автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Прогнозирование теплового режима доменной плавки на основе информации об истинном расходе дутья

На правах рукописи

ЛЫЧЕВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИИ ОБ ИСТИННОМ РАСХОДЕ ДУТЬЯ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работ» выполнена в ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Научный руководитель

доктор технических наук,

профессор Андронов Валерий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дубровский Сергей Андреевич

кандидат технических наук Шатлов Владимир Александрович

Ведущая организация: ОАО "ЛЕНГИПРОМЕЗ'

Защита диссертации состоится «40_у> и+ОНЯ 2004 г. в -/5 час. О О мин. назаседа-нии диссертационного совета Д212. 229. 14 в ГОУ ВПО "Санкт - Петербургский государственный политехнический университет" по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, СПБГПУ, химический корпус, ауд. 51.

С диссертацией можно ознакомится в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет".

Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.229.14, д.т.н., профессор /^Л Кондратьев Сергей Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Создание автоматизированных систем управления тепловым режимом доменной печи позволило бы стабилизировать температурно-тепловой уровень плавки, сократить энергозатраты на производство чугуна за счет понижения в нем концентрации кремния без ухудшения условий десульфурации чугуна, а также понизить затраты на передел чугуна в сталь за счет стабилизации состава и температуры низкокремнистого передельного чугуна.

Системы контроля и прогноза теплового режима плавки, использующие в алгоритмах своего программного обеспечения информацию о составе колошниковых газов от высокоточных газоаналитических систем масс-спектрометрического типа, не располагают данными о количестве водорода, участвующего в реакциях косвенного восстановления железа

). Эти данные вносятся в систему путем вычислений дебаланса водорода в печи, вы-

числений, основанных часто на неполных, а главное, неточных сведениях о содержании водорода в ряде материалов. Большие погрешности в учете резко снижают эффективность работы АСУ тепловым режимом плавки. Только этим можно объяснить тот факт, что до сих пор ни на одной из немногих печей, оборудованных АСУ ТП, системы регулирования теплового состояния печи работают не в режимах управления, а используются факультативно, т.е. в режиме советчика мастера.

В связи с этим создание надежного в работе автономного канала, обеспечивающего АСУ достаточно точным прогнозом теплового состояния горна печи, базирующегося на иных принципах и не использующего информацию о составе колошникового газа, является актуальной задачей, способствующей дальнейшему совершенствованию доменного процесса.

Цель работы

Целью настоящей работы явилось создание системы для измерения истинного расхода горячего дутья, поступающего в горн доменной печи, и разработка на этой основе алгоритма и программного обеспечения для расчета количества углерода топлив, сгорающего на фурмах, и степени прямого восстановления железа в печи, что дает возможность прогнозировать, а следовательно, и регулировать тепловой режим плавки по дебалансу прихода и расхода тепла в нижней зоне печи.

1'ОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ | БКБЛЯОТ&КА

Метод исследования

В работе использовался как аналитический, так и экспериментальный методы исследования. Для расчета показателей плавки выбран метод ПДК, предложенный проф. В.Н. Андроновым, и позволяющий вычислить минимально возможные значения удельного расхода кокса (Ктт) и степени прямого восстановления железа в печи (rdmln по МАПавлову). Исследования по определению потерь дутья на тракте его подачи к горну проведены непосредственно на доменных печах ОАО «Северсталь», оборудованных системой контроля истинного расхода горячего дутья.

На защиту выносятся:

1. Усовершенствованный алгоритм для АСУ тепловым режимом доменной плавки, использующий в качестве информационной базы анализ колошниковых газов.

2. Схема определения истинного расхода горячего дутья на базе измерительного комплекса расходов холодного дутья и баланса энтальпий всех потоков дутья.

3. Алгоритм прогнозирования и регулирования теплового режима доменной плавки с использованием информации об истинном расходе дутья.

4. Оценка эффективности использования схемы определения истинного расхода горячего дутья в системах регулирования теплового режима доменной плавки и пропорциониро-вания расходов дутья и природного газа по условию постоянства теоретической температуры горения.

Научная новизна

Научная новизна работы состоит в разработке принципиально нового метода прогнозирования теплового режима доменной плавки, исключающего использование информации о составе колошникового газа и позволяющего избежать ошибок учета водорода, участвующего в реакциях косвенного восстановления железа.

Практическая значимость работы

Полученные в диссертации теоретические результаты позволяют:

- осуществлять непрерывный контроль за истинным расходом дутья в горн печи и

корректировать общий расход природного газа по условию поддержания заданного

отношения расходов газа к дутью что позволит не только застабилизи-

ровать величину этого отношения, но и увеличить средний удельный расход при-

4

родного газа и, соответственно, понизить расход кокса, еще на старте устранив колебания нагрева печи, вызванные изменением температурного режима плавки и удельного расхода топливной добавки;

- прогнозировать тепловой режим плавки и использовать данные прогноза в АСУ технологическим режимом работы печи;

- понизить себестоимость чугуна за счет снижения в нем содержания кремния и повышения расхода природного газа с соответствующей экономией расхода кокса, а также уменьшить затраты при переделе чугуна в сталь.

Апробация работы

Результаты работы были представлены и обсуждались на семинаре кафедры «Стали и сплавы»; на VI всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах», С-Петербург, нюнь 2002 г; на VII международном конгрессе специалистов доменного производства, Москва - Череповец, сентябрь 2002 г.; на межвузовской научной конференции «XXXI неделя науки СПбГПУ» 2002 г.

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 94 страницах, содержит 7 рисунков и 10 таблиц. Список литературы состоит из 66 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются основные задачи.

В первой главе приводится аналитический обзор, в котором рассматриваются принципы расчета параметров доменной плавки, базирующихся на информации о составе колошниковых газов. Показано, что все методы являются той или иной модификацией метода Л.Грюнера с акцентом на надежность и точность используемой информации (состав руд, анализы дутья и колошникового газа, расход и состав используемых топлив).

