Автоматизация процесса выплавки стали в доменных печах

Автоматизация процесса выплавки стали в доменных печах

Доменные печи (ДП) являются самыми экономичными и высокопроизводительными агрегатами для выплавки чугуна. В ДП осуществляется восстановление железа из окислов.

Восстановление осуществляется двумя способами: прямое восстановление углеродом кокса при температуре до 2000 °С и косвенное восстановление за счет монооксида углерода (СО) в процессе встречного движения шихты (вниз) и потока газа (вверх).

Для осуществления процесса горения кокса в нижнюю часть печи подается горячее дутье (воздух с температурой до 1200 °С и давлением до 3 атмосфер), поэтому рабочее пространство ДП представляет собой герметичный сосуд, находящийся под большим давлением. Вследствие этого, прямые измерения параметров процесса затруднены.

Рис.4.1. Доменная печь

Кампания (срок работы печи) составляет 10 лет, поэтому основной задачей, которая решается при автоматизации закрытого доменного процесса, является стабилизация параметров процесса; поскольку прямые способы недоступны, управление осуществляется по косвенным параметрам. Таким образом, решаются две проблемы: контроль за техническим состоянием печи и стабилизация её режима работы.

Устройство и работа доменной печи. Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу/

Рис.4.2. Устройство доменной печи

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объем был заполнен.

Полезный объем доменной печи – объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Полезная высота доменной печи (Н) достигает 35 м, а полезный объем – 2000…5000 м³.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка из огнеупорного кирпича, в которой имеются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный доменный газ, который, сгорая, образует горячие газы. Проходя через насадку, газы нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000…1200 ⁰С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы 2 – в рабочее пространство печи. После охлаждения насадок нагреватели переключаются.

Горение топлива. Вблизи фурм природный газ и углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают:

C + O₂ = CO₂ + Q

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O(пар) + Q

В результате горения выделяется большое количество теплоты, в печи выше уровня фурм развивается температура выше 2000 ⁰С. Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям:

CO₂ + C = 2CO — Q

H₂O + C = CO + H₂ — Q

Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода CO является главным восстановителем железа из его оксидов. Для увеличения производительности подаваемый в доменную печь воздух увлажняется, что приводит к увеличению содержания восстановителя. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300…400 ⁰С у колошника. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре около 570 ⁰С начинается восстановление оксидов железа.

Восстановление железа в доменной печи. Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий:

Fe₂O₃ — Fe₃O₄ —FeO —Fe

Температура определяет характер протекания химических реакций. Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород. Восстановление твердым углеродом (коксом) называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции:

FeO + C = Fe + CO — Q

Восстановление газами (CO и H2) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ + Q

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ — Q

FeO + CO = Fe + CO₂ + Q

За счет CO и H₂ восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60 % металлического железа.

При температуре 1000…1100 0C восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300 ⁰С).

В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат Al₂O₃, CaO, MgO, SiO₂, MnO, FeO, CaS. Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.

Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади). Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.

Функциональная схема контроля и регулирования доменного процесса. Для решения поставленных задач ДП оснащена системой контроля и регулирования технологических параметров (рис.4.3).

Схемой предусматривается:

1 – измерение давления природного газа по цеху (в общем коллекторе).

2 – измерение давления природного газа на печь.

2,10 – измерение перепада давления между природным газом и горячим дутьем (для предотвращения попадания дутья в газопровод природного газа). Схемой предусматривается сигнализация при уменьшении перепада ниже предельного уровня (0,5 атм).

3,4 – измеряется и регулируется расход природного газа на печь.

При оптимизации процесса с использованием системы автоматической оптимизации следует помнить, что постоянная времени процесса зависит от объема печи и изменяется в пределах от 6 до 12 часов; статическая характеристика процесса смещается в зависимости от удельного расхода кислорода в печь.

5 – измеряется температура холодного дутья.

Холодное дутье производится с использованием многоступенчатых турбовоздуходувов. При получении дутья воздух механически нагревается.

