Автоматизация доменной печи

ФЕДЕРАЛЬНОЕ  АГЕНТСТВО  ПО  ОБРАЗОВАНИЮ

 

Федеральное государственное  образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

 

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

ИЦМиМ

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра  «ТМиТ»

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

 

Автоматизация Доменной печи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

ст-т  гр. МТ 09-04

И.В. Атласов

Проверил:

А.В. Титовский

 

 

 

Красноярск 2012г.

Содержание

Введение

1. Устройство печи
2. Характеристика печи как объект автоматизации

2.1 Статические  и динамические характеристики объекта

2.2 Автоматический контроль

2.3 Автоматическое регулирование

3. Методы и средства измерения уровня                                                                                     

3.1 Общие сведения.

3.2 Указательные стекла.

3.3 Поплавковые уровнемеры

3.4 Гидростатические уровнемеры

3.5 Емкостные уровнемеры

3.6 Кондуктометрические уровнемеры

3.7 Ультразвуковые и акустические  уровнемеры

3.8 Радиоизотопные уровнемеры

3.9 Уровнемеры для сыпучих материалов

4. Описание функциональной схемы автоматизации

Заключение

Список  использованных источников

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

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. м³ 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 [9].

 

 

1. Устройство и работа доменной  печи

 

Доменная  печь предназначена для выплавки чугуна из железных руд и является важнейшим агрегатом чёрной металлургии. Основой технологических процессов, протекающих в доменной печи, являются процессы восстановления окислов железа [1].

Доменная  печь представляет собой высокую  шахту круглого сечения (рисунок 1), опирающуюся на железобетонный фундамент  обычно многогранной формы. Нижняя часть (подошва) фундамента находиться на глубине 6 – 7 м. Надземная часть фундамента выложена из огнеупорного бетона.

Профиль рабочего пространства печи в вертикальном разрезе составляют колошник (верхняя  цилиндрическая часть), шахта (верхняя  конусная часть), распар (широкая цилиндрическая часть), заплечики (нижняя конусная часть) и горн (нижняя цилиндрическая часть).

Футеровка колошника защищена металлическими кольцами, собранными из сегментов, от ударного и истирающего действия кусков шихты, падающих с большого конуса засыпного аппарата. Шахту, распар и  заплечики футеруют высококачественным шамотным кирпичом, а горн и лещадь (под печи) – высокоглиноземистым  кирпичом или углеродистыми блоками. Футеровку нижней части шахты, а  также распара, заплечиков, горна  и лещади охлаждают водяными холодильниками.

Кладка  шахты заключена в цельносварной  стальной кожух. Внизу, на уровне перехода шахты к распару, кожух заканчивается  опорным кольцом, которое поддерживается колоннами со специальными опорами, передающими нагрузку на несущую  плиту фундамента. Горн также опоясан  сварным стальным кожухом.

Горячее дутье от воздухонагревателей через  футерованный воздухопровод поступает  в футерованную кольцевую трубу. Из кольцевой трубы воздух направляется в футерованные рукава и через  медные водоохлаждаемые фурмы, расположенные  в верхней части горна по окружности, поступает в доменную печь. Фурмы  вставлены в конические холодильники, которые входят в амбразуры, плотно прилегающие к кожуху печи.

В нижней части горна на высоте 600 – 1000 мм от лещади расположены одна или  две чугунные летки – каналы для  периодического выпуска чугуна и  шлака. Шлак отделяют от чугуна в желобе при помощи перевала и перегородки (скимера). В промежутках между  выпусками чугуна отверстие летки  забивают огнеупорной массой при  помощи специального устройства –  электрической поршневой пушки.

На  высоте 1400 – 1600 мм от чугунной летки под некоторым углом друг к другу расположены две шлаковые летки, через которые выпускают шлак. Шлаковая летка состоит из полой медной водоохлаждаемой фурмы, которая входит в конический медный холодильник, вставленный в чугунный холодильник, вставленный в чугунный холодильник со змеевиком. Отверстие шлаковой летки закрыто специальным стопором со стальной пробкой.

