Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

На сьогоднішній день електродугові печі вважаються найпоширенішими і екологічно чистими агрегатами для виплавки сталі. Можливість зосередженого введення значної кількості теплової енергії в поєднанні з простотою управління підводиться електричною потужністю є незаперечною перевагою дугових сталеплавильних печей в порівнянні з іншими агрегатами для виробництва сталі.

1. Актуальність теми

Зниження витрат на обслуговування і продовження міжремонтного терміну, а також спрощення діагностики неполадок в сукупності з підвищенням надійності і економічності, дозволяє говорити про значний економічний ефект, який пов'язаний із застосуванням пропонованих в роботі методів і засобів автоматизації в порівнянні з традиційно застосовуваними на розглянутому технологічному об'єкті – електродугосталеплавильної печі.

Саме тому дослідження і проектування системи автоматизації процесів виплавки сталі в електродугосталеплавильної печі є актуальною темою в даний час.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Мета дослідження-підвищення ефективності функціонування електродугосталеплавильної печі за рахунок розробки системи автоматичного управління, що дозволить поліпшити якість виробленої продукції при економії матеріальних і енергетичних ресурсів.

Основні завдання дослідження:

  1. Аналіз технологічного процесу виплавки сталі в електросталеплавильній печі як об'єкта автоматизації.
  2. Розробка структурної та функціональної схем системи автоматизації.
  3. Розробка алгоритму управління технологічним режимом електро дугосталеплавильної печі.

3. Огляд досліджень та розробок

3.1 технологічний виплавки сталі в електро дугосталеплавильної печі як об'єкт автоматизації

Головною метою управління процесом плавки в електродугосталеплавильної печі є отримання металу заданого складу і заданої температури при високопродуктивній і економічній роботі агрегату. Ця мета може бути досягнута при успішному вирішенні системою управління наступних завдань:

  1. узгодженої зміни параметрів плавильного процесу, тобто температури і складу металу і шлаку із забезпеченням заданих кінцевих значень параметрів на випуску;
  2. підтримки раціонального і економічного електричного режиму печі;
  3. запобігання перегріву і руйнування футеровки та інших конструктивних елементів печі.

Підвищити ефективності процесу виплавки сталі в електродугосталеплавильної печі можна шляхом створення сучасної системи автоматичного управління, оновленням апаратного забезпечення. Основними завданнями автоматичного управління процесом плавки в електродугосталеплавильної печі є:

  1. Централізований контроль технологічного процесу і роботи печі з видачею оперативної інформації обслуговуючому піч персоналу з реєстрацією і сигналізацією відхилень від заданих значень основних параметрів.
  2. Управління технологічним процесом-розрахунок оптимального складу шихти; управління завантаженням шихти відповідно до розрахованим складом; Розрахунок кількості кисню, легуючих і шлакоутворюючих матеріалів, що забезпечують отримання металу заданого складу і якості та економію матеріалів; управління подачею легуючих і шлакоутворюючих матеріалів; управління подачею кисню в ванну; прогнозування моменту закінчення технологічних періодів плавки.
  3. Управління енергетичним режимом, що забезпечує максимальне використання потужності печі, мінімальний витрата електроенергії і нормальну експлуатацію печі та її електричного обладнання – управління тепловим режимом, управління електричним режимом, управління газокисневими пальниками, управління відведенням газів, що відходять з печі.
  4. Управління допоміжними операціями-відбором проб металу, виміром температури металу та ін.
  5. Збір і відбирання інформації з видачею необхідної документації – облік і реєстрація витрат шихтових матеріалів, легуючих, електроенергії, кисню; друкування протоколів плавки та ін.
  6. Контроль за роботою обладнання з сигналізацією і реєстрацією несправностей.

Сучасні АСУ ТП стали розробляються на основі класичної трирівневої моделі побудови архітектури системи:

На нижньому рівні знаходиться Польове обладнання: датчики, виконавчі механізми та їх вторинні прилади, щити станцій управління. У завдання обладнання цього рівня входить вимірювання фізичних параметрів і їх перетворення в стандартні типи електричних сигналів, отримання керуючих сигналів від обладнання середнього рівня (контролери) і безпосереднє управління технологічним обладнанням відповідно до цих сигналів.

