Реферат оптимизация распределения шихтового и газового потоков в современной доменной печи

Обновлено: 02.07.2024

Непрерывный рост мощности доменных печей и внедрение новых методов интенсификации технологического процесса существенно повысили производительность доменного производства и увеличили потоки сырья, энергии и продуктов плавки, участвующих в производственном процессе. Современный доменный цех ежесуточно потребляет свыше 50 тыс. т различных материалов, 100 млн. м 3 воздуха, примерно 2 млн. т воды и расходует более 20 тыс. кВтч электроэнергии. Значительно усложнилось управление доменным производством, возросло количество информации, которое необходимо освоить и использовать для управления процессом. Увеличилось также число управляющих воздействий и усложнился выбор управлений, наиболее рациональных для данных условий. Анализ поступающей информации и выбор оптимальных управляющих воздействий требуют высокой квалификации персонала, обслуживающего печь. В этих условиях возрастает необходимость внедрения систем автоматического контроля и управления.

Системы контроля и управления работой доменных печей постепенно усложнялись – от простейших систем стабилизации отдельных параметров до локальных систем управления отдельными режимами работы печи и, наконец, до комплексных систем управления всем доменным процессом.

Автоматический контроль и стабилизация некоторых параметров доменного процесса сыграли в свое время большую роль в деле повышения производительности и экономичности работы доменных печей. Внедрение локальных систем стабилизации расхода, температуры и влажности горячего дутья, давления колошникового газа, нагрева воздухонагревателей позволило повысить производительность доменных печей на 5–9% и получить экономию кокса 6–7%. Кроме того, локальные системы стабилизации облегчили труд металлургов и повысили общую культуру производства.

Внедрение локальных систем управления, таких, например, как системы автоматического управления шихтоподачей, распределения горячего дутья и природного газа по фурмам доменной печи, автоматический перевод и управление нагревом воздухонагревателей и т.д., дало дополнительный экономический эффект: производительность доменных печей увеличилась еще на 4–5%, а расход кокса снизился на 2–3%.

В настоящее время в России разрабатывается и внедряется комплексная система автоматического управления с применением УВМ. В состав комплексной системы входят подсистемы управления шихтовкой и шихтоподачей, управления тепловым и газодинамическим режимами и управления ходом печи. По предварительным расчетам, внедрение комплексной системы повысит производительность печей на 9–11% и снизит расход кокса на 12 – 14%. Несмотря на высокую стоимость комплексной системы управления, срок ее окупаемости менее двух лет.

1. Доменный процесс

Основной технологической задачей доменной плавки является восстановление железных руд и получение чугуна заданного состава и температуры. Доменная печь относится к классу шахтных печей, в которых осуществляется слоевой режим работы с противотоком обрабатываемого материала, заполняющего весь рабочий объем печи, и горячих газов, фильтрующихся через сравнительно плотные слои этих материалов.

Характерными особенностями слоевого режима работы печи являются большая поверхность материалов, подвергающихся тепловой и химической обработке, и в то же время неопределенность активной части поверхности, участвующей в процессах тепло- и массообмена. Причиной неопределенности является движение материалов, которые в ходе обработки меняют размеры и формы кусков и претерпевают изменения химического состава и агрегатного состояния, что изменяет условия фильтрации горновых газов через различные участки сечения печи. Другой особенностью слоевого режима является то, что все виды теплопередачи (радиация, конвекция и теплопроводность) тесно переплетены и практически неразделимы. Это затрудняет теоретические расчеты процессов теплообмена и экспериментальное определение теплотехнических характеристик доменных печей.

Из сказанного выше следует, что основной технологический процесс доменной плавки – восстановление железа, несмотря на свою химическую природу, в значительной мере зависит от теплового режима, распределения газового потока в столбе шихтовых материалов и характера движения шихты.

Основная задача автоматического управления доменным процессом заключается в создании наиболее благоприятных условий для протекания восстановительных процессов. При этом доменная печь работает с максимальной производительностью и экономичностью при ограничениях, обусловленных качеством сырья, мощностью воздуходувных машин, ресурсами кислорода, природного газа, состоянием печи, вспомогательного оборудования и др.

