізації цієї системи є використання контактних пристроїв. Командоконтролери, магнітні пускачі, контактори, кінцеві вимикачі і блокування містять велике число контактів, що ускладнює експлуатацію системи і знижує її надійність. В даний час впроваджені мікропроцесорні системи з застосуванням промислових контролерів. При цьому структура системи і її технологічні особливості зберігаються, надійність зростає,а обслуговування полегшується.

Работа механізмів завантаження відображається на світлових мнемонічних табло, встановлених біля скіпового підйомника та на головному щиті. Наочне представлення стану механізмів завантаження в даний момент часу полегшує роботу персоналу.

7. Автоматичне керування тепловим режимом доменної печі

Тепловий стан доменної печі визначається різницею між кількістю тепла, що надходить у піч, і кількістю тепла, необхідного для одержання чавуну заданого складу і температури з даної сировини. При правильному співвідношенні процесів прямого і непрямого відновлення заліза забезпечується мінімальна витрата коксу на одиницю маси виплавлюваного чавуна.

Задачею керування тепловим режимом є створення умов, при яких прихід тепла відповідає необхідній витраті, при оптимальному співвідношенні процесів прямого і непрямого відновлення. При цьому стабілізується якість виплавленого чавуну і досягається значна економія палива.

На тепловий стан печі впливають багато факторів, у тому числі розподіл газового потоку, коливання складу і фізичних властивостей шихтових матеріалів і т.д. Стабілізація цих параметрів істотно полегшує керування тепловим режимом, але цілком не може вирішити зазначених вище задач. Тому вибір критерію й алгоритму керування тепловим режимом є самостійною актуальною проблемою.

Тепловий стан печі прийнято оцінювати по вмісту кремнію і сірки в чавуні, складу і фізичним властивостям шлаку, температурі чавуну і шлаку на випусках. Однак ці показники характеризують роботу печі за деякий минулий період, але не дають можливості судити про тепловий стан печі в даний момент часу і прогнозувати його на майбутнє.

В Україні і за рубежем ведуться інтенсивні роботи, що мають мету знайти нові об'єктивні критерії оцінки теплового стану печі, а також методи і засоби для контролю і керування тепловим режимом печі. При цьому широко використовуються керуючі обчислювальні машини.

Можна виділити п'ять основних напрямків, по яких ведуться ці роботи:

1. Створення математичної моделі процесу й алгоритмів керування тепловим режимом печі на основі матеріального і теплового балансів, розрахованих для всієї печі або окремих її ділянок. При цьому визначаються деякі розрахункові показники, що характеризують розвиток процесів прямого і непрямого відновлення, інтенсивність і економічність роботи печі.

2. Розробка алгоритму керування на основі аналізу тенденції зміни деяких параметрів, що характеризують тепловий стан печі. При цьому враховується тільки напрямок (знак) зміни цих параметрів, що відбулася за фіксирований інтервал часу.

3. Розробка методів оцінки теплового стану печі по характеру температурного поля в шахті печі. При цьому як кількісну оцінку теплового стану печі пропонується використовувати відношення температури на даному горизонті до теоретичного значення температури, що забезпечує максимальну швидкість відновлення окислів заліза.

4. Прогнозування теплового стану печі (наприклад, по вмісту кремнію в чавуні на черговому випуску) методами математичної статистики і статистичної динаміки. Зокрема, з використанням методів регресійного і дисперсійного аналізу.

5. Розробка математичної динамічної моделі процесу на основі рівняння процесів тепло- і масопереносу, протікаючих у різних ділянках печі.

8. Автоматичний контроль і керування розподілом газового потоку по перетину колошника доменної печі

Тепло- і масосбмін між шихтовими матеріалами і зустрічним потоком газів значною мірою визначається розподілом газового потоку по перетину шахти доменної печі. Для кожної доменної печі існує оптимальний розподіл газового потоку, що забезпечує максимальну продуктивність і економічність процесу.

Про розподіл газового потоку судять по ряду непрямих показників, до яких відноситься, наприклад, характер розподілу вмісту СО2 у колошниковому газі по двох взаємно перпендикулярних діаметрах шахти печі під рівнем засипу (нижче захисних сегментів). Газ для аналізу відбирається за допомогою спеціальних зондів у шести - восьми точках по кожнму радіусі. Чим більшевміст СО2 у даній точці тим ефективніше використовується хімічна і теплова енергія газів.

