Конвертерное производство

Автоматизация кислородно-конвертерного процесса

Высокопроизводительный кислородно-конвертерный процесс является одним из наиболее важных металлургических объектов автоматизации. Усовершенствование его управления необходимо для получения стали с заданными температурой и составом при максимальной экономичности плавки. Однако задача полной авто­матизации на основе совершенной модели процесса является крайне сложной и требует знания закономерностей воздействия множе­ства факторов: физико-химических, газо-гидродинамических и других, до настоящего времени недостаточно исследованных. Поэтому автоматическое управление вводится этапами и ограничивается пока главным образом применением статического метода.

Новые  конвертерные  цехи  оборудуют  автоматизированной  системой  управления  (АСУ),  которая  должна  обеспечить  управление  как  отдельными  технологическими  процессами  и  агрегатами,  так  и  производством  цеха  в  целом.  Составной  частью  такой  АСУ  является  автоматизированная  система управления  технологическим  процессом  плавки  в  кислородном  конвертере  (АСУ  ТП  «Плавка»);  подобные  АСУ  ТП  созданы  во  многих  ранее  построенных  цехах.

Основные  задачи  автоматизации  конвертерной  плавки  взаимосвязаны  и  должны  решаться  практически  одновременно.  К  ним  относятся:

  • Получение стали  заданного  состава,  заданной  температуры и  в  заданном  количестве.
  • Формирование шлака  необходимого  состава  и  количества, при  этом требуемая  основность  шлака должна  обеспечить  условия удаления  фосфора  и  серы,  а  требуемая  окисленность  должна обеспечить  максимальную  степень  дефосфорации  и,  одновременно, минимальные  потери  железа  в  шлаке.
  • Обеспечение максимальной  производительности  агрегата (минимальные  продолжительность  операции  и  потери  металла в  шлаке  и  отходящих  газах).
  • Минимальные затраты  на  процесс  (все  вышеперечисленное  должно  обеспечиваться  при  минимальном  расходе  кислорода,  шлакообразующих,  огнеупоров  (высокой  стойкости  футеровки) и  минимальных  затратах  рабочей  силы  на  обслуживание  систем  контроля  и  управления).

Организация  контроля  и  автоматизации  конвертерного  процесса  представляет  собой  очень  трудную  задачу.  Основными  причинами,  обусловливающими  эти  трудности,  являются  следующие:

  • В отдельные  моменты  продувки  скорость  окисления  углерода  достигает  0,3—0,5  %  С/мин.  Одна  марка  углеродистой  стали  от  другой  отличается  обычно  содержанием  углерода  на  0,05  %.  Такое  количество  углерода  может  окислиться  в  конвертере  всего за  6—10  с.  Таким  образом,  небольшая  ошибка  в  определении  момента  окончания  продувки  может  привести  к  получению  стали не  той  марки.
  • Для получения  металла  строго  определенных  температуры  и  состава  в  конце  операции  необходимо  учитывать  как  энтальпию  и  массу  материалов  в  начале  операции  (массу  чугуна  и  лома,  их  точный  химический  состав  и  температуру,  количество  тепла,  аккумулированного  кладкой  конвертера,  количество  и  состав  попавшего  в  конвертер  миксерного  шлака  и  т.  д.),  так  и  изменение  этих  параметров  по  ходу  продувки  (с  учетом  массы  и  точного  состава  всех  вводимых  в  конвертер  шлакообразующих,  количества  выделившихся  газов,  количества  окислившегося  и  улетевшего  с  плавильной  пылью  железа,  потерь  тепла  через  стенки,  с  охлаждающей  фурму  водой,  с  отходящими  газами  и  т.  д.).

Из  этого  следует,  что  при  проведении  конвертерного  процесса  необходимы  безотказно  действующие  датчики  для  определения  массы  заливаемого  чугуна,  взвешивания  лома  и  шлакообразующих,  измерения  температуры  и  состава  отходящих  газов,  расхода  кислорода,  подаваемого  для  продувки  металла,  и  т.  п.  Если  в  цехе  обеспечена  абсолютная  стандартность  от  плавки  к  плавке  состава  шихты  и  температуры  жидкого  чугуна  и  установлены  надежные  устройства,  обеспечивающие  точность  взвешивания  материалов,  то,  проведя  предварительно  расчеты  по  определению  количества  кислорода,  необходимого  для  окисления  примесей  и  количества  выделившегося  при  этом  тепла,  контролировать процесс  плавки  можно,  зная  лишь  количество  израсходованного  на  продувку  ванны  кислорода  (а  при  постоянном  расходе  кислорода  —  по  времени).  Необходимо  провести  серию  контрольных  плавок  для  уточнения  данных  о  режиме  шлакообразования  и  установления  количества  железа,  переходящего в  процессе плавки  в  шлак  и  удаляющегося  с  отходящими  газами.

