книги из ГПНТБ / Пирожников, В. Е. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками

На металлургическом заводе фирмы «Христианиа Спигерверк» в Осло (Норвегия) ЭВМ установлена для управления электрическим режимом 50-т дуговой печи, работающей в режиме сверх высокой мощности (39 MBA). Функции этой ЭВМ весьма разнообразны. Предусмотрено три панели управления: для сталевара, шихтового двора и изменения параметров, характеризующих ход плавки.

ЭВМ выдает информацию сталевару о номере загруженной бадьи, израсходованной на данной ступени напряжения электроэнергии, температуре ванны, распределении по фазам мощности и коэффициен­ тов износа футеровки (произведения мощностей и напряжений дуг, являющиеся мерой эрозии футеровки при прочих равных условиях), а также о температуре (и ее производной) в точках максимального нагрева футеровки. Сталевар с учетом этой информации задает уро­ вень мощности печи.

На панели шихтового двора имеется цифровая индикация элек­ трической энергии, введенной в печь, по которой можно оценить продолжительность подготовки следующей бадьи с шихтой. ЭВМ задает ступень напряжения печи и корректирует уставки регулято­ рам перемещения электрода пропорционально коэффициенту износа футеровки.

Использование ЭВМ позволило увеличить кампанию по футе­ ровке в среднем со 180 до 250 плавок. Свод выдерживает до ПО пла­ вок. Общая стоимость футеровки на 1 т слитков ниже, чем при работе печи с трансформатором мощностью 14 MBA [75].

Фирмы «Стил Пич энд Тозер» и «Феранти» разработали систему управления цехом с использованием цифровой управляющей вычи­ слительной машины (УВМ) типа «Аргус-108», работающей в режиме советчика оператора [76]. Основная задача УВМ— непрерывно предсказывать, какое превышение договорной величины или недо­ бор электроэнергии будут к концу контролируемого получаса, и при­

150

нимать решение об отклонении одной из печей на низшую ступень напряжения и мощности.

Структурная схема системы управления представлена на рис. 74. Основой системы управления является УВМ типа «Аргус-108».

Вблизи УВМ расположены источники питания и аппаратура, предназначенная для получения информации в двоичном коде из цеха и проверки ее, а также для передачи управляющих воздей­ ствий, полученных от УВМ в цех.

В системе предусмотрено три датчика времени: первый и второй, установленные на подстанции энергоснабжающей компании, вы­ дают сигналы получасовых и пятиминутных интервалов, третий (кварцевые часы) — сигналы пятисекундных интервалов. На ряду с этим используются часы-датчики секундных, минутных и часовых импульсов.

Информация о потребляемой электроэнергии поступает от счет­ чиков трех видов. На вводном общецеховом фидере расположено два счетчика, посылающие импульсы соответственно через каждые 100 и 26,6 кВт-ч, причем импульсы второго счетчика используются лишь при работе цеха в режиме ограничения мощности. Кроме того, на фидере каждой печи имеется счетчик, выдающий импульсы через каждые 10 кВт-ч.

В цехе расположен пульт ручного ввода информации, который позволяет оператору передавать на УВМ информацию о запазды­ вании плавки, массе загрузки, номере печи, выплавляющей ответ­ ственный сплав и др. После того, как УВМ приняла эту информацию, на пульте против соответствующей кнопки загорается сигнальная лампа.

Предусмотрено два вида регистрации информации о ходе процесса: при помощи быстродействующего ленточного перфоратора и 11 теле­ тайпов, установленных в помещении УВМ, в цехе, в помещении квантометров и в помещении пульта управления. На цеховые телетайпы выдается информация не только от УВМ, но и от цифрового вычис­ лительного устройства, расположенного в помещении квантометров. Применение УВМ обеспечивает снижение среднего потребления мощности минимум на 5 тыс. кВт.

Расчет шихты и легирующих присадок

Весьма эффективно использование вычислительной техники для расчета состава заваливаемой в печь металлошихты и количества легирующих материалов, присаживаемых по ходу плавки.

Американская фирма «ИБМ» разработала специально для метал­ лургической практики процессов загрузки материалов СМАП, состоящий из входного преобразователя, вычислительного и реги­ стрирующего устройства. В процессор вводится информация, содер­ жащая данные о химическом составе и стоимости всех видов скрапа, имеющегося в цехе, о требуемом химическом составе металла по расплавлении и предполагаемом угаре элементов. На основании этих данных СМАП по методу линейного программирования рассчи-

151

тывает набор компонентов загрузки, отвечающий условию мини­ мальной стоимости, и выдает результаты расчета на печатающее устройство. Кроме того, процессор выдает рекомендации на приобре­ тение шихтовых материалов, обеспечивающих производство стали по наиболее низкой цене [77].