Розрізняють кілька видів ходу печі:

- нормальний хід, при якому підтримується оптмальний для даних умов розподіл газового потоку;

Мал.11д. Розподіл вмісту двоокису вуглецю(1) та температури(2) по діаметру колошника

- периферійний хід печі, при якому периферійна частина перетину шахти мало завантажена рудою і тому її газопроникність значно вище, ніж у центральній частині. При цьому енергія газового потоку на більшій частині площі перетину шахти використовується недостатньо повно;

- центральний хід печі, при якому зайво розпушений центральний стовп шихтових матеріалів;

- канальний хід печі, при якому в деякому місці печі утворюється обмежена сильно розпушена ділянка шихти, через яку вільно прориваються горнові гази, не віддаючи своєї енергії шихтовим матеріалам.

Задачею керування є підтримка оптимального для даних умов розподілу газів по перетину шахти.

Основним методом вирішення цієї задачі є цілеспрямована зміна структури стовпа шихтових матеріалів. Засобами керування служать зміна порядку завантаження в піч рудно-флюсової і коксової частин подачі, корекція програми роботи обертового розподільника шихти (ОРШ) і рідше зміна рівня засипу і маси матеріалів в одній подачі. Усі зазначені вище засоби впливу являють собою керування "зверху" і є основними прийомами стабілізації газодинамічого режиму роботи печі.

Як вказувалося вище, сучасні системи завантаження дозволяють у широких межах змінювати співвідношення подач типу А и Б у циклі, що забезпечує можливість плавно і точно стабілізувати розподіл газового потоку.

Крім керування "зверху", на разподіл газового потоку впливають також розподіл дуття, природного газу і додаткових видів палива по фурмах доменної печі. Ці параметри відносяться до керування "знизу" і досить ефективні для керування газовими потоками в нижній частині шахти доменної печі.

Основним елементом системи є установка для автоматичного контролю температури і складу газу по перетину верхньої частини шахти доменної печі. Установка (малюнок 12д)

Мал.12д. Пристрій для виміру розподілу вмісту двоокису вуглецю і температури за радіусами колошника:

1 - амбразура; 2 - заслінка; 3 - сальник; 4 - труба; 3 - кінцевий вимикач; 6 - корковий кран; 7 - фланець; 8 - манометр; 9 - напрямні; 10 - натяжні блоки; 11 - контргрузи; 12 - трос; 13 - важіль; 14 - електрична лебідка; 15 - палець; 16 - кішка; 17 - натяжний ролик; 18 - кінцевий вимикач; 19 - манометр; 20 - кран; 21 - пневматичні демпфери

являє собою електричну лебідку і систему направляючих конструкцій, що забезпечують введення зонда в піч по радіусу колошника. Привід електролебідки керується або дистанційно, або автоматично за командами системи контролю розподілу складу і температури колошникового газу по перетину печі. Схема керування рухом зонда дозволяє автоматично зупиняти зонд у шести- восьми точках радіуса для контролю параметрів у цих точках. Зусилля, що розвивається приводом, складає приблизно 49 кН (5000 кгс), що забезпечує введення в піч зонда діаметром 0,06 м зі швидкістю 0,12 м/с.

Доменну піч оснащують чотирма установками, розташованими на взаємно перпендикулярних діаметрах колошника. Вимірювальний зонд являє собою водоохолоджувану трубу довжиною близько 7,6 м зі знімним наконечником. Конструкція зонда дозволяє одночасно вимірювати температуру і склад газу в контрольованих позиціях.

Принципова схема установки для контролю розподілу температури і складу газів по перетину шахти печі показана на малюнку 13д. Установки 1 по черзі чи попарно вводять зонди в доменну піч ДП.

Проба газу з контрольованої точки надходить у колектор 2, відкіля через запірні крани 3 у верхні многопозиційні розподільні

Мал. 13д. Принципова схема керування установкою для контролю розподілу вмісту СО2 і температури по радіусі колошника

крани 4. Кожній позиції зондів у печі відповідає відкриття одного визначеного каналу цих кранів. Це дозволяє набрати в сполучних трасах між верхніми і нижніми розподільними кранами проби газу з визначених точках перетину печі. Потім за допомогою нижніх багатопозиційних розподільних кранів 5 проби газу зі сполучних труб по черзі направляються через систему очищення газу в датчики газоаналізаторів на водень 6, на СО2 7 і на СО 8. Результати аналізу реєструються на вторинних приладах - відповідно 9, 10 і 11.