Рівень управління створюється із застосуванням високопродуктивних програмованих логічних контролерів з розподіленою системою введення-виведення.

Перші два рівня проектуються з використанням сучасних програмно-технічних засобів від провідних зарубіжних і вітчизняних виробників компонентів АСУ ТП (Siemens, Schneider Electric, Bernecker&Rainer, ABB, Omron і ін.), системи контролю і диспетчерського управління (SCADA-системи) розробляються на основі програмних продуктів Siemens WinCC, Schneider Vijeo Citect, WonderWare InTouch, Bernecker&Rainer і ін.

Для автоматизації ДСП - 150 конструкції фірми Siemens VAI (Німеччина) використовувалася системна платформа ПЛК для управління технологічними процесами всього сталеплавильного цеху в цілому-SIEMENS SIMATIC S7 (рис. 3.1).

структурна_схема_автоматизації_дсп_150

Малюнок 3.1 - Структурна схема автоматизації ДСП-150

Рівень системи автоматизації здатний керувати обладнанням без будь-якої іншої системи вищого рівня. АСУ ТП включає наступні компоненти в міру того, наскільки вони вказані в специфікації обсягу поставки:

  1. людино-машинний інтерфейс (ЧМІ);
  2. програмовані логічні контролери (ПЛК);
  3. ваговимірювальне обладнання;
  4. спеціальні вузли на базі мікропроцесорної техніки;
  5. пульт і / або панелі в посту (постах) управління

Система рівня 1 охоплює всі необхідні функції для керування обладнанням у ручному та/або автоматичному режимі. Передача даних між системою рівня 1 і системами більш високих рівнів забезпечується або через систему шин, або через стандартні послідовні канали зв'язку.

Ручне управління окремими агрегатами або групами агрегатів (старт/стоп) або ручна настройка клапанів, дросельних заслінок, виконавчих органів і т.д. проводиться з пультів або панелей управління в посту (постах) управління. У цьому режимі роботи функціонують тільки основні блокувальні функції для попередження небезпеки для експлуатаційного персоналу і механічного обладнання.

Автоматичний режим передбачається функції управління без зворотного зв'язку та / або зі зворотним зв'язком і управління обладнанням з усіма блокуваннями через ЧМІ (наприклад, ручна настройка уставок) і традиційні елементи управління в міру необхідності для управління обладнанням.

Мета функціонування дугової сталеплавильної печі-отримання металу температурою 1620ос ±20оС з необхідним складом і необхідної якості [1,3].

Виплавка сталі в ДСП включає в себе наступні технологічні операції [1,3,4]: підготовка печі до завалки; завалка; розплавлення; доведення; випуск плавки.

У шихтовом прольоті ЕСПЦ здійснюється завантаження металевої шихти в кошики (Бадді) і за допомогою мостового крана доставляється в пічної проліт ЕСПЦ, де проводиться її завалка в дугову сталеплавильну піч. Виплавка сталі починається з завалки металевої шихти на» болото", що залишилася від попередньої плавки частини рідкого металу в кількості 15 т.на дно завантажувальної Бадді укладають легковагий лом, потім розміщується великоваговий лом. Ближче до стінок Бадді завантажуються шлакоутворюючі добавки. Кокс укладають поверх шару великовагового брухту і вапна для запобігання поломок електродів при контакті з струмопровідними матеріалами. Потім на середній лом кладуть шар легковагого брухту для швидкого проплавлення колодязів. Щільна укладання металевої шихти забезпечує її хорошу провідність. У разі неможливості завантаження коксу або шлакоутворюючих в баддю їх засипку в ДСП виробляють під час розплавлення завалки.

