Автоматизация доменной печи

 

Контролируемыми параметрами являются:

1. Химический состав и физические свойства шихтовых материалов: рудно-флюсовой части 1, кокса 2.

Эта информация поступает периодически и сравнительно редко (один раз в смену или в сутки). Она используется для коррекции шихтовки доменной плавки. Разрабатываются методы автоматического отбора представительной пробы материалов и сродства для экспресс-анализа состава материалов, в частности квантометры, рентгеновские спектрометры и др. Более частый контроль состава шихты позволит корректировать шихтовку по ходу доменной плавки, что, существенно уменьшит возмущения процесса по этому каналу.

2. Загрузка шихтовых материалов.

Сюда входят: веса рудной 3 и коксовой 4 подачи, количество подач 5, порядок загружаемых материалов 6, .работа конусов 7, уровень засыпи к скорость схода шихты 8, положение вращающегося распределителя шихты (ВРШ) 9, распределение материалов в печи 10.

3. Состояние верхней зоны печи (колошника).

Здесь контролируются: давление 11 и температура 12 в газоотводах, давление колошникового газа 13, расход 14 и давление 15 пара, подаваемого в печь, давление в междуконусном пространстве 16, температуры по окружности 17 и по диаметру 18 колошника, содержание СО 19, СО₂ 20 и Н ₂ 21 в колошниковом газе и по диаметру колошника 22 (проводится периодически).

4. Состояние шахты печи.

На  нескольких горизонтах шахты по окружности в кладку вмонтированы термопары, контролирующие температуру по окружности шахты на данном горизонте 23. Измеряются расход 24 и давление 25 охлаждающей воды па различных горизонтах шахты. В средней части шахты встраивается отборное устройство 26, позволяющее измерять перепады статического давления между кольцевым воздухопроводом 27 и серединой шахты ∆Р_н (нижний перепад) и между серединой шахты 26 и колошником 13 ∆ Р_в (верхний перепад). Измеряется также общий перепад давления по шахте печи ∆Р_общ от кольцевого воздухопровода 27 до колошника 13. Измерение перепадов статического давления позволяет судить о гидравлическом сопротивлении столба шихтовых материалов на различных участках шахты печи.

5. Параметры комбинированного дутья.

Количество 28, давление 29 и температура 30 холодного дутья, Количество 31 и давление 32 природного газа, количество 33 и давление 34 кислорода, содержание кислорода в дутье 35, влажность дутья 36, температура дутья 37, распределение дутья 38 природного газа по фурмам доменной печи 39.

6. Состояние нижней зоны  печи  (горн).

  Измеряются температуры в фурменной  зоне 40, температуры лещади 41 и фундамента печи 42 на нескольких уровнях. Контролируются на выпусках температура чугуна 43 и шлака 44. Содержание кремния, серы и марганца в чугуне 45, основность шлака 46.

Продукты  плавки исследуются периодически (на выпусках) и сведенья  их составе получаются с опозданием. Внедрение современных методов экспресс-анализа позволит ускорить получение важной информации.

 

 

3. Методы  и средства измерения уровня.

3.1 Общие  сведения.

Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой-жидкостью  или сыпучим материалом. Автоматический контроль и регулирование уровня материалов в технологических аппаратах  позволяют управлять материальными  потоками в технологических процессах, а также учитывать количество и расход продуктов.

Технические средства для измерения уровня называют уровнемерами. Приборы, предназначены  для сигнализации предельных значений уровня рабочей среды, называются сигнализаторами  уровня. По диапозону измерения различают уровнемеры широкого и узкого диапазонов. Уровнемеры широкого диапазона предназначены для проведения товароучётных операций, а уровнемеры узкого диапазона(0-±100мм) или (0-±450мм) обычно используются в системах автоматического регулирования.

В производственной практике для измерения  уровня применяются указательные стекла, поплавковые, буйковые, гидростатические, электрические, ультразвуковые и радиоизотопные уровнемеры.

3.2 Указательные  стекла 

Принцип действия указательных стекл основан  на законе сообщающихся сосудов (рисунок 1,а). По положению уровня жидкости в указательном стекле судят об изменении ее уровня в объекте измерения. Указательные стекла снабжаются вентилями для соединения с сосудом. Вентиль 2 служит для продувки системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5.1 Схема установки указательных стекол на технологических аппаратах: 1-указательное стекло; 2-вентиль

 

Из-за низкой механической прочности указательные стекла обычно выполняют длиной не более 0,5 м, поэтому для измерения  уровня в высоких резервуарах (рисунок 1,б) устанавливают несколько указательных стекл так, чтобы они перекрывали  друг друга. Абсолютная погрешность  измерения уровня указательными стеклами ±(1-2мм). Указательные стекла рассчитаны на давление до 2,94 МПа и температуру до 300ºС.