Керування роботою газоаналізаторів здійснюється системою 12, а робота всіх електричних установок - системою 13. ТЕДС термопар передається по електричних трасах 14 на комутатор 15, відкіля надходить на електронні потенціометри 16. Блоки координації 17 дозволяють відмічати на діаграмах потенціометрів номер каналу та номер точки,з якої прийшла інформація.

Установка складається з двох комплектів серійних газоаналізаторів.У кожному комплекті є оптико-акустичні газоаналізатори на СО2 та СО і термокондуктометричний газоаналізатор на Н2. При одночасному наборі газу по двох радіусах можуть працювати обидва комплекти, при послідовній роботі машин один з комплектів є резервним. Спеціальний релейний пристрій відзначає на діаграмах вторинних приладів газоаналізаторів номер машини і координату контрольованої точки.

Передбачається можливість безупинного руху зондів, що дозволяє отримати безупинний графік розподілу температури на даному радіусі.

9. Автоматичне керування ходом доменної печі

Опускання шихтових матеріалів у доменній печі, обумовлене плавленням матеріалів і горінням коксу, визначає характер ходу печі. Якщо стовп шихтових матеріалів опускається рівномірно, говорять, що хід печі рівний, якщо ж спостерігаються зависання й обриви шихти, то такий хід називають нерівним. При нерівному ході порушується нормальний процес плавки, зменшується продуктивність і погіршується якість чавуну. Тому керування ходом печі є важливою задачею.

Опускання шихтових матеріалів відбувається під дією сили ваги, що у відомій мірі врівноважується силами тертя і підйомною силою потоку зустрічних газів. Сили тертя залежать від стану кладки печі, якості шихти і стану гарнісажу в нижній частині печі.

Підйомна сила газів залежить від витрати дуття, розподілу шихтових матеріалів по перетину і висоті печі, їх гранулометричного складу, хімічного складу , фізичних властивостей шлаку і ряду інших факторів.

За даних умов роботи печі існує критичне значення витрати дуття, при якому сила, що протидіє сходу шихти, цілком компенсує гравітаційну силу. При цьому шихтові матеріали припиняють свій рух - зависають. Зависання матеріалів у печі є аварійною ситуацією й істотно порушує нормальний хід процесу.

Збільшення витрати дуття, з одного боку, підвищує інтенсивність горіння коксу і веде до зростання продуктивності печі, а з іншого боку - надмірне підвищення витрати (швидкості) дуття приводить до серйозних порушень її ходу.

Очевидно, для даних умов роботи печі існує оптимальна витрата дуття, при якому процес доменної плавки відбувається найбільше інтенсивно, без порушень рівного ходу печі. Оскільки умови роботи печі можуть змінюватися, то змінюється і значення оптимальної витрати дуття.

Задача системи регулювання ходу доменної печі полягає в тому, щоб створити умови, що дозволяють максимально збільшити витрату дуття, не допускаючи порушення рівного ходу печі.

Безпосередньою інформацією про рух стовпа шихтових матеріалів є показання приладів, що вимірюють рівень засипу на колошнику доменної печі.

Виміри рівня засипу на більшості печей здійснюються за допомогою двох механічних зондів, що після чергового завантаження шихти в піч опускаються на поверхню засипу і слідують за нею до наступного циклу завантаження, потім піднімаються електричною лебідкою і знову опускаються після завантаження чергової подачі.

На потужних печах, крім механічних зондів, використовуються також ізотопні вимірники рівня засипки. У куполі доменної печі встановлюють джерело γ-випромінювання, що рівномірно опромінює простір колошника. У кладку печі замуровують чотири вертикальні труби (північ, південь, захід, схід), у яких можуть переміщатися приймачі γ -випромінювання. Приймачі закріплені на металевих тросах, що зв'язані з електричними лебідками.

Якщо приймач знаходиться вище рівня зависипу, лебідка опускає трос униз, а якщо приймач екранований шихтовими матеріалами, то піднімає нагору. Зупинка лебідки відбувається в той момент, коли шихта частково екранує приймач γ-випромінювання. При цьому положення вала лебідки відповідає рівню засипу в доменній печі.

Останнім часом на зміну ізотопним вимірникам рівня засипу матеріалів у доменну піч приходять радарні системи контролю.