Работы по алгоритмизации доменпого производства с использованием вычислительной техники были проведены учеными бывшего СССР одними из первых в мировой практике. Можно сказать, что с середины прошлого века практически на всех кафедрах ведущих металлургических ВУЗов страны были созданы и так или иначе опробованы свои методики регулирования доменного процесса. Отсутствие «безусловно удовлетворительных» показателей теплового режима побуждало исследователей на базе одной и той же исходной информации конструировать новые показатели. На практике же в большинстве случаев наиболее пригодными оказались показатели, в состав которых вошли только характеристики колошникового газа и дутья. Особенностью основанных на них расчетов является то, что они ведутся на «сухой» колошниковый газ. А анализ «сухого» колошникового газа не позволяет непосредственно свести балансы ни водорода, ни кислорода. Наиболее простым и естественным было решение определять (влагу колошникового газа, обусловленную участием водорода в процессах косвенного восстановления оксидов железа руды) по дебалансу водорода в печи, т.е. по разности между приходом водорода (с влагой дутья, летучими кокса и углеводородными добавками) и выходом его с сухими колошниковыми газами. Этот подход и применялся во всех описанных в диссертации методиках регулирования теплового режима. При таком подходе к решению задачи определения все погрешности, связанные с определением прихода водорода в печь, а также погрешности при расчете выхода сухого колошникового газа, непосредственно интегрируются в величине и^О,. В связи с этим расчетная степень использования водорода в печи колеблется в неправдоподобно широких пределах, свидетельствуя о низкой точности расчета величины

Для существенного уменьшения ошибок, связанных с определением по балансу в печи, предложено определять по показателю жестко связав последний с

используя сравнительно узкие диапазоны колебаний величины их отношения £ = ¡'ЛСО •

В этом случае достоверность прогноза теплового режима плавки с использованием уточненного алгоритма, основанного на информации о составе колошниковых газов, повысится и этот канал прогноза нагрева печи можно будет использовать как дополнительный.

Однако, остается в силе вывод о необходимости разработки основного автономного канала контроля важнейших параметров плавки, который позволил бы не только осуществлять их независимый учет, но и располагать информацией в целом достаточной для управления тепловым режимом плавки. В качестве источника информации для основного канала контроля и регулирования предлагается принять информацию о количестве поступающего в печь горячего дутья.

Во второй главе рассмотрены инструментальные методы определения потерь дутья, указаны границы их применимости, осуществлен анализ эффективности использования существующей информации о расходе дутья в доменную печь, предложен новый способ определения потерь дутья и проведен анализ погрешностей определения потерь по предлагаемому способу с учетом ошибок измерения входящих в него параметров.

Давно замечено, что основные потери дутья происходят при неплотно закрытых дымовых клапанах кауперов, являющиеся следствием тяжелых условий их работы. Местами продувов на этих клапанах, кроме неплотностей прилегания тарели клапана к своему седлу, являются фланцы, соединяющие крышку клапана с корпусом, корпус со штуцером воздухонагревателя и корпус клапана с его основанием, разгерметизация которых происходит вследствие действия на фланцы переменных усилий, обусловленных работой воздухонагревателя на дутье или на газе. При работе на газе происходит температурный рост кожуха воздухонагревателя по высоте, вследствие чего дымовой клапан, жестко связанный со штуцером воздухонагревателя, также перемещается в вертикальной плоскости. Из-за этого происходят растяжение болтов, соединяющих корпус клапана и основание, и, как следствие, пропуски воздуха через уплотнительный шнур между корпусом и седлом. По данным практики эксплуатации воздухонагревателей эти потери составляют Потери индивидуальны для каждого

воздухонагревательного аппарата и изменяются в процессе их эксплуатации.

Единственными работами по обобщению всего комплекса воздуходувного хозяйства от

воздуходувки до доменной печи явились публикации (1935-1944) инженера М.П. Беликова, в

которых автор показал применявшиеся до него способы учета и предложил свою методику

определения потерь дутья совмещением характеристики сети с характеристикой воздуходув-

7

ной машины. Следует отметить, что методы, показанные М.А. Беликовым, в той или иной модификации до сих пор применяются в доменных цехах некоторых металлургических производств. Однако определить абсолютные потери по этим способам практически невозможно; при их помощи можно получить только относительные величины, показывающие увеличение или уменьшение потерь относительно предыдущих наблюдений.

Использование У^ (без учета потерь дутья через дымовые клапаны) для технологических расчетов сопровождается заметными ошибками в определении параметров плавки. Так, например, для расчета теоретической температуры горения используется показатель Б - расход природного газа в м3/м3 сухого дутья. Поэтому мастер, не располагая другой информацией кроме Ухь при расчете Б занижает ее величину:

В = 1ЛГ.

' хд

'ПГ

ггд

Например, если У^ = 0.85 • Угь, то величина Б занижается в 1.176 раза. Ошибка в определении Б влечет за собой ошибку при вычислении теоретической температуры горения (А/Г,°С):

Д/г, °Спри ¿У™т,°/о

0 5 10 15

5 0 14 30 48

10 0 28 60 93

1 15 0 42 90 140

Согласно данным ориентировочного расчета потери дутья в доменных цехах ОАО «Северсталь» (январь - апрель 1997 года) составляют 0 — 10 %, причем наибольшие они на ДП

№ 3. Разница между Сф"* и Сф""1" изменяется от 0 до 37.4 кг/т чугуна. Следует отметить,

что приведенные расчеты относятся к среднемесячным показателям, а текущие колебания потерь дутья, несомненно, более значительны.

Таким образом, применение данных о расходе холодного дутья, вырабатываемого воздуходувкой ввиду значительных потерь на всем протяжении тракта от воздуходувных машин до фурм доменной печи из-за нарушения герметичности запорных клапанов и фланцевых соединений трубопроводов, значительно снижает информационную ценность технологических расчетов, сопровождающихся по этой причине заметными ошибками в определении параметров плавки. Откуда следует, что для создания системы прогноза теплового режима плавки и ее оперативного регулирования необходимо знать фактический

расход дутья в доменную печь, определяющий расход углерода кокса, сгорающего у фурм

(СФ).