Основная задача управления может быть разделена на ряд локальных (частных) задач, решение которых позволяет выбрать и стабилизировать рациональные режимы работы печи. В частности, к этим задачам относятся:

· Управление тепловым режимом печи;

· Управление распределением газовых потоков в столбе шихтовых материалов;

· Управление сходом шихты (ходом печи).

Хотя все процессы, протекающие в печи, взаимосвязаны, указанные задачи в определенной мере автономны, и поэтому такое разделение достаточно обосновано.

На первом этапе автоматизации доменного производства стабилизируются отдельные параметры процесса: расход, температура и влажность горячего дутья, давление колошникового газа и т.д. На втором этапе решаются указанные выше частные задачи по выбору и стабилизации оптимальных режимов и, наконец, последний этап управления процессом заключается в координации работы всех частных систем с целью достижения заданного критерия управления.

Для решения всех указанных выше задач в первую очередь необходимо изучить особенности доменной печи как объекта автоматического управления.

1.1 Анализ доменного процесса, как объекта автоматизации

Производство чугуна является непрерывным, процессом, протекающим во всем объеме доменной печи. Получение рабочей информации о ходе технологического процесса из внутренних областей доменной печи практически невозможно. Поэтому для контроля над ходом процесса и управления используются косвенные показатели, в известной мере отражающие состояние отдельных участков (зон) доменной печи. К таким показателям относятся, например, состав колошникового газа, перепады статического давления по высоте шахты печи и т.д. Получаемая информация является далеко не полной и не может отразить влияния на процесс множества факторов (число которых достигает 700). Поэтому многие явления, происходящие в доменных печах, проявляются как случайные функции времени. Часть рабочей информации получается нерегулярно и со значительным опозданием (анализ химического состава сырья и продуктов плавки), часть информации отражает прошлое состояние процесса (температура чугуна и шлака, содержание кремния в чугуне).

Недостаточность и запаздывание информации затрудняют управление процессом плавки.

Следует отметить еще одну особенность доменной печи как объекта автоматического управления: технологический процесс проходит во всем объеме печи, а управления сосредоточены на границах шахты

При каждом возмущении необходимо выбрать такое управляющее воздействие, которое повлияло бы на состояние некоторой области печи, далеко отстоящей от места приложения этого управления. Естественно, что это приводит к существенным запаздываниям управляющих воздействий; так, например изменение рудной нагрузки на кокс сказывается на тепловом состоянии горна доменной печи только через 5–6 ч.

Рисунок 1 – схема управляющих воздействий доменной плавки

Вместе с тем можно указать некоторые обстоятельства, благоприятствующие работе управляющих систем. Доменные печи, как правило, длительное время работают в стационарных производственных условиях, выплавляют чугун одной и той же марки, работают на идентичном сырье, что позволяет выбрать оптимальный для этих условий режим работы. Задача систем управления заключается в выборе этого режима и затем в компенсации флуктуации входных параметров процесса, которые сравнительно невелики. Другим благоприятным фактором является большая аккумулирующая способность печи. Огромная масса материалов, участвующих в процессах массо- и теплообмена, способствует сглаживанию возмущающих воздействий. В этом смысле печь как бы является фильтром для возмущающих воздействий. Инерционность процесса позволяет иметь некоторый резерв времени для выбора рационального управления.

Сложность и случайный характер явлений, протекающих в доменной печи, затрудняют аналитическое детерминированное описание процесса, поэтому для его идентификации часто используются методы математической статистики и статистической динамики. Уравнения множественной регрессии позволяют с известной погрешностью прогнозировать некоторые явления, а методы планируемого эксперимента и статистической динамики дают возможность оценить усредненные динамические характеристики доменной печи по различным каналам. Оценивая трудности получения информации, сложность процесса, ограниченность возможностей управления, следует отметить, что доменный процесс достаточно управляем. Это доказывается практикой работы технологов – доменщиков России, добивающихся высоких показателей работы мощных доменных печей.

