» » Управление процессом выплавки стали и его автоматизации
04.02.2015

Плавку стали в электропечи можно разделить на два периода: первый включает операции, выполняемые при частично жидкой ванне (нагрев и плавление лома), второй — при полностью жидкой ванне (доводка). Управление процессами в жидкой ванне легче поддается автоматизации, поскольку информация о технологических факторах носит здесь более объективный характер, чем в первый период. По сравнению с плавкой на ломе при электроплавке на металлизованных окатышах создаются лучшие предпосылки для автоматизации, что обусловливается: увеличением однородности состава и свойств шихты, приводящим к повышению воспроизводимости процесса выплавки; относительным увеличением длительности периода работы с жидкой ванной; ростом числа управляющих воздействий, выражающимся в добавлении к известным воздействиям (подводимой мощности, количеству вводимого кислорода) скорости загрузки материалов в печь.
Плавка с использованием металлизованных окатышей отличается от плавки на ломе в основном технологией периода плавления. К обычным задачам управления в этот период здесь добавляется управление температурой и составом ванны с тем, чтобы наряду с обеспечением оптимальных условий проплавления окатышей получить требуемый, исходя из технологии доводки, уровень указанных параметров в конце периода плав-пения. Управляющими воздействиями являются скорость загрузки окатышей, количество вводимой извести, кислорода и отчасти подводимая электрическая мощность.
Усложнение управления процессом плавления шихты и дозирования материалов при плавке на окатышах обусловливает необходимость автоматизации процесса с применением современных средств вычислительной техники.
Возможности автоматизации плавки в целом и процесса плавления в частности определяются имеющимися датчиками для измерения параметров, степенью изученности процессов и возможностями их математического описания в форме, доступной для использования в управляющих машинах. Под последним подразумевается установление детерминированных или статистических зависимостей между входными, выходными и управляющими воздействиями. Принимая во внимание, что вопросы контроля параметров и автоматизации управления процессом плавки с использованием лома достаточно полно изложены в специальной литературе, здесь рассматриваются лишь особенности управления в период плавления. На рис. 81 представлены основные элементы АСУТП выплавкой стали в дуговой печи с применением металлизованных окатышей. В общих чертах она функционирует следующим образом.
Управление процессом выплавки стали и его автоматизации

Печь снабжена автоматизированными системами управления энергетическим и электрическим режимами плавки, причем функционирование АСУ электрическим режимом лишь косвенно зависит от специфических особенностей плавки окатышей, в основном же определяется выбранными на основании опыта оптимальными с точки зрения введения максимальной мощности и стойкости футеровки соотношениями между напряжением дуги и силой тока.
Информация о ступени напряжения (э2), мощности и токе (э3), положении электродов (э4), температуре стали (m1) и внутренней поверхности стен (с), температуре отходящих газов (г), скорости и количестве загруженных окатышей и извести (o1, u1) от локальных систем управления поступает в соответствующей форме в вычислительную машину (BM). На основании текущей и дополнительной информации из памяти машины (о массе металла и шлака в печи, теплоемкости и теплосодержании материалов, закономерностях процессов и др.) и информации, вводимой вручную (PB) (заданная температура и марка стали, состав материалов), рассчитываются частные энергетические балансы отдельных этапов и периодов плавки. Результаты расчетов для прогнозируемых периодов плавки в виде заданий (уставок регуляторов) выдаются в локальные системы управления скоростью загрузки материалов (Э) и электрическим режимом (Э). Локальные системы, воздействуя на исполнительные механизмы (переключатель ступеней напряжения, механизм перемещения электродов, дозаторы материалов и др.), изменяют электрический и энергетический режимы печи в требуемом направлении и поддерживают их на заданном уровне.
Количество окатышей и извести, карбюризатора, кислорода, вводимых в ванку в период плавления, рассчитывается BM по заранее разработанной программе на основе информации о текущем (а) заданном составе ванны, а также заданной массе жидкой стали в ковше (M). Задания (уставки регуляторов) подаются в локальные системы управления науглероживанием (У), введением кислорода (К) и загрузкой материалов (З). В рамках АСУТП цеха АСУТП печи связана с соответствующими системами автоматизированного управления: шихтовым пролетом (ШП), внепечной обработкой (вакуумированием - ВАК), MHЛ3, загрузкой материалов в рабочие бункера (РБ).
Металлизованные окатыши, известь, плавиковый шпат, ферросплавы конвейерным транспортом загружаются в рабочие бункера печи. Для обеспечения четкой работы дозирующих и транспортных устройств крупность кусковых материалов не должна быть более 40-50 мм. Наличие мелкой фракции (менее 1-3 мм) также нежелательно, поскольку она будет выноситься отсасывающими устройствами обеспыливающей системы тракта подачи материалов и отсоса газов из печи.
Управление загрузкой рабочих бункеров может производиться по уровню наполнения их или по массе материала в бункере. В первом случае бункера оборудуются соответствующим количеством датчиков уровня, во втором - месдозами.
Из рабочих бункеров материалы через вибропитатели подаются на ленточные весы или в весовые бункера, образующие весодозирующие устройства непрерывного или дискретного дозирования. В ленточных дозаторах изменение потока материала производится путем изменения тока (амплитуды колебаний) вибропитателя по сигналу от ленточных весов. В весовых дискретных дозаторах уменьшение, а затем выключение тока производятся по сигналу от измерительных устройств весового бункера.
Из дозаторов материал поступает на сборный конвейер, транспортирующий его к узлу загрузки в электропечь. Узел включает поворотную воронку для изменения направления потока материала — в печь или в ковш и трубу (течку), подающую материалы от системы дозирования к загрузочному патрубку (воронке), установленному в отверстии свода печи. Конструкция узла загрузки материалов в печь должна обеспечивать беспрепятственный наклон печи в обе стороны и возможность подачи их при некотором наклоне печи в сторону рабочего окна (на 2—5°).
Для исключения подачи материалов при расстыкованных элементах узла загрузки (наклоне печи на угол больше предусмотренного) или при отказе механизмов системы дозирования (ленточных весов, бункеров, конвейера) в системе загрузки предусмотрены соответствующие блокировки, сигналы от которых (n2, n3, з1 и др.) поступают в BM.
Схематически один из возможных вариантов технологии периода плавления представлен на рис. 82. В основе данного варианта лежат следующие принципы: проплавление возможно большего количества окатышей в условиях, когда стены печи экранированы от прямого излучения дуг ломом и регулировка скорости загрузки окатышей в соответствии с возможностью их проплавления без накопления на зеркале ванны
Управление процессом выплавки стали и его автоматизации

