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

устройство для автоматического управления режимом дуговой печи [17]. Задача такого устройства — поддерживать на заданном уровне количество вводимой в печь полезной энергии, т. е. стремиться осу­ ществить уравнение

Принципиальная схема такого электронного вычислительного устройства типа ВУ-5086 с автоматическим регулятором БЭЭР дана на рис. 23. Вычислительное устройство включает измеритель­ ный трансформатор напряжения ТН, блок произведения БП, блок суммирования и интегрирования БСИ и стабилизатор напряже­ ния ДП.

Напряжение, пропорциональное силе тока и напряжению дуги, подается на вход блока произведения БП. Тиритовые нелинейные сопротивления позволяют эти величины возвести в квадрат, и на выходе AB возникает напряжение, пропорциональное

№ + h l f - - k2I f = kUJ = кРпол. (II-2)

Сигнал блока произведения БП подается на вход блока сумми­ рования и интегрирования БСИ представляющего собой усилитель постоянного тока с глубокой обратной связью. Заданное значение мощности Рпол ном подается на БСИ от делителя напряжения £?д, подключенного к стабилизированному источнику питания, в виде

50

напряжения U3aa, суммируется в блоке с напряжением UAB, и ре­ зультат этого суммирования интегрируется во времени по закону

Получаемое на выходе блока интегрирования напряжение евых пропорционально недобору или перебору электроэнергии в данной фазе печи, накопившейся за интервал t. Это напряжение подается в обмотку управления дросселя насыщения ДП, который изменяет задание регулятора мощности дуговой печи.

Вычислительное устройство типа ВУ-5086 работает вместе с элек- тронно-электромашинным регулятором БЭЭР. Это позволило умень­ шить несимметрию распределения электроэнергий между фазами печи, сократить длительность периода плавления и существенно уменьшить разброс технико-экономических показателей отдельных плавок.

При существенном изменении мощности печи Рпол в результате, например, обрыва дуги, когда Рпол становится равной нулю, зада­ ние регулятору в течение времени ts (до зажигания дуги) быстро

В результате этого длительное время ВУ-5086 будет работать при невыгодном (нерациональном) режиме, когда сила тока печи заметно (на 15—20%) больше номинальной. Аналогичное ухудше­ ние режима возникает, например, после обвала шихты, при ликви­ дации короткого замыкания.

Н. В. Окороков предлагал отказаться от компенсации перебора полезной электроэнергии в период плавления и регулировать полез­

рациональными, предлагает внести в существующую конструкцию ВУ-5086 добавочный блок, задача которого — автоматический пере­ вод в область рациональных электрических режимов.

ВНИИАчермет разработал корректирующее устройство к регу­ ляторам мощности, которое позволяет исключить специальное ана­ логовое устройство для измерения мощности и повысить точность системы регулирования. Структурная схема, поясняющая способ автоматического регулирования электрического режима в дуговых электропечах, приведена на рис. 24.

Заданный оптимальный электрический режим в дуговой электро­ печи 1 осуществляется автоматическим регулятором 2 перемещения электродов, снабженным корректором мощности 3, индикатором

Сигнал Ап, пропорциональный отклонению фактического коли­ чества электроэнергии от заданного, с индикатора 4 передается на корректор мощности 3, который изменяет задание регулятору пере­ мещения электродов 2.

Испытания автоматического регулятора мощности с корректи­ рующим устройством на промышленной ДСП-5 показали, что мощ­ ность, вводимая в печь, поддерживается с точностью ±3% .

Британская исследовательская ассоциация черной металлургии (BISRA) предложила регулировать подаваемую в дуговую печь энергию. Вначале простой контроль мощности состоял в том, что автоматически уменьшалась ее подача в результате изменения сту­ пени напряжения трансформатора переключением его на более низкую ступень, когда достигалась критическая заранее установлен­ ная температура свода.

В дальнейшем исследование показало, что необходим более эффек­ тивный контроль мощности. Это привело к разработке BISRA авто­ матического регулятора подаваемой мощности АРІС, который пред­ ставляет собой программированную систему с незамкнутым конту­ ром для регулирования всей энергии. Регулятор АРІС программи­ ровал последовательность ступеней напряжения и расход (квт ч/т) на каждой ступени напряжения и не был предназначен для контроля средней скорости подачи энергии ни на базе всех фаз, ни на базе каждой из них в отдельности.

