Использование систем и средств автоматизации технологических объектов на предприятии ОАО "ММК"

Во время кристаллизации формирующийся слиток металла постоянно перемещается вверх-вниз относительно кристаллизатора посредством небольших цилиндров, расположенных в ручье. Это позволяет уменьшить количество трещин. Вокруг каждого ручья создается сильное электромагнитное поле, которое позволяет формировать надлежащую кристаллическую структуру заготовки.

После выпуска металла из сталеплавильного агрегата, доводки сплава по химическому составу и температуре на агрегате ковш-печь (АКП), сталеразливочный ковш перемещается литейным краном на поворотный стенд МНЛЗ. Поворотный стенд - вращающаяся конструкция с двумя позициями для установки ковшей. После опустошения сталеразливочного ковша в промежуточный ковш, в процессе разливки, стенд поворачивается на 180° и полный, ранее установленный ковш переводится в позицию разливки в промежуточный ковш. Одновременно опустошённый ковш заменяется полным. Таким образом, обеспечивается наличие расплавленного металла в промежуточном ковше.

После открытия шибера ковша 1 жидкий металл начинает поступать в промежуточный ковш 2. Промежуточный ковш является своего рода буфером между сталеразливочным ковшом и кристаллизатором 3. Уровень металла перед стопором разливки регулируется заслонкой 4. После открытия стопора 5 (стопорный механизм позволяет плавно регулировать поток металла в кристаллизатор, поддерживая в нём постоянный уровень) из промежуточного ковша металл поступает в кристаллизатор. Кристаллизатор представляет собой водоохлаждаемую конструкцию, которая при помощи сервоклапана совершает вертикальные колебания, для предотвращения застывания металла на стенках кристаллизатора и предотвращения образования трещин.

В зависимости от конструкции МНЛЗ размеры кристаллизатора могут варьироваться. В кристаллизаторе происходит застывание стенок формируемого слитка (например, сляба). Далее, под воздействием тянущих роликов 7 сляб попадает в зону вторичного охлаждения (криволинейный участок ручья), где на металл через форсунки разбрызгивается вода.

После выхода непрерывной заготовки на горизонтальный участок роликового ручья, её разрезают на куски (резка кислородным газовым резаком, дисковой пилой или ножницами). Газовый резак и пила работают по "летающему" принципу, - в процессе резания перемещается со скоростью, равной скорости движения заготовки, после завершения резания - быстро перемещается в исходную позицию начала резания для выполнения следующей фазы цикла резания.

Некоторые установки непрерывной разливки не имеют непрерывно действующих режущих устройств, в таких установках дальнейшая обработка непрерывной заготовки совмещается с последующей обработкой, например, установками волочения проволоки, либо, при небольших размерах сечения (10-30 мм), сворачивается в бухты для последующей переработки.

Для пуска процесса непрерывного литья, перед открытием шибера на пром-ковше, на радиусный участок ручья заводится "затравка", таким образом, в районе кристаллизатора образуется своего рода карман. После наполнения этой полости металлом начинается вытягивание "затравки". На конце радиусного участка расположен механизм отделения затравки. После отделения она отводится рольгангом на большей скорости, чем скорость разливки.

5.2 Автоматический контроль на МНЛЗ

Основные технологические параметры и их величины, контролируемые при работе МНЛЗ, представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Параметры, автоматически контролируемые на МНЛЗ

Параметр	Способ контроля параметра	Пределы измерения
Температура металла в сталеразливочном ковше	Термопара разового действия (погружения)	1500 - 1700°С
Температура металла в промежуточном ковше	Термопара разового или непрерывного действия	1500 - 1700°С
Температура воды в кристаллизаторе	Термометр сопротивлений (медный)	10 - 60°С
Температура поверхности слитка в зоне вторичного охлаждения	Пирометр "Спектропир"	700 - 1300°С
Уровень металла в промежуточном ковше	По массе металла (тензодатчик)	0 - 800 мм
Уровень металла в кристаллизаторе	Гамма-уровнемер	0 - 180 мм
Расход охлаждающей воды в кристаллизатор и на секции вторичного охлаждения	Расходомеры	В зависимости от размеров МНЛЗ
Усилие вытягивания слитка	Магнитострикционные датчики, установленные под кристаллизатором	В зависимости от размеров МНЛЗ
Скорость разливки	Тахогенератор	В зависимости от размеров МНЛЗ
Длина слитка	Датчик импульсов и сумматор	В зависимости от размеров МНЛЗ

Температура контролируется термопарами, конструкция которых используется в сталеплавильных агрегатах. Применяются и поверхностные хромель-алюмелевые термопары в специальных штуцерах, привариваемых к корпусу промежуточного ковша, позволяющие оценить его общее тепловое состояние. Очень важным параметром, характеризующим ход процесса затвердевания слитка, является температура его поверхности в зоне вторичного охлаждения. Эта температура измеряется в одной или нескольких точках по длине слитка с помощью оптических пирометров, нечувствительных к наличию паров воды в зоне визирования, например, пирометров "Спектропир-8",имеющих показатель визирования 1:100.