Период плавления с точки зрения режимов загрузки окатышей можно разбить на три этапа: проплавление колодцев (τ0, τ1), плавление окатышей и лома (τ1, τ3), плавление окатышей в полностью жидкой ванне (τ3, τ5). Момент начала загрузки окатышей τ1, соответствующий образованию общего колодца в загруженной корзиной шихте, может быть определен достаточно точно по относительному положению электродов в печи.
Скорость загрузки окатышей в период τ1, τ2 лимитируется площадью жидкой ванны, на которой может происходить их плавление или растворение. В начальный момент τ1 она лишь несколько превышает площадь, ограниченную окружностью с диаметром распада электродов. По достижении в момент τ2 некоторого размера площадь ванны уже не лимитирует скорости проплавления окатышей, ограничивающим звеном становится подводимая к ванне мощность. Скорость загрузки окатышей в рассматриваемый период должна изменяться в первом приближении линейно от ωτ1 до ωτ2. Указанные величины удельной скорости [кг/(мин*МВт)] определяются экспериментально, их можно считать постоянными для данного сорта окатышей и печи.
Время τ1, τ2, за которое происходит увеличение зеркала ванный соответственно удельной скорости плавления окатышей от минимальной до близкой к максимальной, зависит от массы и насыпной массы шихты, входящей в завалку. Из-за трудностей точного описания процесса совместного плавления лома и окатышей в качестве модели для рассматриваемого этапа может быть принята статистическая зависимость.
Величина ωτ1, по экспериментальным данным, находится в пределах 18-20 кг/(мин-МВт), по расчетам, она может составлять 10—16 кг/(мин*МВт).
В последующие периоды τ2, τ5 управление скоростью загрузки металлизованных окатышей осуществляется, исходя из температуры ванны с использованием динамических моделей, основанных на тепловом и материальном балансе. Важным здесь является выбор начальных условий, т.е. момента окончания плавления лома τ3, после чего средняя температура и масса жидкой стали могут быть оценены с достаточной степенью точности.
Время расплавления лома или расход электроэнергии к этому моменту можно описать статической моделью с динамическими элементами: отношением загруженных окатышей к массе лома, температурой футеровки и другими параметрами, определяемыми по ходу плавки. В момент, близкий к τ3, а также за 20-30 мин до окончания плавления (τ4) производятся измерение температуры и отбор проб металла. Полученная информация используется для управления загрузкой окатышей и вводом кислорода. В случае значительных отклонений температуры ванны от заданной могут производиться промежуточные измерения, на основании которых корректируется режим. Один из вариантов динамической модели плавления металлизованных окатышей в дуговой печи приведен в работе Вудсайда. Модель разработана применительно к плавке металлизованных окатышей с непрерывной загрузкой в 22-т электропечи. Цель управления заключалась в таком изменении скорости загрузки материалов (окатышей и извести), чтобы заданная температура металла в конце периода плавления достигалась одновременно с окончанием загрузки окатышей. Подводимая в период плавления электрическая мощность поддерживалась на возможно высоком уровне независимо от подачи окатышей. Длительность плавки, как правило, не превышала двух часов (плавление лома 30 мин, плавление окатышей 45 мин, доводка и выпуск 10—15 мин).
Для динамической модели, описываемой системой обыкновенных дифференциальных уравнений, справедлива зависимость
Управление процессом выплавки стали и его автоматизации

