Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

На сегодняшний день электродуговые печи считаются самыми распространенными и экологически чистыми агрегатами для выплавки стали. Возможность сосредоточенного ввода значительного количества тепловой энергии в сочетании с простотой управления подводимой электрической мощностью является неоспоримым преимуществом дуговых сталеплавильных печей по сравнению с другими агрегатами для производства стали.

1. Актуальность темы

Снижение расходов на обслуживание и продление межремонтного срока, а также упрощение диагностики неполадок в совокупности с повышением надежности и экономичности, позволяет говорить о значительном экономическом эффекте, который связан с применением предлагаемых в работе методов и средств автоматизации в сравнении с традиционно применяемыми на рассматриваемом технологическом объекте – электродугосталеплавильной печи.

Именно поэтому исследование и проектирование системы автоматизации процессов выплавки стали в электродугосталеплавильной печи является актуальной темой в настоящее время.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель исследования – повышение эффективности функционирования электродугосталеплавильной печи за счет разработки системы автоматического управления, что позволит улучшить качество производимой продукции при экономии материальных и энергетических ресурсов.

Основные задачи исследования:

  1. Анализ технологического процесса выплавки стали в электродугосталеплавильной печи как объекта автоматизации.
  2. Разработка структурной и функциональной схем системы автоматизации.
  3. Разработка алгоритма управления технологическим режимом электродугосталеплавильной печи.

3. Обзор исследований и разработок

3.1 Технологический выплавки стали в электродугосталеплавильной печи как объект автоматизации

Главной целью управления процессом плавки в электродугосталеплавильной печи является получение металла заданного состава и заданной температуры при высокопроизводительной и экономичной работе агрегата. Эта цель может быть достигнута при успешном решении системой управления следующих задач:

  1. согласованного изменения параметров плавильного процесса, т.е. температуры и состава металла и шлака с обеспечением заданных конечных значений параметров на выпуске;
  2. поддержания рационального и экономичного электрического режима печи;
  3. предотвращения перегрева и разрушения футеровки и других конструктивных элементов печи.

Повысить эффективности процесса выплавки стали в электродугосталеплавильной печи можно путем создания современной системы автоматического управления, обновлением аппаратного обеспечения. Основными задачами автоматического управления процессом плавки в электродугосталеплавильной печи являются:

  1. Централизованный контроль технологического процесса и работы печи с выдачей оперативной информации обслуживающему печь персоналу с регистрацией и сигнализацией отклонений от заданных значений основных параметров.
  2. Управление технологическим процессом – расчет оптимального состава шихты; управление загрузкой шихты в соответствии с рассчитанным составом; расчет количества кислорода, легирующих и шлакообразующих материалов, обеспечивающих получение металла заданного состава и качества и экономию материалов; управление подачей легирующих и шлакообразующих материалов; управление подачей кислорода в ванну; прогнозирование момента окончания технологических периодов плавки.
  3. Управление энергетическим режимом, обеспечивающее максимальное использование мощности печи, минимальный расход электроэнергии и нормальную эксплуатацию печи и ее электрического оборудования – управление тепловым режимом, управление электрическим режимом, управление газокислородными горелками, управление отводом отходящих из печи газов.
  4. Управление вспомогательными операциями – отбором проб металла, замером температуры металла и др.
  5. Сбор и отборка информации с выдачей необходимой документации – учет и регистрация расходов шихтовых материалов, легирующих, электроэнергии, кислорода; печатание протоколов плавки и др.
  6. Контроль за работой оборудования с сигнализацией и регистрацией неисправностей.

Современные АСУ ТП стали разрабатываются на основе классической трехуровневой модели построения архитектуры системы:

На нижнем уровне находится полевое оборудование: датчики, исполнительные механизмы и их вторичные приборы, щиты станций управления. В задачи оборудования этого уровня входит измерение физических параметров и их преобразование в стандартные типы электрических сигналов, получение управляющих сигналов от оборудования среднего уровня (контроллеры) и непосредственное управление технологическим оборудованием в соответствии с этими сигналами.

Уровень управления создается с применением высокопроизводительных программируемых логических контроллеров с распределенной системой ввода-вывода.