Уровень жидкой стали измеряется в промежуточном ковше и в каждом кристаллизаторе. Непосредственное измерение уровня стали в промежуточном ковше:

- расположение по высоте футеровки промежуточного ковша, электродов, контакт которых с жидким металлом обеспечивает замыкание соответствующих электрических контуров и индикацию уровня металла;

- применение следящей системы, в которой специальный электрод перемещается вертикально до образования контакта с жидким металлом; - использование проволоки, подаваемой специальным устройством до соприкосновения с жидким металлом. По электрическому сопротивлению этого участка судят о длине этой зоны и, следовательно, о расстоянии до поверхности металла в промежуточном ковше.

Однако, наиболее широкое применение нашли методы косвенного измерения уровня стали, основанные на определении массы металла в промежуточном ковше с помощью тензодатчиков (месдоз).

Для измерения уровня металла в кристаллизаторе используются различные контактные и бесконтактные методы. Примером контактного метода может служить использование нескольких, термопар, зачеканенных на внутренней поверхности кристаллизатора. Наибольшее значение термоэдс дает представление об уровне металла в кристаллизаторе. Точность измерения уровня соответствует расстоянию между ближайшими термопарами.

Наибольшее распространение получили бесконтактные способы, один из которых основан на изменении интенсивности г- излучения, "просвечивающего" кристаллизатор с металлом. Поток г- излучения от источника, расположенного с одной стороны кристаллизатора, проходит через стенки кристаллизатора, жидкий металл и попадает в приёмник излучения, установленный с противоположной стороны кристаллизатора. Интенсивность воспринимаемого приёмником г-излучения зависит от уровня металла: чем он выше, тем сильнее ослабевает поток г- излучения. В таких г-уровнемерах диапазон измерения уровня стали составляет (0…200)мм при точности измерения. Для повышения точности измерения уровня стали в кристаллизаторе необходимо создание конструкций, обеспечивающих синхронное перемещение датчика и приёмника г- излучения с качающимся кристаллизатором.

Усилие вытягивания слитка из кристаллизатора определяется тензодатчикми, наклеенными на балки, несущие кристаллизатор, или с помощью специальных магнитнострикционных датчиков, на которые оказывает воздействие кристаллизатор. Действие датчиков такого типа основано на изменении магнитных свойств магнитномягких материалов под действием приложенных к ним усилий. Так как воздействие качающегося кристаллизатора на датчики циклически изменяется, то предусмотрена синхронизация качания кристаллизатора и цикла измерения усилия вытягивания слитка.

Скорость разливки (скорость вытягивания слитка) автоматически измеряется тахогенератором, связанным с валом электродвигателя привода тянуще-правильной клети МНЛЗ. Сигнал тахогенератора поступает на вторичный электроизмерительный прибор, шкала которого проградуирована в единицах линейной скорости движения непрерывнолитой заготовки.

Система автоматического контроля и оптимизации ритма разливки помогает оператору поддерживать оптимальную скорость на протяжении разливки серии плавок в режиме "плавка на плавку". Принцип работы АСУ основан на непрерывном определении времени, оставшегося до конца разливки данного сталеразливочного ковша, на основании информации о текущих значениях скорости разливки, массы металла и других параметров, и сравнении этого времени с заданным из условий контактного графика разливки плавок.

Длина слитка (непрерывнолитой заготовки) формируется путём суммирования единичных импульсов, каждый из которых характеризует прохождение через зону измерения определённой длины слитка. Сельсин-датчик через вспомогательный редуктор связан с электроприводом тянуще-правильной клети МНЛЗ и, работая в режиме генератора переменного тока, передает переменное напряжение (за каждый оборот сельсина-датчика в синусоидальном цикле генерируется по две амплитуды) на устройство формирования коротких прямоугольных электрических импульсов, которые поступают в сумматор и количество импульсов преобразуется в линейные единицы, соответствующие длине слитка, вышедшей из первой клети тянуще-правильной машины. По скорости машины выдается задание газорежущему устройству на порез заготовок требуемой потребителем длины. Толщина оболочки затвердевшей заготовки ("твёрдой" корочки поверхности слитка) измеряется несколькими способами: радиоизотопным, электропроводимости, ультразвуковой локации, ультразвуковой проницаемости и силовым.

