Дуговые сталеплавильные печи как объект автоматизированного управления
Содержание
Введение
1. Общие сведения о предприятии
1.1 Краткая характеристика
1.2 Описание технологических процессов
1.3 Перспективы развития
2. Дуговые сталеплавильные печи как объект автоматизированного управления
2.1 Устройство и работа дуговой сталеплавильной печи
2.2 Принцип действия дуговой сталеплавильной печи
2.3 Конструкция и механизмы печи
2.4 Технология плавки металла
3. Автоматизированная система управления процессом плавки металла на дуговых сталеплавильных печах
3.1 Аппаратное обеспечение
3.2 Программное обеспечение
Заключение
Список использованных источников
Введение
На сегодняшний день трудно себе представить какое-либо производство без использования средств автоматизации. Даже сравнительно небольшие предприятия вынуждены внедрять информационные системы, позволяющие автоматизировать ту или иную область своей деятельности.
Внедрение автоматизированного управления позволяет значительно повысить производительность труда, перейти на более высокий уровень интенсификации производства, ускорить принятие управленческих решений, улучшить условия труда на предприятии следовательно снизить уровень аварийности и производственного травматизма, снизить затраты на сырьё и энергоносители путём увеличения их экономии и т.д.
ПФ ТОО "Кастинг" занимает далеко не последнее место среди предприятий области по уровню автоматизации. Постоянно производится модернизация систем автоматизации и расширение круга выполняемых ими задач.
1. Общие сведения о предприятии
1.1 Краткая характеристика
Павлодарский филиал ТОО "Кастинг" размещен на бывших площадях ОАО "Казахстантрактор": сталелитейного цеха № 1, кузнечного цеха № 3, складов ОКСа и отдела металлов (405 склад), сталелитейного цеха № 2, цехов спец. производства чугунолитейного цеха, РМЦ, ЧЛЦ. Оборудование ПФ ТОО "Кастинг" предназначено для приема, переработки лома черных металлов, его металлургической переработки - получения непрерывно литой заготовки и изготовления металлопроката. Сведения об организации: форма собственности - частная, создана - 22 мая 2001 года.
В настоящий момент здесь введены в эксплуатацию три 25-тонные, две 50-тонные электроплавильные печи 4 агрегата комплексной обработки жидкой стали, две машины непрерывной разливки стали, нагревательные печи, прокатный стан для мелющих шаров и стержней для горнометаллургического производства, кислородная станция для производства газов для обработки плавящегося металла, прокатный стан для производства строительной арматуры и мелкосортовой продукции. На сегодняшний день ПФ ТОО "Кастинг" освоила более восьми миллиардов тенге инвестиционных средств. Ее проектная мощность - миллион тонн продукции в год, нынешняя мощность предприятия составляет более 300 тысяч тонн продукции в год.
1.2 Описание технологических процессов
На металлургическом заводе ТОО "Кастинг" из металлолома выплавляют на дуговой сталеплавильной печи сталь, производят её внепечную обработку на агрегате ковш-печь с целью достижения заданных свойств и разливают на машине непрерывного литья заготовок. Полученная заготовка, являясь самоценным товаром, поступает на прокатный стан, где производится конечный продукт - мелкосортный прокат. Обеспечением главной технологической линии занят ещё целый ряд вспомогательных, но тоже высокотехнологических производств. Таким образом, автоматизация предприятия ориентирована на три основных объекта для информационного сопровождения, учета и управления технологическими процессами.
1.3 Перспективы развития
Руководство предприятия не собирается останавливаться на достигнутых целях, а наоборот планирует развивать и совершенствовать этапы производства, а так же новые производства.
В дальнейшем планируется освоить производство проволоки и труб большого диаметра для нефтегазовой отрасли. Впереди еще очень много работы, в том числе подготовка площадок для приема металлолома, строительство и ремонт железнодорожных путей общей протяженностью семь километров, восстановление и запуск главной понизительной подстанции № 2. На заводе будет установлено 26 мостовых кранов грузоподъемностью от пяти до 20 тонн. В общей сложности планируется освоить 25 миллионов долларов, в том числе 10 миллионов - на строительные работы, 15 миллионов - на приобретение оборудования. Соответственно, увеличится и численность коллектива с 1600 человек до 2300.
