4. Автоматизация технологического процесса

В дуговых сталеплавильных печах (ДСП) осуществляется одна из разновидностей процессов выплавки стали. Отличительной особенностью этого плавильного процесса является то, что генерация рабочего вида энергии процесса - тепловой энергии происходит за счет электроэнергии посредством горящих между электродами и металлом электрических дуг. В связи с этим системы автоматического контроля и управления дуговых печей имеют ряд сторон, общих для всех сталеплавильных процессов, а также и существенные различия в задачи и построении систем автоматики.

Дуговая электросталеплавильная печь является мощным трехфазным агрегатом с соответствующим силовым электрическим оборудованием. Высокотемпературные дуги обеспечивают расплавление шихты и нагрев ванны до нужной температуры. Каждая плавка может быть подразделена на три основных периода:

1) расплавление загруженной в печь твердой шихты;

2) окисление (кипение) жидкой ванны;

3) раскисление ванны (восстановительный период).

Периоды плавки обусловливаются особенностями протекания физикo-химических процессов и определяют различия задач системы автоматического контроля и управления.

В период расплавления дуги прожигают в твердой шихте колодцы и горят в них, не облучая существенно и не перегревая кладку печи. В этот период в печь может подводиться максимальная мощность. Дуги горят крайне нестабильно, перебрасываясь с одного куска шихты на другой. Обвалы кусков шихты приводят к коротким замыканиям, исчезновению дуг и прекращению выделения полевой мощности. Регулятор электрического режима должен быстро ликвидировать возмущения такого рода. По мере расплавления твердой шихты дуги обнажаются, и температура футеровки начинает быстро повышаться, заставляя снижать мощность, подаваемую в печь.

Во втором и третьем периодах дуги горят над поверхностью ванны и интенсивно облучают кладку. Для предотвращения ее перегрева мощность снижается до 0,5–0,6 от номинального значения. Дуги горят относительно спокойно и регулятор электрического режима должен поддерживать мощность на требующемся уровне и исключать соприкосновение электродов с ванной, чтобы избежать науглероживания последней.

Управляющими воздействиями на процесс плавки в дуговой печи являются:

1) электрическая мощность;

2) напряжение питающего тока (длина дуги);

3) состав шихты, количество и состав присадок;

4) расход кислорода на продувку металла;

5) электромагнитное перемешивание ванны.

Возмущающие воздействия прежде всего можно подразделить на две группы: а) возмущения электрического режима и б) возмущения технологического и теплотехнического режима.

Возмущения электрического режима возникают из-за обвалов шихты в период плавления, кипения металла в периоды с жидкой ванной, обгорания электродов, подъема уровня металла по мере плавления, колебаний сопротивления дугового промежутка, вызванных изменениями температурных условий в зоне дугового разряда. Возмущения технологического и теплотехнического характера связаны с нестабильностью состава шихты, нестационарностью протекания физико-химических реакций в ванне, введением присадок, износом кладки, выбиваниями и подсосами газов в печь.

Исследованиями установлено, что для мощных разрядов напряжение на дуге U_д мало зависит от силы тока дуги I_д и связано с длиной дугового промежутка l_д соотношением:

U_д =a + bl_д, (7)

где а, b - коэффициенты, постоянные для данной печи.

Соотношение (1) не может быть непосредственно использовано для регулирования длины дуги в связи с тем, что в дуговых печах не поддаётся измерению напряжение на дуге. Измеряется лишь напряжение печи, представляющее собой сумму падений напряжений на дуге, электроде, электрододержателе и части короткой сети. Это напряжение не связано однозначно с напряжением дуги и характеризует длину дуги только приблизительно. Мощность, выделяемая в дуге, равна:

P_д =U_д I_д (8)

Следовательно, управление мощностью может осуществляться путем изменения U_д и I_д, но при этом следует учитывать, что напряжение дуги определяет также длину дуги - параметр, от которого зависят теплообмен в рабочем пространстве печи и нагрев футеровки.

Главной целью управления процессом плавки является получение металла заданного состава и заданной температуры при высокопроизводительной и экономичной работе агрегата. Эта цель может быть достигнута при успешном решении системой управления следующих задач:

1) согласованного изменения параметров плавильного процесса, т.е. температуры и состава металла и шлака с обеспечением заданных конечных значений параметров на выпуске;

2) поддержания рационального и экономичного электрического режима печи;

3) предотвращения перегрева и разрушения футеровки и других конструктивных элементов печи.

Трудности, характерные для всех разновидностей сталеплавильных процессов, связанные с недостатком средств автоматического контроля и с отсутствием достаточно точного математического описания объекта управления, исключают возможность автоматической синхронизации нагрева металла и изменения его состава и реализацию оптимального управления плавкой.

