Контроль и автоматизация конвертерного процесса

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

1. Получение стали заданного со­става, заданной температуры и в за­данном количестве.

2. 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.

3. Обеспечение максимальной про­изводительности агрегата (минимиза­ция продолжительности операций, а также потерь металла в шлаке и с от­ходящими газами).

4. Минимальные затраты на про­цесс (все, что приведено в пп. 1, 2, 3, должно обеспечиваться при мини­мальном расходе кислорода, шлакооб-разующих, огнеупоров (при высокой стойкости футеровки) и минимальных затратах рабочей силы на обслужива­ние систем контроля и управления).

Организация контроля и автомати­зации конвертерного процесса пред­ставляет собой очень сложную задачу. Основные трудности связаны со сле­дующим:

1. В отдельные моменты продувки скорость окисления углерода достига­ет 0,5 % С/мин. Одна марка углероди­стой стали от другой обычно отличает­ся содержанием углерода на 0,05 %.

Такое количество углерода может окислиться в конвертере всего за 6— Юс. Таким образом, небольшая ошиб­ка в определении момента окончания продувки может привести к получе­нию стали иной марки.

2. Для получения металла строго определенных температуры и состава в конце операции необходимо учиты­вать не только 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.), но и изменение этих параметров по ходу продувки (с учетом массы и точного состава всех вводимых в кон­вертер шлакообразующих; количества выделившихся газов; количества окис­лившегося и унесенного плавильной пылью железа; потерь тепла через стенки, с охлаждающей фурму водой, с отходящими газами и т. д.).

Из приведенного следует, что для организации конвертерного процесса необходимы безотказно действующие датчики с целью: 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 по данным предва­рительных расчетов-количества кисло­рода, необходимого для окисления Уфимесей, и количества выделившего­ся при этом тепла можно контролиро­вать процесс плавки, исходя из знания только количества 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 известны 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 СО₂. 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 изменяется состав как чугуна и лома (обычно известен примерный со­став), так и добавочных материалов. По ходу кампании изменяются (в свя­зи с износом) и размеры конвертера; соответственно изменяются 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 также и 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 (по яркости факела отходящих газов, по характеру 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 по ходу плавки, не прекращая продувку.

На рис. 15.39 представлена схема устройства для измерения

Рис. 15.39.Устройство для замера температу­ры ванны и отбора проб металла без повалки конвертера

температу ры ванны и отбора проб металла без повалки конвертера, разработанного для конвертеров вместимостью 350— 400 т. Это достаточно сложное соору­жение: масса фурмы с охлаждающей водой 4,7 т, масса всей установки с на­правляющей, кареткой и с механизма­ми перемещения 57 т. На ряде пред­приятий температуру ванны измеряют небольшими термопарами (термопа­рами-бомбами») одноразового ис­пользования, которые после ввода на гибком тросе в ванну показывают ее температуру, а затем отгорают вместе с концом троса и остаются в ванне. Таким же способом измеряют актив­ность кислорода в металле. В конвер­тер забрасывают «бомбу», несущую 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_[O] и сгорает. Учитывая связь между а_[O] и содержанием в ван­не углерода, данные замера а_[O] могут быть использованы для ориентировоч­ного представления о содержании в металле углерода.

Однако датчики, при помощи ко­торых можно было бы установить со­держание в металле углерода без отбо­ра пробы, пока еще не созданы. По­мимо данных, полученных в результа­те отбора проб и непосредственного измерения температуры, по ходу плав­ки автоматически контролируются следующие параметры: давление, рас­ход и общее количество кислорода; положение фурмы над уровнем спо­койной ванны; содержание в отходя­щих газах СО, СО₂ и О₂; давление, расход воды, подаваемой для охлажде­ния фурмы, ее температура на входе и выходе. По разности температур воды на входе и выходе можно косвенно оценивать температуру в полости кон­вертера. С этой же целью используют данные о некотором «удлинении» на­ружной трубы фурмы относительно внутренней «холодной» трубы вслед­ствие нагрева.

На системы автоматического уп­равления ходом плавки возложено вы­полнение следующих операций:

1. Получение информации о соста­ве шихты и расчет необходимого соотношения и количества шихтовых ма­териалов для получения стали данной марки.

2. Расчет количества кислорода, необходимого для окисления приме­сей, а также расхода охладителей и шлакообразующих.

3. Определение момента ввода в ванну добавок охладителей и шлако­образующих.

4. Регулирование интенсивности подачи кислорода и положения (высо­ты) кислородной фурмы по ходу плав­ки.

5. Автоматический контроль темпе­ратуры и состава металла по ходу плавки.

6. Определение момента оконча­ния продувки.

Для управления применяют как статические, так и динамические ме­тоды. Статические методы основаны на использовании начальной инфор­мации о входных параметрах для полу­чения требуемых параметров в конце продувки. Динамические (т. е. изменя­ющиеся по ходу) методы управления процессом плавки характеризуются, во-первых, получением непрерывной информации о ходе процесса для осу­ществления обратной связи и, во-вто­рых, выработкой динамических управ­ляющих воздействий (например, из­менение по ходу плавки расхода кис­лорода или положения фурмы в зависимости от полученных данных о составе металла и т. п.).

С помощью статических методов можно с достаточной степенью точно­сти определить количество: шихты (в зависимости от информации о ее со­ставе); кислорода, необходимого для окисления примесей; охладителей, ко­торые необходимо ввести для получе­ния требуемой температуры металла в конце плавки; шлакообразующих для получения в конце операции шлака нужного состава.

При динамических методах уп­равления на основе непрерывно по­лучаемой информации о составе и температуре ванны осуществляется непрерывное регулирование положе­ния кислородной фурмы, интенсив­ности подачи кислорода, а также оп­ределяется момент окончания про­дувки.

Разработан ряд алгоритмов и дина­мических моделей конвертерного про-^ цесса, позволяющих при использова­нии надежной информации с доста­точной степенью точности контроли­ровать и регулировать ход плавки. Созданы новые методы косвенного контроля за ходом плавки, основанные на определении: интенсивности шума (он зависит от интенсивности образования пузырей при обезуглеро­живании); интенсивности вибрации конструкций конвертера во время продувки; изучения светимости факе­ла горения СО над горловиной кон­вертера и др.