Чтобы определить истинное количество дутья поступающего в доменную печь нами предлагается ввести дополнения в схему измерения расходов и температур воздушных потоков, что позволит располагать информацией:

-о расходе холодного дутья через смесительный воздуховод;

-о температуре холодного дутья в смесительном воздуховоде после измерительной шайбы;

-о температуре горячего дутья непосредственно перед смесительным устройством (по ходу дутья).

Баланс воздушных потоков и их энтальпий позволяет найти истинный расход дутья. Материальный баланс потоков дутья:

тепловой баланс потоков:

V _ Т/СМ 1гд 1хд удп ~ухд : >

1гд~'дп

Потери дутья по трассе подвода его к доменной печи составят, %:

8=1-

Ухд *гд ~'хд

(2)

(3)

^хд 'гд ~ 'дп

где ¡гд, ¡хд, 'дп - теплосодержание горячего и холодного дутья перед смесителем, а также теплосодержание дутья поступающего в печь. Интерполируя и!,,! диапазоне температур 900-1300°С и ¡а в диапазоне 100-300°С, получаем зависимость (2) в виде:

(4)

Представляет интерес оценка погрешности определения потерь дутья по предла-

гаемой формуле с учетом ошибок измерения параметров, входящих в нее.

Используя зависимость погрешности определения функции от погрешностей определения аргументов, получим следующее выражение для

t.

гд

0.85-1

хд

1гд-0.85-1

хд

где ôVxè, , ¿t^ ôtxb, ôtdn - класс точности датчиков измерения Vx, t^ tx соответственно.

Из заводской технологической инструкции следует, что SVjd** ^ и ^^ = ^"й

= ôtdn = 0.5. Исходя из этого, формула примет следующий вид:

пот _2 + 1гд +0-85-txà ^ ^ + (гд + {дп .q j

t^-0.85-t.

xà

*гд ~ {àn

(5)

Оценка результатов испытаний, проведенных после частичной реконструкции системы контроля температур и расходов потоков дутья

Результатом реконструкции, проведенной в 1999 году на ДП № 1+3, стала установка расходомера и датчика температуры на холодное дутье в смесительном воздуховоде. Эксперимент после их установки был организован таким образом, что после перевода очередного воздухонагревателя на дутье до открытия смесительного клапана была возможность зафиксировать температуру дутья, поступающего в доменную печь (¡¿„о), после чего открывали смесительный клапан. Через смеситель пропускалось 230+240 (I вариант) и 450+500 (Пвари-ант) холодного дутья. После выхода температуры дутья на новый устойчивый уровень, смесительный клапан закрывался.

Несмотря на недостаточность данных для расчета потерь по предлагаемому способу, можно уже с большей точностью оценить их величину. Это возможно одним из трех вариантов:

-принимая температуру горячего дутья перед смесителем равной температуре дутья поступающего в доменную печь

- принимая температуру горячего дутья перед смесителем равной

- принимая температуру горячего дутья перед смесителем равной

Результаты расчетов по приведенному выше алгоритму показаны в табл. 1. Отмеченным выше допущениям соответствуют строки 9-5-11.

Таблица 1

Расчет потерь дутья на ДП № 1 и Л> 2

Доменная печь № 1 Домепная печь № 2

№ Параметры Воздухонагреватель

1 3 4 5 6 7

1 Температура купола, "С 1280 (1290) 1190(1200) 1305(1310) 1300(1310) 1320(1320) 1340 (1340)

2 Температура дутья при закрытом смесителе, /¿„я, °С 1170(1180) 1030(1055) 1095(1105) 1185 (1190) 1185(1195) 1190 (1190)

3 (/«уя - ЬпоЪ "С 110(110) 160(145) 210(205) 115(120) 135 (125) 150 (150)

4 Расход холодного дутья, м3/мин 2250(2180) 2200(2100) 2250 (2130) 2080(2150) 2150(2075) 2090(2150)

5 Температура холодного дутья, 190(190) 190(190) 190(190) 170 (170) 170(170) 170(170)

6 Расход дутья через смеситель, , м3/мин 243 (170) 230(170) 240 (170) 240 (160) 230(160) 230 (160)

7 Температура дутья при открытом смесителе, ¡¿п, °С 1065 (975) 940(840) 995 (880) 1070(960) 1080(955) 1080(950)

8 215 (315) 250 (360) 310(430) 230 (350) 240(365) 260 (390)

9 Ьд! = ¿дав 135/6.0 (115/5.3) 222/10.1 (260/12.4) 237/10.5 (245/11.5) 107/5.1 (106/4.9) 79/3.7 (106/5.1) 102/4.9 (151/7.0)

10 Потери дутья" Ъд2 = *дпО + 5 220/9.8 (154/7.1) 314/14.3 (291/13.9) 321/14.3 (275/12.9) 179/8.6 (139/6.5) 162/7.6 (136/6.6) 179/8.6 (182/8.4)

11 при условии... ЬдЗ = ЬпО + 5 + 0.035-К™ 348/15.5 (264/12.1) 444/20.2 (386/18.4) 448/19.9 (370/17.4) 288/13.8 (242/11.3) 282/13.1 (231/11.1) 289/13.8 (280/13.0)

Относительная по- 'л) = 'аМ 13.3 (7.9) 13.6 (7.1) 13.1 (7.1) 12.4 (7.3) 13.4 (7.1) 13.0(7.1)

12 грешность расчета по- 4) = Ьд2 12.8 (7.8) 13.1 (7.0) 12.6 (7.0) 12.0 (7.2) 13.0(7.0) 12.5 (7.0)

терь дутья, % ¿гд = (гдЗ 12,1 (7.4) 12.3 (6.7) 11.9(6.7) 11.5 (6.9) 12.3 (6.8) 11.9(6.7)

' В числителе - м'/мин, в знаменателе - %, первое значение - 230+240 м'/мин, в скобках - 450+500 м'/млн

Полученные данные позволяют говорить о том, что потери на ДП № 2 меньше, чем на ДП № 1. Если во втором варианте на ДП № 2 они не превышают 7.0 % 151 м3/мин),

то на печи № 1 они достигают 12.4 % ( У"£т = 260 м3/мин).