Величина экономического эффекта от использования шихтовок оптимального состава зависит от производительности цеха, сорта­ мента выплавляемых сталей, вида скрапа и др. По данным фирмы «Охалета и Ламина» (Мексика), сокращение расходов на металло­ шихту для цеха с четырьмя дуговыми печами емкостью 31, 77 и 93 т, использующими в качестве шихты губчатое железо, отходы собствен­ ного производства, местный и импортный лом, составляет 11% по сравнению с расходами, рассчитываемыми по обычным методам [78].

Пражским научно-исследовательским институтом черной метал­ лургии создана аналоговая вычислительная машина для расчета количества легирующих присадок, которая установлена на стале­ плавильном заводе Польди СОНП в г. Кладно. В вычислительную машину для расчета вводятся следующие исходные данные:

масса и химический состав ванны до легирования; требуемый химический состав металла к концу плавки или данного периода плавки; имеющиеся в наличии легирующие присадки и их химиче­ ский состав; показатели, ограничивающие технологические условия.

Используя эти данные, вычислительная машина определяет вид и массу требуемых легирующих присадок для достижения заданного состава ванны. Благодаря повышению точности и скорости расчетов на вычислительной машине достигается значительный экономиче­ ский эффект [79].

Управление технологическим процессом

ЭВМ для управления всем технологическим процессом плавки в дуговых печах применяют на ряде металлургических заводов США, Канады, ФРГ и других стран. Для управления технологическим процессом плавки применяют математические модели всех стадий металлургического процесса от выпуска до выпуска, разработанные для сталей всех марок и возможных методов их выплавки. В основу математической модели положены материальный и тепловой балансы, а также эмпирические зависимости, полученные статистическими исследованиями. Отклонения от стандартного процесса обрабаты­ ваются ЭВМ для дальнейшей коррекции программы плавки.

Перед началом плавки ЭВМ находит в блоках памяти заказан­ ную марку стали и выдает на печать общую программу ее выплавки. На основании математической модели ЭВМ рассчитывает количество электроэнергии, необходимой для расплавления шихты с учетом количества тепла, получаемого металлошихтой при подогреве при­ родным газом, тепла экзотермических реакций при вдувании в печь кислорода и потерь энергии, связанных с простоями печи или уве­ личением длительности плавки.

Вычислительная машина рассчитывает и выдает плавильщику в качестве рекомендаций оптимальные параметры электрического

153

режима (ступень напряжения, мощность) и оптимальную продол­ жительность для каждого интервала плавления.

Для оперативного управления в вычислительную машину вво­ дятся данные, характеризующие положение печи и свода, ступень напряжения и силу тока печного трансформатора, расход электро­ энергии, кислорода и природного газа (в случае его применения для предварительного подогрева скрапа или интенсификации расплав­ ления шихты), температуру и химический состав металла, массу и состав присаживаемых в печь материалов и ряд других параметров.

На рис. 75 показаны устройства для передачи информации вы­ числительной машины, используемые на заводе фирмы «Шталь унд Роренверк Рейсхольц» в Рейсхольце (ФРГ) [80].

Клавиатура для передачи данных вычислительной машины рас­ положена на пульте сталевара, экспресс-лаборатории, а также в производственном отделе. В свою очередь информация от вычис­ лительной машины выводится на световое табло и печатающее устройство. Иногда для передачи информации используется теле­ видение. Места вывода информации определяются специфическими

Р и с . 75. Входные и выходные устройства системы управления процессом плавки:

I — 2 — сигнализаторы включения газовой горелки и охлаждающего воздуха; 3 — расходомер и счетчик количества природного газа; 4 — указатель положения переключателя ступеней напряжения; 5 — указатель задатчика тока; 6 — сигнализатор включения печи; 7 , 8 — у к а ­ затели положения свода и наклона печи; 9 — сигнализатор измерения температуры металла;

154

условиями работы сталеплавильного цеха; информация может пере­ даваться сталевару, в производственный отдел (см. рис. 75), опера­ тору шихтового двора, бригадиру разливщиков и др.