В 1959 г. фирма «United Steel Со, Ltd» (Англия) [20] разрабо­ тала автоматический регулятор скорости подачи энергии, так назы­ ваемый ERIC (Energy Rate Input Controller), который может под-

52

гулятор энергии; 3 — автоматический регу­

чателем ступеней н а ­ пряжения; 7 — зада­ ние мощности; 8 — задание энергии; 9 — трансформатор; 10 — переключатель ступе­ ней напряжения; 11 — выключатель

держивать постоянным (во времени) или общий расход энергии по всем трем фазам, или средний расход ее в каждой фазе отдельно и регулировать процесс расплавления шихты в электропечи в соот­ ветствии с программированными значениями напряжения и расхода энергии.

На рис. 25 показана структурная схема системы.

Сигналы, пропорциональные напряжению и силе тока дуги, поступают в электронный умножитель /, выходной сигнал из кото­ рого пропорционален мгновенной фактической мощности дуги (РА). Этот выходной сигнал сравнивается с заданным напряжением, про­ порциональным вычисленной скорости подачи энергии, необходимой для достижения заранее установленной подачи мощности в опреде­ ленное время. Разница между установленной и фактически расходуе­

о

Корректировочное действие регулятора ERIC поясняется рис. 26.

53

Г л а в а III

АВТОМАТИЗАЦИЯ И МЕХАНИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ПРИ ВЫПЛАВКЕ СТАЛИ

ВДУГОВЫХ ПЕЧАХ

1.Общие сведения

Впоследние годы электросталеплавильное производство разви­ вается в направлении увеличения производительности действующих агрегатов, совершенствования технологии производства, а также строительства новых цехов для выплавки высококачественной стали.

Важной тенденцией развития электрометаллургии, как и дру­ гих отраслей металлургического производства, является укрупнение технологических агрегатов и предприятий. Эта тенденция находит выражение в увеличении емкости электропечей, оснащении их мощными трансформаторами. Выплавка стали в крупных дуговых печах позволяет снизить удельные капиталовложения и эксплуа­ тационные расходы. Так, в цехе с 200-т печами стоимость передела на 8% ниже, удельные капитальные затраты на 4% ниже, а про­ изводительность труда на 14% выше по сравнению с цехом 100-т печей при выплавке одинаковых марок сталей. В цехе со 100-т печами производительность труда вдвое выше, чем в цехе с 40-т печами.

ВСССР укрупнение дуговых печей является главным направ­ лением в развитии электросталеплавильного производства.

Вцехах с крупными дуговыми печами уровень механизации тяжелых и трудоемких работ достаточно высок, не механизированы лишь отдельные операции по обслуживанию электропечей (скачива­ ние шлака, заправка порога, присадка раскислителей и др.), по ломке и ремонту футеровки электропечей и ковшей, а также отдель­ ные погрузочно-разгрузочные операции. Ряд технологических опе­ раций автоматизирован, в том числе поддержание режима горения электрических дуг, управление кислородной фурмой, отсосом газов из электропечей и их очисткой и т. д.

Вновых цехах Череповецкого металлургического завода и завода «Красный Октябрь» успешно решены вопросы механизации подачи шлакообразующих, заправочных огнеупорных материалов и ферро­ сплавов в плавильные агрегаты. В печном пролете сооружена гале­ рея подвесных бункеров для различных материалов. Материалы взвешивают на электровесовой тележке грузоподъемностью 8 т

(проектная точность взвешивания ±25 кг), затем они передаются в бункер самоходной бросковой машины, установленной на рельсах

55

против рабочего окна печи, или в промежуточный бункер, из кото­ рого материалы перегружают в мульды завалочной машины.

Новые средства механизации надежны в работе при загрузке сыпучих материалов и ферросплавов, позволяют повысить произво­ дительность печей и улучшить условия труда обслуживающего персонала.

К началу освоения дуговых печей емкостью 100 т отечественная металлургия располагала опытом выплавки стали широкого сорта­ мента в электропечах емкостью до 60 т. Механический перенос технологии выплавки стали, хорошо зарекомендовавшей для 10— 40-т печей, оказался неприемлемым для печей большой емкости с более глубокой ванной и малой удельной поверхностью раздела фаз металл—шлак. Электрические и конструктивные параметры крупных электропечей обусловили необходимость изменения тех­ нологического процесса плавки, принятого для печей малой и сред­ ней емкости.