Третья глава посвящена разработке алгоритма управления тепловым режимом доменной плавки, позволяющего задействовать в схеме управления два самостоятельных источника информации (состав колошникового газа и истинный расход дутья) с возможностью сравнения полученных ими расчетных сигналов и в случае их совпадения давать команду в АСУ тепловым режимом плавки для соответствующей корректировки рудной нагрузки в загружаемых в печь подачах.

За основной объект регулирования теплового состояния печи принят приход тепла от неполного горения углерода кокса и добавки в нижней ступени теплообмена печи. Такой выбор обусловлен тем, что при прочих равных условиях его величина однозначно определяет тепловое состояние печи и разница между эталонным и текущим приведенным значением дает возможность соответственно корректировать рудную нагрузку в загружаемых в печь подачах.

1. Счетчик опущенных в печь подач фиксирует их количество пг (шт.) за период времени и по каждой серии подач (от одной перешихтовки до другой, а между ними по мере поступления информации о составе загружаемых материалов) рассчитывается выход чугуна из /-го компонента шихты и далее определяется теоретический выход чугуна из ьй подачи (еп);

2. Производительность печи за период времени определяется по количеству проплавленных подач и выходу чугуна из них с учетом времени их нахождения в печи (между уровнем засыпи и горизонтом фурм),

Имея дополнительную информацию о температурах холодного и «горячего» дутья, а также о расходе дутья на смеситель с помощью программы решается алгоритм (4) и по рассчитанному расходу дутья и его составу рассчитывается показатель

где Уд - минутный расход дутья, м3/мин;

В - расход природного газа, м3/ м3;

77— производительность печи, т чугуна/период регулирования.

По эталонному составу чугуна рассчитывается количество углерода кокса, необходимого для восстановления элементов чугуна (кг/т чугуна).

Информация о количественном составе подачи с учетом динамических характеристик по каналу рудная нагрузка - содержание кремния в чугуне позволяет определить Сл (кг/т

чугуна):

где обозначает, что расход кокса берется с учетом времени запаздывания его прихода

в горн (5-6 часов).

И, наконец, степень прямого восстаповления железа (канал расхода дутья):

В основу расчета гй по второму каналу контроля положено предложение Л.Грюнера о возможности учета прямого восстановления вюстита в печи по количеству СО2, прореагировавшего с углеродом кокса, согласно схеме двухзвенного механизма реакции прямого восстановления по ле-11лею:

РеО + СО = ^е+С02 Са + С = 2СО

(a)

(b)

РеО + С = Ре+СО (с)

откуда по количеству СО-^г превратившегося в СО по реакции (Ь), находится степень прямого восстановления железа по Павлову:

22.4 10-^е]

(10)

где - количество диоксида углерода, которое превращается в оксид углерода по реак-

ции (Ь), м3/т чугуна; - содержание железа в чугуне, %.

^(СО;) рассчитывается по разности между количеством диоксида углерода, которое образовалось бы при 100%-ном косвенном восстановлении железа и высших окислов марганца (К(СС(!) ) и за счет диссоциации карбонатов, и фактическим количеством С02 в ко-

лошниковом газе:

гп

+ 0.224 - /-V- ——, м3/т'ч " 100

(11)

где - выход колошникового газа; f - расход флюса;

- содержание со2 в колошниковом газе. Расчет выполняется по разности количества кислорода вносимого всеми шихто-

выми материалами и кислорода отнятого в процессе косвенного восстановления железа во-

дородом

Приход кислорода с оксидами железа определяется по формуле:

у^ = 10 • •(сс-А + Р'О), м3/гч;

(12)

(13)

где ОС - объем кислорода, связанного в оксидах железа на 1 кг железа в агломерате;

¡3 - объем кислорода, связанного в оксидах железа на 1 кг окатышей;

А - доля железа агломерата в рудной части шихты;

О - доля железа окатышей и сырой железной руды в рудной части;

Отказ от нахождения балансовым методом количества водорода, принявшего участие в косвенном восстановлении железа принципиально изменяет схему расчета, устраняя,

таким образом, значительные погрешности, вносимые ошибками учета баланса водорода в печах. Определенное на печах ОАО «Северсталь» расчетное отношение £ — ^¡цг/ПсО ' показало его незначительное изменение в пределах от 0.95 до 1 в связи с чем представляется более целесообразным использование в расчетах показателя

Таким образом, первый канал контроля связал с газоанализаторами и дает расчетные значения г^ , второй канал, непосредственно измеряя расход дутья, дает ту же информацию

(г</2)- Если реакция систем по нагреву печи из обоих источников совпадает г^), то

корректировка рудной нагрузки производится следующим образом:

1. Зная интегральный расход дутья за период регулирования (JVj, м5), определяем приход тепла от неполного горения углерода кокса и добавки в нижней ступени теплообмена (НСТ) печи, 2г,МДж:

где: z - потери тепла в НСТ в долях от прихода тепла в зоне горения;

/с - теплосодержание углерода кокса при входе кокса в НСТ (tH = 900 °С); vd - расход сухого дутья на 1 кг Q,: vd =1.8667/(2 • а) + <р - D) , м3/кг Сф\ D - расход природного газа, м3/ м3 сух. дутья: D = Wnr • г/Wj • (l — <р); Wnr ~ расход природного газа, м3/ед. времени;

id - эпталышя горячего дутья, за вычетом теплоты разложения выносимых им водяных паров и теплоты пиролиза метана, кДж/ м3:

vr-выход фурменных газов: vr = vd • (l + (О + 2 • <р + 2 • £>), м3/кг Сф\ ir- энтальпия покидающих НСТ газов, кДж/ м3;

(¡Сф - теплоотдача в IICT сгорающего на фурмах углерода кокса, кДж/ кг Сф.

