Автоматизированная подача шихты и ферросплавов

Для обеспечения работы САУ набором и взвешиванием металлошихты необходимо задать количество отдельных видов шихтовых материалов. Это количество устанавливается путем расчета шихты, которое необходимо для получения химического состава металла по расплавлению ванны в заданных пределах, исходя из наличия на шихтовом дворе цеха разных сортов и стоимости легированных отходов.

Наиболее полно преимущества минимизации стоимости шихты могут проявляться только в случае, если сталеплавильный цех сможет покупать именно те шихтовые материалы, которые обеспечивают получения указанного минимума стоимости. В противном случае, при достижении экономии на некоторых плавках, экономии в целом по цеху получено быть не может, так как даже самые дорогие виды шихтовых материалов, рано или поздно, будут использованы в выплавке и средняя стоимость шихтовых материалов будет определяться не методикой расчета, а фактическим поступлением и израсходованием различных шихтовых материалов в цехе.

При решении задачи оптимизации (по стоимости шихты) за критерий оптимальности может приниматься стоимость тонны шихты, израсходованной для производства всего сортамента стали, за определенный промежуток времени (смена, сутки и т.д.).

Рис. 9.19. Структурная схема АСУ ТП выплавки стали в ДСП:

1-система автоматического управления (САУ) загрузкой расходных бункеров; 2-САУ взвешиванием металлошихты; 3-САУ дозирования и подачей сыпучих материалов и ферросплавов в печь и сталеразливочный ковш; 4-САУ дозированием заправочных материалов;

5-САУ продувки ванны кислородом; 6-САУ тепловым режимом; 7-САУ давлением печи; 8-автоматизированная система химии- ческого анализа; 9-система определения периодов плавки; 10-автоматический регулятор мощности; 11-САУ работой газо-кислородных горелок; 12-весовая тележка; 13-бункера с дозирующими устройствами для шлакообразующих материалов и ферросплавов; 14-конвейер; 15-корзина для загрузки металлической шихты с весоизмерительным устройством; 16-сталеразливочный ковш; 17-устройство контроля расхода и температуры воды для охлаждения стен и свода печи; 18-устройство контроля температуры подины печи; 19-датчики тока и напряжения фаз печи; 20-датчик температуры металла; 21-датчик температуры футеровки печи; 22-датчики электрических величин на высокой стороне печного трансформатора; Т -печной трансформатор;

ПСН-переключатель ступеней напряжения; УИП-устройство измерения параметров;

 УКВ-управляющий вычислительный комплекс; ВВ-высоковольтный выключатель.

В общем виде, критерий оптимальности (стоимость завалки) имеет вид:

     (4)

где С_j – стоимость 1 т. j – того шихтового материала; x_j – масса j – того шихтового материала в завалке, т; n – число различных шихтовых материалов, которые можно использовать для выплавки данной марки стали. В результате расчета (обычно с использованием метода линейного программирования) определяются значения [x_j], дающие минимум критерию оптимальности. При расчете учитывается ряд ограничений:

- по требуемой массе заливки [G]:

  (5)

- по минимальному и максимальному содержанию i – того химического элемента в момент расплавления для данной марки стали:

(6)

где b_i, B_i – нижний и верхний пределы содержания i – того химического элемента в шихте, % (при задании b_i, и B_i учитывается угар металла в процессе его расплавления); a_i,j – среднее содержание i – того химического элемента в j – том шихтовом материале;

- по имеющимся в наличии шихтовым материалам;

- по количеству j – того шихтового материала для выплавки данной марки стали;

- некоторые другие ограничения.

В конце плавки, перед выпуском металла из печи, его химический состав должен точно соответствовать требованиям стандарта на заданную марку стали.

 Во время доводки плавки рассчитывают присадку в печь необходимого количества ферросплавов (легирующих материалов и раскислителей). При этом решается задача получения минимальной стоимости ферросплавов, аналогичная задаче получения минимальной стоимости шихты.