Измерение общей длины слитка с дискретностью 10 мм осуществляется с помощью двух датчиков, первый из которых установлен на приводе роликов радиального участка МНЛЗ и используется только в начальном периоде разливки стали. Второй датчик используется в основном периоде разливки и установлен в горизонтальной части машины на специальном неприводном ролике, который прижимается к слитку с усилием, обеспечивающим его надёжное сцепление с поверхностью (без проскальзывания). Датчиком является импульсный преобразователь с чувствительным бесконтактным элементом.

Для определения мерной длины слитка используется датчик на неприводном прижимном ролике, с помощью которого индуцируется расстояние от конца слитка до исходного положения газорезки. После каждого результата показания прибора сбрасываются на ноль. Показания указателя мерной длины заготовки используются для управления газорезкой непрерывнолитой заготовки.

Рисунок 5.2 - Функциональная схема АСУ ТП непрерывной разливки стали

Устанавливается и дополнительный прибор который показывает, в каждый данный момент времени, недостающую до мерной длину заготовки, с учётом длины слитка от уровня металла в кристаллизаторе. По мере вытягивания слитка, показания прибора меняются от установленной мерной длины до нуля. В момент, когда это показание становится равным нулю, длина слитка в ручье МНЛЗ кратна мерной длине заготовки. Сигнал из этого прибора может служить командой на перекрытие стопора (шибера) промежуточного ковша данного ручья в конечной фазе разливки, с целью оптимизации выхода мерных заготовок.

5.3 Автоматизация машин непрерывного литья заготовок

Машины непрерывной разливки стали требуют совершенной системы автоматического контроля и регулирования. Отклонения от установленного режима разливки, могут приводить к снижению уровня производительности агрегата, ухудшению качества металла и самой непрерывнолитой заготовки, возникновению аварийных ситуаций в работе МНЛЗ. АСУ ТП способствуют устранению возмущающих воздействий, обеспечивают наиболее рациональный технологический режим разливки стали и безопасную работу агрегата.

На рис. 5.3 представлена схема автоматизации МНЛЗ, а на рис. 5.4 схема автоматического контроля и регулирования и регулирования процессов разливки стали.

Компенсация влияния "качания" кристаллизатора осуществляется с помощью сигнала индуктивного датчика. Для повышения надёжности работы МНЛЗ и определения конца разливки металла, контролируется появление шлакового слоя (барьера) в кристаллизаторе. Измерительное устройство, с помощью точечного радиоактивного излучателя и счетчика, устанавливает наступление этого момента.



Рисунок 5.3 - Функциональная схема автоматизации МНЛЗ

Температура поверхности слитка измеряется с помощью оптических пирометров. Пирометры устанавливаются в защитном кожухе, охлаждаемом водой. Оптика обдувается сжатым воздухом, который кроме того, защищает место визирования на металл от воды и тумана. Цветной пирометр обеспечивает точное измерение температуры поверхности слитка только в тех случаях, когда не менее 50% поля визирования находится вневодной и паровой завесы. В системе регулирования уровня стали в кристаллизаторе с помощью стопора промковша используется привод с импульсным шаговым устройством управления и регулятор с характеристикой ПИ, генерирующий импульсы, длительность которых коррелируется с уровнем металла (при небольших рассогласованиях заданного и фактического уровня стали базовая длительность импульсов составляет 60мс).

В случаях невозможности стабилизации уровня металла стопорным механизмом, включается контур П-регулирования, посредством изменения скорости вытягивания слитка из кристаллизатора. Кратковременные колебания результатов измерений, являющихся следствием различной толщины окалины на поверхности слитка, неравномерности распределения воды системой вторичного охлаждения слитка или возникновения паровой (водяной) завесы на месте измерения, устраняются посредством элементов сглаживания поступающих в систему сигналов измерителей температуры. При уходе конца слитка из зоны контроля температуры, регуляторы отдельных секций вторичного охлаждения последовательно отключаются. Положение за датчика регулятора определяет режим охлаждения начальной части (переднего конца) следующего слитка. При прерывании процесса разливки стали по различным причинам, устройства предельных (аварийных) сигналов обеспечивают работу регуляторов для создания такого технологического режима, в котором сохраняется образовавшаяся корочка (оболочка) и предотвращается попадание жидкой стали в систему опорных роликов, участка вторичного охлаждения металла.

Визуальный контроль с помощью промышленного телевидения позволяет обслуживающему персоналу МНЛЗ наблюдать различные "критические" (особо опасные по эксплуатационной надёжности) участки технологической линии разливки металла (криволинейный участок, участок разделения холодной "затравки" от горячего слитка и другие), находящиеся на большом расстоянии друг от друга и от рабочих мест обслуживающего персонала (например, операторов МНЛЗ).

Благодаря использованию современных управляющих вычислительных машин (УВМ), в системах автоматизированного управления работой МНЛЗ реализуются:

- централизованный и допусковой контроль технологических параметров разливки;

- оптимизационные расчёты для управления режимом литья, вторичным охлаждением и раскроем непрерывного слитка;

- протоколирование процесса разливки и порезки металла;

- обмен информацией с АСУ ТП плавки и системой автоматизированного управления производством АСУ ТП сталеплавильного цеха.