2. Дуговые сталеплавильные печи как объект автоматизированного управления
2.1 Устройство и работа дуговой сталеплавильной печи
Электропечь является сложным электрометаллургическим агрегатом и предназначена для выплавки стального жидкого полупродукта одношлаковым процессом из шихты, состоящей из подготовленного стального лома, в единой технологической цепочке с агрегатом внепечной обработки металла "ковш-печь.
В дуговой печи осуществляется расплавление скрапа, обезуглероживание металла путем продувки кислородом, нагрев металла до температуры выпуска.
2.2 Принцип действия дуговой сталеплавильной печи
Плавка стали, в дуговой электропечи осуществляется под тепловым воздействием. Преобразование электрической энергии в тепловую в печах происходит при возникновении электрической дуги.
Электрическая дуга представляет собой один из видов дугового разряда (в газовой среде или в вакууме), возникающего между электродами, подключенными к электрической сети. В печи дуги горят между тремя графитированными электродами и расплавляемым металлом.
2.3 Конструкция и механизмы печи
Конструктивно печь выполнена наклоняющейся для выпуска металла и скачивания шлака и с подъемом и поворотом свода в сторону разливочного пролета для механизированной загрузки ванны через верх.
Загрузка скрапа в электропечь производится краном через раскрытый верх ванны специальной загрузочной корзиной.
Платформа наклоняющаяся обеспечивает наклон электропечи на слив металла и скачивание шлака посредством двух гидроцилиндров на угол 20° и 12° соответственно. Платформа наклоняющаяся установлена на фундаментальных балках, закрепленных фундаментными болтами к фундаменту. Платформа наклоняющаяся является основной несущей конструкцией, на которой собираются составные части электропечи и представляет сварную листовую конструкцию. Секторы платформы соединяются между собой поперечными балками. Секторы платформы перекатываются при наклоне по фундаментальным балкам. Сдвиг секторов при наклоне предотвращается шипами, приваренными к опорным поверхностям дуг секторов и входящими в отверстия в фундаментальных балках. Со стороны скачивания шлака на платформе установлены два штыря для фиксации на ней кожуха электропечи.
Верхняя часть кожуха представляет собой цилиндрический трубчатый каркас с двумя горизонтальными кольцами и вертикальными стойками. Горизонтальные кольца используются в качестве коллекторов системы охлаждения кожуха: нижний - напорный, верхний - сливной. Вертикальные стойки не водоохлаждаемые. Для подвода воды и её отвода на коллекторах имеется по одному патрубку. В верхней части кожуха с внутренней стороны по всему периметру крепятся водоохлаждаемые панели и два медных холодильника.
Панели служат для образования гарнисажной футеровки стен рабочего пространства электропечи и выполнены в виде трубчатых змеевиков.
Нижняя секция кожуха сварена из листового проката. Она может выполняться цилиндрической, затем переходить в коническую с небольшим уширением кверху; при этом уменьшается тепловая нагрузка на стены.
Эркерная часть нижней секции кожуха сварена сверху закрывается стальным водоохлаждаемым трубчатым змеевиком.
Для обслуживания плавильного пространства в зоне, примыкающей к выпускному отверстию, в змеевике имеется специальное окно, закрываемое во время плавки стальной листовой водоохлаждаемой панелью.
Отверстие для донного слива металла выполнено в днище кожуха и смещено по продольной оси в его эркерную часть.
По продольной оси кожуха на стороне скачивания шлака выполнен проем для установки рамы рабочего окна с водоохлаждаемой аркой и порога печи. Рабочее окно служит для скачивания шлака, отбора проб, замера температуры жидкого металла, заправки и ремонта подины, наблюдения за ходом плавки, введения легирующих и шлакообразующих материалов в процессе плавки. Рабочее окно плотно закрывается водоохлаждаемой заслонкой, приводимой в движение с пульта управления механизмами печи
Кожух крепится к платформе наклоняющейся клиновым креплением.