Критерий оптимальности – стоимость ферросплавов:

   (7)

где С_фj – стоимость 1 т j – того ферросплава; x_фj – количество  j – того ферросплава т; m – количества видов ферросплавов,  используемых при выплавке данной марки стали.

Расчет ведется, исходя из фактического содержания элементов в металле (по результатам химического анализа проб метала), с учетом коэффициентов усвоения, элементов из ферросплавов и при ряде ограничений: по минимальному и максимальному содержанию i – того элемента в металле, в печи или в ковше; по общей массе ферросплавов и по некоторым другим.

Полученное значение [x_фj ] используется в САУ дозированием, при подаче ферросплавов в печь и в сталеразливочный ковш (рис 9.10).

САУ тепловым режимом

Система автоматического управления тепловым режимом ДСП решает задачу выбора величины электрической мощности, в зависимости от потребности печи в тепловой энергии. САУ устанавливает величину напряжения фазы (ступень напряжения трансформатора) и дает задание регулятору мощности (задается величина силы тока дуги и, иногда, соотношение активной и реактивной мощностей).

Наиболее часто применяется статическое программное управление, которое заключается в поддержании заранее заданной программы подачи электрической мощности в ДСП. На основании статистических методов, по результатам большого числа плавок определяются для каждой марки стали и для каждого периода плавки рациональные параметры электрического режима, т.е.устанавливается директивный режим по напряжению и току.

Для осуществления программного управления может использоваться устройство – дозатор ДЭРД, производства Чебоксарского электроаппаратного завода (рис. 9.20).

Дозатор обеспечивает введение в ДСП определенного (заданного) количества электроэнергии в каждом технологическом периоде электросталеплавильной плавки. Программа задает в виде управляющего алгоритма УВМ. Дозатор энергии ДЭРД-1 представляет собой программно-логическое устройство для установки ступеней напряжения печного трансформатора и задания регулятору мощности в функции расхода электроэнергии или времени плавки.

Дозатор имеет блок программ периодов плавки БГЩ, который дает задания (уставки) регуляторам мощности с помощью блока БЭР (одно из 16) и ступень напряжения трансформатора (одну из 32) с помощью блока БЗН. В блоке БПП используется восемь интервалов плавки, которые определяются либо по длительности (режим «Время»-2), либо по расходу электроэнергии (режим «Энергия» -1). Режимы устанавливаются ключом К.

Основным режимом является режим «Энергия». Три датчика мощности ДМ1-ДМЗ формируют сигналы, пропорциональные фазным мощностям, которые суммируются в аналоговом сумматоре АС. Преобразователь «напряжение-частота» НЧ преобразует выходной сигнал АС в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна полной активной мощности печи. Через ключ К, установленный в положении 1, импульсы поступают в счетчик СИ, который работает в режиме «Вычитание».

Рис. 9.20. Структурная схема дозатора электрической энергии ДЭРД –1 .

В счетчик с помощью блока задания энергии БЗЭ занесено число импульсов, соответствующее необходимому расходу энергии в данный интервал плавки. После израсходования заданного количества энергии и при сбросе на «нуль» показания счетчика, СИ подается сигнал об окончании периода плавки на блок БПП и табло сигнализации ТС.

БПП формирует сигнал на начало следующего периода плавки и выдает новые задания с помощью блоков БЗЭ, БЭР и БЗН.

При отключении печи во время плавки контакт высоковольтного выключателя ВВ запускает генератор импульсов коррекции ГИК, частота которых пропорциональна мощности тепловых потерь. Ее значение для каждого интервала плавки задает БПП посредством дешифратора периодов ДП. При этом счетчик СИ запоминает количество энергии, потерянной во время простоя печи.

Если дозатор работает в режиме «Время» (ключ К в положении 2), то на счетчик СИ подается последовательность импульсов с генератора импульсов времени ГИВ.