2. Сравниваем полученный приход тепла в расчете на 1 т чугуна (qt= QT/nT ) с его стандартной величиной и производим корректировку рудной нагрузки в подачу:

Чаще всего корректировка рудной нагрузки в подачу производится изменением массы кокса при постоянной массе рудного компонента. В этом случае масса кокса уменьшается на величину &К при ее положительном значении и наоборот - увеличивается при АК < 0. Следует отметить, что регулирование осуществляется пе по абсолютной величине, а по ее отклонению во времени. При расхождении показателя (г4 —* Сц,—* V,по двум схемам регулирования необходимо обнаружить сбой в одной из схем, а регулирование нагрева печи производить «вручную», используя опыт и интуицию мастера печи.

Кроме того, имея оперативные данные о количестве потерь дутья, можно корректировать общий расход природного газа по условию поддержания заданного отношения расходов газа к дутью (Д м3 ПГ/м3 дутья). Это позволит увеличить средний удельный расход природного газа и соответственно понизить расход кокса, еще на старте (до ввода АСУ тепловым режимом плавки) устранить колебания нагрева печи, вызванные изменением температурного режима плавки и удельного расхода топливной добавки.

Для условий ОАО «Северсталь» (учитывая колебания расхода дутья в интервале 0+5 %) такая экономия может составить

Д% м3 ПГ/м3 сух. дутья Изменение расхода дутья в связи с колебаниями газопроницаемости шихты, %

0 1 3 5

5 0 0.4 1.3 2.2

10 0 0.8 2.6 4.4

15 0 1.26 3.9 6.6

Во четвертой главе рассмотрены вопросы равновесного восстановления кремния в системе чугун - шлак - газ, по методу проф. Андронова (ПДК) проведен расчет влияния концентрации кремния в чугуне на относительный расход кокса, уточняющий существующие сегодня нормативы; сделана оценка экономической эффективности возможного снижения концентрации кремния в чугуне в результате стабилизации теплового режима.

Учитывая тенденции в современной технологии выплавки передельных чугунов, можно считать, что уровень концентрации кремния в чугуне тем ниже, чем выше уровень технологической культуры производства. Поскольку прямых экспериментальных исследований равновесных процессов в системе чугун - шлак - газ пет, в расчете использовалось следующее выражение для константы равновесия реакции

1гкр -0.35- 1(Г3 -Г-1.34-105 -Г"2 +18.45 (17)

Учитывая соотношение Кр для известного и измененного по концентрации кремния состава чугуна по выражению

определяем температуру чугуна. Далее, приняв во внимание изменение состава и теплосодержания чугуна, расхода природного газа и других параметров плавки, по методу ПДК получили данные о влиянии концентрации кремния в чугуне на относительный расход кокса (табл.2):

Таблица 2

[вп,0/. 0,47 0,42 0,37 0,32 0,27

КР 0,129 0,116 0,102 0,089 0,075

1436 1432 1426 1421 1414

[С],% 4,92 4,935 4,95 4,965 4,98

пн% 94,115 94,15 94,185 94,22 94,255

и , кг/кг чуг. 0,289 0,291 0,293 0,295 0,297

ИГ, моль/моль Ре 0.3188 0.3186 0.3185 0.3184 0.3182

Г, С 0.245 0.247 0.249 0.250 0.252

Ктт, кг/кг чуг. 0,3507 0,3498 0,3488 0,3479 0,3468

1т,°С 1898.7 1896.3 1893.3 1890.5 1887.1

—т—г, кг/0,1 45ч 1.8 2.0

Полученные данные, заметно отличающиеся от норм, принятых в заводских инструкциях, и использованы для расчета эффективности внедрения предлагаемой системы на ОАО «Северсталь».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполненный аналитический обзор ранее разработанных алгоритмов прогнозирования теплового режима плавки показал, что все они базировались на единой информационной основе, использующей анализ состава колошниковых газов. Практическая непригодность использования их в АСУ тепловым режимом доменной плавки объясняется невозможностью получения надежной информации о количестве водорода, израсходованного в реакциях косвенного восстановления железа в связи с широким использованием в составе комбинированного дутья углеводородных топливных доба-

вок. Только жесткая привязка к Т]со позволяет существенно понизить погрешности в определении г^ и рекомендовать этот традиционный канал прогноза теплового режима плавки в качестве дополнительного в АСУ ТП.

2. Разработана и смонтирована на доменных печах ОАО «Северсталь» система контроля расходов холодного дутья и баланса энтальпий всех дутьевых потоков, позволяющая определять истинный расход горячего дутья в горн печей.

3. Разработан алгоритм управления тепловым режимом доменной плавки, использующий в схеме управления два самостоятельных источника информации (состав колошникового газа и истинный расход дутья) с возможностью сравнения полученных ими расчетных сигналов и позволяющий прогнозировать тепловое состояние печи и рассчитывать управляющие воздействия на основе дебаланса прихода тепла в печь с учетом времени нахождения материалов в печи.

4. Информация об истинном расходе горячего дутья в горн печей позволяет снизить удельный расход кокса еще на старте, т.е. до пуска в эксплуатацию системы регулирования теплового режима доменной плавки за счет повышения отношения расходов природного газа к дутью без риска понизить теоретическую температуру горения ниже ее критической величины.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Лычев А.В., Белов ЮА Совершенствование системы контроля теплового режима плавки по изменению прямого восстановления. // VI Всероссийская конференция по проблемам науки и высшей школы / Фундаментальные исследования в технических университетах -СПб: Изд-во СПбГТУ, 2002 г., с. 165-166.