 

 

3.3 Поплавковые  уровнемеры

Получили  распространение поплавковые уровнемеры узкого и широкого диапазонов. В поплавковых уровнемерах узкого диапазона (рис.5.2) в качестве чувствительного элемента используется шарообразный поплавок диаметром 80-200 мм, выполненный из нержавеющей стали. Поплавок плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное сальниковое уплотнение соединяется либо со стрелкой, либо с преобразователем 1 угловых перемещений в унифицированный электрический или пневматический сигналы. Уровнемеры узкого диапазона выпускаются двух типов: фланцевые(рис.5.2,а) и камерные (рис.5.2,б), отличающиеся способом их установки на технологических объектах. Минимальный диапазон измерений этих уровнемеров -10-0-10мм,максимальный -200-0-200мм. Класс точности 1,5.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5.2. Схемы поплавковых уровнемеров: а-фланцевых; б-камерных; в-широкого диапазона: 1-поплавок; 2-трос; 3-шкала; 4-противовес

 

Поплавковые уровнемеры широкого диапазона (рис. 5.2,в) представляют собой поплавок 1, связанный с противовесом 4 гибким тросом 2. В нижней части противовеса укреплена стрелка,указывающая по шкале 3 значения уровня жидкости в объекте. При расчетах таких уровнемеров подбирают конструктивные параметры поплавка, обеспечивающие состояние равновесия системы «поплавок-противовес» только при определенной глубине погружения поплавка. Если пренебречь силой тяжести троса и трением в роликах, состояние равновесия системы «поплавок-противовес» описывается уравнением

Gпр=Gпоп-Shlpжq,

Где Gпр и Gпоп – силы тяжести, соответственно, противовеса и поплавка; S – площадь поплавка; hl- глубина погружения поплавка; pж – плотность жидкости.

При повышении уровня жидкости изменяется глубина погружения поплавка, и на него действует дополнительная выталкивающая  сила. В результате равенство (5.1) нарушается, и противовес опускается вниз до тех  пор пока глубина погружения поплавка не станет равной hl. При понижении уровня действующая на поплавок выталкивающая сила уменьшается, и поплавок начинает опускаться вниз до тех пор покаглубина погружения не станет равной hl. Для передачи информации о значении уровня на расстояние обычно применяют сельсинные системы передачи. Таким уровнемером можно измерять уровень с достаточной для большинства случаев точностью. Недостатки уровнемера- перевернутая шкала (с нулем у верхнего края емкости), погрешность из-за изменения силы, натягивающей трос(при подъеме уровня к силе тяжести противовеса добавляется сила тяжести троса).

Для дистанционного измерения уровня жидкости часто применяют буйковые уровнемеры с унифицированными выходными сигналами постоянного тока 0-5 и 0-20мА (типа УБ-Э) или давления воздуха 0,02-0,1 МПа (УБ-П). Чувствительным элементом в этих уровнемерах является цилиндрический буек, изготовленный из материала с плотностью, большей плотности жидкости. Буек находиться в вертикальном положении и частично погружен в жидкость. При измерении уровня жидкости в объекте сила тяжести буйка в жидкости изменяется пропорционально изменению уровня.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5.3. Принципиальная схема поплавкового уровнемера пневматической передачей  показаний на расстояние (УБ-П): 1-поплавок (буёк); 2-рычаг; 3-груз; 4-сильфон; 5-сопло; 6-заслонка

 

3.4 Гидростатические  уровнемеры

В основу принципа действия гидростатических уровнемеров положена зависимость  гидростатического давления Р, создоваемого столбом h жидкости постоянной плотности p.

Измерение гидростатического давления манометрами целесообразно в  резервуарах, работающих при атмосферном  давлении. Для измерения уровня жидкости в резервуарах, находящихся под  давлением, широкое применение получили дифференциальные манометры. С помощью  дифференциальных манометров возможно измерение уровня жидкости и в  открытых резервуарах.