Виплавка сталі здійснюється в автоматичному режимі, при впливі теплового впливу. Перетворення електричної енергії в теплову відбувається при виникненні електричної дуги, яка представляє собою один з видів дугового розряду, що виникає між графітованими електродами. Саме величина струму дуги і відстань між електродами визначають швидкість плавки металу. Після закінчення завалки і установки зводу ДСП в робоче положення, електроди опускають майже до торкання з шихтою і включають піч. Між електродами і шихтою спалахують електричні дуги, під впливом випромінювання яких, металева шихта починає плавитися під електродами і рідкий метал стікає вниз. Для прискорення плавлення брухту в холодних місцях робочого простору і отримання активної по всій поверхні шлакової ванни, використовують додаткову енергію газокисневих пальників, витрата газу і кисню на пальник приймають у співвідношенні 1:2. Пальники включають відразу після завалки, при роботі стінових газокисневих пальників, також здійснюють ДонНУ продувку аргоном для підвищення якості металу.

Витрата електроенергії в період плавлення дорівнює 370 кВт·год/т.при роботі ДСП необхідно підтримувати постійну електричну дугу. Для цього необхідно організувати належну провідність між електродом і шихтою. Досягається необхідний рівень провідності за рахунок зміни положення (переміщення) електродів по вертикалі, або зміною напруги на них, для підтримки дуги подається напруга від 100 до 600 В і струм 50-100 кА. Електроди поступово переміщаються і опускаються в утворюються під ними в шихті «колодязі». У процесі плавлення контролюється температура води на панелях склепіння.

У момент інтенсивного шлакоутворення і сходу шлаку з печі температура металу повинна бути 1550ос, що дозволяє отримати найкращі умови дефосфорації металу. Для Сходу шлаку корпус ДСП нахиляють в сторону робочого майданчика матеріалів приблизно на 5о. Видалення шлаку здійснюється через робоче вікно ДСП. З метою недопущення переокислення ванни під час роботи кисневих фурм і продування ванни киснем, подача вуглевмісного матеріалу є обов'язковим. У момент повного розплавлення металевої шихти термопарою вимірюють температуру металу і здійснюють відбір проб занурювальним пробовідбірником. Отримавши попередню інформацію про хімічний склад металу, продовжують окислення домішок в металі продувкою ванни ДСП киснем через кисневу фурму.

Процес плавки сталі в ДСП, а також попередні і наступні за ним стадії даного технологічного процесу, супроводжуються істотними виділеннями пилу. Видалення пічних газів з ДСП здійснюється через водоохлождаемый газохід і систему газоочистки з рукавними фільтрами. Випуск готового металу здійснюється через зливний жолоб. Весь процес управління дугової сталеплавильної піччю і її елементами, підрозділяється на управління технологічним режимом і управління тепловим режимом [5,6]. Оскільки в електросталеплавильному технологічному процесі в ДСП основна частина тепла виходить в результаті перетворення електричної енергії, то виникає необхідність управляти кількістю надходить тепла, тобто електричним режимом, а якщо точніше – електричною потужністю ДСП [6,7].

Виконаний вище аналіз особливостей процесу виплавки сталі дозволив скласти структурну схему матеріальних потоків ДСП, яка наведена на рис. 3.2.

Як випливає зі схеми матеріальних потоків ДСП (рис.3.2) і виконаного вище аналізу технологічних процесів, що протікають в ній, електросталеплавильна піч є складним, багатовимірним, багатозв'язним об'єктом управління, що складається з великої кількості технологічних елементів. Першим і основним технологічним елементом і процесом, без нормального функціонування якого неможливо уявити роботу ДСП в принципі, є процес отримання теплової енергії з електричної за рахунок необхідного підтримки довжини електричної дуги на різних етапах процесу плавки. Як було описано вище, це є основним процесом при управлінні ДСП – управління тепловим режимом ДСП, який зводиться до управління електричним режимом, а точніше – електричною потужністю ДСП, як правило, за рахунок зміни довжини дуги [6,7].