2. Лычев А.В., Андронов В.Н., Белов ЮА Методика расчета степени прямого восстановления железа. // VII Международный конгресс специалистов доменного производства, Москва - Череповец, сентябрь 2002 г., с. 202-203

3. Лычёв А.В., Андронов В.Н. Алгоритм контроля теплового режима доменной плавки по изменению степени прямого восстановления. XXXI неделя науки СПбГПУ. Мат. межвуз. научн. конф. Часть V. - СПб, СПбГПУ, 2002 г., с. 36-37

4. Белов Ю.А., Андронов В.Н., Лычев А.В. Расчет показателей доменной плавки по усовершенствованному методу ПДК. // VII Международный конгресс специалистов доменного производства, Москва - Череповец, сентябрь 2002 г., с. 198-201

5. Белов ЮА, Лычев А.В. Скрытые резервы технологии доменной плавки с вдуванием в горн пылеугольного топлив. // VI Всероссийская копференция по проблемам науки и высшей школы / Фундаментальные исследования в технических университетах - СПб: Изд-во СПбГТУ, 2002 г., с. 145-147.

6. Андронов В.Н., Белов ЮА, Лычев А.В. Оценка расхода кокса методом ПДК с учетом центральной коксовой отдушины в столбе шихты. // Сталь, № 8,2003 г, с. 10-15.

7. Андронов В.Н., Белов ЮА, Лычев А.В. К вопросу о реакционной способности кокса. // Черные металлы, № 2, 2004 г., с. 12-17

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97.

Подписано в п е Э б ъ е мвпл.

Тираж ,/00 Заказ

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства СПбГПУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Отпечатано на ризографе ЯК-2000 ЕР Поставщик оборудования — фирма "Р-ПРИНТ" Телефон: (812) 110-65-09 Факс: (812) 315-23-04

- ? 9 5 2

Введение

Глава 1. Анализ методов расчета и регулирования параметров плавки основанных на информации о составе колошникового газа.

1.1. Основные принципы

1.1.1. Расчет расхода дутья по методу Грюнера

1.1.2. Метод акад. М.А. Павлова

1.1.3. Обобщения А.Н. Рамма

1.1.4. Сравнительный анализ определения г а по методам Л.Грюнера -М.А.Павлова

1.1.5. Метод Писи и Давенпорта

1.2. Алгоритмы регулирования теплового режима доменной печи с использованием информации о составе и количестве колошникового газа

1.2.1 Алгоритм Московского института стали и сплавов

1.2.2 Метод проф. В.А. Сорокина

1.2.3 Алгоритм, разработанный в Ленинградском политехническом институте

1.2.3 Алгоритм К.Стейба и Ж.Мишара 33 1.3 Методики определения параметров плавки с участием баланса водорода

Глава 2. Разработка самостоятельного (автономного) канала регулирования теплового режима доменной плавки

2.1. Инструментальные методы определения потерь дутья

2.2. Практические данные по эффективности использования информации о расходе горячего дутья в доменной печи и их ^ анализ

2.3. Решение проблемы и техническая реализация

2.4. Оценка результатов испытаний проведенных после частичной реконструкции системы контроля температур и расходов потоков дутья

Глава 3. Разработка методики управления тепловым режимом доменной плавки

3.1. Алгоритм управления тепловым режимом

Глава 4. Возможная экономическая эффективность стабилизации теплового режима

4.1. Кремний и сера в составе чугуна

4.2. Равновесные концентрации кремния в системе чугун - шлак —

4.3. Влияние содержание кремния в чугуне на расход кокса

4.4. Экономическая эффективность стабилизации теплового режима 83 Выводы 85 Литература

Развитие доменного производства в последние десятилетия характеризуется постоянным повышением качества сырья и кокса, применением различных заменителей кокса, вдуваемых в горн печей (пылеугольное топливо, природный газ, мазут и т.д.) струей обогащенного кислородом высоконагретого дутья, а также загружаемых через колошник (коксовый орешек, термоантрациты). Результатом внедрения новых перспективных технологий стало значительное снижение удельного расхода кокса и существенное усложнение технологии плавки. Возросшее число параметров регулирования процесса значительно усложнило его контроль, вызывая необходимость поиска оптимальных сочетаний всех этих факторов для конкретных условий каждой печи. Практика работы передовых отечественных и зарубежных доменных цехов показывает, что оснащение новых и реконструируемых печей расширенной сетью средств контроля и системами автоматизации потенциально содержит от 10 до 30 % резервов повышения эффективности их работы за счет снижения энтропии контроля и управления процессом [1,2].

Создание автоматизированных систем управления тепловым режимом доменной печи позволило бы стабилизировать температурно-тепловой уровень плавки, сократить энергозатраты на производство чугуна за счет понижения в нем концентрации кремния без ухудшения условий десульфурации чугуна, а также понизить затраты на передел чугуна в сталь за счет стабилизации состава и температуры низкокремнистого передельного чугуна.

Системы контроля и прогноза теплового режима плавки, использующие в алгоритмах своего программного обеспечения информацию о составе колошниковых газов от высокоточных газоаналитических систем масс-спектрометрического типа, не располагают данными о количестве водорода, участвующего в реакциях косвенного восстановления железа ( У/г2о, )• Эти данные вносятся в систему путем вычислений дебаланса водорода в печи, вычислений, основанных часто на неполных, а главное, неточных сведениях о содержании водорода в ряде материалов. Большие погрешности в учете VH резко снижают эффективность работы АСУ тепловым режимом (АСУ TP) плавки. Только этим можно объяснить тот факт, что до сих пор ни на одной из немногих печей, оборудованных АСУ TP, эти системы не работают в режимах управления, а используются факультативно, т.е. в режиме советчика мастера.

