Автоматизация процесса спекания аглошихты
Агломерация впервые была применена в цветной металлургии для спекания сернистых и медных руд, а также руд, содержащих свинец и цинк. Агломерация в промышленном масштабе развивалась на основе двух методов: продувкой воздуха через шихту и просасыванием воздуха.
Первые машины для непрерывного спекания руд были разработаны в результате ряда опытов Дуайтом и Ллойдом и были установлены в 1907 г. на заводах в Перу и Америке. В дальнейшем были разработаны и применены машины трех типов: барабанная, горизонтальная, круглая и ленточная с прямолинейным движением. Опыт эксплуатации подтвердил целесообразность применения последних, в результате чего началось их усовершенствование и развитие агломерации железных руд.
Современное агломерационное производство представляет собой сложную систему различных аппаратов, действующих в разных режимах и выполняющих различные функции.
Непрерывный рост производства агломерата, повышение требований к его качеству, а также поточность технологических процессов создали условия для широкого внедрения средств автоматического контроля и управления.
Комплексной автоматизации агломерационного производства уделяется большое внимание. Значительное место в технологической схеме агломерационного производства занимают процессы, связанные со спеканием шихты, одной из основных операций, определяющих качество агломерата.
Основная задача автоматизации агломерационного производства состоит в обеспечении максимальной производительности агломерационных машин и заданного качества агломерата. Одновременно автоматизация позволяет решать задачи повышения уровня организации производства, оперативности управ-ления технологическими процессами и в целом повышения экономической эффективности производства. Одним из важнейших направлений совер-шенствования управления является создание автоматизированных систем с применением вычислительной техники.
Автоматизированная система управления спекательным отделением является качественно новым этапом комплексной автоматизации и призвана обеспечить существенное увеличение производительности труда, улучшение качества выпускаемой продукции и других технико-экономических показате-лей агломерационного производства.
Автоматическое управление в спекательном отделении заключается в автоматическом поддержании высоты слоя аглошихты, загружаемой на машину, контроле и автоматическом регулировании процессом зажигания шихты, контроле температуры зажигания горна, регулирование законченности процесса спекания в конце активного участка аглошихты.
Особенностью построения АСУ является системный подход ко всей совокупности металлургических, энергетических и управленческих вопросов. Специалист по АСУ ТП должен владеть теорией автоматического управления, разбираться в конструкции металлургических агрегатов и основах технологии, достаточно свободно ориентироваться в работе цифровых вычислительных машин, их математическом и алгоритмическом обеспечении, уметь правильно применять технические средства информационной и управляющей техники.
В АСУ ТП воплощены достижения локальной автоматики, систем централизованного контроля, электронной и вычислительной техники. Кроме того, АСУ ТП производят общую централизованную обработку первичной информации в темпе протекания технологического процесса, после чего информация используется не только для управления этим процессом, но и преобразуется в форму, пригодную для использования на выше стоящих уровнях управления для решения оперативных и организационно-экономических задач.
Внедрение АСУ ТП, как и любое нововведение, связано с определенными трудностями и затратами. На этапе освоения проявляются недостатки отдельных элементов вычислительного комплекса, погрешности примененных алгоритмов управления, недостаточная адаптация персонала к условиям работы с помощью вычислительной техники и другое.
При подготовке объекта к внедрению АСУ ТП была проведена работа по модернизации: усовершенствован пульт ручного управления на агломашине, контрольно-измерительные приборы заменены токовыми, для измерения давления, разрежения, расхода воды и газа применены датчики типа «Сапфир».
Целью данного дипломного проекта является разработка современной АСУ ТП процессом спекания шихты аглофабрики ОАО «ММК им.Ильича» с использованием технических средств на базе программируемых микроконтроллеров и персональных компьютеров (рабочих станций). Разработка структурной, функциональной схем и на их основе принципиально-электрической и монтажно-коммутационной, проектирование щитов КИПиА. Разработка модели спекания агломерационной шихты на агломашине и исследование влияния различных параметров на процесс спекания. Рассматриваются также вопросы по гражданской обороне, охране труда и технико-экономической эффективности.