В ряде случаев статическое программное управление дополняют элементами динамического управления, осуществляя переход от одного электрического режима к другому на основании измерения величин, характеризующих процессы протекающие в печи. К таким величинам относятся: положения электродов, скорость их опускания, величина и соотношение амплитуд токов высших гармоник, температура футеровки и скорость ее роста, температура металла и др.

В некоторых АСУ ТП температура металла (или теплосодержание металла) рассчитывается по уравнению мгновенного теплового баланса при измерении подводимой мощности и потерь тепла с охлаждающей водой и отходящими газами.

В современных условиях широкого применения микропроцессорной техники функции АСУ ТП могут быть существенно расширены.

АСУ ТП ДСП-100 разработанная ВНИПИСАУ позволяет решать следующие задачи управления тепловым и электрическим режимами плавки:

- расчет суммарного расхода электроэнергии, необходимой для расплавления металла до первой подвалки и на каждой стадии процесса, с учетом внутриплавочных простоев и количества продутого кислорода;

- проверка готовности печной установки к расплавлению шихты и ввод реквизитов плавки перед ее началом и после каждой подвалки;

- определение в предстартовый период длин электродов и максимального их хода до подины, с целью использования информации при управлении мощностью фаз и исключения возможности прожога подины;

- выравнивание в предстартовый период длин электродов, с целью предотвращения асимметрии фаз в начале очередной плавки;

- распознавание стадий расплавления шихты и начала периода окисления, а именно: зажигания дуг и заглубления электродов, проплавления «колодцев», в шихте, образования общей плавильной зоны, основного расплавления шихты и ее доплавления, начала окислительного периода;

- расчет вторичных информативных электрических параметров на базе полученной информации от аналоговых сигналов, используемой в дальнейшем в задачах управления электрическим режимом плавки;

- выбор директивных значений управляющих параметров в начале плавки и при переходе на очередную стадию процесса плавки;

- управление операциями, выполняемыми при переключении ступеней напряжения печного трансформатора;

- контроль зажигания дуг в трех фазах печной установки при опускании электродов после включения печи на любой стадии плавки;

- установка токов дуг в соответствии с заданными уставками;

-формирование управляющего воздействия по перемещению электродов в зависимости от напряжения дуги внутри зоны нечувствительности регулятора, с целью повышения автономности работы фаз и качества стабилизации электрического режима;

- коррекция параметра электрического режима при наличии ограничений по среднеквадратичному значению фазового тока с целью предотвращения перегрева трансформатора;

- коррекция параметров электрического режима в условиях ограничения потребления активной мощности;

- симметрирование положения электродов в начале проплавления «колодцев» в шихте;

- коррекция расхода электроэнергии в зависимости от интенсивности кислородной продувки ванны печи;

- симметрирование активной мощности фаз путем регулирования относительных напряжений дуг по фазам;

- симметрирование облученности футеровки по фазам на стадиях окончательного расплавления и доплавления, с целью предохранения футеровки от перегрева и неравномерного износа;

-адаптация электрической модели печной установки;

-управление действиями, выполняемыми при контакте электрода с токонепроводящей шихтой;

- оценка длительности внутриплавочных простоев;

- расчет расхода электроэнергии на расплавление подвалки шихты;

- расчет тепловых потерь, вызываемых отключением печи и остыванием металла в процессе плавки;

- обработка инициативных сигналов;

- реакция на включение печи;

- реакция на отключение печи;

- диспетчеризация задач управления с целью организации расчетов в определенной логической последовательности их разрешения;

- обработка аналоговой информации;

- корректировка электрического режима в зависимости от скорости нарастания и абсолютного значения температуры охлаждающей воды свода и панелей, с целью предохранения их от перегрева.

АСУ ТП ДСП-100 представляет собой иерархическую систему с независимым управлением по уровням иерархии. На нулевом уровне расположены датчики, регуляторы, исполнительные механизмы, а также автоматизированные приводы с дистанционным управлением от микроконтроллера или с местного поста управления. Локальные подсистемы первого уровня, реализованные на базе микропроцессорных контроллеров, обеспечивают управление группой функционально связанных приводов. Второй уровень, реализуемый на базе двухмашинного управляющего вычислительного комплекса, координирует работу локальных подсистем по укрупненным алгоритмам управления процессом плавки, формирует общую стратегию управления плавкой на основе информации, получаемой как от локальных подсистем первого уровня, так и от директивного органа - АСУ электросталеплавильным цехом.