Первые два уровня проектируются с использованием современных программно-технических средств от ведущих зарубежных и отечественных производителей компонентов АСУ ТП (Siemens, Schneider Electric, Bernecker&Rainer, ABB, Omron и др.), системы контроля и диспетчерского управления (SCADA-системы) разрабатываются на основе программных продуктов Siemens WinCC, Schneider Vijeo Citect, WonderWare InTouch, Bernecker&Rainer и др.

Для автоматизации ДСП-150 конструкции фирмы Siemens VAI (Германия) использовалась системная платформа ПЛК для управления технологическими процессами всего сталеплавильного цеха в целом - SIEMENS SIMATIC S7 (рис. 3.1).

cтруктурная_схема_автоматизации

Рисунок 3.1 – Структурная схема автоматизации ДСП-150

Уровень системы автоматизации способен управлять оборудованием без какой-либо другой системы более высокого уровня. АСУ ТП включает следующие компоненты по мере того, насколько они указаны в спецификации объема поставки:

  1. человеко-машинный интерфейс (ЧМИ);
  2. программируемые логические контроллеры (ПЛК);
  3. весоизмерительное оборудование;
  4. специальные узлы на базе микропроцессорной техники;
  5. пульт и/или панели в посту (постах) управления

Система уровня 1 покрывает все необходимые функции для управления оборудованием в ручном и/или автоматическом режиме. Передача данных между системой уровня 1 и системами более высоких уровней обеспечивается либо через систему шин, либо через стандартные последовательные каналы связи.

Ручное управление отдельными агрегатами или группами агрегатов (старт/стоп) или ручная настройка клапанов, дроссельных заслонок, исполнительных органов и т.д. производится с пультов или панелей управления в посту (постах) управления. В этом режиме работы функционируют только основные блокировочные функции для предупреждения опасности для эксплуатационного персонала и механического оборудования.

Автоматический режим предусматривается функции управления без обратной связи и/или с обратной связью и управление оборудованием со всеми блокировками через ЧМИ (например, ручная настройка уставок) и традиционные элементы управления по мере необходимости для управления оборудованием.

Цель функционирования дуговой сталеплавильной печи – получение металла температурой 1620оС ±20оС с необходимым составом и требуемого качества [1,3].

Выплавка стали в ДСП включает в себя следующие технологические операции [1,3,4]: подготовка печи к завалке; завалка; расплавление; доводка; выпуск плавки.

В шихтовом пролете ЭСПЦ осуществляется загрузка металлической шихты в корзины (бадьи) и с помощью мостового крана доставляется в печной пролет ЭСПЦ, где производится ее завалка в дуговую сталеплавильную печь. Выплавка стали начинается с завалки металлической шихты на «болото», оставшейся от предыдущей плавки части жидкого металла в количестве 15 т. На дно загрузочной бадьи укладывают легковесный лом, затем размещается тяжеловесный лом. Ближе к стенкам бадьи загружаются шлакообразующие добавки. Кокс укладывают поверх слоя тяжеловесного лома и извести для предотвращения поломок электродов при контакте с токонепроводящими материалами. Затем на средний лом кладут слой легковесного лома для быстрого проплавления колодцев. Плотная укладка металлической шихты обеспечивает её хорошую проводимость. В случае невозможности загрузки кокса или шлакообразующих в бадью их засыпку в ДСП производят во время расплавления завалки.

Выплавка стали осуществляется в автоматическом режиме, при влиянии теплового воздействия. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит при возникновении электрической дуги, которая представляет собой один из видов дугового разряда, возникающего между графитированными электродами. Именно величина тока дуги и расстояние между электродами определяют скорость плавки металла. После окончания завалки и установки свода ДСП в рабочее положение, электроды опускают почти до касания с шихтой и включают печь. Между электродами и шихтой загораются электрические дуги, под воздействием излучения которых, металлическая шихта начинает плавиться под электродами и жидкий металл стекает вниз. Для ускорения плавления лома в холодных местах рабочего пространства и получения активной по всей поверхности шлаковой ванны, используют дополнительную энергию газокислородных горелок, расход газа и кислорода на горелку принимают в соотношении 1:2. Горелки включают сразу после завалки, при работе стеновых газокислородных горелок, также осуществляют донную продувку аргоном для повышения качества металла.