1 литературный обзор существующих
систем автоматизации процесса
спекания агломерата
Непрерывный рост производства агломерата, повышение требований к его качеству, а также поточность технологических процессов создали условия для широкого внедрения эффективных средств автоматического контроля и управления и поставили задачу дальнейшего повышения уровня автоматизации. Автоматическое управление внедряют практически на всех участках аглофабрики. Автоматизируются процессы транспортировки, дозирования и загрузки шихтовых материалов, получают развитие новые, более совершенные способы контроля и управления процессами зажигания и спекания агломерационной шихты.
Применение АСУ ТП повышает оперативность управления агломерационным процессом (1), обеспечивает рациональное его ведение и облегчает труд агломератчиков. Благодаря повышению прочности агломерата уменьшается выделение пыли и улучшается экологическая обстановка в производстве, что немаловажно.
На современном этапе автоматизации агломерационного процесса применяются стабилизирующие системы управления процессами агломерации, выполняющие следующие функции: обеспечение непрерывного потока шихты, стабилизации режима возврата, регулирование влажности шихты, стабилизации места окончания процесса спекания, оптимизации процесса спекания, стабилизации химического состава и физических свойств агломерата.
Результаты промышленной эксплуатации (2) подтвердили техническую и экономическую целесообразность применения микропроцессорного вычислительного комплекса для АСУ ТП нижнего и среднего уровня в агломерационном производстве. В настоящее время в НПО «Днепрчерметавтоматика» ведется работа по созданию АСУ агломашины №4 НЛМК. Предусмотрено значительное расширение информационных функций, модернизация технических средств, алгоритмов и критериев управления агломерационным персоналом.
В АО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» (3) была использована имитационная модель агломерации, которая позволяла совершенствовать технологию двухслойного спекания шихты применительно к условиям и особенностям работы аглофабрики ЗСМК. На основании анализов на фабрике ЗСМК был разработан усовершенствованный алгоритм регулирования коэффициента распределения топлива по высоте слоя. В настоящее время разработанный алгоритм регулирования реализован на 3-х агломашинах ЗСМК. Наибольшая эффективность его использования может быть достигнута при внедрении АСУ шихтовым отделением и локальной системы автоматического дозирования топлива по слоям.
По техническому заданию института ВНИИМТ и по проекту Казгипромеза на агломашине АКМ-312 Карагандинского металлургического комбината (4) смонтирована и с января 1995 года эксплуатируется установка по утилизации тепла, выделяемого в процессе охлаждения агломерата. Установка отбирает горячий воздух из-под укрытия головной части линейного охладителя ОП-315 и подает воздух двумя индивидуальными нитками в горн и в слой за горном. Установка снижает выбросы пыли в атмосферу и улучшает условия труда обслуживающего персонала. Несмотря на незавершенность теплоизоляции и нестабильность работы аглоцеха, эксплуатация установки с учетом возмещения затрат на её сооружение оказалась рентабельной, снизился расход газа и твердого топлива.
Для создания совершенной системы автоматического управления ходом аглопроцесса (5) необходимо найти надежные методы количественной оценки связей между основными технологическими параметрами работы агломерационных машин.
При выборе входных и выходных параметров необходимо иметь в виду многонаправленность связей, однако это не всегда принимается во внимание. Целью исследования было установление более надежных количественных связей между входными и выходными параметрами работы удлиненных агломашин аглофабрики №4 Магнитогорского металлургического комбината и разработка на их основе рекомендаций по управлению работой зоны охлаждения аглоспека и оперативному изменению содержания углерода и влаги в шихте.
В Донецком политехническом институте в 1990 году исследовался вопрос оптимизации агломерационного процесса (6). В задачу исследования входила оценка возможности статической оптимизации агломерационного процесса на основе выбора наиболее эффективных параметров идентификации объекта, с помощью которых с достаточной для практики точностью можно получить управляющую модель оптимизации, а также технической реализации предлагаемой оптимизации.
Непременным условием реализации предложенного метода оптимизации аглопроцесса является контроль и стабилизация основных технологических параметров.
Реализация активных схем поиска экстремальных значений технологических параметров (производительности, состава агломерата и т.д.) агломерационного процесса в полном объеме достаточно сложна.
Предложенный алгоритм обладает новизной и может быть рекомендован к внедрению на строящихся или реконструируемых аглофабриках.