Одним  из  основных  контролируемых  параметров  плавки  является  концентрация  в  ванне  углерода.  Получение  непрерывной  информации  о  количестве  окислившегося  углерода  возможно  в  том  случае,  если  точно  известна  масса  и  состав  металлической  шихты  в  начале  операции  и  состав  и  количество  отходящих  газов.

Весь  окислившийся  в  процессе  плавки  углерод  удаляется  из  конвертера  в  виде СО  и  С02.  Имея  точные данные  о  количестве  выделившихся  газов  и  их  составе,  можно  составлять  мгновенные  балансы  и  в  любой  момент  плавки  знать,  сколько  углерода  осталось в  ванне.  Однако  вследствие  тяжелых  условий  эксплуатации датчиков  в  зоне  высоких  температур  и  большой  запыленности

отходящих  газов  плавильной  пылью  данные  о  составе  и  количестве  газов  недостаточно  надежны,  чтобы  ими  можно  было  пользоваться  для  определения  момента  окончания  продувки.

При  проектировании  систем  контроля  и  регулирования  приходится  учитывать,  что  на  практике  от  плавки  к  плавке  изменяются  состав  чугуна,  лома  (обычно  известен  примерный  состав) и  добавочных  материалов.  По  ходу  кампании  изменяются  (в  связи с  износом)  и  размеры  конвертера,  соответственно  изменяется  количество тепла,  аккумулированного кладкой,  потери тепла  через кладку,  поверхность  ванны  металла  (по  мере  износа  футеровки поверхность  ванны  при  неизменной  массе  металла  возрастает, а  глубина  ванны  уменьшается),  изменяются  условия  подсоса в  полость  конвертера  атмосферного  воздуха  и  т.  д.  В  связи  с  этим  системы  автоматического  контроля  за  ходом  конвертерной  плавки пока  еще  не  всегда  позволяют  полностью  отказаться  от  визуального  контроля  (яркость  факела  отходящих  газов,  характер  вылетающих  искр  и  т.  п.)  и  от  отбора  проб  металла  и  замера  его  температуры.  Отбор  проб  и  измерение температуры  можно  проводить как  при  повалке  конвертера  (предварительно  для  этого  прекращают  продувку  и  поднимают фурму),  так  и  без  прекращения  продувки  и  повалки  конвертера.

На  рис.  1  представлена  схема  устройства  для  измерения температуры  ванны  и  отбора  проб  металла  без  повалки  конвертера,  разработанного  для  конвертеров  вместимостью  350—400  т.

Устройство для замера температуры ванны и отбора проб металла без повалки конвертера

Рисунок  1.  Устройство  для  замера  температуры  ванны  и  отбора  проб  металла  без  повалки  конвертера

Это  достаточно  сложное  сооружение:  масса  фурмы  с  охлаждающей  водой  4700  кг,  масса  всей  установки  с  направляющей,  кареткой  и  с  механизмами  перемещения  составляет  57 т.  На  ряде  предприятий  температуру  ванны  измеряют  небольшими  термопарами  (термопарами-«бомбами»)  одноразового  использования,  которые  вводят  на  гибком  тросе  в  ванну,  измеряют  ее  температуру,  затем  термопары  вместе  с  концом  троса  отгорают  и  остаются  в  ванне.  Таким  же  способом  измеряют  активность  кислорода  в  металле.  В  конвертер  забрасывают  «бомбу»,  заключающую  в  себе  небольшую  термопару  и  прибор  для  замера  активности  кислорода  (активометр  или  кислородный  зонд).  Прибор  передает информацию о  температуре металла  и  активности  в  нем  кислорода  а [о]    и  сгорает.  Учитывая связь  между а [о]    и  содержанием в  ванне  углерода,  данные  замера  а [о]  могут  быть  использованы  для  ориентировочного  представления  о  содержании  в  металле  углерода.