Расход электроэнергии в период плавления равен 370 кВт·ч/т. При работе ДСП необходимо поддерживать постоянную электрическую дугу. Для этого необходимо организовать надлежащую проводимость между электродом и шихтой. Достигается необходимый уровень проводимости за счет изменения положения (перемещения) электродов по вертикали, либо изменением напряжения на них, для поддержания дуги подается напряжение от 100 до 600 В и ток 50-100 кА. Электроды постепенно перемещаются и опускаются в образующиеся под ними в шихте «колодцы». В процессе плавления контролируется температура воды на панелях свода.

В момент интенсивного шлакообразования и сходу шлака из печи температура металла должна быть 1550оС, что позволяет получить наилучшие условия дефосфорации металла. Для схода шлака корпус ДСП наклоняют в сторону рабочей площадки материалов приблизительно на 5о. Удаление шлака осуществляется через рабочее окно ДСП. С целью недопущения переокисления ванны во время работы кислородных фурм и продувке ванны кислородом, подача углесодержащего материала является обязательным. В момент полного расплавления металлической шихты термопарой измеряют температуру металла и осуществляют отбор проб погружным пробоотборником. Получив предварительную информацию о химическом составе металла, продолжают окисление примесей в металле продувкой ванны ДСП кислородом через кислородную фурму.

Процесс плавки стали в ДСП, а также предшествующие и последующие за ним стадии данного технологического процесса, сопровождаются существенными выделениями пыли. Удаление печных газов из ДСП осуществляется через водоохлождаемый газоход и систему газоочистки с рукавными фильтрами. Выпуск готового металла осуществляется через сливной желоб. Весь процесс управления дуговой сталеплавильной печью и ее элементами, подразделяется на управление технологическим режимом и управление тепловым режимом [5,6]. Поскольку в электросталеплавильном технологическом процессе в ДСП основная часть тепла получается в результате преобразования электрической энергии, то возникает необходимость управлять количеством поступающего тепла, т.е. электрическим режимом, а если точнее – электрической мощностью ДСП [6,7].

Выполненный выше анализ особенностей процесса выплавки стали позволил составить структурную схему материальных потоков ДСП, которая приведена на рис. 3.2.

Как следует из схемы материальных потоков ДСП (рис.3.2) и выполненного выше анализа технологических процессов, протекающих в ней, электросталеплавильная печь является сложным, многомерным, многосвязным объектом управления, состоящим из большого количества технологических элементов. Первым и основным технологическим элементом и процессом, без нормального функционирования которого невозможно представить работу ДСП в принципе, является процесс получения тепловой энергии из электрической за счет требуемого поддержания длины электрической дуги на различных этапах процесса плавки. Как было описано выше, это является основным процессом при управлении ДСП – управление тепловым режимом ДСП, который сводится к управлению электрическим режимом, а точнее – электрической мощностью ДСП, как правило, за счет изменения длины дуги [6,7].

структурная_схема_материальных_потоков_дсп

Рисунок 3.2 – Структурная схема материальных потоков ДСП

Следующим технологическим элементом ДСП, определяющим эффективность и экономичность, процесса выплавки стали является кислородная фурма. Нормальное функционирование кислородной фурмы определяется поддержанием требуемых параметров процесса подачи кислорода и процесса ее охлаждения. Процесс подачи кислорода в рабочее пространство ДСП характеризуется необходимым расходом кислорода на продувку при поддержании требуемого его давления. Отклонение расхода и давления кислорода от требуемых значений приводит к повышению эксплуатационных затрат на процесс производства стали в ДСП или к ухудшению качества получаемой стали. При охлаждении фурмы необходимо изменять расход охлаждающей воды для поддержания требуемой разности температуры на выходе и входе кислородной фурме, что при относительно постоянной температуре охлаждающей воды сводится к поддержанию заданной температуры охлаждающей воды на выходе из кислородной фурмы [7,8].

Таким образом, на основании схемы материальных потоков ДСП (рис.3.2) и рассмотренных выше особенностей процесса перемещения электродов, процесса охлаждения кислородной фурмы, а также процесса подачи кислорода, получена схема дуговой сталеплавильной печи для перечисленных элементов как объекта автоматического управления, которая приведена на рис. 3.3.