Испытанная частично практикой эффективность работы локальных систем стабилизации теплового режима аглопроцесса на аглофабриках Енакиевского металлургического завода и Коммунарского металлургического комбината (7) позволила предопределить последовательность задач создания структур оперативного контроля и регулирования: система контроля основных технологических показателей агломерационного процесса; система распознания основных причин нарушения нормального хода аглопроцесса; алгоритм управления аглопроцессом с целью получения максимума производительности и стабилизации содержания оксида железа (II) в агломерате и его механической прочности на базе стабилизации основных технологических факторов хода аглопроцесса. Алгоритм обладает преимуществами по сравнению с известными и может быть рекомендован для вновь строящихся или реконструируемых аглофабрик.
На днепровском металлургическом заводе им. Дзержинского (8) был введен в эксплуатацию прибор для автоматической и наиболее точной регистрации освещённости в вакуум-камерах, над которыми заканчивается процесс спекания. Принцип действия разработанного прибора основан на поглощении приемниками энергии инфракрасного излучения раскаленных частиц агломерата.
На аглофабрике №1 днепровского завода им. Дзержинского прошел испытания прибор (8), служащий датчиком для автоматического измерения и регулирования разрежения по вакуум-камерам. В основу разработанного прибора положен емкостный метод измерения неэлектрических величин.
На аглофабрике завода «Азовсталь» на основании проведенных исследований и анализа существующих систем автоматического регулирования скорости агломерационной машины как функции законченности процесса спекания (8) установлено, что эти системы неустойчивы и имеют колебательный характер регулирования.
Предлагаемая институтом автоматики система двойного регулирования агломерационной машины устраняет недостатки, присущие системам регулирования по параметрам, характеризующим законченность процесса спекания. Указанная система предусматривает регулирование интенсивности спекания и регулирование скорости аглоленты. Институт «Металлургавтоматика» разработал проект и рабочие чертежи системы для аглофабрики №2 днепровского металлургического завода им. Дзержинского. Все основные узлы смонтированы на этой фабрике и пущены в эксплуатацию.
Из существующих систем автоматического дозирования компонентов агломерационной шихты (8) все большее распространение получают следящие системы, в которых поддерживается постоянным соотношение концентрат/руда, причем наибольший эффект достигнут на агломерационных фабриках, снабжающихся тонкоизмельченными концентратами повышенной влажности. Такие системы внедрены на аглофабриках Ново-Криворожского горнообогатительного комбината (НКГОК) и ЮГОК.
Система (8) автоматического управления автоматическим дозированием агломерационной шихты, разработанная лабораторией автоматизации агломерационного производства Института автоматики, внедрена на мариупольском заводе «Азовсталь» и на НКГОК. Система обеспечивает непрерывность потока шихты, но требует осуществления автоматического дозирования возврата и автоматизации систем распределения агломерационной шихты по машинам без чего автоматическое управление автоматическим дозированием малоэффективно.
В 1993 году работниками Центральной лаборатории автоматизации и механизации аглоцехов предложены усовершенствованные автоматические системы подготовки аглошихты и процесса спекания агломерата с целью улучшения его качества (9). На комбинате «Запорожсталь» применяются системы управления дозированием топлива в аглошихту с коррекцией содержания негорючей части, автоматизации дозирования известняка в аглошихту, автоматической стабилизации высоты слоя шихты на паллетах аглоленты. Разработан и внедрен специальный пробоотборник возврата, обеспечивающий получение данных для усредненного химического состава возврата.
На Новолипецком металлургическом комбинате (10) в 1987г. внедрена и промышленно освоена автоматизированная система управления агломерационным процессом на агломашине №3 типа АКМ-312. АСУ ТП выполняет информационные функции и функции непосредственного цифрового управления технологическими процессами окомкования, загрузки, зажигания и спекания шихты на агломашине и охлаждения агломерата на линейном охладителе.
В агломерационном производстве (11) осуществлена на ряде аглофабрик автоматизированная дозировка шихтовых материалов, а также системы увлажнения шихты и ее спекания, позволяющие улучшить качество регулирования по сравнению с применявшимися ПИ-регуляторами в 1,5-2 раза.