Однако  датчиков,  при  помощи  которых  можно  было  бы  установить  содержание  в  металле  углерода  без  отбора  пробы,  пока  еще  не  создано.  Помимо  данных,  полученных  в  результате  отбора  проб  и  непосредственного  измерения  температуры,  по  ходу  плавки  автоматически  контролируют  следующие параметры:  давление,  расход  и  общее  количество  кислорода;  положение  фурмы над  уровнем  спокойной  ванны;  содержание  в  отходящих  газах  СО,  С02  и  02;  давление  и  расход  воды,  подаваемой  для  охлаждения  фурмы,  и  температура  воды  на  входе  и  выходе.  Разность температур  воды  на  входе  и  выходе  может  быть  использована для косвенного контроля температуры в  полости  конвертера. С этой же целью  используют  данные  о  некотором  «удлинении»  наружной трубы  фурмы  относительно  внутренней  «холодной»  трубы  вследствие  нагрева.  Системы  автоматического  управления  ходом плавки  выполняют  следующие  операции:

  • Получение информации  о  составе  шихты  и  расчет  необходимого  соотношения  и  количества  шихтовых  материалов  для  получения  стали  данной  марки.
  • Расчет количества  кислорода,  необходимого  для  окисления примесей,  а  также  расхода  охладителей  и  шлакообразующих.
  • Определение момента  ввода  в  ванну  добавок  охладителей и  шлакообразующих.
  • Регулирование интенсивности  подачи  кислорода  и  положения  (высоты)  кислородной  фурмы  по  ходу  плавки.
  • Автоматический контроль  температуры  и  состава  металла по  ходу  плавки.
  • Определение момента  окончания  продувки.

Существующие  АСУ  ТП  работают  в  статическом  или динамическом режиме  управления  процессом.  В  первом  случае  ЭВМ  выполняет  расчеты  по  статической  математической  модели  процесса.  Она  построена  на  использовании  только  известной  до  начала  плавки  информации:  в  ЭВМ  вводят  данные  о  составе  и  температуре  чугуна,  составе  шлакообразующих  материалов,  чистоте  кислорода,  состоянии  и  температуре  футеровки,  требуемых  составе  и  температуре  стали,  основности  шлака  и  др.  На  основании  этих  данных  по  заданной  программе  ЭВМ  рассчитывает  параметры  плавки,  не  являющиеся  функцией  времени, —  расход  чугуна  и  стального  лома, расход  шлакообразующих  и  кислорода,  программу  изменения  расхода  кислорода  и  положения  фурмы,  длительность  продувки  и  момент  ее  окончания.  Однако  точность  выдаваемых  ЭВМ рекомендаций  невелика,  так  как  в  реальных  условиях  ход продувки  отличается  от  стандартного,  заложенного  в  математическую  модель  процесса.

При  работе  в  динамическом  режиме  управления  ЭВМ  выполняет  расчеты  по  динамической  модели  процесса,  которая учитывает  как  исходные  данные,  так  и  получаемую  по  ходу продувки  текущую  информацию  о  параметрах  процесса  (составе  и  температуре  металла  и  др.).  С  учетом  этих  дополнительных  данных  ЭВМ  вырабатывает  динамические  управляющие воздействия,  выполнение  которых  обеспечивает  полную  автоматизацию  управления  ходом  плавки.  В  этом  случае  при  наличии  надежно  работающих  при  высоких  температурах  датчиков  будет  обеспечиваться  остановка  продувки  с  точным  получением  заданных  содержания  углерода  в  металле  и  его температуры.

Однако  проблема  создания  надежных  датчиков  для  контроля  всех  необходимых  параметров  конвертерной  плавки  пока не  решена.  Не  представляет  проблемы  контроль  при  низких температурах  множества  параметров  с  помощью  серийно  выпускаемых  приборов  (контроль  массы  материалов,  давления  и расхода  воды,  кислорода  и  других  газов,  расхода  сыпучих  материалов  и  др.).  В  то  же  время  непрерывный  контроль  параметров  высокотемпературной  конвертерной  ванны,  и  в  первую  очередь,  состава  и  температуры  металла,  пока  не  освоен,  хотя  работы  в  этом  направлении  ведутся  много  лет.  Основной  трудностью  при  этом  является  создание  датчиков, способных  длительное  время  работать  в  условиях  разрушающего  воздействия  высокотемпературных  сред  —  шлаковой  и газовой  фаз.  Поэтому  предложено  и  опробовано  много  косвенных  методов  контроля,  например  непрерывного  определения  содержания  углерода  по  количеству  и  составу  отходящих  газов,  уровню  шума  в  конвертере, интенсивности  излучения конвертерных  газов,  данным  о  вибрации  конвертера  и  др.