6. Дуговые сталеплавильные печи

В настоящее время электродуговые печи являются самыми эффективными и экологически чистыми сталеплавильными агрегатами, используемыми для массового производства стали с повышенными потребительскими свойствами.

Возможность сосредоточенного ввода значительного количества тепловой энергии в сочетании с простотой управления подводимой электрической мощностью является неоспоримым преимуществом дуговых сталеплавильных печей (ДСП) по сравнению с другими агрегатами для производства стали. В электродуговых печах особенно удобно перерабатывать стальной лом и металлизированное сырьё (продукт бескоксового восстановления железа).

Однако электродуговым агрегатам присущи и некоторые недостатки, к которым относятся высокие удельные затраты электроэнергии на выплавку тонны металла, загрязнение стали цветными металлами, а также трудность получения низкоуглеродистых сталей.

В современных условиях высокопроизводительного электросталеплавильного производства сверхмощные ДСП все больше начинают использоваться как высокоэффективные технологические агрегаты для расплавления металлошихты и нагрева полученного расплава до заданной температуры.

Наиболее значимым периодом электросталеплавильного технологического процесса является период расплавления металлошихты, в котором потребляется более 70% электрической энергии, затраченной на всю электроплавку, за вычетом тепла, выделяющегося при экзотермических реакциях окисления [С], [Si], [Mn], [Fе] и других элементов, и тепла, выделяющегося от сжигания природного газа в комбинированных газокислородных горелках-фурмах. Основным источником тепловой энергии при выплавке стали в ДСП является тепловая энергия, выделяющаяся при горении электрических дуг между электродами и металлошихтой или расплавом металла.

6.1 Особенности технологического процесса выплавки стали

Дуговая печь серии Ultimate компании VAI "FUCHS" была введена в эксплуатацию в 2006 г. на территории открытого акционерного общества "Магнитогорский металлургический комбинат" (ОАО "ММК"). VAI "FUCHS" предлагает печь нового поколения, созданную на базе результатов исследований и разработок в сочетании с передовыми технологиями и конструктивными особенностями электродуговых печей. Печь серии Ultimate (масса плавки 180 т, средняя продолжительность плавки от выпуска до выпуска 42 - 48 мин) рассчитана на производство примерно 1,8 млн. т стали в год. Общий вид печи серии Ultimate показан на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - Общий вид печи серии Ultimate

Печь серии Ultimate оборудована следующими установками и системами: автоматическая установка корзины для лома; робот для очистки рабочего окна; измерение температуры ванны жидкой стали; технология вдувания кислорода и углеродсодержащих материалов с помощью RCB (рафинирующей комбинированной горелки); автоматическое управление выпуском плавки с главного пульта печи с помощью видеокамеры; автоматическое распознавание появления шлака во время выпуска стали с помощью системы ИРИС (системы распознавания по инфракрасному излучению); робот для очистки выпускного отверстия; кран с двумя вспомогательными крюками для быстрой замены электродов; стенд для перезапуска электродов с орошающим охлаждением водой.

Рисунок 6.2 - Расположение устройств для вдувания кислорода и углеродсодержащих материалов (вид сверху): 1 - робот для очистки окна; 2 - система бесконтактного измерения температуры; 3 - ИРИС

Система вдувания кислорода и углеродсодержащих материалов RCB, изображенная на рисунке 6.2, форсирует поступление экзотермического тепла и активно ускоряет дожигание. Глубокий ввод струи под уровень жидкой стали обеспечивается конструкцией выступающей панели системы. Робот для очистки рабочего окна очищает эту зону от лома во время завалки, поэтому нет необходимости в оконной горелке или фурме. Система распознавания появления шлака по инфракрасному излучению ИРИС определяет идеальный момент для выпуска плавки с минимальным попаданием шлака в ковш. Благодаря роботу для очистки выпускного отверстия не только сократилась продолжительность этой операции и высвободилось рабочее время, но и значительно улучшились условия труда обслуживающего персонала. Печь ДСП-180 имеет характеристики, показанные в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Основные технические и эксплуатационные характеристики ДСП-180

