Материал: Автоматизация тепловых металлургических агрегатов

Автоматизация тепловых металлургических агрегатов

Введение

нагрев электрический металл слиток

Автоматизация широко внедряется в металлургическое производство. Уже сейчас невозможно представить себе технологический агрегат современного металлургического завода, работающий без необходимых приборов контроля и регулирующей аппаратуры.

Внедрение автоматизации тепловых металлургических агрегатов приводит к сокращению участия рабочей силы в их управлении. Благодаря автоматизации появляется возможность увеличить производительность агрегата и снизить себестоимость продукции. Труд работников, обслуживающих автоматизированные агрегаты, значительно облегчается в результате применения механизмов и регуляторов. Уменьшение количества ручного труда позволяет работникам значительную часть времени уделять наблюдению и анализам технологического процесса, искать средства для его интенсификации, своевременно предупреждать возможности появления брака производства и возникновения аварий агрегата.

Одной из основных отраслей тяжелой промышленности является черная металлургия. Для дальнейшего увеличения выпуска проката необходима более совершенная эксплуатация существующих и строительство новых прокатных станов, а также обеспечение качественного нагрева предназначенных для прокатки слитков.

В прокатном производстве для нагрева слитков и заготовок перед прокаткой и для термической обработки полупродукта и готовой продукции применяют различные типы нагревательных устройств. Для нагрева крупных слитков перед прокаткой на блюминге или слябинге применяют нагревательные колодцы. [5, 1]

1. Общая часть

.1 Краткая характеристика технологического процесса и агрегата

Нагревательные колодцы - основной тип нагревательных устройств, устанавливаемых перед обжимными станами (блюмингами и слябингами), на которых обычно прокатывают слитки весом не менее 2-3 т и толщиной 350 - 400 мм и более.

Преимущества нагрева крупных слитков в нагревательных колодцах по сравнению с нагревом их в печах других типов следующие:

вследствие вертикального расположения слитков в нагревательном колодце устраняется опасность смещения усадочной раковины при поступлении в колодец слитков с не застывшей сердцевиной;

благодаря вертикальному расположению слитков большая часть их поверхности омывается продуктами сгорания топлива и получает тепло путем излучения от кладки, что обеспечивает более равномерный и быстрый нагрев металла, чем в печах других типов; - загружают и выгружают тяжеловесные слитки в вертикальном положении сравнительно просто (колодцевыми кранами).

Как известно, тепла, содержащегося в только что затвердевшем слитке стали с температурой поверхности примерно не менее 1000°, достаточно для того, чтобы вся масса металла слитка была доведена до температуры прокатки. Поэтому такой слиток достаточно было бы выдержать некоторое время в не отапливаемой, но хорошо теплоизолированной камере для выравнивания температуры по сечению слитка. Затем слиток без дополнительного подогрева можно было бы выдавать на стан для прокатки.

Однако существующие сталеплавильные агрегаты являются агрегатами периодического действия, а прокатные станы - непрерывно действующими агрегатами. В отдельные периоды, например при совпадении выпуска плавок из нескольких сталеплавильных агрегатов, остановке, стана по какой-либо причине, а также при прокатке трудоемких профилей, в обжимной цех поступает горячих слитков больше, чем их можно прокатать на стане. При задержке в выпуске плавок в обжимные цехи нельзя подать необходимое для обеспечения их производительности количество горячих слитков. Поэтому между сталеплавильным и обжимным целями должно быть предусмотрено буферное устройство, компенсирующее неравномерность поступления и переработки слитков на стане. Таким буферным устройством служит теперь отделение нагревательных колодцев.

Топливом для нагрева металла в нагревательных колодцах служит смешанный газ. Используют также смесь с природным газом и предварительно подогретый чистый доменный газ. Нагрев металла в обжимном цехе осуществляется в нагревательных колодцах регенеративного типа.

В зависимости от способа нагрева воздуха и газа различают регенеративные (самые давние колодцы) и рекуперативные нагревательные колодцы.

В данной работе рассмотрен регенеративный нагревательный колодец.

Регенеративный нагревательный колодец - нагревательный колодец, в котором подогрев газа и воздуха происходит в регенераторах. Схема этого колодца приведена на рис. 1. Рабочее пространство имеет длину 3-6 м, ширину - около 2 м и глубину - 3-3,5 м. Масса садки около 45-80 тонн. Слитки располагаются по длине колодца вдоль стен. Колодец работает с реверсивным движением факела.

Регенеративные теплообменники представляют из себя камеры, заполненные огнеупорными кирпичами в определённом порядке. Система укладки кирпичей называется насадкой (решёткой). Чаще всего используются насадки Каупера и Сименса.