В основу технологии выплавки трансформаторной, подшипнико­ вой и конструкционных марок сталей, разработанной ЦНИИЧМ совместно с Ново-Липецким, Челябинским, Череповецким металлур­ гическими заводами и заводом «Красный Октябрь» для 100-т дуговых печей положены: совмещение периодов расплавления шихты и окис­ ления примесей; применение кислорода для частичного обезуглеро­ живания ванны и электромагнитного перемешивания, нагрев металла до требуемых температур за период плавления шихты и окисления примесей; скачивание окислительного шлака и формирование высо­ коосновного восстановительного шлака с содержанием FeO не более 1 %; преимущественный слив шлака из печи в ковш в начале выпуска плавки и интенсивная обработка металла шлаком в процессе вы­ пуска; окончательное раскисление металла в ковше.

Следует отметить, что совмещение окисления примесей с рас­ плавлением шихты, обусловленное введением агломерата или руды и извести в шихту, позволяет окислить 0,5—0,6% углерода за период расплавления со скоростью 0,7 %/ч, достигнуть требуемого содержа­ ния его в металле по расплавлению шихты и содержания фосфора в пределах 0,006—0,009%. Благоприятный анализ дает возможность сразу же при достижении необходимой температуры металла при­ ступить к продувке ванны кислородом. В этом случае шлак сходит через рабочее окно самотеком. При данном режиме окислительного периода продолжительность плавки снижается на 30—40 мин по сравнению с продолжительностью на заводах, где окислительный период проводят после полного расплавления шихты. Наиболее эффективные результаты дает совмещение расплавления с окисле­ нием примесей при применении шихты и шлакообразующих постоян­ ного качества.

Выполненные за последние годы ЦНИИЧМ работы показали целесообразность сокращения продолжительности восстановитель­ ного периода, достигаемого в результате обработки металла при выпуске электропечными шлаками. При этом по качеству металл из 100-т дуговых печей не уступает выплавленному в печах меньшей

56

й Средней емкости [21 1. При соблюдении технологии и Электриче­ ского режима плавки обеспечивается получение выпускного шлака с необходимыми свойствами и узкими пределами изменения химиче­ ского состава (при продолжительности восстановительного периода около 1 ч).

Использование свежеобожженной извести с содержанием не менее 90% СаО обеспечивает получение незначительных откло­ нений содержаний основных компонентов в шлаке от плавки к плавке.

В промышленных условиях рафинирующая способность «белых» печных шлаков в восстановительный период не может быть эффек­ тивно использована. Значительно больший эффект десульфурации и снижения содержания кислорода в металле достигается при интенсивном перемешивании металла со шлаком в процессе вы­ пуска плавки.

При выплавке стали ШХ15 в 100-т печах коэффициент распре­ деления серы между шлаком и металлом в восстановительный период составляет 8—26, а в процессе выпуска достигает 70—80. При хо­ рошем перемешивании металла на выпуске с белым шлаком содер­ жания серы и кислорода в металле ШХ15 снижаются до 0,003— 0,006% и 0,002—0,004% соответственно. При этом анализ резуль­ татов по качеству показывает, что сталь ШХ15, выплавленная в 100-т дуговых печах по разработанной технологии, не уступает по степени чистоты металлу, выплавленному в 40-т печах.

Следует подчеркнуть, что одно из определяющих условий вос­ производимости разработанной технологии плавки состоит в исполь­ зовании металлической шихты и других материалов постоянного качества. Существенное значение приобретает обеспечение каче­ ственной шихтой электросталеплавильных цехов с крупными дуго­ выми печами. При выплавке стали в этих печах огнеупорная футе­ ровка подвергается большим тепловым и механическим напряже­ ниям и находится в более тяжелых условиях, чем в средних и мел­ ких печах.

Состав металлической шихты по расплавлении должен гаранти­ ровать благоприятный анализ пробы, обеспечивающий проведение последующей короткой кислородной продувки для доведения кон­ центрации углерода до необходимых значений. В период освоения выплавки трансформаторной стали на НЛМЗ при работе электро­ печей на ломе, поставляемом Союзвторчерметом, до 24% всех пла­ вок переводили после расплавления на другие марки вследствие повышенного содержания в пробе металла хрома, никеля, меди и др.

Неоднократно в металле обнаруживали свинец и сурьму.