В существующей практике управление ведется оператором по заранее определенным опытным путем рациональным программам. Эти программы рекомендуют значения мощности и напряжения по периодам, момент ввода и количество присадок и другие параметры и операции. Развитие элементов электронной управляющей техники и углубление знаний о физико-химических закономерностях процесса позволяют создать системы автоматического программно-логического управления с элементами оптимизации.

Автоматический контроль параметров процесса и агрегата. Все подлежащие автоматическому контролю параметры можно разделить на четыре группы:

1) параметры процесса - температура и состав металла и шлака;

2) теплотехнические параметры агрегата - расход и давление кислорода на продувку, расходы и давления газа и кислорода на горелку, температура футеровки, температура и разрежение в дымоотводящих каналах и системе газоочистки, температура воды в системе охлаждения конструктивных элементов печи и электрооборудования;

3) электрические параметры агрегата - сила тока и напряжение по фазам печи, нагрузка и напряжение печного трансформатора, количество израсходованной электроэнергии и пр.;

4) положение печи, свода и кислородной фурмы.

Контроль температуры металла по коду плавок осуществляется ручными и автоматизированными термопарами погружения, контроль состава металла и шлака - путем отбора проб с последующим их анализом химическими и спектральными методами, а также с использованием приборов т.э.д.с. и датчиков "ликвидус".

Теплотехнические и электрические параметры агрегата контролируются стандартными измерительными комплектами. Специфическими для электродуговых печей являются измерения температуры термопарами в нескольких точках днища печи с целью контроля состояния подины и контроль температуры статора устройства магнитного перемешивания металла, расположенного под печью. Измеряется также температура печного трансформатора и токоподводящих кабелей.

Датчики положения контролируют положение печи, которая может наклоняться для скачивания шлака и слива металла, положение снимаемого при загрузке свода и положение кислородной фурмы, вводимой в печь при продувке ванны.

Рисунок 8 – Схемы регулирования электрического режима дуговой печи с токовым (а) и дифференциальным (б) регулятором.

Автоматическое регулирование электрического режима. В существующей практике системы автоматического регулирования электрического режима дуговых печей выполняют следующие функции:

1) автоматическую стабилизацию мощности печи;

2) автоматическую стабилизацию напряжения печи;

3) быструю ликвидацию всех нарушений электрического режима.

В распространенных системах автоматики регулирование мощности осуществляют путем изменения силы тока каждой фазы или по отношению фазового напряжения U к силе тока данной фазы I; первые регуляторы называются токовыми, вторые - дифференциальными. Дифференциальные регуляторы стабилизируют параметр А, определяемый соотношением:

А = cU – dI, (9)

где с, d - постоянные коэффициенты.

Структурные схемы регулирования электрического режима одной фазы с токовым и дифференциальным регуляторами приведены на рисунке 7. Токовый трансформатор ТТ измеряет силу тока фазы. Токовый регулятор ТР сравнивает измеренное значение тока фазы с заданным его значением и в зависимости от рассогласования управляет приводом перемещения электрода ПЭ, поднимая или опуская электрод. В схеме с дифференциальным регулятором ДР исходной информацией служат измеренные значения тока и напряжения фазы. Регулятор стабилизирует их соотношение в соответствии с зависимостью (3). Преимуществом дифференциального регулятора является то, что он позволяет осуществлять автоматический пуск печи. Включение регуляторов фаз при поднятых электродах сопровождается появлением на их входах сигналов, пропорциональных первому члену правой части выражения (3), что вызывает перемещение электродов вниз.

Структурная схема автоматизированной системы программно-логического управления плавкой в электродуговой печи показана на рисунке 8. Управляющее устройство УУ (ЭВМ или микропроцессорный контроллер) получает исходную информацию от автоматических датчиков температуры футеровки t_ф, металла t_м, электрических параметров I, U, W и панелей ручного ввода данных. Оно выполняет все необходимые программно-логические операции по управлению и состоит из ряда функциональных блоков:

- блока регулирования электрического режима, рассчитывающего задания параметров электрического режима 1;

- блока регулирования теплового режима, определяющего необходимый подвод мощности для получения заданной температуры, металла при исключении перегрева футеровки 2;

- блока формирования и выдачи сигналов, связанных с технологическими требованиями и операциями при выплавке данной марки стали (заданные значения температуры металла, длительности отдельных периодов плавки, количества шлакообразующих, легирующих и раскисляющих присадок, включение или выключение электромагнитного перемешивания ванны и т.п.) 3;

- блока управления высоковольтной аппаратурой 4;

- блока управления световым табло индикации команд 5.