В насадке Сименса идёт чередование под прямым углом параллельных рядов кирпича. Между кирпичами и под кирпичами остаются проходы для газов. При закупорке одного из вертикальных каналов шлаковыми отложениями нижняя часть насадки продолжает работать. Это достоинство насадки Сименса. Одновременно с этим насадка имеет высокий коэффициент теплоотдачи и склонность к перегреву и оплавлению кирпича при насыщении его окислами железа.

В насадке Каупера поверхность нагрева представляет собой сплошные вертикальные каналы с более низким коэффициентом теплоотдачи и с меньшей поверхностью теплообмена. Насадка Каупера более надёжна при высоких температурах, т.к. медленнее нагревается и имеет повышенную строительную прочность. Поэтому насадку Каупера используют для верхних рядов, а насадку Сименса - для средних и нижних рядов.

Принцип работы колодца следующий. Слитки холодного или горячего посада помещаются с помощью клещевого крана вдоль стенок рабочего пространства нагретой ячейки. Через одну из пар регенераторов (например, правую) подаётся воздух и газ, которые несколько перемешиваются в надрегенераторном пространстве и образуют факел в объёме ячейки. Горячие газы (дым) уходят в левую пару регенераторов, подогревая их. После достижения верхними рядами регенеративной насадки предельной температуры (примерно через 15-30 минут) происходит перекидка газового и воздушного клапанов. В результате газ и воздух будут проходить через левые регенераторы и там нагреваться.

Дымовые газы будут нагревать правую пару регенераторов. Через те же 15-30 минут снова произойдёт перекидка клапанов и цикл повторится. Время между перекидками клапанов влияет на расход топлива. С одной стороны, при коротких интервалах снижается температура дыма после регенератора и, соответственно, снижается расход топлива. С другой стороны, при коротких интервалах, увеличивается непроизводительный расход топлива, которое заполняет насадку газового регенератора перед перекидкой и вытесняется встречным потоком дыма в дымовую трубу.

После того как садка слитков нагреется до нужной температуры, слитки поштучно извлекают и отправляют на обжимной стан. Время нагрева металла зависит от начальной температуры слитков, размеров их сечения и составляет при холодном посаде обычных слитков 6-7 часов.

Температура нагрева слитков колеблется в зависимости от марки стали в пределах 1200-1350 С. Максимальная температура дыма на входе в регенератор 1400-1450 С, на выходе - 500-600 С. Максимальная температура подогрева воздуха и газа 900-1000 С.

Для изменения направления дыма, факела (реверс факела) посредством изменения направления потоков газа и воздуха служат перекидные (переводные) устройства: для газа - герметичный клапан золотникового типа (клапан Фортера), показанный на рис. 1, а для воздуха - негерметичный клапан мотылькового типа (клапан "симплекс").

В клапане Фортера герметичность достигается применением водяных затворов. Клапаны подсоединены к регенераторам колодца посредством системы дымоходов. К каждому клапану от регенераторов подходят два дымохода (левый и правый), расположенные под регенераторами в два этажа (рис. 1). Между этими каналами на входе в клапан расположен центральный канал, связанный с дымовой трубой системой дымоходов.

Рассмотрим работу клапанов. Пусть, как показано на схеме рис. 1, в правые регенераторы поступают газ и воздух. Для этого золотник клапана Фортера и мотылек клапана "симплекс" перекрывают центральный и правый каналы в клапанах. По нижним дымоходам из левых регенераторов поступает дым в правый канал, а затем после разворота на 90 ° - в центральный канал. В период перекидки золотник и мотылек меняют свое положение. Теперь газ и воздух поступают в правые каналы клапанов и направляются для нагрева в левые регенераторы. Дым из правых регенераторов по верхним дымоходам поступает в левые каналы клапанов, а затем после разворота в центральный дымоход. Таким образом, в центральные каналы всё время поступает дым из регенераторов. Дым из центрального канала направляется на дымовую трубу по следующей схеме. Сначала дым от каждой ячейки поступает в сборный дымоход для двух ячеек. Аналогично свой дымоход имеют и две другие ячейки. В общий дымоход перед дымовой трубой поступает дым от 4 ячеек через два сборных дымохода.

В дымоходе для каждой ячейки и в общем дымоходе для 4 ячеек установлены шиберы для регулировки тяги дымовой трубы. На группу из 4 ячеек установлен один вентилятор для подачи воздуха. В каждом воздухопроводе, идущем к клапану "симплекс", установлена поворотная заслонка.

Факел в регенеративном колодце находится достаточно близко к подине и обеспечивает температуру подины около С, что является пороговым значением для перевода шлака в жидкое состояние. Шлак состоит из окалины, осколков футеровки и некоторых легкоплавких соединений, остающихся в прибыльной части слитка после его разливки и охлаждения. Через шлаковую лётку шлак удаляется с подины непрерывно, а также периодически при специальном нагреве пустого колодца.