На 70—75% плавок содержание углерода в пробе по расплавле­ нии превышало 0,13% и находилось в пределах 0,14—0,50%, в то время как при использовании отходов проката кипящих сталей на 80% плавок содержание углерода находилось в требуемых пределах 0,06—0,13% и на остальных плавках — в пределах 0,14—0,25%. Длительный опыт работы показал, что для достижения наиболее

57

высоких показателей при выплавке трансформаторной стали шихта на 85—90% (остальное— передельный чугун) должна состоять из отходов проката кипящих сталей.

Неудовлетворительное обеспечение крупных дуговых печей вы­ сококачественным ломом приводит к резкому снижению технико­ экономических показателей электросталеплавильных цехов, не поз­ воляет стандартизировать технологический процесс плавки и вызы­ вает значительные трудности при разработке и внедрении в произ­ водство системы комплексной автоматизации и механизации про­ цесса.

Благодаря работам С. Г. Воинова, А. Г. Шалимова и других [22], касающимся крупных дуговых печей, получила распростране­ ние технология выплавки высококачественной стали различных марок с обработкой металла в ковше синтетическим известково­ глиноземистым шлаком. Эта технология открывает новые перспек­ тивы для автоматизации и механизации технологических операций электроплавки.

Следует отметить, что успешное решение задачи автоматизации и механизации производственных операций зависит от рациональ­ ного видоизменения технологического процесса или отдельных его этапов, при котором та или иная технологическая операция коренным образом изменяется или ликвидируется вообще. В качестве примера можно указать на операцию подрезки твердой шихты кислородом, которая экономически неоправдана. Ускорение плавления шихты и уменьшение расхода электроэнергии в этот период успешно дости­ гается увеличением мощности трансформаторов и сжиганием в рабо­ чем пространстве печи менее ценного топлива, например, природ­

800 КВА/т требует дальнейшего совершенствования технологиче­ ского процесса плавки в направлении сокращения продолжитель­ ности выдержки жидкого металла в печи до минимального времени

в дуговых печах необходимо учитывать их количество, продолжи­ тельность и содержание, а также сущность построения принятого процесса.

Вынесение операций рафинирования жидкого металла из стале­ плавильного агрегата в ковш позволяет уменьшить продолжитель­ ность и число операций, специализировать дуговые печи на выплавку стали определенных групп марок, близких по химическому составу, и облегчает задачу стандартизации технологии, что весьма важно для осуществления процессов автоматизации и механизации. По­ этому рассмотрим некоторые факторы, обусловливающие необхо­ димость более широкого использования внепечной обработки ме­ талла при электроплавке.

58

2. Предпосылки развития процессов внепечной обработки стали

Любой процесс получения стали заданного состава состоит в основном из операций плавления металлических и шлакообразу­ ющих материалов, рафинирования металла от нежелательных при­ месей и нагрева его до требуемых температур разливки. Процессы рафинирования стали от фосфора, серы, газов и неметаллических включений осуществляются преимущественно в сталеплавильных агрегатах. При этом степень чистоты стали, как правило, удовлетво­ ряет требованиям действующих стандартов, но недостаточна при решении задачи значительного повышения качества металла мас­ сового производства.

Осуществить глубокое рафинирование стали в сталеплавильном, особенно в крупном, агрегате практически невозможно вследствие низких скоростей реакций массообмена и необходимости увеличения продолжительности процессов, что в свою очередь приводит к сни­ жению производительности агрегатов и ухудшению их технико­ экономических показателей.

Практика плавки в дуговой печи с двумя шлаками предусматри­ вает удаление шлака окислительного периода и раскисление металла с последующей добавкой шлакообразующих для формирования нового шлака в начале периода рафинирования. Основными реак­ циями в этот период являются удаление серы, легирование и даль­ нейшее раскисление металла. При рафинировании металла раство­ ренная в нем примесь распределяется между металлом и шлаком.

При этом равновесный коэффициент распределения Ls, являю­ щийся термодинамическим стимулом процесса, зависит от состава металлической и шлаковой фаз. Для случая обменной реакции

Как видно из уравнения, для успешного протекания реакции десульфурации металла в печи наиболее благоприятными являются высокоосновные шлаки с большей величиной (02-)%. Однако ско­ рость перехода серы через поверхность раздела металл—шлак при рафинировании расплава в дуговой печи имеет небольшую

где D — коэффициент диффузии;

б — толщина непромешиваемого слоя; 5 — поверхность раздела фаз;

G — вес металла;

С° — концентрация в объеме фаз; L — коэффициент распределения.

59