структурна_схема_матеріальних_потоків_дсп

Малюнок 3.2 - Структурна схема матеріальних потоків ДСП

Наступним технологічним елементом ДСП, що визначає ефективність і економічність, процесу виплавки сталі є киснева фурма. Нормальне функціонування кисневої фурми визначається підтриманням необхідних параметрів процесу подачі кисню і процесу її охолодження. Процес подачі кисню в робочий простір ДСП характеризується необхідною витратою кисню на продування при підтримці необхідного його тиску. Відхилення витрати і тиску кисню від необхідних значень призводить до підвищення експлуатаційних витрат на процес виробництва сталі в ДСП або до погіршення якості одержуваної сталі. При охолодженні фурми необхідно змінювати витрату охолоджуючої води для підтримки необхідної різниці температури на виході і вході кисневої фурми, що при відносно постійній температурі охолоджуючої води зводиться до підтримки заданої температури охолоджуючої води на виході з кисневої фурми [7,8].

Таким чином, на підставі схеми матеріальних потоків ДСП (рис.3.2) і розглянутих вище особливостей процесу переміщення електродів, процесу охолодження кисневої фурми, а також процесу подачі кисню, отримана схема дугового сталеплавильної печі для перерахованих елементів як об'єкта автоматичного управління, яка наведена на рис. 3.3.

дсп_як_об'єкт_автоматичного_керування

Малюнок 3.3 - ДСП як об'єкт автоматичного управління

Керованими змінними, що характеризують функціонування основних технологічних елементів і процесів, при виплавці сталі в ДСП, є (рис. 3.3):

Обурюючими впливами для розглянутих елементів ДСП, виступають (рис. 3.3):

Аналіз технологічної схеми, технічних особливостей, режимів роботи, засобів і систем автоматизації технологічних елементів і процесів ДСП дозволяє сформулювати мету – підвищення ефективності функціонування електродугосталеплавильної печі за рахунок розробки системи автоматичного управління, що дозволить поліпшити якість виробленої продукції при економії матеріальних і енергетичних ресурсів.

Сформулюємо вимоги до системи управління технологічним режимом електродугосталеплавильної печі на підставі моделі furps+, такі як: Functionality - функціональність; Usability - застосовність; Reliability - надійність; Performance - продуктивність; Supportability - придатність до експлуатації.

1. Функціональність:

2. Безпека.

Електротехнічні вироби, використовувані в системі управління електродугосталеплавильної печі, повинні відповідати ГОСТ 12.2.007-75, а засоби обчислювальної техніки – по ГОСТ 25861-83, і мають клас 1 захисту людини від ураження електричним струмом. Всі зовнішні елементи ТЕХНІЧНИХ системи управління, що знаходяться під напругою, захищаються від випадкового дотику;

3. Застосовність.

Робоче місце оператора системи управління електродугосталеплавильної піччю повинно містити кілька робочих станцій, які призначені для:

4. Надійність.

Програмно-технічний комплекс електродугосталеплавильної печі в частині вимог по надійності повинен відповідати ГОСТ 4.148-85, ГОСТ 24.701-86 і ГОСТ 27.003-90.

5. Продуктивність

.

Показники швидкодії, часу відгуку, точності і достовірності інформації повинні бути не гірше існуючих аналогів.

6. Придатність до експлуатації.

Придатність до експлуатації характеризується:

7. Вимоги по масі, габаритам і ступеня захищеності корпусу.

Вузли САУ повинні бути виробами заводського виготовлення з типовими або проектно-компонованими тактико-технічними, метрологічними і масогабаритними характеристиками.

За ступенем захисту від впливу навколишнього середовища:

3.2 Розробка алгоритму роботи і схемних рішень системи автоматичного управління технологічним режимом електродугосталеплавильної печі.

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

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

Рисунок 3.4-Блок-схема алгоритму керування технологічними режимами електродугосталеплавильної печі

Перед стадією заглиблення електродів в шихту, відбувається запалювання дуг печі. Диференційний спосіб регулювання забезпечує автоматичне запалювання дуг. Після включення печі при відсутності струму електрод опускається вниз, до моменту торкання з металом. При появі на датчику струму сигналу, перший електрод зупиняється. Починає опускатися другий електрод, при торканні металом другим електродом обидва електроди піднімаються вгору, запалюючи дуги. А третій електрод опускається вниз до торкання з металом, після появи в ньому струму, почне підніматися, запалюючи третю дугу.