Раздел: Промышленность, производство
Количество знаков с пробелами: 86436
Количество таблиц: 5
Количество изображений: 26

Высокопроизводительная и экономичная работа ДП в значительной мере зависит от того, как организовано движение и распределение газов и шихты в ее рабочем пространстве. Движение и распределение газов определяется множеством факторов, но основными являются гранулометрический состав шихты, ее распределение на колошнике во время загрузки и перераспределение при опускании в печи. Газовый поток также оказывает влияние на распределение шихты.

Под распределением шихты понимают количественное соотношение в слое крупных и мелких фракций и соотношение толщин слоев различных материалов. О распределении шихты судят косвенно, контролируя поддающиеся измерению параметры газового потока: химический состав, температуру и потерю напора. При отклонении этих параметров газового потока от оптимальных значений изменяют распределение материалов так, чтобы восстановить желаемое распределение газов. Таким образом, газовый поток в доменной печи выполняет не только роль рабочего тела, но и служит своеобразным индикатором, позволяющим контролировать работу печи и управлять ее ходом.

Газы в ДП движутся через столб шихты снизу вверх под действием, разности давлений, зависящей от величины сопротивления загружённой в печь шихты и количества воздуха, нагнетаемого в горн воздуходувной машиной. Проходя путь в 24–26 м в течение нескольких секунд (3-10 с), газовый поток должен выполнить тепловую и восстановительную работу и обеспечить ровный сход шихтовых материалов от колошника к горну. Исходя из этих функций газового потока к распределению газов предъявляются противоречивые требования:

– для наиболее полного использования тепла и восстановительной способности газового потока газы по сечению печи должны распределяться равномерно, т.е., температура и состав газов по сечению доменной печи должны быть одинаковыми, а шихта – в равной мере нагретой и восстановленной;

– для обеспечения ровного схода шихты газовый поток по сечению печи должен распределяться неравномерно, проходя в большем количестве у стен и в осевой зоне печи, где чаще всего бывает меньше агломерата.

В доменной печи невозможно достичь равномерного распределения газов по сечению по следующим причинам.

1. Газы в доменной печи движутся по ряду параллельных каналов, имеющих неправильную форму, непостоянное сечение и различную шероховатость стенок. Распределяясь обратно пропорционально сопротивлению каналов, газы движутся преимущественно по каналам большего сечения и меньшей протяженности.

2. Более интенсивному движению газа у стен печи способствует то, что каналы здесь более гладкие и имеют меньшую протяженность. Кроме того, увеличение горизонтального сечения шахты за счет наклона стен по мере опускания материалов способствует оттеснению в периферийное кольцо хорошо газопроницаемого кокса более тяжелыми кусками агломерата.

3. Загрузка шихты в ДП осуществляется при помощи конуса и воронки так, что гребень мелких шихтовых материалов всегда располагается на некотором расстоянии от стен печи. Крупные куски шихты скатываются к стенкам и к оси печи, вызывая здесь усиленное движение газов.

4. Горение углерода кокса в горне происходит в узком (шириной 1,4–1,8 м) периферийном кольце. Поэтому образовавшиеся в зонах горения газы стремятся двигаться по периферии печи. С увеличением количества дутья увеличиваются и зоны горения. Газы в большем количестве проникают в центр печи, и их распределение становится более равномерным.

5. На распределение газов по сечению влияет перераспределение шихты при движении ее от колошника к горну из-за различных скоростей опускания шихты в разных сечениях и по диаметру печи.

Однако, несмотря на наличие факторов, обусловливающих неравномерное распределение газового потока, эта неравномерность должна быть не какой угодно, а вполне определенной.

Показателем, характеризующим распределение газового потока по сечению столба шихты, является сопоставление количеств газов, проходящих через равновеликие площади заполненного шихтой сечения печи в единицу времени.

О распределении газов и о степени использования их тепловой энергии и восстановительной способности судят по содержанию СО₂ в точках по радиусу или диаметру сечения, расположенного на 1,5–2,6 м ниже верхнего уровня шихты в доменной печи или по значениям температуры газов в тех же точках. Если в слое шихты определенного сечения печи относительное количество железосодержащих компонентов невелико, а преобладают куски кокса, обеспечивая высокую газопроницаемость, то здесь будет проходить много газа с высокой температурой и низким содержанием двуокиси углерода, т. е. использование тепла и восстановительной способности газа будет низким.