Футеровка кожуха образует плавильное пространство, в котором происходит плавка металла. От стойкости применяемых для изготовления футеровки огнеупорных материалов, особенно в части выпускного отверстия, зависит и стойкость подины.
Свод печи закрывает плавильное пространство, образуемое футеровкой ванны. Металлическое кольцо огнеупорного свода устанавливают на кольцевой короб, приваренный по периметру кожуха так, чтобы нож сводового кольца оказался в центре короба, в который засыпан песок (песочный затвор). Это обеспечивает герметичность стыка свода и кожуха. Конструкцией предусмотрено водяное охлаждение опорного кольца свода. Свод набирают на специальном стенде, имеющем форму выпуклой сферы с установленными шаблонами электродов печи, поэтому набранный огнеупорным кирпичом свод в центральной части имеет три отверстия, расположенные по вершинам правильного треугольника. Чтобы электроды свободно проходили в отверстиях свода, их диаметр должен быть несколько больше диаметра электродов. Необходимо исключить выход пламени и раскаленных газов в зазоры между электродами и сводом печи, чтобы избежать потерь тепла, дополнительного расхода электродов и излишнего нагрева головок электродержателей. Для уплотнения зазоров между электродом и сводом вокруг каждого электрода устанавливают водоохлаждаемые устройства, называемые экономайзерами или уплотняющими кольцами.
Кроме отверстий для прохода электродов в своде имеется одно отверстие для отвода газов и ещё одно для прохода кислородной фурмы.
Исследуемая дуговая сталеплавильная печь имеет водоохлаждаемый свод, у которого центральная часть собрана из огнеупорного кирпича, а внешняя из водоохлаждаемых металлических элементов, имеющих форму сегментов (панели). Поверхность сегментов имеет огнеупорную набивку. Водоохлаждаемая поверхность свода составляет 70…80 % всей его поверхности.
Механизм наклона печи. Механизм наклона печи предназначен для слива готовой плавки в разливочный ковш, скачивания шлака через порог печи в шлаковню, при заправке печи и аварийных ситуациях. Угол наклона печи при сливе металла обычно составляет 40°, чтобы не оставался металл на подине после наклона печи до конца, а при скачивании шлака - 12…15°. Механизм наклона печи должен обеспечивать плавное и регулируемое по скорости перемещение печи, надежное торможение в любой точке траектории печи. Конечные выключатели автоматически отключают привод в крайних положениях. При наклоне печь всегда должна быть отключена. На некоторых электропечах кроме электрической защиты (конечный выключатель) при наклоне печи в крайнее положение для слива металла предусматривается механическая защита в виде упорного устройства, обеспечивающая остановку печи в крайнем положении (на 2° позже, чем отрегулирован конечный выключатель). Перед наклоном печи для слива должен быть отключен печной трансформатор, приподняты электроды над металлом, чтобы при сливе металл их не захлестнул. Привод наклона дуговых сталеплавильных печей может быть электромеханический или гидравлический. Новая серия высокомощных печей оборудована гидравлическим приводом наклона печи. У этих печей на двух фундаментах установлены два гидроцилиндра передающие усилие опорным секторам наклона. Гидравлические насосы находятся в отдельном помещении. Гидропривод наклона имеет две скорости перемещения. Гидравлический привод механизма наклона более компактен, чем электромеханический. Гидропривод обеспечивает плавное (бесступенчатое) регулирование движения, но требует более тщательного ухода в процессе эксплуатации. В случае необходимости рабочий гидроцилиндр заменяют резервным. Возможны утечки рабочей жидкости под печь; применяемые в настоящее время рабочие жидкости в системе гидропривода обладают способностью воспламеняться.
Механизмы загрузки шихты. Загрузка шихты в дуговые сталеплавильные печи механизирована. Применяют два способа загрузки шихты: через рабочее окно мульдами и сверху загрузочной бадьей с раскрывающимся дном. Второй способ имеет следующие преимущества: значительно уменьшается продолжительность загрузки, что способствует увеличению производительности и снижению расхода электроэнергии.