Перша стадія заглиблення електродів в шихту. У момент запалювання дуги фіксується поточне положення електродів. Програмно задається значення заглиблення електродів, коли поточне значення заглиблення електродів досягне заданого, система управління переходить в наступний режим – проплавлення колодязів.

продовження_малюнка_3.4_блок_схема_алгоритму_керування_технологічними_режимами_електродугосталеплавильної_печі

Продовження рисунка 3.4-Блок-схема алгоритму керування технологічними режимами електро дугосталеплавильної печі

Стадія проплавлення колодязів. У цій стадії електроди проходять колодязь швидко, при цьому утворюється рідкий метал. Для обмеження переміщення електродів в крайнє положення передбачені кінцеві вимикачі. Сигнал про відсутність руху електродів, буде свідчити про завершення періоду проплавлення колодязів, і переході в стадію плавки металу.

Стадія плавки металу проходить на введенні максимальної потужності в піч. Завершується дана стадія в період, коли температура металу досягає заданого програмного значення.

Проектована система автоматизації за своєю структурою представляє розподілену автоматизовану систему управління. Застосовуючи сучасні принципи побудови, можна визначити наступну структуру системи автоматизації (рис. 3.5):

  1. диспетчерський рівень-відповідає за збір, обробку даних і відображення технологічного процесу;
  2. рівень контролерів і модулів введення / виведення, на даному рівні буде здійснюватися збір і обробка первинної інформації з самого нижнього рівня;
  3. рівень датчиків і виконавчих механізмів, на цьому рівні здійснюється узгодження сигналів датчиків з входами пристрою управління, а виробляються команд з виконавчими механізмами.

Для проектованої системи автоматизації необхідно встановити первинні датчики вимірювання температури футеровки і кладки днища, вимірювання температури рідкого металу. Датчик вимірювання температури охолоджуючої води в трубопроводі, використовуваної для охолодження елементів печі, а також вимірювання температури на зливі з водоохлаждаемой панелі, по різниці температур на вході і виході яких, можна судити про інтенсивність охолоджувача, і відповідно регулювати витрату охолоджуючої води за допомогою виконавчого механізму з заслінкою, а також датчик температури газів, що відходять.

Для системи автоматизації необхідно здійснити контроль витрати кисню на фурму, за допомогою датчиків тиску і витрати, а також здійснити управління витратою на фурму за допомогою виконавчого механізму і встановити відсічний клапан, з метою запобігання аварійних ситуацій.

малюнок_3.5_структурна_схема_системи_автоматичного_керування_дсп

Малюнок 3.5-Структурна схема системи автоматичного управління ДСП

Величина робочого струму в кожній фазі при обраній ступені напруги живлення залежить від довжини дуги. Управління величиною робочого струму здійснюється шляхом переміщення електрода, контроль над яким встановлюється датчиком положення, а також необхідно знімати показання з первинних пристроїв датчика струму і напруги.

Вся інформація, зібрана з первинних пристроїв (датчиків), направляється на контролерний рівень, представлена аналоговими уніфікованими струмовими сигналами 4-20мА. Для управління виконавчими механізмами слід використовувати Аналоговий уніфікований сигнал 4-20 мА. Для зв'язку ПЛК з верхнім (диспетчерським) рівнем використовуються кручені пари Ethernet.

малюнок_3.6_функціональна_схема_системи_автоматизації_дсп

Малюнок 3.6-Функціональна схема системи автоматизації ДСП

Висновки

Було розглянуто технологічний процес виплавки сталі в електро дугосталеплавильній печі як об'єкт автоматизації. Розроблено структурну та функціональну схеми системи автоматизації, а також алгоритм управління технологічним режимом електродугосталеплавильної печі.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: Червень 2023 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  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.