Автоматизация доменных процессов

Автоматизация доменных процессов

Автоматизация доменных процессов

Автоматизация производственных процессов является одним из важнейших направлений развития производительных сил современного общества. 
Автоматическое управление производственными процессами в металлургической промышленности используют недостаточно, в то время как большинство этих процессов по своей природе легко поддается автоматизации. Особенно это касается непрерывных термохимических и термомеханических процессов, протекающих в отдельных агрегатах без непосредственного вмешательства человека. Особенно подготовленным к автоматизации является доменный процесс ввиду его непрерывности, высокой степени механизации, оснащенности контрольно-измерительной аппаратурой.

На настоящем этапе развития доменного производства его автоматизация необходима вследствие огромной производительности доменных печей и постоянного усложнения как технологического процесса (высоко-нагретое комбинированное дутье, повышенное давление газов в печном пространстве) выплавки чугуна, так и оборудования доменных печей (конвейерная подача материалов в скипы, без-конусные загрузочные устройства и др.). В этих условиях ручное управление становится весьма сложным, а неизбежные ошибки при этом приводят к глубоким расстройствам хода доменных печей, иногда к авариям и в каждом случае к потерям производства чугуна и ухудшению технико-экономических показателей доменной плавки. 
Этим и объясняется то, что 40-45 лет назад начали проводить первые попытки автоматического управления некоторыми составляющими доменного процесса, исследования и проектные разработки по созданию методов и систем автоматизации доменного производства. 
В значительной степени автоматизации металлургических процессов способствовало развитие вычислительной техники. Именно с использованием вычислительной техники В.А.Сорокиным одним из первых в мировой практике были проведены исследования по созданию методики автоматического регулирования теплового состояния доменной печи. А.Д. Готлиб предложил и в дальнейшем разработал методику регулирования теплового состояния и хода доменной печи, на основании которой с использованием вычислительных машин была создана промышленная автоматическая система регулирования этих параметров доменного процесса. 
Большие работы по тепловому регулирование доменного процесса были проведены в Московском институте стали и сплавов под руководством А.Н.Похвиснева. 
Методики регулирования доменного процесса, определения его характерных показателей с целью автоматического управления разработаны А.Н.Раммом. В дальнейшем эти и другие работы получили развитие и нашли промышленное применение. На ряде металлургических предприятий созданы системы автоматизации загрузки шихты, распределения материалов и газов по окружности и вертикальному сечению доменной печи, распределения дутья и углеводородсодержащих добавок по фурмам, регулирования теплового состояния доменной печи и отдельных ее зон и др. 
Большое внимание автоматизации доменного процесса и производства уделяется за рубежом, хотя работы в этой области начались там несколько позже, чем в бывшем СССР. Основное внимание в первое время уделялось автоматизации систем загрузки шихтовых материалов и в меньшей степени — управлению самим процессом. Тем не менее, во Франции осуществлено автоматическое регулирование теплового состояния доменной печи. Там же, а также в Японии и США нашли широкое применение устройства для автоматического распределения дутья по фурмам, электронные вычислительные машины для регулирования доменного процесса, управления загрузкой, планирования и управления производством. Применение ЭВМ для автоматического управления доменным процессом и производством очень быстро распространилось. 
Работы по автоматизации доменного производства проводятся в нескольких направлениях, главными из которых являются: 
-механизация и автоматизация подачи и загрузки в печь шихтовых материалов в соответствии с требованиями технологии процесса и задачами его автоматического регулирования; 
- оптимизация доменного процесса, т.е. такое его осуществление, которое обеспечивает получение максимальных, с точки зрения поставленной задачи, результатов путем определенного сочетания различных факторов.