В общем, наиболее целесообразно оптимальное динамическое управлениетепловым и электрическим режимами с целью получения требуемого количества металла заданного качества с минимальными затратами на его производство. В качестве критерия оптимального управления можно использовать функционал, пропорциональный и зависящий от режима плавки и соответствующих затрат:

(8)

где  — относительная активная мощность;

 — относительное значение индекса износа футеровки;

С₀, С₁, С₂ — коэффициенты, характеризующие удельный вес затрат на плавку (трудовых, энергетических и на огнеупорные материалы;

 — относительное напряжение электрической дуги;

 — относительное напряжение фазы печи;

 и  — эффективные значения напряжения дуги и фазы печи;

k — коэффициент, характеризующий воздействие дуг на футеровку

(k = 0 на начальных стадиях процесса; k = 1 при полностью расплавленном металле на конечных стадиях процесса);

 — продолжительность плавки;

 — номинальное значение напряжения фазы;

 — максимальный ток короткого замыкания.

При оптимальном управлении определяются изменения управляющих воздействий во времени и , обеспечивающих минимум функционала (8) за отдельные этапы плавки и в целом за плавку.

Тема №10: “Внепечная обработка стали”

Введение

Современная техника предъявляет все более высокие требо­вания к качеству стали. В тех случаях, когда проведение операций, обеспечивающих требуемое качество металла, не­посредственно в самом агрегате связано с потерей его про­изводительности и недостаточно эффективно, операции пере­носят в ковш или во вспомогательную емкость. Проведение технологических операций вне плавильного агрегата называ­ют вторичной металлургией (ковшевой металлургией, внеагрегатной обработкой, внепечной обработкой, ковшевым рафи­нированием). Основную цель вторичной металлургии можно сформулировать как осуществление ряда технологических операций быстрее и эффективнее по сравнению с решением аналогичных задач в обычных сталеплавильных агрегатах.

В настоящее время методами внепечной металлургии обра­батывают сотни миллионов тонн стали массового назначения, установки для внепечной обработки имеются на всех заводах качественной металлургии. Обработке подвергают металл, выплавленный в мартеновских печах, дуговых электропечах и конвертерах.

Быстрое распространение в широких масштабах внепечной обработки объясняется рядом причин:

1. Распространением метода непрерывной разливки стали, который, в свою очередь, для высокопроизводительной рабо­ты установок требует точного (и стандартного от плавки к плавке) регулирования температуры и химического состава металла. В результате практически вся сталь, разливаемая на установках непрерывной разливки, подвергается внепечной обработке.

2. Непрерывно увеличивающиеся масштабы производства сталей ответственного назначения, которые трудно получить при обычной технологии плавки.

3. Возрастающими масштабами производства сталей и сплавов с особо низким содержанием углерода.

4. Повышением требований к качеству рядовых сталей, выплавляемых в конвертерах и мартеновских печах.

5. Определенную роль в распространении новых методов вторичной металлургии играет и то обстоятельство, что эти методы позволяют коренным образом изменять структуру и тип потребляемых ферросплавов и раскислителей в сторону существенного снижения требований к их составу и соот­ветствующего их удешевления. Например, использование ме­тода аргоно-кислородной продувки позволило перерабатывать высокоуглеродистые ферросплавы и отказаться от использования дорогих низкоуглеродистых ферросплавов (см. далее).

6. Наличие в цехе агрегатов, в которых осуществляется внепечная обработка стали, позволяет сократить (или вообще исключить) проведение периода доводки в собственно сталеплавильных агрегатах. Особенно это касается электро­дуговых и мартеновских печей. Соответственно возрастает производительность этих агрегатов, снижается расход огнеупоров, топлива, электроэнергии и т.д.