Наоборот, в слое шихты с преобладанием мелких железосодержащих компонентов газ будет проходить в меньшем количестве с более полным использованием тепла и восстановительной способности. Температура газа, выходящего из печи, будет низкой, а содержание СО₂ высоким.

Рациональное распределение газов - при котором в максимальной степени используется тепловая и химическая энергия газового потока без нарушения ровного схода шихтовых материалов.

Распределение газов, удовлетворяющее поставленным выше требованиям, зависит в каждом случае от конкретных условий работы печи: качества шихты, объема печи, состояния профиля, марки выплавляемого чугуна и др. Поэтому рациональное распределение газов в каждом конкретном случае определяется опытным путем.

На рисунке 21 приведено рациональное распределение газового потока по радиусу доменной печи. Содержание СО₂ в периферийном газе составляет 14, в точке максимума 19 и в центре 11%, а соответствующие значения температуры равны: 820, 520 и 910° С.

Рисунок 21 - Изменение содержания двуокиси углерода и температуры газа по радиусу в верхней части доменной печи при ровном ходе и низком расходе кокса

С повышением основности агломерата и снижением содержания мелочи в шихте разность между максимальными и минимальными значениями температуры и содержания двуокиси углерода в газе по радиусу должна уменьшаться. При равномерном распределении материалов и газов по окружности печи кривые распределения температур и содержания СО₂ в газе должны быть одинаковыми по всем радиусам.

В зависимости от степени неравномерности распределения газовые потоки могут быть периферийными, осевыми и канальными.

При периферийном газовом потоке значительное количество газов проходит вблизи стен. Газы периферийного кольца уходят из печи с высокой температурой и низким содержанием СО₂. Чрезмерное развитие периферийного потока газов, приводит к увеличению расхода кокса.

При осевом, или центральном, газовом потоке значительная часть газов движется в центральном круге. Осевой поток газа на расход кокса влияет менее значительно, чем периферийный, вследствие различной относительной доли площади сечения печи, занимаемой периферийным и центральным потоком газа, а следовательно, и различным количеством газов, проходящих в этих сечениях. Некоторое развитие центрального потока газов считается рациональным для обеспечения ровного хода и интенсификации процессов в центральной части печи.

Высокопроизводительная и экономичная работа ДП зависит от того, как организовано движение и распределение газов и шихты в ее рабочем пространстве. Движение и распределение газов определяется множеством факторов, но основными являются гранулометрический состав шихты, ее распределение на колошнике во время загрузки и перераспределение при опускании в печи. Газовый поток также оказывает влияние на распределение шихты.

Под распределением шихты понимают количественное соотношение в слое крупных и мелких фракций и соотношение толщин слоев материалов различной кусковатости.

О распределении шихты судят косвенно, контролируя параметры газового потока: химический состав, температуру и потерю напора. При отклонении этих параметров газового потока от оптимальных значений изменяют распределение материалов так, чтобы восстановить желаемое распределение газов. Таким образом, газовый поток в доменной печи выполняет не только роль рабочего тела, но и служит своеобразным индикатором, позволяющим контролировать работу печи и управлять ее ходом.

Газы в ДП движутся через столб шихты снизу вверх под действием, разности давлений, зависящей от величины сопротивления загружённой в печь шихты и количества воздуха, нагнетаемого в горн воздуходувной машиной. Проходя путь в 24–26 м в течение нескольких секунд, газовый поток должен выполнить тепловую и восстановительную работу и обеспечить ровный сход шихтовых материалов от колошника к горну. Исходя из этих функций газового потока к распределению газов предъявляются противоречивые требования:

В доменной печи невозможно достичь равномерного распределения газов по сечению по следующим причинам.