В связи с этим создание надежного в работе автономного канала, обеспечивающего АСУ достаточно точным прогнозом теплового состояния горна печи, базирующегося на иных принципах и не использующего информацию о составе колошникового газа, является актуальной задачей, способствующей дальнейшему совершенствованию доменного процесса. 6

ВЫВОДЫ

1. Выполненный аналитический обзор ранее разработанных алгоритмов прогнозирования теплового режима плавки показал, что все они базировались на единой информационной основе, использующей анализ состава колошниковых газов. Практическая непригодность использования их в АСУ тепловым режимом доменной плавки объясняется низкой точностью серийных анализов состава газа, а в настоящее время, с появлением высокоточных газоанализаторов — невозможностью получения надежной информации о количестве водорода, израсходованного в реакциях косвенного восстановления железа в связи с широким использованием в составе комбинированного дутья углеводородных топливных добавок.

2. Разработана и в настоящее время на доменных печах ОАО «Северсталь» смонтирована система контроля расходов холодного дутья и баланса энтальпий всех дутьевых потоков, позволяющая определять истинный расход горячего дутья в горн печей.

3. Разработан алгоритм управления тепловым режимом доменной плавки, использующий в схеме управления два самостоятельных источника информации (состав колошникового газа и истинный расход дутья) с возможностью сравнения полученных ими расчетных сигналов и позволяющий прогнозировать тепловое состояние печи и рассчитывать управляющие воздействия на основе дебаланса прихода тепла в печь с учетом времени нахождения материалов в печи.

4. Информация об истинном расходе горячего дутья в горн печей позволяет снизить удельный расход кокса еще на старте, т.е. до пуска в эксплуатацию системы регулирования теплового режима доменной плавки за счет повышения отношения расходов природного газа к дутью без риска понизить теоретическую температуру горения ниже ее критической величины.

Заключение

Имея надежную (точную) информацию о количестве дутья, поступающего в печь, создать алгоритм управления тепловым режимом плавки не представляет трудностей, тем более, что аналогичная информация может быть получена по составу колошниковых газов и использована для тех же целей (аналогичные алгоритмы используются при регулировании теплового режима печи, при расчете (Сф —* Уд) по анализу колошниковых газов). Задействование в схеме автоматического регулирования теплового режима плавки двух самостоятельных каналов предоставляет возможность сравнивать сигналы от двух схем и если они совпадают, то давать команду в АСУ тепловым режимом плавки для корректировки рудной нагрузки в загружаемых в печь подачах. При расхождении показателя (rd —*■ Сф—+ Уд) по двум схемам регулирования необходимо обнаружить сбой в одной из схем, а регулирование нагрева печи производить «вручную», используя опыт и интуицию мастера печи.

Кроме того, имея оперативные данные о количестве потерь дутья, можно еще до запуска АСУ тепловым режимом плавки корректировать общий расход природного газа по условию под держания заданного отношения расходов газа к дутью (D, м3 ПГ/м3 сухого дутья). Это позволит увеличить средний удельный расход природного газа и соответственно понизить расход кокса, еще на старте (до ввода АСУ тепловым режимом плавки) устранить колебания нагрева печи, вызванные изменением температурного режима плавки и удельного расхода топливной добавки.

Для условий ОАО «Северсталь» (учитывая колебания расхода дутья в интервале 0-^-5 %) такая экономия может составить (АК, кг/т чугуна):

Д% м3 ПГ/м3 сух. дутья Изменение расхода дутья в связи с колебаниями газопроницаемости шихты, %

0 1 3 5

5 0 0.4 1.3 2.2

10 0 0.8 2.6 4.4

15 0 1.26 3.9 6.6

74

Глава IV

Возможная экономическая эффективность стабилизации теплового режима 4.1 Кремний и сера в составе чугуна

Восстановление кремния в доменной печи при выплавке передельных чу-гунов не является самоцелью технолога. Более того, учитывая тенденции в современной технологии их передела, можно считать, что уровень концентрации кремния в чугуне тем ниже, чем выше уровень технологической культуры производства [61].

Спонтанно протекающий процесс восстановления кремния обусловлен другим управляемым технологическим процессом - десульфурацией чугуна, диктующей шлаковый режим плавки и ее температурный уровень. Своеобразным индикатором этого температурного уровня плавки и является содержание кремния в чугуне. Исключение составляет доменная плавка при изменяющемся давлении дутья. В случае повышенного давления дутья концентрация кремния понижается, а температура чугуна, наоборот, возрастает [62]. Однако при неизменном (высоком или низком) давлении газов в печи эта связь возобновляется и содержание кремния в чугуне тесно коррелируется с температурой чугуна.

Связь между обоими примесями чугуна сугубо индивидуальна и зависит практически от всей совокупности условий плавки (состава и физических свойств используемого сырья и топлива, а также важнейших параметров технологического режима плавки) и далеко не всегда исчерпывается формальной зависимостью, известной металлургам как показатель Эльсена [63]: s = jf] = b,p], (4.1) где Ls - коэффициент распределения серы между чугуном и шлаком;

S) - концентрация серы в шлаке;

S] - концентрация серы в чугуне; к - константа.

Судя по немногочисленным данным экспериментальных исследований, а также обобщая опыт работы доменных печей, И.С.Куликов [64] и В.М.Щедрин [65] пришли к выводу, что концентрация кремния в чугуне близка к равновесной, а содержание серы в чугуне обусловлено в первую очередь кинетическими параметрами процесса десульфурации чугуна и, как правило, далеко от его равновесных значений (обычно концентрация серы в чугуне выше равновесной в 2-КЗ раза). Поэтому, понижая концентрацию кремния в чугуне технолог все внимание сосредоточивает на обеспечении условий для успешного протекания десульфурации чугуна. Выяснять в этой ситуации влияние понижения концентрации кремния в чугуне на относительный расход кокса бессмысленно. Однако это становится возможным, когда доменная плавка по тем или иным причинам заметно стабилизируется по своему тепловому режиму. Понижая, в этом случае, уровень нагрева печи, т.е. нагрев горна и содержание кремния в чугуне, технолог, ничем не рискуя, сэкономит кокс и повысит производительность [61].