Наименование параметров	Значение
Масса плавки:
- номинальная, т	180
- максимальная, т	210
- остаток металла после выпуска, т	30
Мощность трансформатора, МВА	150
Вторичный ток, kA	70
Частота тока, Гц	50
Высоковольтное напряжение, В	800-1225-1400
Количество рабочих ступеней трансформатора, ед.	23
Диаметр кожуха на уровне откосов, мм	7400
Диаметр выпускного отверстия, мм	200
Диаметр распада электродов, мм	1200±50
Диаметр графитированных электродов, мм	600-610
Ход электродов, мм	6300
Максимальная скорость перемещения электродов:
- автоматический режим, мм/с	80-120
- ручной режим, мм/с	300
Высота подъёма свода, мм	400
Угол поворота свода, град.	70
Угол наклона печи:
- на слив металла, град.	20
- на слив шлака, град.	10
Объем загрузочной бадьи, мі	16,5
Объем ванны, мі	29,7
Глубина ванны, мм	1290
Производительность по вдуванию:
- кислорода, нмі/ч	6 х 2800
- природного газа, нмі/ч	6 х 350
- углерода, кг/мин	2x60
Мощность горелок RCB, кВт	6 х 3500
Высота системы охлаждения стен, мм	3210
Общая площадь водоохлаждаемых элементов, м 2	75
Площадь водоохлаждаемой панели свода, м 2	57
Расход воды на охлаждение:
- свод, мі/ч	550
- кожух печи, мі/ч	950
- трансформатор, мі/ч	160
- общий расход, мі/ч	1950

Рисунок 6.2 - Общий вид ДСП нового поколения серии Ultimate: 1 - печной трансформатор; 2 - гибкий токопровод; 3 - токоведущие рукава; 4 - водоохлаждаемый свод; 5 - газокислородная горелка; 6 - комбинированная горелка; 7 - инжектор угольной пыли; 8 - робот для очистки порога шлакового окна; 9 - медные водоохлаждаемые стеновые панели с повышенным тегатосьемом; 10 - стальные водоохлаждаемые стеновые панели; 11 - электрод; 12 - робот для очистки канала донного выпуска.

К конструктивным особенностям основных механических элементов относятся:

- прочность, простота и надежность массивных конструкций;

- повышение корпуса печи, рассчитанного на загрузку одной корзины; портальная конструкция с системой подъема свода в одной точке;

- система призматических роликовых направляющих для колонн электродов с целью уменьшения вибрации; разъемная конструкция корпуса печи, состоящая из секции стальных панелей в верхней части и секции медных панелей в нижней части и в районе шлака, в том числе специальных неподвижных панелей для высокоскоростного вдувания кислорода и углесодержащих материалов (RCB);

- плотная стыковка и крепление панелей к корпусу печи во избежание их смещения;

- усовершенствованная жесткая конструкция накладной площадки.

Кроме того, число операторов печи серии Ultimate можно сократить до трех человек в смену: на пульте ДСП, на площадке, машинист крана.

Использование современных компьютерных программ показало, что работа печи серии Ultimate привела к сокращению продолжительности нахождения печи под током, более стабильному уровню производства, улучшению техники экономических показателей.

Анализ приведенных характеристик позволяет отметить следующие инновационные особенности новой печи.

Высокоимпедансная характеристика означает, что в систему электроснабжения ДСП дополнительно включено реактивное сопротивление (реактор), повышающее общее сопротивление электропечного контура (импеданс) и обеспечивающее возможность работы печи на энергосберегающих режимах повышенных вторичных напряжений и пониженных рабочих токов, что является необходимым элементом современной сталеплавильной технологии.

Современная верхняя ступень вторичного напряжения (1600 В) имеет самое высокое значение для ДСП последних поколений. Это позволяет вводить ультравысокую электрическую мощность до 200 МВт с использованием стандартных качественных электродов диаметром 610 мм на допустимом для них рабочем токе не выше 100 кА при умеренном расходе технологической электроэнергии и электродов.

Высокое печное пространство около 4,5 м над зеркалом ванны (в 1,5 раза повышает соответствующую высоту на печи ДСП-180) предусмотрена для одноразовой завалки шихты, а также для того, чтобы использовать его в качестве "шахты" для нагрева столба металлошихты печными газами.

Альтернативные источники энергии (топливные горелки) служат вспомогательным средством интенсификации плавки, их тепловая мощность составляет 10...12% вводимой в печь активной электрической мощности. Это отражает современные тенденции по сокращению выбросов SO2 из металлургических агрегатов с учетом платы за квоты парниковых газов.

Комбинированная продувочная горелка представляет собой компактное водоохлаждаемое устройство, в котором сочетается сжигание природного газа с вдуванием углерода в струи кислорода. Направленный поток кислорода, подаваемый со сверхзвуковой скоростью, окружается пламенем газокислородной горелки, при этом пламя с высокой динамической вязкостью создает "завесу" в струе кислородного потока и снижает потери его кинетической энергии. Поток кислорода вдувается в пространство печи со сверхзвуковой скоростью 3,5 м/ч и не раскрывается, оставаясь когерентным на расстоянии 2 м, что обеспечивает эффективное проникновение кислорода через шлак в сталь и более полное его использование по сравнению с погруженными фурмами.