В конечных приращениях после разделения переменных она принимает вид
Управление процессом выплавки стали и его автоматизации

где Xiτk, Xiτk+1 - значения основной переменной в моменты τk и τk+1; fi - функция; Δτ = τk+1 - τк - интервал времени; Xi-i-тый входной параметр (количество шихты, заданный состав стали и др.): Ui-i-тый управляющий параметр (скорость загрузки окатышей, расход кислорода и др.)
Если уравнение (96) рассматривается применительно к управлению температурой ванны, то в качестве параметров Xi, Ui будут фигурировать величины, определяющие распределение тепла в ванне. Сталеплавильная ванна в тепловом отношении включает металл, шлак и слой, контактирующий с металлом футеровки, активно участвующий в процессах теплообмена.
При построении математической модели, как считает автор, в первом приближении ряд нелинейных функций, описывающих зависимость теплопереноса от температуры, для относительно небольших интервалов температуры и времени может быть аппроксимирозан линейными уравнениями типа у = а + bх.
Для интервала времени между измерениями температуры или началом и окончанием загрузки окатышей приход энергии к ванне можно рассматривать как произведение времени ка мощность, если мощность определена как средняя за интервал. В ванне энергия расходуется на расплавление металлизованных окатышей, шлакообразование и изменение температуры ванны. Уравнение мощности, подводимой к ванне, имеет вид
Управление процессом выплавки стали и его автоматизации

где X1 - температура металла, °C; X2 - температура рабочего слоя футеровки ванны, °C; k1 - коэффициент усвоения энергии металлом; U1 - электрическая мощность, кВт; k2 + k3Х1 - линейная аппроксимация тепловых потерь рабочего пространства, кВт; k4 - мощность потока тепла между ванной и подиной, кВт/°С; k5 - энергия, выделяющаяся при продувке ванны кислородом, кДж/м3; U2 - интенсивность продувки кислородом, м3/ч; k6 + (k7/% С) - линейная аппроксимация потока тепла, расходуемого на обезуглероживание ванны окислами металлизованных окатышей (% С - содержание углерода), кВт.
Уравнение для температуры ванны может быть получено из соотношения общей энергии ванны E (кДж) с массой M (кг) и температуры
Управление процессом выплавки стали и его автоматизации

где k8 - постоянная компонента теплоемкости ванны, обусловленная аккумулированием тепла в рабочем слое футеровки ванны, кДж/°С; k9+k10X1 - линейная аппроксимация расхода энергии, требуемой для нагрева 1 кг материала ванны до температуры X1, °C, в диапазоне 1500-1700 °C, кДж/кг.
Для интервала времени от тk до тk+1, исходя из уравнений (1), (3), математическая модель температуры имеет вид
Управление процессом выплавки стали и его автоматизации

где U3 — средняя скорость загрузки материалов в ванну, кг/ч.
Уравнение (99) для удобства моделирования на ЭВМ следует привести к другой форме. Если заменить член уравнения (99) k10X1тk+1U3тk на k10X1тkU3тk, знаменатель, выражающий теплоемкость ванны вместе с рабочим слоем футеровки, принять за постоянную С = k8+k10Mтk кДж/°С, и подставить значение P из уравнения (97), то после преобразований получим
Управление процессом выплавки стали и его автоматизации

где
Управление процессом выплавки стали и его автоматизации

Коэффициенты b1-b8 характеризуют вклад каждого из потоков энергии, поступающего или отводимого из ванны, в изменение температуры ванны массой M и контактирующей футеровки. Отметим, что замена Х1τk+1 на Х1τk в четвертом члене, т.е. допущение о нагреве поступающего материала только до начальной температуры ванны, вносит некоторые искажения в уравнение теплового баланса, они тем меньше, чем меньше масса добавляемых материалов и изменение температуры. Для температуры рабочего слоя подины X2 (°C) уравнение составляется, исходя из разности потоков тепла от ванны и днища печи в окружающую среду:
Управление процессом выплавки стали и его автоматизации