Таким образом, данный расчет имеет и практическое значение, и оценка влияния понижения кремния в чугуне на относительный расход кокса с учетом прочих преимуществ технологии со стабилизированным тепловым режимом даст надежное основание для оптимистических прогнозов на быструю окупаемость затраченных на внедрение средств.

4.2 Равновесные концентрации кремния в системе чугун - шлак — газ

Поскольку прямых экспериментальных исследований равновесных процессов в этой системе нет, то вслед за В.Н.Андроновым [61] сделаем попытку учесть равновесие реакции

Si02) + 2[С] = [Si] + 2 СО; (4.2)

4.3) a(s,o2) с максимально возможной степенью приближения. Для этого учтем теплоты шлакообразования, растворения углерода и кремния в железе:

АН°298= - 121 340 - 2 • 110 460 + 870 000 + 15 100 + 2 • 28 450 = 600 000

Дж/моль, где 121 340, 28 450, 15 100 Дж/моль Si02 - теплоты растворения Si, С в железе и теплота шлакообразования, отнесенная к одному молю Si02.

Используя [66] определяем изменения энтропии системы (4.2): AS°= 18.8 + 2 • 198 -47 - 5.9 = 362 Дж/(град- моль); ЛН°298 + )леРс1Т

298

АсР = - 8.54 - 13.4 • 10-3Т+ 25.7 • 105-Г2; AH°Ts. = 611 575 -8.535-Г- 6.69 • 10'3-25.7 • 105-Г7; (4.4) „ AF° AH° + T-AS°

1л К р =-----р RT RT lgKP = - 0.35 • 10~3 • Т -1.34 -105 • Т~2 +18.45 (4.7)

Эти значения (АН° и Кр-ДТ)) будут использоваться в дальнейших расчетах.

4.3 Влияние содержание кремния в чугуне на расход кокса

Степенная зависимость константы равновесия от температуры (4.7) предопределяет существенное влияние температуры на равновесное содержание кремния в чугуне: к,р = °\*)-Рсо =/р(г) ЗЫ so,)

4.8)

В работе В.Н.Андронова [61] с целью упрощения учебного расчета (ввиду незначительности соотношения коэффициентов активности кремния 1.011) принято допущение об их равенстве: = Однако, ис

S/J пользуя возможности ЭВМ, учтем и это соотношение.

Корректируя основность загружаемой в печь железорудной части шихты, оставляем без изменения состав шлака и концентрации в нем S1O2 и СаО, в результате чегорсо-const и a[Sio2) = а[8Югу

По Чипману Igysi = 0.08 • [С], а Д[С] = 0.3 • A[Si]. Считая раствор кремния в чугуне разбавленным, можно записать:

Кр ■ Г Si ■ Ы Кр ■ м • 10°°»т+4съ кр . [S/J . 1„О°24 4«] rs, ■[»] [Si)-10°°»V\ [.sv] sv]

В качестве исходных возьмем данные по ДП Ко 5 ОАО «Северсталь»: Состав чугуна, % : [С] = 4.92

Si] = 0.47 [Мп] = 0.41 [Р] = 0.072 [S] = 0.013

Температура чугуна, te = 1436°С Выход шлака U = 0.289 кг/кг чугуна Содержание серы в шлаке (5) = 0,82%

3 3

Содержание кислорода в дутье: а> = 0.2527 м /м сух. Д. Влажность дутья:/=6.5 г/м3 Температура горячего дутья: td ~ 1145°С Кокс: зола кокса Ас = 11.2 % летучие кокса (л.в.) = 1,0 % сера кокса Sc = 0,48 % Потери тепла в нижней ступени теплообмена Z = 0.08 Расход природного газа (100% СН4) Упг= 120 м3/т

Для исходного варианта плавки \%КР = -0.889 и Кр= 0.129. В случае с

И'=0.37:

1 J я

Температуру чугуна находим из уравнения для константы равновесия приведенного к виду:

0.35 • 10"3 * Г3 + (lg Кр -18.45) • Т2 + 31950 • Т +1.34 -105 = 0, откуда Т= 1699°К.

Расчет для вариантов плавки с [£/] = 0.42,0.32,0.27 проводился аналогично. Результаты расчетов приведены в таблице 1:

1. Серов Ю.В. Развитие автоматизации доменных печей. Сталь, 1993, № 4, с. 10-16

2. Тараканов А.К. О рациональных технологических принципах построения алгоритмов управления тепловым режимом доменной плавки. -Известия ВУЗов ЧМ, 1987, № 4, с. 134-138

3. Рамм А.Н. Определение индексов прямого и косвенного восстановления в доменной плавке по опытным данным. Советская металлургия, 1938, №3, с. 17-29

4. Павлов М.А. Металлургия чугуна, ч. П. М., Металлургиздат, 1949. -628 с.

5. Сборник трудов по теории доменной плавки. Сост. акад. М.А. Павловым. Т. 1. М.: Металлургиздат, 1957. - 319 с.

6. Рамм А.Н. Материальные и тепловые балансы доменной плавки при вдувании восстановительных газов. Труды ЛПИ, № 212, 1960, с. 2440

7. Maurer Ed. Zur Berechnung des durch direkte Reduktion im Hohofen ver-brauchten Kohlenstoffs bzw. Vergasten Sauerstoffs. Archiv f.d. Eisenhut-tenw., 1927, № 5

8. Лейбович M.M. О восстановлении окислов железа за счет углерода в доменной плавке. Металлург, 1936, № 10, с.48-60

9. Циси Дж.Г., Давенпорт В.Г. Доменный процесс: теория и практика, (пер. с англ. под ред. Карабасова Ю.С.), М.: Металлургия, 1984,142 с.

10. Похвиснев А.Н. «Теория и практика металлургии», 1939, № 8, с. 15-19

11. Похвиснев А.Н., Абрамов B.C., Красавцев Н.И., Леонидов Н.К. Доменное производство. М., «Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии», 1951. 707 с.