В результате внедрения методов внепечной обработки в современных электродуговых печах осуществляется только расплавление шихты, а все операции по доводке металла производятся в агрегатах внепечной обработки.

7. Современные методы внепечной обработки позволяют получать сталь с очень малым ("ультранизким") содержанием углерода (<0,003%) и азота (<0,003 %). В результате ста­ло возможным появление нового класса сталей - так называемых IF-сталей (от англ. Interstitial Free Steels). Ввод в состав этих сталей небольших количеств карбидо- и нитридообразующих элементов (таких как титан, ниобий, бор) позволяет полностью исключить наличие свободных атомов внедрения - углерода и азота - в узлах кристаллической решетки при любых условиях охлаждения после прокатки и термической обработки и существенно повышает пластические свойст­ва, деформируемость и штампуемость сталей.

Уникальные свойства IF-сталей предопределили их быст­рое и повсеместное распространение (особенно - в автомо­билестроении).

В нашей стране производство IF-сталей организует Ново­липецкий металлургический комбинат.

Общие условия

Методы внепечной обработки могут быть условно разделены на простые (обработка металла одним способом) и комбини­рованные (обработка металла несколькими способами одно­временно).

К простым методам относятся:

1) обработка ме­талла вакуумом;

2) продувка инертным газом;

3) обработка металла синтетическим шлаком в ковше;

4) введение реаген­тов в глубь металла;

5) продувка порошкообразными мате­риалами.

Основными недостатками перечисленных простых способов обработки металла являются:

1) необходимость перегрева жидкого металла в плавильном агрегате для ком­пенсации снижения температуры металла при обработке в ковше;

2) ограниченность воздействия на металл (только десульфурация или только дегазация и т.п.).

Наилучшие результаты воздействия на качество металла достигаются при использовании комбинированных способов, когда в одном или нескольких, последовательно расположенных агрегатах, осуществляется ряд операций. Для их осуществления оказы­вается необходимым усложнять конструкцию ковша и исполь­зовать более сложное оборудование.

При решении вопроса о выборе необходимого оборудования определяющим является выбор той или иной технологии обра­ботки металла. Несмотря на многоплановость задач, стоящих при решении проблемы повышения качества металла методами вторичной металлургии, используемые при этом технологи­ческие приемы немногочисленны и по существу сводятся к интенсификации следующих процессов:

1. Взаимодействия металла с жидким шлаком или твердыми шлакообразующими материалами (интенсивное перемешивание специальной мешалкой, продувкой газом, вдуванием твердых шлакообразующих материалов непосредственно в массу металла, электромагнитное перемешивание и т.п.).

2. Газовыделения (обработка металла вакуумом или продувка инертным газом).

3. Взаимодействия с вводимыми в ванну материалами для раскисления и легирования (подбор комплексных раскислителей оптимального состава; введение реагентов в глубь металла в виде порошков, блоков, специальной проволоки; с использованием патронов, выстреливаемых в глубь металла; искусственное перемешивание для улучшения условий удаления продуктов раскисления и т.д.; организация тем или иным способом перемешивания ванны, интенсификация про­цессов массопереноса - обязательное условие эффективности процесса).

Внепечная обработка металла комбинированными методами может производиться:

1) в обычном сталеразливочном ковше с футеровкой из шамота и с вертикальным стопором;

2) в сталеразливочном ковше с футеровкой из основных высоко­огнеупорных материалов и стопором шиберного типа;

3)в сталеразливочном ковше, снабженном крышкой;

4) в стале­разливочном ковше, оборудованном для вдувания газа или газо-порошковой струи снизу, через смонтированные в днище устройства;

5) в агрегате-ковше с крышкой (сводом), через которую опушены электроды, нагревающие металл в процессе его обработки;

6) в агрегате типа конвертера, с продувкой металла кислородом, аргоном, паром;

7) в агрегате типа конвертера, снабженном оборудованием для вакуумирования расплава и т.д.