Механизм подъема свода предназначен для подъема свода на высоту - 150-250 мм при выполнении операций выкатывания ванны печи или отворота свода перед загрузкой шихты в печь.
Механизм поворота свода предназначен для поворота свода перед загрузкой шихты в рабочее пространство печи.
Электрододержатели служат для закрепления графитированных электродов, их перепуска, подвода к электродам электрического тока, перемещения совместно с электродом по ходу плавки с заданными скоростями и необходимыми остановками.
Механизмы перемещения электродов выполняют с электромеханическим или гидравлическим приводами.
В гидравлическом механизме перемещения электрододержателя используется давление рабочей жидкости. В этом механизме плунжер шарнирно крепится к телескопической стойке, а другой стороной к неподвижной опоре. Если в плунжер под давлением подают рабочую жидкость, то электрододержатель с электродом поднимаются. Опускание производится под действием силы тяжести электрододержателя и электрода. В процессе плавки на дуговой сталеплавильной печи электрододержатель и электрод перемещаются непрерывно, поэтому механизмы перемещения электродов должны находиться в исправном состаянии. Появление зазоров в зацеплениях в кинематической схеме вследствие износа вызывает холостой ход. В период расплавления металлической шихты электрод перемещается на несколько миллиметров, но во время обвала шихты необходимо достаточно быстро поднять электрод на высоту 100-200 мм чтобы уменьшить продолжительность короткого замыкания электродов при обвале шихты. Система автоматического регулирования мощности настраивают на форсированный подъем при обвале шихты. Следовательно, в сочетании с автоматическим регулированием механизм перемещения электрододержателей и его привод должны обеспечивать достаточную скорость, точность выполнения задания, быстрое торможение при остановке. В электрической схеме предусмотрена возможность автоматического или ручного управления. Максимальная скорость перемещения электрододержателей на спуск составляет 1…1,5 м/мин, на подъем в два-три раза больше.
Кроме приведенных механизмов и устройств, печь оборудована установкой водоохлаждаемой кислородной фурмы для ввода кислорода в печь, системой очистки газов.
2.4 Технология плавки металла
Основной стадией процесса изготовления металла является расплавление его в печи.
Учитывая особую важность периода расплавления, рассмотрим его более подробно. Период расплавления можно условно разделить на четыре стадии.
Первая стадия - зажигание электрических дуг. В момент зажигания дуг, когда электроды еще не заглублены в шихту, излучение дуг может воздействовать на свод и футеровку стен. Тепловой поток на поверхность свода может превысить допустимую величину, определяемую пределом огнеупорности футеровки. Как правило, для термозонда применяют ограничение, равное 1650…1670 °С, которое определяет гарантированный предел огнеупорности. Длится эта стадия недолго - дуга сравнительно быстро экранируется шихтой.
Для уменьшения облучения свода и футеровки стен в эту стадию работают на сравнительно коротких дугах.
Задачей стадии зажигания электрических дуг является обеспечение наиболее быстрого зажигания дуг и прогрева шихты под электродами. Масса расплавленного металла на этой стадии незначительна. Управление процессом ведут по величине теплового потока для печей с водоохлаждаемыми панелями, либо по максимальной температуре внутренней поверхности свода и стен для футерованных печей.
Вторая стадия - проплавление колодцев. Болото, оставленное от предыдущей плавки, позволяет быстро плавить шихту и выделять максимальную мощность в печь. На стадии проплавления колодцев электрические дуги заглубляются в шихту, металл под электродами расплавляется и перетекает на подину. Продолжает расти двухфазная область, заполненная жидким металлом и кусками твердой не расплавившейся шихты. Масса расплавленного металла зависит от величины вводимой мощности и насыпной плотности шихты, которые определяют размер образующихся колодцев. Скорость плавления шихты на этой стадии минимальна, т.к. значительная часть мощности идет на прогрев всей массы шихты теплопроводностью. Температура внутренней поверхности футеровки снижается и ее тепло аккумулируется шихтой. Если вести плавку на больших токах, прожигаются узкие колодцы. Электроды проходят колодцы быстро, при этом образуется мало жидкого металла. Поэтому на этой стадии работают на длинных дугах, которые, кроме того, позволяют в большей мере стабилизировать электрический режим.