дсп_как_объект_автоматического_управления

Рисунок 3.3 – ДСП как объект автоматического управления

Управляемыми переменными, характеризующими функционирование основных технологических элементов и процессов, при выплавке стали в ДСП, являются (рис. 3.3):

Управляющими воздействиями, позволяющими требуемым образом влиять на перечисленные управляемые переменные, являются (рис. 3.3):

Возмущающими воздействиями для рассматриваемых элементов ДСП, выступают (рис. 3.3):

Анализ технологической схемы, технических особенностей, режимов работы, средств и систем автоматизации технологических элементов и процессов ДСП позволяет сформулировать цель – повышение эффективности функционирования электродугосталеплавильной печи за счет разработки системы автоматического управления, что позволит улучшить качество производимой продукции при экономии материальных и энергетических ресурсов.

Cформулируем требования к системе управления технологическим режимом электродугосталеплавильной печи на основании модели FURPS+, такие как: Functionality - функциональность; Usability - применимость; Reliability - надежность; Performance - производительность; Supportability - пригодность к эксплуатации.

1. Функциональность:

2. Безопасность.

Электротехнические изделия, используемые в системе управления электродугосталеплавильной печи, должны соответствовать ГОСТ 12.2.007-75, а средства вычислительной техники – по ГОСТ 25861-83, и имеют класс 1 защиты человека от поражения электрическим током. Все внешние элементы технических системы управления, находящиеся под напряжением, защищаются от случайного прикосновения;

3. Применимость.

Рабочее место оператора системы управления электродугосталеплавильной печью должно содержать несколько рабочих станций, которые предназначены для:

4. Надежность.

Программно-технический комплекс электродугосталеплавильной печи в части требований по надежности должен соответствовать ГОСТ 4.148-85, ГОСТ 24.701-86 и ГОСТ 27.003-90.

5. Производительность.

Показатели быстродействия, времени отклика, точности и достоверности информации должны быть не хуже существующих аналогов.

6. Пригодность к эксплуатации.

Пригодность к эксплуатации характеризуется:

7. Требования по массе, габаритам и степени защищенности корпуса.

Узлы САУ должны являться изделиями заводского изготовления с типовыми или проектно-компонуемыми тактико-техническими, метрологическими и массогабаритными характеристиками.

По степени защиты от воздействия окружающей среды:

3.2 Разработка алгоритма работы и схемных решений системы автоматического управления технологическим режимом электродугосталеплавильной печи.

Управление электрическим режимом печи электродугосталеплавильной печи разделяют на несколько стадий (рис. 3.4):

  1. Заглубление электродов в шихту.
  2. Проплавление колодцев.
  3. Плавка металла.
    блок_схема_алгоритма_управления_технологическими_режимами_электродугосталеплавильной_печи

    Рисунок 3.4 – Блок-схема алгоритма управления технологическими режимами электродугосталеплавильной печи

Перед стадией заглубления электродов в шихту, происходит зажигания дуг печи. Дифференциальный способ регулирования обеспечивает автоматическое зажигание дуг. После включения печи при отсутствии тока электрод опускается вниз, до момента касания с металлом. При появлении на датчике тока сигнала, первый электрод останавливается. Начинает опускаться второй электрод, при касании металлом вторым электродом оба электрода поднимаются вверх, зажигая дуги. А третий электрод опускается вниз до касания с металлом, после появления в нем тока, начнет подниматься, зажигая третью дугу.

Первая стадия заглубление электродов в шихту. В момент зажигания дуг фиксируется текущее положения электродов. Программно задается значение заглубления электродов, когда текущее значение заглубления электродов достигнет заданного, система управления переходит в следующий режим – проплавление колодцев.

продолжение_рисунка_3.4_блок_схема_алгоритма_управления_технологическими _режимами_электродугосталеплавильной_печи

Продолжение рисунка 3.4 - Блок-схема алгоритма управления технологическими режимами электродугосталеплавильной печи

Стадия проплавления колодцев. В этой стадии электроды проходят колодец быстро, при этом образуется жидкий металл. Для ограничения перемещения электродов в крайнее положение предусмотрены конечные выключатели. Сигнал об отсутствии движения электродов, будет свидетельствовать о завершении периода проплавления колодцев, и переходе в стадию плавки металла.

Стадия плавки металла проходит на введении максимальной мощности в печь. Завершается данная стадия в период, когда температура металла достигнет заданного программного значения.