Компактность конструкции и эффективность высокоскоростного кислородного потока позволяют крепить горелку стационарно на боковой стенке печи на специально сконструированных панелях, которые защищают горелку от повреждений во время завалки лома. Шлаковое окно при продувке остается закрытым, подсос воздуха в печь уменьшается, сокращаются потери тепла излучением. Водоохлаждаемый инжектор угля, установленный на одной панели с горелкой RCB, поддерживает процесс вспенивания шлака и способствует восстановлению FeО в шлаке. Конструкция обеспечивает хорошее перемешивание угольной пыли, шлака и металла в струе кислорода, что сводит к минимуму излучения от дуги на стены и свод и повышает эффективность использования энергии.

Другие инновационные изменения внесены в основную конструкцию печи (механические узлы и оборудование, токоподвод, водоохлаждаемые элементы), а также в робототехнические системы, средства измерения, инжекционные системы, АСУ ТП, системы защиты окружающей среды.

6.2 Автоматизированное управление процессом плавки

Дуговая электросталеплавильная печь является мощным трехфазным агрегатом с соответствующим силовым электрическим оборудованием. Высокотемпературные дуги обеспечивают расплавление шихты и нагрев ванны до нужной температуры. Каждая плавка может быть подразделена на три основных периода:

- расплавление загруженной в печь твердой шихты;

- окисление (кипение) жидкой ванны;

- раскисление ванны (восстановительный период).

Периоды плавки обуславливаются особенностями протекания физико-химических процессов и определяют различия задач системы автоматического контроля.

Управляющими воздействиями на процесс плавки в дуговой печи являются:

- электрическая мощность;

- напряжение питающего тока (длина дуги);

- состав шихты, количество и состав присадок;

- расход кислорода на продувку металла;

- электромагнитное перемешивание ванны.

Возмущающие воздействия, прежде всего можно подразделить на две группы: возмущения электрического режима и возмущения технологического и теплотехнического режима.

Возмущения электрического режима возникают из-за обвалов шихты в период плавления, кипения металла в периоды с жидкой ванной, обгорания электродов, подъема уровня металла по мере плавления, колебаний сопротивления дугового промежутка, вызванных изменениями температурных условий в зоне дугового разряда. Возмущения технологического и теплотехнического характера связаны с нестабильностью состава шихты, нестационарностью протекания физико-химических реакций в ванне, введением присадок, износом кладки, выбиваниями и подсосом газов в печь.

К основным задачам автоматизированного управления процессом плавки в ДСП можно отнести следующие:

1. Централизованный контроль за ходом технологического процесса с сигнализацией и регистрацией отклонений от заданных параметров.

2. Управление металлургическим процессом:

2.1. Расчет оптимального состава шихты, исходя из планируемых заданий и наличия исходных сырьевых материалов;

2.2. Управление загрузкой печи в соответствии с рассчитанным составом шихты;

2.3. Расчет кислорода, легирующих и шлакообразующих, обеспечивающих получение металла заданного состава и качества и экономию материалов;

2.4. Прогнозирование момента окончания технологических периодов с обеспечением заданных значений температуры и химического состава металла.

3. Управление энергетическим режимом, обеспечивающее:

3.1. Введение электроэнергии с учетом теплового состояния печи и тепловой энергии, вводимой в печь другими источниками;

3.2. Максимальное использование мощности печи;

3.3. Минимальные удельные расходы энергоносителей;

3.4. Нормальную эксплуатацию электрического и другого печного оборудования.

4. Управление вспомогательными операциями (отбором проб, замером температуры металла и др.).

5. Сбор и обработку информации с выдачей необходимой документации, в том числе учет и регистрацию расходов шихтовых материалов, электроэнергии, кислорода и других энергоносителей, распечатка протоколов плавки.

6. Контроль за работой оборудования с сигнализацией и регистрацией неисправностей и непредвиденных остановок.

Предусматриваемый на ДСП объем средств автоматического контроля и управления должен обеспечивать поддержание с требуемой точностью заданных технологией режимов и параметров процесса электроплавки, а также безопасность эксплуатации агрегата.

Рациональный объем автоматизации новых и реконструируемых печей определяется с учетом технологически требований к управлению процессом выплавки различных марок сталей, развития электросталеплавильного производства в направлении повышения удельной мощности трансформаторов, использования данных о передовом зарубежном опыте и научных разработок в области автоматизации процесса электроплавки.

ДСП необходимо оснащать современными быстродействующими регуляторами мощности, обеспечивающими высокие технико-экономические показатели и имеющими высокую надежность. Автоматический регулятор должен поддерживать заданное соотношение между силой тока и напряжением дуги в данной фазе печи при наименьших дисперсиях, обеспечить скорость перемещения электрода не менее 5-6 м/мин. Системы управления весовым дозированием компонентов металлошихты и дозированием ферросплавов и шлакообразующих материалов должны обеспечить подачу металлошихты в бадью и ферросплавов для загрузки в печь с погрешностью не долее 0.3%.