 
Конечной целью всех работ является создание комплексной системы автоматического управления доменным производством. В основе такой системы должен лежать алгоритм управления. Алгоритмом называют предписание, определяющее содержание и последовательность операций, переводящих исходные данные в искомый результат. Построение алгоритма возможно только на основе математического описания процесса, в данном случае – процессов, протекающих в доменной печи. Однако задача эта весьма сложная и на практике чаще всего пользуются логическими и статистическими зависимостями между отдельными факторами процесса. 
Что касается оптимизации доменного процесса, то она определяется поставленной целью: получение максимальной производительности доменной печи; достижение минимальных энергетических затрат на выплавку чугуна, обеспечение минимальной себестоимости чугуна. 
В настоящее время имеются все возможности для разработки и внедрения автоматического управления доменным процессом и доменным производством: 
- развитая индустрия ЭВМ; 
- высокие знания технологических закономерностей доменного процесса; 
-достаточная изученность статических и динамических характеристик доменной печи; 
-наличие датчиков, надежно и непрерывно регистрирующих важнейшие показатели доменного процесса. 
С учетом особенностей доменного производства (исключительно высокая производительность единичных агрегатов) окупаемость автоматических систем управления доменным процессом и доменным производством, как правило, не превышает 4-6 месяцев. Если исходить из уже достигнутых результатов, то автоматическое регулирование только теплового состояния доменной печи позволяет снизить удельный расход кокса на 2,5-3 %. Несомненно, что внедрение других систем позволит улучшить эти показатели. 
Лидирующую роль в автоматизации доменного процесса вели, ведут и будут вести специалисты металлурги. Каждая система автоматического управления технологическим процессом включает в себя большое количество компонентов (входные и выходные параметры, принципиальная схема, алгоритм, структурная схема, функциональная схема, аппаратурное обеспечение и т.д.). Ключевыми, в конечном счете, являются аспекты, связанные со знанием природы и основных закономерностей доменного процесса, а приоритетным носителем этих знаний является специалист-технолог доменного процесса. Не случайно, как было сказано выше, первыми разработчиками автоматического управления доменным процессом были (и остаются) специалисты и ученые в области доменного производства, а не вычислительной техники, хотя роль последних в автоматизации металлургических процессов, а в частности доменного, конечно же, значительна. Тем не менее, решение проблемы заключается не только и не столько в создании соответствующей аппаратуры автоматизации, «но главным образом в полном овладении процессом, в установлении точных закономерностей взаимозависимостей параметров, характеризующих режим печи, их связи с факторами, воздействующими на режим плавки». Поэтому главенствующая роль в процессе автоматизации металлургического процесса, в том числе доменного, принадлежит технологам.

Основной технологической задачей доменной плавки является восстановление железных руд и получение чугуна заданного состава и температуры. Доменная печь относится к классу шахтных печей, в которых осуществляется слоевой режим работы с противотоком обрабатываемого материала, заполняющего весь рабочий объем печи, и горячих газов, фильтрующихся через сравнительно плотные слои этих материалов.

Характерными особенностями слоевого режима работы печи являются большая поверхность материалов, подвергающихся тепловой и химической обработке, и в то же время неопределенность активной части поверхности, участвующей в процессах тепло- и массообмена. Причиной неопределенности является движение материалов, которые в ходе обработки меняют размеры и формы кусков и претерпевают изменения химического состава и агрегатного состояния, что изменяет условия фильтрации горновых газов через различные участки сечения печи. Другой особенностью слоевого режима является то, что все виды теплопередачи (радиация, конвекция и теплопроводность) тесно переплетены и практически неразделимы. Это затрудняет теоретические расчеты процессов теплообмена и экспериментальное определение теплотехнических характеристик доменных печей.

Из сказанного выше следует, что основной технологический процесс доменной плавки - восстановление железа, несмотря на свою химическую природу, в значительной мере зависит от теплового режима, распределения газового потока в столбе шихтовых материалов и характера движения шихты.

Основная задача автоматического управления доменным процессом заключается в создании наиболее благоприятных условий для протекания восстановительных процессов. При этом доменная печь работает с максимальной производительностью и экономичностью при ограничениях, обусловленных качеством сырья, мощностью воздуходувных машин, ресурсами кислорода, природного газа, состоянием печи, вспомогательного оборудования и др.

Основная задача управления может быть разделена на ряд локальных (частных) задач, решение которых позволяет выбрать и стабилизировать рациональные режимы работы печи. В частности, к этим задачам относятся:

· Управление шихтоподачей;

· Управление тепловым режимом печи;

· Управление распределением газовых потоков в столбе шихтовых материалов;

· Управление сходом шихты (ходом печи).

Хотя все процессы, протекающие в печи, взаимосвязаны, указанные задачи в определенной мере автономны, и поэтому такое разделение достаточно обосновано.

На первом этапе автоматизации доменного производства стабилизируются отдельные параметры процесса: расход, температура и влажность горячего дутья, давление колошникового газа и т.д. На втором этапе решаются указанные выше частные задачи по выбору и стабилизации оптимальных режимов и, наконец, последний этап управления процессом заключается в координации работы всех частных систем с целью достижения заданного критерия управления.