 

Рисунок 1 - Конструкция доменной печи

 

Доменную  печь загружают шихтой сверху через  специальный засыпной аппарат. Он состоит  из большого конуса с воронкой, перекрывающего колошник печи, и малого конуса с  вращающейся приемной воронкой. Такая  конструкция засыпного аппарата позволяет равномерно распределять материал на окружности колошника и  устраняет потери газов в атмосферу. Загрузку шихты в доменную печь осуществляют послойно.

Процесс развития доменного производства идет в направлении повышения содержания железа в рудном сырье, снижения расхода  топлива и частичной замены природным  газом (реже мазутом) дефицитного топлива, которым является кокс. Увеличиваются  также размеры доменных печей. Полезные объемы доменных печей достигают 5000 м3.

Повышение содержания железа в рудном сырье, ведущее  к уменьшению количества шлака, снижает  затраты физического тепла на нагрев и плавление составляющих шлака, приводит к разогреву низа печи и позволяет снизить расход топлива. Снижение расхода топлива  увеличивает в свою очередь экономичность  и производительность печи.

В настоящее время в качестве рудной части шихты используют агломерат  – продукт обогащения железной руды спеканием измельченной руды, железного  концентрата, колошниковой пыли и флюсов.

Весьма  перспективным является применение окатышей – продукта окомкования  и обжига железного концентрата.

Основным  видом топлива в доменной печи является кокс. В качестве дополнительного  топлива используется природный  газ, который подаётся через фурмы.

Раскаленные газы, получающиеся в области фурм в результате горения опускающегося  кокса до СО и вдуваемого природного газа до СО и Н2, продуваются (фильтруются) через столб кусковых материалов под действием напора, создаваемого воздуходувками. Загружаемые через  засыпной аппарат рудное сырьё и  кокс постепенно нагреваются и теряют влагу и летучие. При использовании  флюсов и сырых руд происходят также процессы разложения карбонатов. Железорудное сырьё восстанавливается. Высший окисел Fe2O3 превращается в железо последовательно через промежуточные окислы. Процесс восстановления осуществляется практически по всей высоте печи, но заканчивается выше уровня фурм до поступления составляющих рудного сырья в зону горения. Восстановителями служат компоненты газа (СО и Н2), окисляющиеся в процессе восстановления до СО2 и Н2О.

Процесс восстановления железа складывается из реакций

FeO + CO = Fe + CO2

C + CO2 = 2 CO (1)

FeO + C = Fe + CO

Такой процесс требует затраты углерода и поглощает большое количество (156,64 МДж/моль) тепла.

При высоких температурах, достигаемых  после расплавления и разделения составляющих рудной части шихты  на металл и шлак, получают некоторое  развитие эндотермические процессы прямого восстановления кремния  и марганца, а также процесс  науглероживания железа. Эти процессы осуществляются при стекании струй  чугуна и шлака через слой кокса (коксовую постель), выполняющего роль фильтра, пропускающего расплавы и  газы и преграждающего путь ещё не расплавленным или полурасплавленным  кускам рудных материалов.

Окись углерода, которая образуется по реакциям (1) и представляет собой основную горячую составляющую доменного (колошникового) газа, удаляется из печи с температурой примерно 650 К и используется в  дальнейшем для отопления доменных печей.

Для отвода газа в куполе печи предусмотрены  четыре боковых восходящих газоотвода. Вертикальные участки газоотводов  соединены попарно в два газоотвода, переходящих в один нисходящий газоотвод, который входит сверху по оси в  первичный пылеуловитель. Газоотводы футерованы шамотным кирпичом.

2. Характеристика  печи как объекта автоматизации

Производство чугуна является непрерывным  процессом, протекающим во всем объеме доменной печи [4]. Получение рабочей информации о ходе технологического процесса из внутренних областей доменной печи практически невозможно. Поэтому для контроля за 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 печи.

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.

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.

Контрольно-измерительная  аппаратура, установленная на доменных печах, позволяет получить доступную для измерения рабочую информацию о технологическом процессе, а также о состоянии печи и вспомогательного оборудования. Кроме того, она должна обеспечить безопасность работы всех агрегатов, составляющих комплекс доменного производства.

Рисунок 2 - Принципиальная схема автоматического контроля параметров доменного производства.