Рисунок 9 – Схема системы программно-логического управления плавкой дуговой печи.

В систему управления входят также регулятор перемещения электродов РЛЭ, переключатель ступеней напряжения ЛСН, высоковольтный разъединитель с приводом ВР, дроссели с приводом Д.

График предопределяет периодическое изменение напряжения, последовательность технологических операций по введению кислорода и присадок, скачиванию шлака, диаграмму работы электромагнитного перемешивания. Автоматизированное программное управление плавками обеспечивает соблюдение заданной технологии процесса, заданный график нагрева металла с отклонениями в пределах 10 °С, что сопровождается улучшением качества стали, повышением производительности печи, уменьшением расхода электроэнергии и повышением коэффициента мощности.

Управление продувкой ванны кислородом состоит в автоматической стабилизации заданного расхода кислорода и в определении заданного суммированного количества кислорода на плавку. Первая задача выполняется стандартным комплектом аппаратуры со стабилизирующим регулятором, вторая - счетчиком расхода с сигнальным контактом.

Для лучшего управления окислительными и восстановительными процессами плавки в современных системах автоматики предусматриваются узлы автоматического регулирования давления и состава атмосферы в рабочем пространстве электродуговой печи. Узел регулирования давления является по своей структуре типовым для металлургических печей. Отбор давления производится через отверстие в стенке печи. Регулятор давления управляет клапаном, установленным на футерованном участке дымопровода, соединяющего отверстие в своде печи, через которое отводятся образующиеся газы, с холодильником и пылеуловителем. Состав газовой фазы, ее окислительный потенциал регулируются по заданному соотношению СО/СО₂.

Анализ печных газов на СО и СО₂ осуществляется автоматическими газоанализаторами. Регулятор соотношения, получающий сигналы от автоматических газоанализаторов, управляет исполнительным механизмом при заслонке на бункере раскислителя, изменяя соотношение количества подаваемых в печь раскислителя и известняка.

Эффективная работа газокислородных горелок, предназначенных для интенсификации процесса плавки, обеспечивается автоматическими стабилизаторами расхода газа и регуляторами соотношения газ-кислород.

5. Приборы для контроля и регулирования температуры

5.1 Первичные приборы для измерения температуры

В качестве прибора для измерения температуры кислорода (см. рисунок 6, поз.2–1) применяется термопара типа платинородий-платинородиевая. Данная термопара обладает диапазоном измерений от +600 до +1700 ᵒС, а так же предназначена для длительной эксплуатации в окислительных средах.

Таблица 1 – Основные технические характеристики платинородий-платинородиевой термопары.

Обозначение промышленного термоэлектрического преобразователя	Обозначение типа: новое/старое	Химический состав термоэлектродов			Пределы измерений, ^0С				ТЭДС мВ, при t=600 ^0С, t=1600 ^0C.
		+	-	Нижний		Длительный	Кратковременный
Платинородий-платинородиевая	ТПП	Сплав платина-родий ( 70 % Pt – 30 % Rh)	Платина (Pt)	+600		+1700	+1800	10-14

Термоэлектрический термометр (ТТ) – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающей защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействий среды.

Арматура включает защитный чехол, гладкий или с неподвижным штуцером, и головку, внутри которой расположено контактное устройство с зажимами для соединения термоэлектродов с проводами, идущему от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками (брусами). Патрубок с сальниковым уплотнением герметизирует внутреннее пространство защитного чехла термометра, который выполняется из газонепроницаемых материалов, выдерживающие высокие температуры и агрессивное воздействие среды.

1 – защитный чехол; 2 - штуцер; 3 - головка; 4 – контактное устройство; 5 – зажимы; 6- керамические трубки

Рисунок 10 - Конструктивная схема термоэлектрического термометра

Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип работы которых основах на термоэлектрическом эффекте. Явление термоэлектричества было открыто немецким физиком Т. Зеебеком в 1821 г. и также получило название эффект Зеебека: если соединить два проводника (термоэлектрода) из разнородных металлов или сплавов таким образом, чтобы образовали замкнутую электрическую цепь, и затем поддерживать места контактов (спай) при различной температуре, то в цепи будет протекать постоянный ток. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников (термоэлектродов), называется термоэлементом или термопарой.

Электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, называется термоЭДС Зеебека и в первом приближении зависит только от материала термоэлектродов и разности температур спаев.

Для того, чтобы измерить возникшую ЭДС, ее сравнивают с ЭДС другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару АВ, в цепи которой течет ток (рисунок 11.).

Рисунок 11 – Схема явления Зеебека

, (4)

где и – разности потенциалов проводников А и В, соответственно при температурах и , мВ.