Во время окислительного периода ЭВМ руководит кислородной продувкой, подсчитывая требуемое количество кислорода и инфор­ мируя обслуживающий персонал о начале и конце продувки. При

Во время рафинирования ЭВМ на основе данных химического анализа металла определяет вид и массу необходимых присадок для достижения заданного состава стали, минимизируя при этом их стоимость, а также рассчитывает величину электрической мощ­ ности для поддержания заданной температуры металла. Вычисли­ тельная машина в зависимости от анализа может изменить общую программу плавки. Это бывает в случае выхода концентрации неко­ торых элементов за положенные пределы. Для подобных случаев, например, при высоком содержании серы после расплавления вычис­ лительная машина печатает сталевару особую инструкцию на про­ ведение плавки. В некоторых случаях ЭВМ, основываясь на химиче­ ском анализе металла после первой пробы, определяет, какую марку стали при минимальных расходах электроэнергии, времени и добавок можно получить при данном составе расплава. Вычислительная машина регистрирует время всех простоев печи, заставляя плавиль­ щика объяснить их причину.

Роль ЭВМ как системы сбора, хранения и выдачи информации о плавке весьма значительна. Практически в любое время в течение нескольких секунд из памяти машины можно получить данные о те­ кущей плавке или любой из прошедших плавок для анализа, а также проводить статистическую обработку. Данные о плавках могут хра­ ниться в течение нескольких месяцев в зависимости от объема па­ мяти ЭВМ. Плавильные карты, полученные при помощи ЭВМ, более удобны для чтения и более объективны, чем составляемые це­ ховым персоналом.

Данные об использовании ЭВМ для управления электроплавкой стали приведены в табл. 12.

ЭВМ, применяемые для управления технологическим процессом, работают в режиме «советчика», управляя действиями сталевара. Использование ЭВМ для управления технологическим процессом электроплавки позволяет получить существенный экономический эффект, так как повышается производительность, сокращаются расходы электроэнергии, окислителей, легирующих, снижается стоимость завалки. Использование ЭВМ на заводе фирмы «Уэстерн Канада Стил» в Ванкувере (Канада) позволило за три года увели­ чить производительность электропечей на 17% и снизить затраты

на легирующие, шлакообразующие и кислород также на 17% [81 ].

Автоматизированная система управления технологическим про­ цессом плавки (АСУ ТП) для дуговых сталеплавильных печей емко­ 1 0 0 — 2 0 0 т ( в с о с т а в е цеха) с электронновычисли-

155

тельной машины (ЭВМ) представлена на рис. 76. Эта система выпол­ няет следующие функции;

а) выбирает оптимальный режим процесса плавки и выдает управ­ ляющие сигналы в локальные системы автоматического управления;

б) выдает информацию на печать и перфорацию; в) выполняет автоматизированный централизованный контроль

основных технико-экономических показателей работы печи; г) рассчитывает количество электроэнергии, кислорода, легиру­

ющих, шлакообразующих материалов;

е) контролирует запасы лома, легированных отходов, ферро­ сплавов и других материалов в шихтовом пролете.

В состав АСУ ТП входят локальные системы управления элек­ трической мощностью, продувкой ванны кислородом, давлением под сводом печи, дозированием массы материалов, присаживаемых в печь, шихтовкой. АСУ ТП снабжена устройствами контроля тем-

156

пературы металла, футеровки, тепловых потерь, первичной обра­ ботки информации и управления высоковольтным выключателем, переключения ступеней напряжения печного трансформатора под

нагрузкой.

По команде от автоматизированной системы управления произ­ водством АСУ ТП вагон с шихтой направляется из копрового цеха

вшихтовой пролет и разгружается в закрома. Информация о группе

имассе шихты, поданной транспортирующим устройством в данный

закром, поступает в ЭВМ и хранится в памяти машины. ЭВМ рас­ считывает основные компоненты шихты и выводит на табло световой индикации задание на набор компонента шихты и их массы.

Крановщик, получив задание на набор первого компонента метал­ лической шихты, начинает загружать шихту в корзину, установлен­ ную на платформенных весах. Загрузка первого компонента закан­ чивается тогда, когда фактическая масса равна заданной. После этого ЭВМ выводит на табло задание на набор второго компонента шихты. Крановщик вновь приступает к загрузке шихты в корзину. Аналогично этому загружают остальные компоненты шихты.