О распределении газов и о степени использования их энтальпии и восстановительной способности судят по содержанию СО₂ в точках по радиусу или диаметру сечения, расположенного на 1,5–2,6 м ниже верхнего уровня шихты в доменной печи или по значениям температуры газов в тех же точках. Если в слое шихты определенного сечения печи относительное количество железосодержащих компонентов невелико, а преобладают куски кокса, обеспечивая высокую газопроницаемость, то здесь будет проходить много газа с высокой температурой и низким содержанием двуокиси углерода, т. е. Использование энтальпии и восстановительной способности газа будет низким.

Рациональное распределение - при котором в максимальной степени используется энтальпия газового потока и его химическая энергия без нарушения ровного схода шихтовых материалов (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 - Изменение содержания СО и температуры газа по радиусу в верхней части доменной печи при ровном ходе и низком расходе кокса

На рисунке 5.2 приведено рациональное распределение газового потока по радиусу доменной печи. Содержание СО₂ в периферийном газе составляет 14, в точке максимума 19 и в центре 11%, а соответствующие значения температуры равны: 820, 520 и 910° С.

Работы по автоматизации доменного производства проводятся в нескольких направлениях, главными из которых являются:
-механизация и автоматизация подачи и загрузки в печь шихтовых материалов в соответствии с требованиями технологии процесса и задачами его автоматического регулирования;
- оптимизация доменного процесса, т.е. такое его осуществление, которое обеспечивает получение максимальных, с точки зрения поставленной задачи, результатов путем определенного сочетания различных факторов.

Прикрепленные файлы: 1 файл

Автоматизация доменных процессов.docx

Автоматизация доменных процессов

Автоматизация производственных процессов является одним из важнейших направлений развития производительных сил современного общества.
Автоматическое управление производственными процессами в металлургической промышленности используют недостаточно, в то время как большинство этих процессов по своей природе легко поддается автоматизации. Особенно это касается непрерывных термохимических и термомеханических процессов, протекающих в отдельных агрегатах без непосредственного вмешательства человека. Особенно подготовленным к автоматизации является доменный процесс ввиду его непрерывности, высокой степени механизации, оснащенности контрольно-измерительной аппаратурой.

На настоящем этапе развития доменного производства его автоматизация необходима вследствие огромной производительности доменных печей и постоянного усложнения как технологического процесса (высоко-нагретое комбинированное дутье, повышенное давление газов в печном пространстве) выплавки чугуна, так и оборудования доменных печей (конвейерная подача материалов в скипы, без-конусные загрузочные устройства и др.). В этих условиях ручное управление становится весьма сложным, а неизбежные ошибки при этом приводят к глубоким расстройствам хода доменных печей, иногда к авариям и в каждом случае к потерям производства чугуна и ухудшению технико-экономических показателей доменной плавки.
Этим и объясняется то, что 40-45 лет назад начали проводить первые попытки автоматического управления некоторыми составляющими доменного процесса, исследования и проектные разработки по созданию методов и систем автоматизации доменного производства.
В значительной степени автоматизации металлургических процессов способствовало развитие вычислительной техники. Именно с использованием вычислительной техники В.А.Сорокиным одним из первых в мировой практике были проведены исследования по созданию методики автоматического регулирования теплового состояния доменной печи. А.Д. Готлиб предложил и в дальнейшем разработал методику регулирования теплового состояния и хода доменной печи, на основании которой с использованием вычислительных машин была создана промышленная автоматическая система регулирования этих параметров доменного процесса.
Большие работы по тепловому регулирование доменного процесса были проведены в Московском институте стали и сплавов под руководством А.Н.Похвиснева.
Методики регулирования доменного процесса, определения его характерных показателей с целью автоматического управления разработаны А.Н.Раммом. В дальнейшем эти и другие работы получили развитие и нашли промышленное применение. На ряде металлургических предприятий созданы системы автоматизации загрузки шихты, распределения материалов и газов по окружности и вертикальному сечению доменной печи, распределения дутья и углеводородсодержащих добавок по фурмам, регулирования теплового состояния доменной печи и отдельных ее зон и др.
Большое внимание автоматизации доменного процесса и производства уделяется за рубежом, хотя работы в этой области начались там несколько позже, чем в бывшем СССР. Основное внимание в первое время уделялось автоматизации систем загрузки шихтовых материалов и в меньшей степени — управлению самим процессом. Тем не менее, во Франции осуществлено автоматическое регулирование теплового состояния доменной печи. Там же, а также в Японии и США нашли широкое применение устройства для автоматического распределения дутья по фурмам, электронные вычислительные машины для регулирования доменного процесса, управления загрузкой, планирования и управления производством. Применение ЭВМ для автоматического управления доменным процессом и производством очень быстро распространилось.
Работы по автоматизации доменного производства проводятся в нескольких направлениях, главными из которых являются:
-механизация и автоматизация подачи и загрузки в печь шихтовых материалов в соответствии с требованиями технологии процесса и задачами его автоматического регулирования;
- оптимизация доменного процесса, т.е. такое его осуществление, которое обеспечивает получение максимальных, с точки зрения поставленной задачи, результатов путем определенного сочетания различных факторов.