Система управления электрической мощностью должна обеспечить программное изменение мощности и ступени напряжения трансформатора в соответствии с заданным электрическим режимом плавки, поддержание заданной мощности трех фаз с погрешностью не более 2.0% и заданного температурного графика металла по ходу плавки с отклонениями, не превышающими 15°С. Система управления химическим составом металла должна обеспечить получение заданного состава стали в соответствии с требованиями ГОСТ или ТУ. Группа печей емкостью 50-200 т должна АСУ ТП плавки с использованием УВМ.

АСУ ТП выплавки стали в ДСП выполняет следующие функции:

- расчет шихты, кислорода, легирующих и шлакообразующих материалов;

- расчет параметров электрического режима;

- выдачу и коррекцию заданий локальным системам управления;

- регистрацию и сигнализацию отклонения текущих параметров от заданных значений, регистрацию неисправностей оборудования и нарушений технологического режима;

- централизованный контроль основных технико-экономических показателей работы печи;

- выдачу информации на печь;

- выдачу оперативной технологической информации оператору.

Автоматизация дуговых сталеплавильных печей в рациональном объеме должна обеспечить:

- увеличение производительности электропечей на 3-5%, сокращение расхода электроэнергии на 2-4%, повышение стойкости футеровки на 5-8% за счет оптимизации энергетического режима плавки и повышения точности поддержания заданного режима;

- снижение затрат на металлошихту, легирующие и шлакообразующие материалы на 1-2% за счет рационального их использования;

- снижение себестоимости выплавляемого металла не менее, чем на 1.5%.



Рисунок 6.3 - Рациональный объем автоматизации ДСП

Процесс автоматизации ДСП содержит в себе: 1 - устройство для измерения расхода активной энергии; 2 - устройство для измерения среднеквадратичных токов; 3 - устройства для измерения расхода, температуры и состава отходящих газов; 4 - устройство для измерения положения кислородной фурмы; 5 - устройство для определения состава стали и шлака; 6 - устройство дли измерения расхода газа и кислорода на горелки; 7 - устройство для измерения температуры футеровки; 8 - устройство для измерения температуры металла в ванне печи; 9 - устройства для измерения расхода, давления и температуры воды; 10 - устройство для измерения положения электродов; 11 - устройство для измерения расхода реактивной энергии; 12 - устройство для измерения коэффициента мощности; 13 - устройства для измерения активной и реактивной мощности; 14 - устройства для измерения расхода, давления и количества кислорода; 15 - устройство для взвешивания ферросплавов; 16 - устройство для измерения перепада температур воды на входе и выходе охлаждаемых элементов; 17 - устройство для измерения давления и расхода газа; 18 - устройство для взвешивания металлизованных окатышей; 19 - весы для взвешивания скрапа; 20 - устройство для взвешивания шлакообразующих и заправочных материалов; 21 - устройство для взвешивания жидкого металла в ковше; 22 - система автоматического управления (САУ) электрическим режимом; 23 - регулятор мощности; 24 - САУ весовым дозированием металлизованных окатышей; 25 - САУ весовым дозированном ферросплавов и шлакообразующих; 26 - САУ продувкой ванны кислородом; 27 - система регулирования давления газов под сводом печи; 28 - САУ весовым дотированием компонентов металлошихты; 29 - САУ химическим составом металла и шлака; 30 - система измерения времени плавки и технологических интервалов; 31 - система сбора и обработки информации; 32 - УВМ.

В последние годы производство электростали характеризуется увеличением емкости печей, повышением мощности печных трансформаторов, совершенствованием технологии и методов управления рабочим процессом, причем для управления процессом электроплавки все шире применяют АСУ ТП с применением электронно-вычислительных машин ЭВМ. Эти системы выполняют следующие функции:

- расчет оптимального состава шихты, исходя из планируемых заданий и наличия исходных сырьевых материалов;

- расчет количества электроэнергии, кислорода, легирующих и шлакообразующих материалов;

- выбор оптимального режима процесса плавки и выдача управляющих сигналов в локальные системы автоматического управления;

- контроль запасов лома, легирующих отходов, ферросплавов и других материалов;

- выдача оперативной технологической информации оператору печи и на печать;

- контроль за работой оборудования, сигнализацию и регистрацию неисправностей;

- автоматизированный централизованный контроль основных технико-экономических показателей работы печи.

В состав АСУ ТП выплавки стали в ДСП входят локальные системы управления электрической мощностью, продувкой ванны кислородом, давлением под сводом печи, дозированием шихты и легирующих материалов, присаживаемых в печь. АСУ ТП снабжена устройствами контроля массы металлошихты, ферросплавов, жидкого металла; электрических и теплотехнических параметров (мощности, расхода электроэнергии, тока и напряжения печи, расхода и давления кислорода и др.); физико-химических параметров процесса плавки; температуры металла и футеровки печи и контроля состояния и работы оборудования.