Удельный расход условного топлива зависит от среднемассовой температуры слитков в садке. При холодном посаде расход топлива около 55-65 кг у.т./т, а при горячем (С) посаде - от 20 до 40 кг у.т./т стали. С учётом затрат топлива на разогрев кладки после холодного ремонта, на простои, а также в зависимости от доли слитков горячего посада и их начальной температуры расход топлива на различных заводах изменяется от 35 до 45 кг у.т./т стали. [5, 6, 7]

Рисунок 1 - Схема регенеративного нагревательного колодца

- крышка; 2 - механизм перемещения крышки; 3 - газовый регенератор; 4 - воздушный регенератор; 5 - слитки; 6-шлаковая лётка; 7 - рабочее пространство (ячейка); 8 - шлаковая чаша; 9 - золотник газового клапана; 10 - газовый клапан; 11 - подвод газа к ячейке

.2 Основные параметры технологического процесса и регулирующие воздействия

Каждая ячейка имеет индивидуальные перекидные устройства: клапан золотникового типа на газовом тракте и клапан мотылькового типа на воздушном тракте. Для удаления продуктов сгорания каждая группа имеет свою дымовую трубу. В каждой ячейке тяга регулируется шибером, установленным в дымовом борове. Каждая ячейка оборудована системой теплового контроля и автоматического регулирования, состоящей из следующих узлов:

измерения и регулирования температуры в рабочем пространстве ячеек;

- измерения расхода газа и воздуха и регулирования соотношения газ - воздух;

измерения разрежения перед дымовым шибером;

автоматической перекидки клапанов;

измерения температуры отходящих газов;

измерения давления смешанного газа в общем коллекторе.

Система автоматизации предназначена для автоматизированного контроля и управления процессом нагрева слитков и получения слитков, соответствующих по качеству нагрева требованиям технологии изготовления слябов. Создание системы призвано снизить себестоимость продукции, обеспечив:

высокое качество нагрева с учетом исходного температурного состояния слитков;

максимальную производительность нагревательных колодцев;

отсутствие при нагреве слитков оплава поверхности;

минимизацию угара металла и расхода топлива;

стойкость нагревательных колодцев;

устойчивую технологию нагрева.

Работа нагревательного колодца оценивается по следующим основным параметрам:

температура нагрева метала;

экономичность сжигания топлива;

атмосфера в печи;

давление в рабочем пространстве;

- температура подогрева газа и воздуха;

равномерность подогрева заготовки, которая оценивается косвенно по усилиям, возникающим при прокатке.

Процесс управления нагревом происходит в условиях изменяющихся возмущающих воздействий:

производительности нагревательного колодца;

подачи топлива и воздуха;

калорийности топлива;

теплофизических параметров заготовок (температуры посада, размеров, теплопроводности);

подсосов;

выбиваний через окна;

неплотности печи.

Основные управляющие воздействия в нагревательных колодцах следующие:

температура в зонах, которая обеспечивается расходом топлива;

расход воздуха к горелкам на зону;

изменение тяги дымовой трубы или эксгаустера.

Система контроля, автоматического регулирования и сигнализации нагревательного колодца предусматривает контроль, регулирование и сигнализацию следующих параметров:

регулируемые параметры:

соотношение топливо воздух;

давление в рабочем пространстве.

контролируемые параметры:

температура в рабочем пространстве;

температура отходящих газов;

температура воздуха после рекуператора;

- расход смешанного газа;

давление в рабочем пространстве;

разряжение отходящих газов;

сигнализируемые параметры:

падение давления газа, идущего на печь;

падение давления горячего воздуха;

падение давления охлаждающей воды;

падение давления газа и воздуха по зонам.

Множество контролируемых и регулируемых параметров обусловлено тем, что общая задача управления разделяется на ряд самостоятельных задач управления. Математические модели любого объекта определяется экспериментально по кривой разгона. Это объекты с самовыравниванием.

В общем случае объект автоматизации состоит из нескольких связанных между собой участков управления или локальных контуров управления отдельными параметрами одной установки или агрегата. В свою очередь и система управления, в зависимости от решаемых задач, может состоять из нескольких пунктов управления. Поэтому различают одноуровневые и многоуровневые системы управления. Так как в данном случае объект сравнительно прост и сосредоточен на небольшой территории, то применяются одноуровневые централизованные системы управления. [2]

2. Специальная часть

.1 Разработка и описание функциональной схемы автоматизации локальной системы регулирования (контроля)

Функциональная схема - основной чертеж проекта, определяющий принцип и уровень автоматизации технологической установки. На этих схемах изображают схематически технологическую установку с органами управления и коммуникациями средств автоматизации, взаимные связи между средствами автоматики и различными устройствами технологического агрегата.

Условные графические обозначения приборов, средств автоматизации и линий связи выполняются по стандартам.