6,7 – регулируется давление горячего дутья на печь путем сброса части холодного дутья в атмосферу.

Давление горячего дутья является важным параметром, так как от него зависят все физико-химические процессы в печи и по распределению дутья по высоте шахты судят об интенсивности восстановления.

8 – измеряется расход холодного дутья, так как измерить расход горячего дутья трудно.

От расхода дутья на печь зависит производительность печи.

9,12 – измеряется и регулируется температура горячего дутья.

Нагретое дутье вносит физическое тепло в рабочее пространство печи, что способствует повышению температуры в зоне горна и снижению расхода кокса. Температура горячего дутья должна быть стабильной, поэтому горячее дутье разбавляется холодным.

10 – измеряется давление горячего дутья.

11,13 – измеряется и регулируется влажность горячего дутья.

Влажность регулируется подачей пара в холодное дутье. Влажность атмосферного воздуха сезонно меняется от 4-8 мг/м³ до 25-30 мг/м³. Для ДП важно стабильное содержание влаги, хотя влага для печи приносит вред. Влажность дутья поддерживается максимальной (30 мг/м³). Холодное дутье увлажняется для того, чтобы интенсифицировать процесс нагрева (так как кислород и азот не нагреваются излучением).

14 – измеряется расход горячего дутья на каждую фурму.

Сложность измерения заключается в высокой температуре и значительной загрязненности дутья. Измерительные диафрагмы из жароупорной стали работают всего 10 дней. Сигнал измерения расхода осуществляется по перепаду давления на фурменном колене. Для каждой печи существует свое индивидуальное распределение дутья по фурмам, при котором достигается максимум производительности.

15 – измеряется температура охлаждающей воды на сливе из каждой фурмы. Режим охлаждения определяется температурой выпадения солей.

16 – контролируется температура лещади печи (днища).

За 10 лет работы печи лещадь, выполненная из графитовых блоков, постепенно разгорается и в нижней части ниже выпускной летки образуется жидкая масса чугуна объемом более 300 тонн. Прорыв этого чугуна из печи недопустим.

17 – измеряется температура воздуха, охлаждающего лещадь. Для уменьшения разгара лещади через нее продувают воздух. Температура воздуха на выходе также контролируется.

18 – контролируется температура воды на сливе шахтных холодильников. Для предотвращения разрушения кладки печи в огнеупор вмонтированы холодильники (от 50 до 100).

21,29 – измеряется температура и давление в разных точках по радиусу ДП.

По распределению температуры и давления судят о распределении газового потока по сечению шахты. Чем меньше температура и меньше содержание СО, тем лучше выделяется в печи тепловая и химическая энергия.

22 – измеряется температура доменного газа в вертикальных газоходах ДП. Характеризует процессы косвенного восстановления и теплообмена по высоте шахты.

23 – измеряется давление газа в межконусном пространстве.

1. – чтобы обеспечить равномерное (требуемое) распределение шихты, кокса и руды по поверхности большого конуса, воронка малого конуса поворачивается на определенный угол с помощью ВРШ. Этот угол называется станцией и контролируется датчиком положения.

2. – контролируется состав доменного газа на выходе из печи.

Газ, благодаря наличию СО и Н₂, является вторичным технологическим топливом (700-900кКал/м3).

26,27 – измеряется и регулируется давление доменного газа на колошнике.

Рис. 4.3. Функциональная схема автоматизации доменной печи

Чем ниже давление, тем лучше косвенное восстановление. Регулирование давления осуществляется дроссельной группой, причем 2-3 дросселя открыты всегда, а регулирование осуществляется одним дросселем. Увеличение давления доменного газа приводит к увеличению сопротивления по каналу фурма-колошник, что приводит к увеличению времени контакта шихты с газами и повышению времени косвенного восстановления.

28 – измеряется расход доменного газа на выходе печи.

30 – измеряется давление доменного газа в общецеховом коллекторе (должно быть ниже давления в печи).