Измерение уровня в открытых резервуарах, находящихся под атмосферным  давлением, осуществляется по схеме, представленной на рис.5.4,в.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5.4. Схемы измерения уровня гидростатическими  уровнемерами: а-непосредствено манометром 1; б-по давлению в манометрической системе(1-мембрана; 2-колокол; 3-манометр); в-в открытых резервуарах(1-дифманометр; 2-импульсные трубки; 3-уравнительный сосуд; 4-вентиль); ƨ-в резервуарах, находящихся под давлением(1-дифманометр; 2-импульсные трубки; 3-уравнительный сосуд)

Уровнемеры, в которых измерение  гидростатического давления осуществляется путем измерения давления воздуха  или газа, продуваемого по трубке, погруженной  на фиксированную глубину в жидкость, заполняющую резервуар, называют пьезометрическими. Схема пьезометрического уровнемера приведена на рис.5.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5.5. Схема пьезометрического  уровнемера: 1-пьезометрическая трубка; 2-дифманометр; 3-манометр; 4-редуктор давления; 5-фильтр; 6-запорный вентиль; 7-игольчатый вентиль; 8-ротаметр

Пьезометрические уровнемеры могут  также использоваться для измерения  уровня агрессивных жидкостей. Их недостатком  является зависимость результатов  измерений от плотности жидкости, уровень которой измеряется, а следовательно, и от ее температуры.

3.5 Емкостные  уровнемеры

В уровнемерах этого типа используется зависимость электрической емкости преобразователя от уровня жидкости. Выпускают преобразователи емкостных уровнемеров цилиндрического и пластинчатого типов, а также в виде жесткого стержня.

Цилиндрический  емкостной преобразователь (рис. 5.6,а) состоит из двух или нескольких концентрично расположенных труб, а пластинчатый (рс.5.6,б)- из двух или нескольких параллельных пластин, между которыми находится контролируемая жидкость.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5.6. Схемы емкостных преобразователей (датчиков) уровнемеров: а-цилиндрического; б-пластинчатого типа

Емкость преобразователя равна  сумме емкостей двух участков-погруженного в жидкость с диэлектрической  проницаемостью Eж и находящегося в среде с диэлектрической проницаемостью Eср (для воздуха Eср=1).

В этих  выражениях h- измеряемая высота уровня, см; H- высота сосуда, см; D и d- наружный и внутренний диаметры труб преобразователя, см; а- расстояние между пластинами, см; b- ширина пластины преобразователя, см.

При измерении уровня электропроводных или агрессивных сред обкладки преобразователя  покрывают пленкой винипласта или  фторопласта.

Электрическую емкость преобразователей измеряют обычно с применением резонансных  или мостовых схем.

Емкостные уровнемеры выпускаются  классов точности 0,5; 1,0; 2,5. Их минимальный  диапазон измерений составляет 0-0,4 м, максимальный 0-20 м.

3.6 Кондуктометрические  уровнемеры

Кондуктометрические уровнемеры используют для сигнализации и поддержании в заданных пределах уровня электропроводящих жидкостей. Принцип действия таких уровнемеров основан на изменении сопротивления между электродами, помещенными в контролируемую жидкость. При этом в зависимости от уровня жидкости изменяется сопротивление между электродами и корпусом резервуара или между двумя электродами.

Практически кондуктометрические  уровнемеры могут применяться для  сред с проводимостью от 2·10 См/см и более. В состав приборов входят электромагнитные реле, включаемые в цепь между электродами и контролируемым материалом. Схемы включения реле могут быть различны в зависимости от типа объекта и числа контролируемых уровней. В качестве электродов используют стальные стержни или трубы и угольные электроды( в агрессивных жидкостях).

Основной недостаток всех электродных  приборов- невозможность их применения в средах вязких, кристаллизирующихся, образующих твердые осадки, налипающие на электроды.

 

 

3.7 Ультразвуковые  и акустические уровнемеры

Ультразвуковые и акустические уровнемеры позволяют измерять уровень без непосредственного контакта с контролируемой средой и в труднодоступных местах. В этих уровнемерах используется принцип отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела двух сред: в ультразвуковых уровнемерах со стороны жидкости, а в акустических – со стороны газовой среды.

Уровень жидкости в резервуаре определяют по времени запаздывания отраженного  сигнала относительно посланного:

τ=2h/a,

где h- высота уровня жидкости; а- скорость распространения ультразвука в жидкости.

Напряжение постоянного тока, пропорциональное времени запаздывания τ, получаемое в измерителе времени, подается на вторичный прибор.

Для акустического уровнемера время  запаздывания отраженного сигнала  относительно посланного

τ=2(Н-h)/a,

где Н- полная высота резервуара; h- высота уровня жидкости; а- скорость распространения ультразвука в газовой среде.

Акустический уровнемер (рис.5.8) состоит  из первичного и промежуточного преобразователей. Первичный преобразователь представляет собой пьезоэлемент, выполняющий функции источника и приемника ультразвуковых колебаний. Генератор 9 вырабатывает электрические импульсы определенной частоты, которые преобразуются пьезоэлементом в ультразвуковые импульсы. Последние распространяются вдоль акустического тракта, отражаются от границы раздела жидкость- газ и воспринимаются тем же пьезоэлементом, преобразующим их в электрические импульсы.