Задачей стадии проплавления колодцев является образование ванны жидкого металла, достаточной для поддержания горения электрических дуг. Управление процессом проводится на максимальной мощности с учетом насыпной плотности шихты.
Третья стадия - плавление закрытыми дугами, характеризуется полным поглощением мощности, вводимой электрическими дугами. На этой стадии создаются условия для введения максимальной мощности в печь: дуга горит на жидкий металл, а футеровка стен экранирована шихтой. Допускается перегрузка трансформатора на 20 %. Шихта интенсивно расплавляется как за счет излучения дуг, так и за счет воздействия поднимающейся ванны жидкого металла. В ходе стадии образуется общий для всех электродов колодец, который постепенно расширяется. Ванна жидкого металла увеличивается, заполняет поры в твердой шихте и дополнительно подогревает ее. Происходят обвалы шихты сначала в центральной части печи, затем на периферии. Стены и откосы печи постепенно обнажаются и тепловой поток от дуг начинает греть футеровку. Для повышения усвоения вводимой мощности необходимо большую часть шихты расплавлять закрытыми дугами, когда скорость плавления шихты максимальна. Температура футеровки в начале стадии понижается, достигает своего минимального значения, затем начинается ее постепенный подъем.
Задачей стадии плавления закрытыми дугами является расплавление максимально возможного количества шихты. Оставшееся от предыдущей плавки "болото позволяет при управлении процессом вводить максимальную мощность с учетом температуры футеровки стен печи.
Четвертая стадия характеризуется наличием открытых дуг. В печи еще много нерасплавленной шихты, особенно на откосах, но шихта уже не экранирует дуги. После заполнении жидким металлом пустот между кусками твердого скрапа дуги полностью открываются и с этого момента свободно излучают энергию во всех направлениях, т.е. на свод, стены и ванну. Обычно началом "открытия " дуг считается тот момент, когда наблюдается резкий рост температуры внутренней поверхности футеровки. Исследование температурного режима футеровки на печах показывает, что к концу периода расплавления шихты внутренняя поверхности кладки испытывает колебания температуры в пределах 30…100 °С /мин. При подрезке шихты кислородом абсолютное увеличение температуры стен эти скорости составляют 35…85 °С/мин, поэтому нагрев поверхности футеровки свода и стен печи до критической температуры происходит очень быстро. К концу периода расплавления внутренняя поверхность футеровки ДСП достигает 1400…1600 °С. Как правило, применяется ступенчатое снижение мощности с целью предотвращения перегрева футеровки выше 1670 °С. Допускается кратковременный нагрев до 1730 °С. Окончание периода открытого горения дуг наступает при расплавлении всей загруженной части шихты или при достижении заданной температуры металла. По действующей технологии допускается окислительную продувку начинать при остатке не расплавившейся части шихты до 15 %.
Задачей стадии открытого горения дуг является доплавление шихты и нагрев металла до температуры окончания периода плавления, что соответствует температуре начала окислительной продувки. Управление процессом проводят по максимальной температуре футеровки или по тепловому потоку от электрических дуг.