где b9 = k4/k11; b10 = k12/k11; k11 - теплемкость рабочего слоя подины, кДж/°С; k12 = мощность теплопотерь с днища печи, кВт/°С.
Система уравнений (100) и (101) представляет модель температуры металла с учетом аккумулирования тепла, а уравнение (100) с исключением последнего члена - модель без учета теплообмена с футеровкой ванны. Применение указанных уравнений для управления плавкой предполагает, что определены входящие в них коэффициенты и выбраны начальные условия (температуры).
Коэффициенты bi могут быть приближенно определены, исходя из априорных сведений о процессе или в результате обработки информации о предыдущих плавках с использованием известных приемов математической статистики.
Ввиду того что загрузка металлизованных окатышей начинается, как правило, при неполностью расплавленной шихте, измерение температуры ванны в этот момент не является представительным. По мнению автора, температура ванны в начале загрузки металлизованных окатышей X1τ0 может быть определена с большей точностью расчетным путем, чем измерениями.
Возможны два подхода к оценке начальной температуры в условиях неполностью расплавленной ванны. Первый состоит в нахождении X1τ0 и bi как коэффициентов уравнения множественной регрессии для упрощенной модели первого порядка применительно к серии ранее выплавленных плавок, с подстановкой в уравнение (100) вместо X1τk+1 и X1τk в четвертом и шестом члене значений первой измеренной температуры. При этом подразумевается, что первое измерение производится в момент, когда большая часть шихты и часть металлизованных окатышей уже проплавлена. Указанный прием допустим в случае высокой степени воспроизводимости процесса расплавления, поскольку здесь не учитываются индивидуальные особенности плавки на стадии до начала загрузки окатышей.
Второй подход состоит в определении X1τ0 из уравнения множественной регрессии, где аргументами являются параметры, относящиеся к начальному периоду плавки:
Управление процессом выплавки стали и его автоматизации

где τпл - время плавления; Wзав - расход электроэнергии; Мзав - масса завалки; Х1τ1 - первое измеренное значение температуры; τмп - время без тока, включая межплавочный простой; Х1τk-1 - температура выпуска предыдущей плавки.
Следует отметить, что уравнение (102) в указанной форме не имеет физического смысла, однако хорошо подходит для вычислений на ЭВМ.
В сообщении Маккалума и Петерса о выплавке стали с применением 15 % брикетов ФИОР в 110-т печи приведен вывод уравнения для регулирования температуры ванны, имеющего следующий вид:
Управление процессом выплавки стали и его автоматизации

где b1 - изменение температуры ванны при введении 3,6 МДж электроэнергии, С/3,6 МДж; U1 - электрическая мощность, мВт; b2 - увеличение температуры ванны при введении 1 м3 кислорода, °С/м3; U2 - интенсивность продувки кислородом, м3/ч; τ2 - длительность продувки, ч; b'3 b3'' - снижение температуры ванны при введении 1 т брикетов и извести, °С/т; U3', U3'' - скорость загрузки брикетов и извести, т/ч.
Вывод уравнения (103), как и уравнения (100), сделан, исходя из теплового баланса ванны, однако из-за особенностей технологии плавки оказалось возможным сделать ряд упрощений. Условия выплавки обеспечивали высокую воспроизводимость входных и управляющих параметров. Загружали брикеты в жидкую ванну после нагрева ее до определенной температуры. Скорость загрузки изменяли лишь в небольших пределах. Интенсивность продувки поддерживали постоянной, изменяя длительность продувки.
При указанных условиях математическая модель получилась относительно простой. Характерно, что при корректировке на основании опытных данных коэффициентов модели, первоначально рассчитанных, исходя из термодинамических величин и анализа статей теплового баланса ряда опытных плавок, внесены были лишь небольшие изменения и добавлен свободный член. Модель в конечном виде обеспечивала отклонение температуры в конце периода плавления от заданной не более чем на 12 °C.
Сопоставление приведенных выше моделей, условий их применения и общих закономерностей плавки с применением окатышей позволяет наметить некоторые общие положения для выбора моделей управления температурой в период плавления шихты, включающей более 20-30 % металлизованных окатышей.
В начальный период загрузки окатышей в модели должен учитываться ряд параметров, которые не могут быть непосредственно измерены. К ним относятся: изменяющиеся во времени и от температуры ванны потоки тепла, аккумулируемого кладкой, изменяющейся в зависимости от характера горения дуг (закрытые или открытые) коэффициент усвоения энергии металлом, изменяющаяся от массы жидкого металла удельная поверхность ванны, в значительной мере определяющая допустимую скорость загрузки окатышей на начальной стадии.
Управление температурой и составом ванны в этот период может быть основано на использовании статических моделей, включающих значительное число параметров, информация о которых носит вероятностный характер. Такой подход допустим ввиду того, что в начальный период плавления окатышей требования к точности поддержания заданного состава и температуры ванны ниже, чем на заключительном этапе плавления Примерно с середины периода плавления, когда формируется полностью жидкая ванна достаточно большого объема, начинают стабилизироваться теплопотери и снижается расход тепла на нагрев контактирующих с ванной слоев футеровки, управление процессом может строиться на относительно простых динамических моделях.