Робота радара ґрунтується на зондуванні поверхні матеріалу безперервним мікрохвильовим радіосигналом з одночасним прийомом, обробкою й аналізом відбитого сигналу. Відстань до контрольованого об'єкта визначається по середній частоті амплітудно-частотного спектра, а інші фізико-хімічні властивості й стан матеріалу - за статистичними характеристиками спектральної щільності потужності відбитого радіосигналу, які залежать від рельєфу поверхні й электрофізичних характеристик цілі.

Радар дозволяє вимірювати малі відстані (до 30 м) з високою точністю (3 см) і забезпечує меншу чутливість до перешкод, що виникають через перевідбиття радіопроміня від металоконструкцій і технологічного встаткування.

Розробляються системи контролю радарними датчиками не тільки рівня, але і профілю засипу, що значно збільшить інформацію про завантаження матеріалів у піч.

У якості зондувального сигналу вибрані радіохвилі частотою 37,5 ГГц, випромінювані безупинно у вузькому тілесному куті з розкриттям 4...6…6. Приймач-передавач (сенсорний блок, СБ) з антеною апертурою 100 мм установлюється поблизу об'єкта контролю. Маса радара – 3 кг, максимальний габарит – 280 мм.

Потужність випромінювання не перевищує 50 мВт, що екологічно безпечно .

Вивченням можливих областей застосування цих приладів у металургії і їх адаптацією для рішення технологічних завдань займається лабораторія «Мікрохвильова техніка для металургії» Національної металургійної академії України.

З метою створення вимірювача профілю зависипки шихти на колошнику в 2002–2003 р. проведені випробування радіолокаційного далекоміра-рівнеміра РДУ-Х2 на доменній печі  №9 комбінату «Криворіжсталь». Отримано інформацію про зміну рівня поверхні зависипки в центрі печі й про умови роботи РДУ по ходу доменної плавки. Результати описаних промислових випробувань дозволили обґрунтовано застосувати радари РДУ-Х2 у проекті реконструкції доменної печі №9 комбінату «Криворіжсталь».

Показання і діаграми реєструючих вторинних приладів вимірників рівня засипу в доменних печах дозволяють судити про характер і швидкість сходу шихтових матеріалів у різні моменти часу.

Розроблено прилади, що автоматично диференціюють сигнали датчиків рівня і, отже, визначають швидкість сходу стовпа шихтових матеріалів. Середня швидкість сходу шихти може бути використана як інформація для керування ходом печі.

Непрямими показниками, що характеризують умови руху газового потоку в стовпі шихтових матеріалів і, отже, протитиск потоку газів сходу шихти, є розподіл статичного тиску газів по висоті шахти печі і характер діаграми розподілу вмісту двоокису вуглецю по діаметру колошника.

У доменній печі виміряються три перепади статичного тиску:

- загальний перепад тиску - від кільцевого повітропроводу до колошника печі Рзаг. Цей перепад характеризує загальний аеродинамічний опір усього стовпа шихтових матеріалів;

- нижній перепад тиску Рн - від кільцевого повітропроводу до середини шахти, що характеризує опір нижньої ділянки печі;

- верхній перепад тиску Рв, що відображає опір ділянки печі від середини шахти до колошника.

Зміна перепаду статичного тиску на будь-якій ділянці печі або всієї печі свідчить про зміну структури стовпа шихтових матеріалів і, отже, про порушення умов руху газів на відповідній ділянці печі.

Таким чином, інформацією про хід печі служать:

1. Швидкість і характер руху шихти uш.

2. Перепади тиску по висоті печі Рзаг, ΔРн і ΔРв.

3. Коефіцієнт форми кривої розподілу СО2 по діаметру печі a.

Керуючими впливами можуть бути: при порушенні умов роботи у верхній частині печі - порядок завантаження матеріалів у піч, при зростанні опору нижньої зони або всієї печі - зміна витрати дуття і його вологості (у випадку регулювання вологості дуття).

Структурна схема автоматичного регулювання ходу печі показана на малюнку 14д. На керуючий обчислювальний комплекс надходять сигнали від датчиків: швидкості 2, розподілу СО2 по діаметру 3, загального перепаду тиску на печі 4, верхнього перепаду 5 і нижнього перепаду 6. Відповідно до алгоритму керування КОК видає команди на зміну порядку завантаження матеріалів 7, зміну витрати дуття 8 і вологості дуття 9.

Мал.14д. Структурна схема керування ходом доменної печі