В течение окислительного периода необходимо снизить содержание фосфора, водорода, азота, и неметаллических включений; окислить избыточный углерод, и нагреть металл до температуры, несколько превышающей температуру выпуска. Для удаления газов в жидкой ванне окисляют углерод, который образует пузырьки оксида углерода. В качестве окислителя используется газообразный кислород. По ходу окислительного периода происходит дегазация стали. Газы, подлежащие удалению из металла (азот, водород), диффундируют в образующиеся пузырьки оксида углерода и с ними выносятся наружу. Для обеспечения нормального процесса дегазации металла достаточно из него удалить 0,3…0,4 % углерода. Наряду с окислением углерода и фосфора окисляются такие элементы, как кремний, марганец и др. Выделение пузырьков СО сопровождается также и удалением из металла неметаллических включений, которые выносятся на поверхность металла или поднимаются вместе с пузырьками газа. Хорошее кипение ванны обеспечивает и перемешивание металла, выравнивание температуры и состава. Продолжительность окислительного периода, как правило, не лимитируется мощностью печи, а зависит в первую очередь от технологического процесса. Поэтому в окислительный период, когда хорошо организована передача тепла от дуг металлу за счет его барботажа и происходит дополнительное выделение тепла внутри ванны в результате экзотермических реакций, нет необходимости принимать какие - либо специальные меры для увеличения доли мощности электрических дуг, приходящейся на поверхность жидкого металла. В печи для обезуглероживания ванны используется кислородная продувка с использованием водоохлаждаемой фурмы. На время продувки фурму устанавливают на расстоянии 100…200 мм от поверхности шлака, после продувки ее поднимают до уровня свода. Температура металла повышается в соответствии со снижением содержания углерода. Окислительный период заканчивают скачиванием окислительного шлака.
3. Автоматизированная система управления процессом плавки металла на дуговых сталеплавильных печах
3.1 Аппаратное обеспечение
Управляющий вычислительный комплекс на участке плавки стали построен на базе программируемого логического контроллера Simatic S7-400 с отображением информации о состоянии технологического объекта управления на персональном компьютере. При этом контроллер осуществляет сбор данных с технологического объекта управления, выполнение алгоритмических расчетов, блокировок, противоаварийной защиты, регулирование и выдачу управляющих сигналов на исполнительный механизм.
Контроллер представляет собой вычислительное устройство, спроектированное для применения в промышленности с учетом требования надежности для безотказности в работе и простоты в обслуживании. Вероятность отказа контроллера несравнима меньше вероятности отказа ПК, поэтому на современном производстве контроллер и технологии объекта управления составляют замкнутый контур, а компьютеры используются в режиме Supervisior для визуализации хода процесса, отображения и протоколирования технологических параметров, ввода в систему команд оператора. Отказ ПК не приводит к прекращению управления процессом, контроллер работает в соответствии с начальными установками. Контроллеры Simatic S7-400 обладают высокой эксплуатационной надежностью. Есть возможность непосредственного подключения широкой номенклатуры датчиков без промежуточного преобразования (нормализации). Контроллеры фирмы Siemens имеют модульное построение, незначительные габаритные размеры, что обеспечивает удобство монтажа и эксплуатации.
3.2 Программное обеспечение
Для программирования и конфигурирования контроллера используется достаточно мощная система разработки STEP 7 под Windows. Она обладает свойствами настраиваемостью, масштабируемостью, возможностью вывода на монитор персонального компьютера текущий значений температуры, давления и других параметров для более удобного проведения технологического процесса операторами, простотой освоения, использование различных языков программирования контроллеров: LAD, STL, FBD, работой с программой (редактирование) в режиме on-line и off-line с отображением текущих значений, так же обладает возможностью вывода на монитор графических изображений механизмов используемых в процессе производства.
Связь с контроллерами осуществляется по сетям Genius, Ethernet, Profibus и ряду других.
Целью пребывания на производстве был сбор и изучение исходных данных. Собранный материал о характере протекания технологических процессах, системе сбора информации, имеющейся автоматизации производства ПФ ТОО "Кастинг", информационных потоках и принципах обработки данных представлен в данном отчёте.
Пронаблюдав и изучив ход технологического процесса и систему автоматизации дуговой сталеплавильной печи можно отметить что, данная установка обладает достаточно высоким уровнем автоматизации.
Список использованных источников
1.Иванько В.Ф. "Пультовщик электроплавильной печи: Учебное пособие для рабочих" - М.: Металлургия, 1986 г.
2.Глинко Г.М., Маковский В.А. "Проектирование систем контроля и автоматического регулирования металлургических процессов". - М.: Металлургия - 1986 г.
.Инструкция по технике безопасности ПФ ТОО "Кастинг".
.Журнал "Металлургическое производство и технология металлургических процессов" - 1992 г.