Перед загрузкой последнего компонента шихты (обычно это метал­ лический лом с низким содержанием углерода) ЭВМ корректирует первоначально введенное значение массы последнего компонента шихты с учетом недоборов и переборов при загрузке предыдущих компонентов шихты. После окончания загрузки всех компонентов шихты в корзину ЭВМ сообщает через табло мастеру печи о готовно­ сти корзины с шихтой. Затем электрифицированная тележка с кор­ зиной перемещается в печное отделение. Мостовым краном печного отделения корзина с шихтой переносится на стенд, а на тележку устанавливается пустая корзина. После этого тележка с корзиной перемещается на платформенные весы для набора шихтовых мате­ риалов на следующую плавку.

ВЭВМ хранится программа всех марок сталей, выплавляемых

вцехе. Перед началом плавки ЭВМ находит в блоках памяти зака­ занную марку стали и выдает на печать общую программу ее вы­ плавки. На основании математической модели ЭВМ рассчитывает количество электроэнергии, необходимой для расплавления шихты, с учетом тепла экзотермических реакций при вдувании в печь кис­ лорода и тепловых потерь печи, рассчитывает и выдает в систему управления мощностью оптимальные параметры электрического ре­ жима и оптимальную продолжительность для каждого интервала плавления. Начинается плавление металлической шихты и подогрев

жидкого металла.

Если температура футеровки достигает значения, влияющего на ее износ, то ЭВМ через устройство управления переключателем ступеней напряжения переключает печной трансформатор на бли­ жайшую низшую ступень напряжения и вычисляет оптимальную мощность для новой ступени напряжения.

Перед началом продувки ЭВМ выдает задание автоматическому регулятору на оптимальный расход кислорода. Регулятор расхода кислорода, сравнивая задание и фактический расход при помощи

158

исполнительного механизма, управляет подачей кислорода в ванну печи. При заданном количестве введенного в печь кислорода регу­ лятор, воздействуя на исполнительный механизм, отсекает подачу кислорода.

Экспресс-лаборатория соединена линией пневмопочты с дуговыми сталеплавильными печами. ЭВМ дает команду на отбор пробы ме­ талла (шлака). При поступлении в экспресс-лабораторию проба отрабатывается и устанавливается в квантометр и в течение 40—60 с анализируется в соответствии с заданной программой. По резуль­ татам этого анализа ЭВМ вычисляет, какие материалы (легирующие, шлакообразующие и раскислители) и в каком количестве необ­ ходимо ввести в печь. При этом ЭВМ учитывает количество и стои­ мость материалов, хранящихся в бункерах, вычисляет оптимальный по себестоимости вариант набора материалов. Учитывается также процесс угара каждой из добавок.

Далее ЭВМ посылает команды, содержащие адреса (номера) бун­ керов, из которых должны отбираться требуемые материалы в необ­ ходимых количествах, а также команду на пуск электровесовой тележки. Тележка движется вдоль бункеров, поочередно останавли­ ваясь у тех из них, которые указаны в адресе, выданном ЭВМ. При этом включаются в действие питатели, осуществляется заданный дозированный отбор каждого материала (информация о фактически отобранной массе направляется на ЭВМ). Электровесовая тележка передает материалы в бросковую машину, загружающую их в печь, и возвращается в свое исходное положение.

Для стали каждой марки в запоминающем устройстве ЭВМ хра­ нится оптимальный закон изменения температуры. ЭВМ в наперед заданные интервалы плавки периодически вводит в действие устрой­ ство измерения температуры металла и шлака в печи. Измеренные величины температур передаются в ЭВМ, которая сопоставляет фактические и заданные температуры металла и шлака, определяет их разность, учитывает требуемое их изменение и в течение очеред­ ного интервала плавки вычисляет требуемое количество электро­ энергии, которая должна быть передана металлу и шлаку, а также соответствующую среднюю мощность.

Непрерывно получая информацию о текущих значениях мощности тепловых потерь, напряжениях сети, температурах подины и дру­ гих частей футеровки печи и других показателях, ЭВМ в период плавления вычисляет электрический и тепловой режимы, связан­ ные с передачей металлу и шлаку очередной порции электроэнергии, отвечающей условиям минимальных удельных расходов электро­ энергии, длительности плавления или себестоимости 1 т стали.

Повышение удельной мощности трансформаторов обусловливает необходимость использования агрегатов в основном для расплавле­ ния твердой металлошихты. В этом случае рафинирование металла должно осуществляться вне плавильного агрегата.

Для обеспечения рафинирования металла вне печи в АСУ ТП включают устройства для взвешивания и дозирования в ковше жидкой стали, синтетического шлака и лигатуры.

159