Из сказанного выше следует, что основной технологический процесс доменной плавки - восстановление железа, несмотря на свою химическую природу, в значительной мере зависит от теплового режима, распределения газового потока в столбе шихтовых материалов и характера движения шихты.

· Управление тепловым режимом печи;

· Управление распределением газовых потоков в столбе шихтовых материалов;

· Управление сходом шихты (ходом печи).

Для решения всех указанных выше задач в первую очередь необходимо изучить особенности доменной печи как объекта автоматического управления

1.1 Анализ доменного процесса, как объекта автоматизации

Недостаточность и запаздывание информации затрудняют управление процессом плавки.

Рисунок 1 - схема управляющих воздействий доменной плавки

Сложность и случайный характер явлений, протекающих в доменной печи, затрудняют аналитическое детерминированное описание процесса, поэтому для его идентификации часто используются методы математической статистики и статистической динамики. Уравнения множественной регрессии позволяют с известной погрешностью прогнозировать некоторые явления, а методы планируемого эксперимента и статистической динамики дают возможность оценить усредненные динамические характеристики доменной печи по различным каналам. Оценивая трудности получения информации, сложность процесса, ограниченность возможностей управления, следует отметить, что доменный процесс достаточно управляем. Это доказывается практикой работы технологов - доменщиков России, добивающихся высоких показателей работы мощных доменных печей.

1.2 Статические и динамические характеристики доменного процесса

Сложный характер взаимных связей между параметрами доменного процесса усложняет определение статических и динамических характеристик доменной печи по отдельным каналам. Некоторые выходные координаты доменного процесса зависят от нескольких входных величин, поэтому при определении зависимости такой выходной координаты от одного входного воздействия необходимо стабилизировать все остальные входные параметры. Вследствие нелинейности системы статическая и динамическая характеристики по одному каналу могут изменяться при различных условиях стабилизации остальных входов. Поэтому в некоторых случаях целесообразно располагать рядом характеристик, полученных при наиболее часто встречающихся производственных условиях. В этих случаях можно, оценивая реальные производственные условия, управлять объектом с учетом его характеристик, наиболее близко соответствующих данному состоянию процесса.

Некоторые выходные координаты доменного производства представляют собой расчетные показатели, характеризующие различные стороны технологического процесса, например показатели теплового состояния, различных участков печи, показатели, оценивающие развитие процессов прямого и непрямого восстановления железа, и др.

Связь расчетных показателей с техническими и экономическими показателями работы печи и их изменение во времени являются важными характеристиками процесса. В настоящее время расчетные показатели (индексы) широко используются при разработке алгоритмов управления доменным процессом.

Рисунок 2 - экспериментальная переходная кривая по каналу содержания кремния в чугуне - расход кокса в подачу: ?Si - приращение содержания кремния в чугуне, %

При благоприятных условиях (в стационарном режиме) удается определить динамические характеристики доменной печи по отдельным каналам, пользуясь известными экспериментальными методами. Чаще всего используются методы нанесения пробных ступенчатых или импульсных возмущений по данному каналу при стабилизации остальных входных величин.

Читайте также: