CC BY
8
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип. № 12
УДК 669.18: 681.518.52
Шевцов Е.К.1, Орлов Д. Н.2
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ СИНХРОННОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ВАННОЙ
Выполнен анализ известных систем управления сталеплавильной плавкой. Показана многофакторность параметров, влияющих на процессы обезуглероживания и нагрева металла. Предложены алгоритм и система управления плавкой на основе синхронизации скорости выгорания углерода и скорости нагрева металла.
Рассматривая сталеплавильную ванну как объект автоматического управления, возможно выделить два основных управляемых параметра: содержание углерода в металле и температуру металла. Кроме этих параметров, существует ряд дополнительных: окисленность металла, его газонасыщенность, содержание Мп, 8 и Р, а так же теплоусвоение ванны.
Исследования процессов, связанных с режимами обезуглероживания и нагрева металла, как правило, проводятся с точки зрения материального и энергетического балансов. В этом случае управление и характеристики системы управления сталеплавильными процессами не содержат времени и характеризуют статику системы. В одних случаях статические зависимости получаются довольно простыми и не полностью описывают физико-химические процессы, протекающие в жидкой ванне[1], в других - весьма сложными, содержащими ряд параметров, труднодоступных точному определению[2], что затрудняет их использование для построения эффективных систем автоматического управления.
Анализ и синтез систем автоматического управления требуют использование динамических характеристик, которые описывают поведение либо системы в целом, либо отдельных её элементов в переходном режиме. Другими словами, постановка задачи оптимального управления сталеплавильной плавкой предполагает наличие динамической модели хотя бы основных процессов - обезуглероживания и нагрева металла. Создание такой модели на основе изучения процессов в промышленных агрегатах затрудняется из-за отсутствия необходимой непрерывной информации протекании процессов выгорания углерода и сложности самих физико-химических процессов в сталеплавильной ванне.
Технология сталеплавильной плавки построена на стремлении как можно быстрее окислить углерод до заданного значения (при этом должно происходить параллельное удаление серы и фосфора). Температура ванны должна быть на уровне, обеспечивающем достаточный перегрев металла над линией ликвидуса, при котором процесс усвоения кислорода, диффузионные процессы и процессы перемешивания происходят достаточно интенсивно.
Главными управляющими воздействиями на содержание углерода являются: расход кислорода на продувку; положение продувочных фурм; расход руды и окалины. Поскольку процесс окисления углерода в ванне необратим и идёт непрерывно, уместно говорить о регулировании скорости выгорания углерода, которая более подвержена изменениям и может колебаться в широких пределах. Так, в ряде случаев, связанных с задержкой плавки по организационным причинам или с недостаточной температурой металла, возможно снизить до определённого предела скорость выгорания углерода путём уменьшения подачи кислорода в ванну. Более эффективное воздействие на изменение скорости обезуглероживания оказывает положение продувочных фурм.
1 ПГТУ, канд. техн. наук, проф.
2 ПГТУ, студент
Управляющие воздействия на температуру металла или на скорость нагрева ванны совпадают с управляющими воздействиями на скорость окисления углерода. Комбинируя соотношение газообразного кислорода и руды (окалины), вводимых в ванну, можно обеспечить нужную (заданную) скорость нагрева металла при определённой скорости выгорания углерода.
В связи с вышеизложенным, для эффективного управления основными параметрами плавки необходимо обладать динамическими характеристиками сталеплавильной ванны. Однако определение динамических характеристик жидкой ванны (кривых разгона, передаточных функций, амплитудно-фазовых характеристик) по различным каналам (например, по каналу: интенсивность продувки - скорость обезуглероживания; тепловая нагрузка - скорость нагрева металла; скорость обезуглероживания - скорость нагрева металла и т. п.) сопряжено с большими трудностями.
Безусловно, снятие динамических характеристик ванны можно производить сразу по нескольким каналам и затем, применяя принцип суперпозиции, находить суммарную динамическую характеристику ванны. Но такой способ зачастую бывает сложным и применим только для линейных систем.
По данным ряда исследований постоянная времени Т и время запаздывания х3 жидкой-ванны по параметру «температура металла» лежат в пределах 120- 360 мин и 8 - 13 мин соответственно. При таких характеристиках сталеплавильной ванны построить быстродействующую систему автоматического управления температурой металла и содержанием углерода не представляется возможным.
Управление сталеплавильной ванной, таким образом, должно преследовать следующие цели: способствовать ускорению процессов окисления, нагрева и дегазации металла и удаления неметаллических включений; определению интенсивности подачи газообразных и количества твёрдых окислителей; предсказанию момента выпуска плавки. Необходимо отметить, что при существующих условиях работы сталеплавильных агрегатов конечные значения температуры и содержания углерода в стали должны быть достигнуты за минимальное время.
Наиболее эффективное воздействие на процесс плавки оказывают интенсивность подачи кислорода, положение фурм и режим дачи присадок (охладителей). Указанные выше управляющие воздействия должны обеспечить синхронность процессов нагрева и обезуглероживания ванны. Глубина погружения фурмы в металл вызывает существенное перераспределение скоростей нагрева и выгорания углерода, но в то же время от положения фурмы изменяются вынос пыли, разбрызгивание металла и шлака, стойкость фурмы и т.п. Поэтому положение фурмы целесообразно стабилизировать на оптимальном уровне (обычно - на границе шлак-металл), изменяя лишь в том случае, когда невозможно достичь требуемых соотношений роста скорости нагрева и скорости выгорания углерода. Например, изменением расхода кислорода или количества охлаждающих присадок.
Известно [1], что при необходимости координации скорости обезуглероживания ванны и скорости роста температуры металла, процесс на определённом периоде плавки выражается в виде равенства
где (2 и Ск - текущее и конечное содержания углерода; 1к и и - конечное и текущее значения
г
температуры; V и - скорости обезуглероживания и нагрева ванны.
Если процесс нагрева ванны отстаёт от процесса обезуглероживания, т. е.
(1)
с.-с, г, -г
г (2), то необходимо, например, уменьшить глубину погружения фурмы
с г
(опустить ниже границы шлак-металл).
Если же скорость роста температуры металла больше скорости обезуглероживания, т. е.
С-С, /, /
I к
/ (3), то следует приступить к даче необходимого количества охладителей (руды
V
V
или окалины) либо увеличить глубину погружения фурмы. Ввод охладителей допускается
лишь в том случае, если перегрев металла над линией ликвидус А1 > 30-е-40" С.
Предложенный выше алгоритм управления сталеплавильной ванной на первом этапе может быть реализован в виде системы, построенной по схеме «советчика мастера».
На рисунке показана структурная схема такой системы.
Основная задача системы - обеспечение синхронности нагрева и обезуглероживания металла, т. е. выполнения условия (1).
Система включает в себя: вычислительный блок (БВ), блок синхронизации (БС), подсистему регулирования расхода кислорода на продувку (КВ), подсистему управления положением продувочной фурмы (III1Ф). блок ограничивающих факторов (БОФ) и блок перегрева температуры металла (БТП).
Блок БВ на основании поступающей в него информации о текущих значениях температуры 1! металла и содержания углерода С! выполняет расчёт скорости нагрева по выражению
у Л2Ч1, (4)
г2 г 1
т2-тх
где I гз. г температура металла в момент времени Г 2. а X -п - в момент времени т ^ • а также расчёт скорости обезуглероживания
С,-С V = '
'т 1
Т2
(5)
здесь С - содержание углерода в момент времени7. а С г2 - в момент времени Т2 .
Блок БС определяет значения левой и правой частей выражения (1). Если в результате вычисления окажется, что нагрев металла отстаёт от процесса науглероживания, т.е. имеет
место условие (2), то блок выдаст команду (совет) на подъём фурмы. Если при этом наблюдается, например, перегрев кладки агрегата либо возрастает разбрызгивание шлака, на блок БОФ поступает соответствующая информация и последний ограничивает дальнейший подъём фурмы и выдаёт команду на изменение расхода кислорода таким образом, чтобы выполнялось условие (1).
В случае превышения скорости нагрева металла над скоростью безуглероживания, см. условие (3), блок БС вырабатывает команду (совет) на увеличение глубины погружения фурмы либо ввод охлаждающих присадок.
Рис. - Блок-схема системы управления
Команда навыпуск или раскисление
Последняя команда выдаётся через блок БТП, при условии соблюдения Л1;м> 30-^40 °С. При достижении ЪИ^ и [С;]=[СК] блок БС вырабатывает команду на выпуск плавки. Предлагаемая система управления сталеплавильной ванной на основе алгоритма (1) обеспечивает оптимальный режим ведения плавки, исключает резкие изменения управляющих воздействий, что в итоге приводит к улучшению технико-экономических показателей сталеплавильного агрегата.
Система практически легко реализуется с помощью типовых микроконтроллеров при условии непрерывного контроля температуры жидкого металла и содержания углерода.
Выводы
Выполнен анализ известных подходов к сталеплавильной ванне как объекта автоматического управления. Показано, что жидкая ванна - это сложный объект, управляемые параметры которого взаимосвязаны между собой, что в значительной степени затрудняет описание физико-химических процессов, протекающих в ней.
Предложен алгоритм управления сталеплавильной плавкой и на его основе разработана система синхронного управления скоростью обезуглероживания и скоростью нагрева жидкой ванны. Система управления легко может быть реализована на базе управляющих контроллеров.
Перечень ссылок
1. Греков Е. А., Бейтелъман И. С. Статическая модель управления сталеплавильной ванной// Известия вузов. Чёрная металлургия,- 1965,- №11- С.48-49.
2. Кочо В. С., Прядкин Л.Л. К вопросу управления нагревом металла в мартеновской печи// Известия вузов. Чёрная металлургия,- 1967,- №6,- С. 143-144.
3. Кочо В. С., Самсонов Г. В. Непрерывный контроль температуры жидкой стали в период доводки мартеновской плавки. - К.: Техника, 1965. - 156с.
Шевцов Евгений Кириллович. Канд. техн. наук, проф. кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств», окончил Киевский политехнический институт в 1961г. Основное направление научных исследований - разработка датчиков для контроля теплотехнических и технологических параметров в металлургии.
Орлов Дмитрий Николаевич. Студент группы МА - 99.
Статья поступила 08.05.2002