Для решения всех указанных выше задач в первую очередь необходимо изучить особенности доменной печи как объекта автоматического управления

1.1 Анализ доменного  процесса, как объекта автоматизации

Производство чугуна является непрерывным, процессом, протекающим во всем объеме доменной печи. Получение рабочей информации о ходе технологического процесса из внутренних областей доменной печи практически невозможно. Поэтому для контроля над ходом процесса и управления используются косвенные показатели, в известной мере отражающие состояние отдельных участков (зон) доменной печи. К таким показателям относятся, например, состав колошникового газа, перепады статического давления по высоте шахты печи и т.д. Получаемая информация является далеко не полной и не может отразить влияния на процесс множества факторов (число которых достигает 700). Поэтому многие явления, происходящие в доменных печах, проявляются как случайные функции времени. Часть рабочей информации получается нерегулярно и со значительным опозданием (анализ химического состава сырья и продуктов плавки), часть информации отражает прошлое состояние процесса (температура чугуна и шлака, содержание кремния в чугуне).

Недостаточность и запаздывание информации затрудняют управление процессом плавки.

Следует отметить еще одну особенность доменной печи как объекта автоматического управления: технологический процесс проходит во всем объеме печи, а управления сосредоточены на границах шахты

Управление «сверху» осуществляется на колошнике путем изменения условий загрузки, а «снизу» из фурменной зоны изменением параметров дутья (рисунок 1).

При каждом возмущении необходимо выбрать такое управляющее воздействие, которое повлияло бы на состояние некоторой области печи, далеко отстоящей от места приложения этого управления. Естественно, что это приводит к существенным запаздываниям управляющих воздействий; так, например изменение рудной нагрузки на кокс сказывается на тепловом состоянии горна доменной печи только через 5-6 ч.

Рисунок 1 - схема управляющих воздействий доменной плавки

Вместе с тем можно указать некоторые обстоятельства, благоприятствующие работе управляющих систем. Доменные печи, как правило, длительное время работают в стационарных производственных условиях, выплавляют чугун одной и той же марки, работают на идентичном сырье, что позволяет выбрать оптимальный для этих условий режим работы. Задача систем управления заключается в выборе этого режима и затем в компенсации флуктуации входных параметров процесса, которые сравнительно невелики. Другим благоприятным фактором является большая аккумулирующая способность печи. Огромная масса материалов, участвующих в процессах массо- и теплообмена, способствует сглаживанию возмущающих воздействий. В этом смысле печь как бы является фильтром для возмущающих воздействий. Инерционность процесса позволяет иметь некоторый резерв времени для выбора рационального управления.

Сложность и случайный характер явлений, протекающих в доменной печи, затрудняют аналитическое детерминированное описание процесса, поэтому для его идентификации часто используются методы математической статистики и статистической динамики. Уравнения множественной регрессии позволяют с известной погрешностью прогнозировать некоторые явления, а методы планируемого эксперимента и статистической динамики дают возможность оценить усредненные динамические характеристики доменной печи по различным каналам. Оценивая трудности получения информации, сложность процесса, ограниченность возможностей управления, следует отметить, что доменный процесс достаточно управляем. Это доказывается практикой работы технологов - доменщиков России, добивающихся высоких показателей работы мощных доменных печей.

1.2 Статические и динамические характеристики доменного процесса

Сложный характер взаимных связей между параметрами доменного процесса усложняет определение статических и динамических характеристик доменной печи по отдельным каналам. Некоторые выходные координаты доменного процесса зависят от нескольких входных величин, поэтому при определении зависимости такой выходной координаты от одного входного воздействия необходимо стабилизировать все остальные входные параметры. Вследствие нелинейности системы статическая и динамическая характеристики по одному каналу могут изменяться при различных условиях стабилизации остальных входов. Поэтому в некоторых случаях целесообразно располагать рядом характеристик, полученных при наиболее часто встречающихся производственных условиях. В этих случаях можно, оценивая реальные производственные условия, управлять объектом с учетом его характеристик, наиболее близко соответствующих данному состоянию процесса.

Некоторые выходные координаты доменного производства представляют собой расчетные показатели, характеризующие различные стороны технологического процесса, например показатели теплового состояния, различных участков печи, показатели, оценивающие развитие процессов прямого и непрямого восстановления железа, и др.

Связь расчетных показателей с техническими и экономическими показателями работы печи и их изменение во времени являются важными характеристиками процесса. В настоящее время расчетные показатели (индексы) широко используются при разработке алгоритмов управления доменным процессом.

Рисунок 2 - экспериментальная переходная кривая по каналу содержания кремния в чугуне - расход кокса в подачу: ?Si - приращение содержания кремния в чугуне, %

При благоприятных условиях (в стационарном режиме) удается определить динамические характеристики доменной печи по отдельным каналам, пользуясь известными экспериментальными методами. Чаще всего используются методы нанесения пробных ступенчатых или импульсных возмущений по данному каналу при стабилизации остальных входных величин.