В Днепропетровском металлургическом институте были проведены исследования по завершенности агломерационного процесса (12). Использовалась агломашина площадью спекания 62,5 м², оборудованная 9 пылевыми мешками. Методами химического и рентгеноструктурного анализа установлено, что изменения состава пыли отражает последовательность фазовых и химических превращений в зоне формирований спека на завершающей стадии процесса агломерации. Показатели пылевыделения в период окончания процесса спекания являются представительной характеристикой завершенности формирования структуры спека. Характеристики пыли могут быть использованы для управления законченностью процесса спекания.
НПО «Энергосталь» (г. Харьков) разработали экспоненциально-степенную аналитическую аппроксимацию эмпирически приближенно известного начального распределения локальных температур в слое агломерата, изготовленного на подвижной ленте агломашины (13), удобна для использования в соответствующих теплотехнических расчетах, в частности, при численном расчете температур в последующей зоне активного воздушного охлаждения агломерата.
Для создания совершенной системы управления ходом агломерационного процесса необходим поиск надежных методов количественной оценки связей между основными технологическими параметрами работы агломашины (14). Целью исследования Магнитогорского горно-металлургического института в 1991 году была разработка методики подготовки технологических данных работы агломашин для последующей их математической обработки. Разработанные на основе полученных тесных связей между технологическими параметрами рекомендации включены в технологическую инструкцию по управлению аглопроцессом на аглофабрике №4 Магнитогорского металлургического комбината.
В результате внедрения АСУ ТП на агломашине №3 типа АКМ-312 НЛМК (15), обеспечены увеличение производительности по агломерату на 1,4%, экономия твердого топлива на 1,0%, металлосодержащего сырья на 0,22%, снижение содержания мелкой фракции (5-0 мм) в агломерате на 1,0% и достигнут годовой экономический эффект 270,4 тыс. руб.
Внедрение системы автоматической стабилизации высоты слоя шихты на паллетах аглоленты на шести агломашинах (16) позволило стабилизировать процесс спекания, улучшить качество агломерата при экономии твердого топлива на агломерацию.
2 Описание ТЕХНОЛОГИческого ПРОцесса
2.1 Производственные операции, осуществляемые на аглофабрике
Слово «агломерат» происходит от латинского слова agglomerаtus (24), что дословно означает присоединенный, прибавленный. Агломерация – процесс получения кусков (агломерата) путем спекания мелкой руды с топливом при высокой температуре горения.
Задачей агломерационного процесса является подготовка высококачественного сырья для доменного производства из концентратов обогащения руд, рудной мелочи колошниковой пыли окалины, шламов, отсева агломерата и других железосодержащих материалов путем спекания их с соответствующим количеством топлива в прочные и пористые куски (агломерат).
Производственные операции, осуществляемые на аглофабрике ОАО «ММК им. Ильича», иллюстрирует схема на рисунке 2.1.
Для приемки и переработки всего поступающего сырья аглофабрика имеет:
- рудный двор (открытый склад) с полезной площадью 8640 м2 служит для складирования и усреднения аглоруд и отходов применяемых при производстве агломерата;
- приемную траншею роторного передвижного вагоноопрокидывателя (ПРВО) имеет длину 170 м с полезным объемом 8400 м3 для разгрузки прибывающих на аглофабрику аглоруд и аглодобавок;
- приемную траншею башенного вагоноопрокидывателя (БВО) имеет длину 60 м с полезным объемом 3000 м3;
- тупиковую эстакаду для разгрузки отсева и бракованного агломерата длиной 220 м;
- склад руды и концентрата имеет два пролета длиной 420 м каждый, предназначен для складирования, усреднения и забора в производство концентрата, ракушечника и марганецсодержащих отходов;
- склад флюсов и топлива имеет общую длину 312 м и предназначен для складирования и усреднения пребывающих на аглофабрику флюсов и топлива;
- площадку промежуточного складирования и подсушки шламов.
В производстве агломерата необходимо использование извести. Известь, получаемая путем обжига смеси известняков, является интенсификатором агломерационного процесса. За счет извести происходит подсушка концентрата, что улучшает его дозирование в дозировочном отделении, кроме того, известь создает дополнительные условия для окомкования концентрата, тем самым