Проектируемая система автоматизации по своей структуре представляет распределенную автоматизированную систему управления. Применяя современные принципы построения, можно определить следующую структуру системы автоматизации (рис. 3.5):

  1. диспетчерский уровень – отвечает за сбор, обработку данных и отображения технологического процесса;
  2. уровень контроллеров и модулей ввода/вывода, на данном уровне будет осуществляться сбор и обработка первичной информации с самого нижнего уровня;
  3. уровень датчиков и исполнительных механизмов, на этом уровне осуществляется согласование сигналов датчиков с входами устройства управления, а вырабатываемых команд с исполнительными механизмами.

Для проектируемой системы автоматизации необходимо установить первичные датчики измерения температуры футеровки и кладки днища, измерения температуры жидкого металла. Датчик измерения температуры охлаждающей воды в трубопроводе, используемой для охлаждение элементов печи, а также измерение температуры на сливе из водоохлаждаемой панели, по разности температур на входе и выходе которых, можно судить об интенсивности охладителя, и соответственно регулировать расход охлаждающей воды с помощью исполнительного механизма с заслонкой, а также датчик температуры отходящих газов.

Для системы автоматизации необходимо осуществить контроль расхода кислорода на фурму, с помощью датчиков давления и расхода, а также осуществить управление расходом на фурму посредством исполнительного механизма и установить отсечной клапан, с целью предотвращения аварийных ситуаций.

рисунок_3.5_структурная_схема_системы_автоматического_управления_дсп

Рисунок 3.5 – Структурная схема системы автоматического управления ДСП

Величина рабочего тока в каждой фазе при выбранной ступени напряжения питания зависит от длины дуги. Управление величиной рабочего тока осуществляется путем перемещения электрода, контроль над которым устанавливается датчиком положения, а также необходимо снимать показания с первичных устройств датчика тока и напряжения.

Вся информация, собранная с первичных устройств (датчиков), направляется на контроллерный уровень, представленная аналоговыми унифицированными токовыми сигналами 4-20мА. Для управления исполнительными механизмами следует использовать аналоговый унифицированный сигнал 4-20 мА. Для связи ПЛК с верхним (диспетчерским) уровнем используются витые пары Ethernet.

рисунок_3.6_функциональная_схема_системы_автоматизации_дсп

Рисунок 3.6 – Функциональная схема системы автоматизации ДСП

Выводы

Был рассмотрен технологический процесс выплавки стали в электродугосталеплавильной печи как объект автоматизации. Разработана структурная и функциональная схемы системы автоматизации, а также алгоритм управления технологическим режимом электродугосталеплавильной печи.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2023 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список литературы

  1. Сведчанский, А.Д. Электрические промышленные печи: Дуговые печи и установки специального нагрева: учебник для вузов. / А.Д. Сведчанский, И.Т. Жердев, А.М. Кручинин – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоиздат, 1981. – 296 с.: ил., табл.
  2. Поволоцкий, Д.Я. Электрометаллургия стали и ферросплавов. / Д.Я. Поволоцкий – М.: «Металлургия», 1978. – 550с.
  3. Окороков, Н. В. Электроплавильные печи черной металлургии. / Н.В.Окороков – М.: Металлургия, 2005. – 220 с.
  4. Марков, Н.А. Электрические печи и режимы дуговых электропечных установок. / Н.А. Марков. – М.: Энергия, 2003. – 204 с.
  5. Пирожников, В.Е. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками / В.Е. Пирожников, А.Ф. Каблуковский – М.: «Металлургия», 1974. – 208 с.: ил., табл.
  6. Лапшин, И.В. Автоматизация дуговых печей. / И.В. Лапшин – Москва, 2004. – 166 с.
  7. Глинков, Г.М. АСУ ТП в черной металлургии: учебник для вузов. / Г.М. Глинков, В.А. Маковский – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: «Металлургия», 1999. – 310 с.
  8. Глинков, Г.М. АСУ технологическими процессами в агломерационных и сталеплавильных цехах: учебник для вузов. / Г.М. Глинков, В.А. Маковский – М.: «Металлургия», 1981. –360 с.: ил., табл.
  9. Кисаримов, Р.А. Электропривод: справочник. / Р.А. Кисаримов, Москва, ИП РадиоСофт, 2008.- 391 с.
  10. Терехов, В.М. Системы управления электроприводов: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.М. Терехов, О.И. Осипов; под ред. В.М. Терехова. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 304 с.