Однако  все  они  не  вышли  пока  из  стадии  промышленной  отработки.

В  настоящее  время  наиболее  надежным  методом  остановки  продувки  при  заданном  содержании  углерода  считают  применение  в  сочетании  с  ЭВМ  измерительной  фурмы-зонда,  вводимой  в  ванну  сверху  за  2—3 мин  до  окончания  продувки,  фурма-зонд  подобна  продувочной  фурме,  на  ее  конце  крепится  сменный  измерительный  блок,  а  внутри  проложен  кабель, соединяющий  блок  с  ЭВМ.  В  сменном  керамическом  блоке  имеется  термопара  для  замера  температуры  металла;  снабженная  термопарой  полость,  куда  затекает  металл  и  при  его  затвердевании  по  температуре  ликвидус  определяют  содержание  углерода;  полость  для  отбора  пробы  металла,  которую  анализируют  после  вывода  зонда  из  конвертера.  В  момент  погружения  зонда  в  ванну  данные  о  содержании  углерода  в  металле  и  его  температуре  поступают  в  ЭВМ,  что  позволяет  точно  рассчитать  расход  кислорода,  необходимого  для  окисления  углерода  до  заданного  содержания,  обеспечивая  остановку  продувки  точно  при  нужном  содержании  углерода.  При  повышенной  температуре  в  конвертер  вводят  охладители,  при  дефиците  тепла  вводят  теплоноситель  (например,  уголь,  ферросилиций),  что  позволяет  за  оставшиеся  2—3 мин  продувки  получить  требуемую  перед  выпуском  температуру  металла.

Схема автоматического управления конвертерной плавкой
Рисунок 2.  — Схема автоматического управления конвертерной плавкой: 1 — заливочный ковш; 2 — миксер; 3 — чугуновозный ковш; 4 — бункера сыпучих материалов; 5 — конвертер; б — сталеразливочный ковш; 7 — бункера легирующих и раскислителей; 8 — кислородопровод; 9 — котел-утилизатор; 10 — газоочистка; 11 — дымовая труба; а — информация, вводимая в вычислительную машину ВМ вручную; б — информация, поступающая из экспресс-лаборатории ЭЛ (анализ стали); в — информация, поступа­ющая из квантометрической КВ (анализ чугуна и стали после раскисления); г — информация общецехового контроля ОК (анализ чистого кислорода); Дх—Д7 — информация о массе: Дх — чугуна, Д2 — руды, Д3 — боксита, Д4 — извести, Д5 — стали, Д6 — рас кислителей и легирующих, Д7 — скрапа: ех и е2 — информация о температуре: ех — чугуна, е2 — стали; жх—ж2 — информация об отходящих газах: жх — состав, ж2 — количество, ж3 — температура; з — данные о давлении, расходе и количестве 02; и — положение фурмы: к — излучение пламени над горловиной конвертера; Лх—Ла — ре­комендации вычислительной машины в пост управления конвертером ПК и миксером ПМ о требуемом на плавку количестве: Лх, Л2 — чугуна, Л3 — руды, Л4 — извести, Л6 — раскислителей, Лв — легирующих; м — рекомендации о количестве кислорода на плавку; н — сведения о текущем содержании углерода в металле; п — данные, поступающие для введения вручную из центральной лаборатории ЦЛ (состав руды, извести и шлака); Рх — Р5 — данные о составе проб: Рх — чугуна, Р2 — стали, Р3 — руды, Р4 — извести, Ръ — стали после раскисления; С — положение миксера; Т — положение конвертера; у — передача информации остальным конвертерам; ШМ — шихтовой двор металлических материалов; ШС — шихтовой двор сыпучих материалов.

На рисунке 2 приведена принципиальная схема автоматического управления плавкой, разработанная ЦНИИЧМ. В электронно-вычислительную машину цифрового типа поступает информация о массе, температуре и составе чугуна, составе железной руды и извести, чистоте и давлении подаваемого кислорода, а также о времени простоя между плавками и степени износа футеровки конвертера. По этим данным машина рассчитывает количество кислорода, руды и извести, управляет включением и выключением дутья и дозировкой добавок.

Эта схема предусматривает использование данных о составе, количестве и температуре отходящих газов и некоторые другие текущие характеристики процесса, вводящие в систему управления элементы динамического контроля. Однако проблема динамического управления процессом с определением оптимального режима дутья и добавок на основе непрерывных измерений основных параметров процесса во времени находится еще в стадии разработки.