Информация о виде и массе шихты поступает в ЭВМ УВК и хранится в памяти машины, которая рассчитывает основные компоненты шихты. Задание на загрузку корзины металлошихтой по видам и массе вводится в САУ взвешиванием металлической шихты мастером с пульта или от УВК. После окончания загрузки всех компонентов шихты в корзину ЭВМ УВК сообщает мастеру печи о готовности корзины с шихтой. Затем тележка подается в печное отделение для выгрузки в печь. В ЭВМ УВК храниться программа всех марок сталей, выплавляемых в ЭСПЦ. Перед началом плавки ЭВМ находит в базе данных выбранную марку стали и выдает общую программу её выплавки. ЭВМ рассчитывает количество электроэнергии, необходимой для расплавления шихты, с учетом экзотермических реакций при вдувании в печь кислорода и тепловых и электрических потерь печи, рассчитывает и выдает в САУ электрическим режимом оптимальные параметры энергетического режима.

Начинается плавление металлической шихты. Система измерения положения электродов определяет моменты начала технологических интервалов периода плавления шихты и передает эту информацию в ЭВМ, которая через САУ электрического режима изменяет ступень печного трансформатора и устанавливает оптимальную величину тока дуги.

Если температура футеровки достигает значения, влияющего на её износ, то САУ электрического режима переключает печной трансформатор на ближайшую низшую ступень напряжения. Перед началом продувки ЭВМ УВК выдает задание в САУ продувкой кислорода - режим продувки. САУ осуществляет перемещение кислородной фурмы, устанавливает её в заданную позицию, производит управление подачей кислорода и при заданном количестве введенного в печь кислорода отключает подачу кислорода и поднимает кислородную фурму.

Экспресс-лаборатория соединена с системой передачи результатов химического анализа. ЭВМ УВК дает команду на отбор пробы металла. При поступлении в экспресс-лабораторию проба отрабатывается и устанавливается в квантометр и в течение 40-60 с анализируется в соответствии с заданной программой. По результатам этого анализа ЭВМ вычисляет, какие материалы (легирующие, шлакообразующие и раскислители) и в каком количестве необходимо ввести в печь. При этом ЭВМ учитывает количество и стоимость материалов, хранящихся в бункерах, вычисляет оптимальный по себестоимости вариант наборов материалов.

САУ дозированием сыпучих и ферросплавов посылает команду на включение вибропитателей под соответствующими расходными бункерами, из которых должны отбираться требуемые материалы. После набора полной дозы материала питатель отключается. Заданная и фактическая массы каждого из дозируемых материалов инициируются на цифровых табло, установленных на пульте управления. При выгрузке материалов их масса регистрируется и передается в ЭВМ. Для стали каждой марки в базе данных ЭВМ хранится оптимальный закон изменения температуры металла. УВК в наперед заданные интервалы плавки периодически информирует сталевара о необходимости произвести замер температуры металла.

Измеренные величины температур передаются в ЭВМ УВК, которая, сопоставив фактические и заданные температуры металла, определяет их разность и вычисляет требуемое количество электроэнергии. САУ электрического режима устанавливает новый электрический режим с учетом того, что следующий замер температуры должен соответствовать заданной температуре металла. Непрерывно получая информацию о текущих значениях мощности тепловых потерь, напряжения сети, температуры подины и футеровки и других показателях, ЭВМ УВК вычисляет электрический и тепловой режимы, отвечающие условиям минимальных удельных расходов электроэнергии, длительности плавления или себестоимости 1т стали.

6.3 Определение контролируемых и неконтролируемых технологических параметров

Любой технологический процесс характеризуется физическими величинами, называемыми показателями процесса. Для одних процессов показатели могут быть постоянными, для других допускается их изменение в заданных пределах по определенному закону. Физические показатели объекта, которые преднамеренно изменяются или сохраняются неизменными в процессе управления, называются управляемыми величинами (регулируемыми координатами).

Управляемый объект и управляющее устройство (т.е. устройство для реализации целенаправленных воздействий) образуют систему автоматического управления.

Воздействия, которые определяют состояние объекта, называют выходными. Выходными переменными служат физические параметры материальных и энергетических потоков (температура, давление, их производные по времени), конструкционные параметры, технологические параметры, влияющие на скорость технологического процесса, выход и качество готовых продуктов. Часть выходных переменных мы можем наблюдать с помощью наблюдающих устройств (идентификаторов) - они называются наблюдаемыми. По этим переменным и ведется управление.

Величины, характеризующие внешнее влияние на систему, или на её части называют входными переменными. К ним относятся управляющие и возмущающие воздействия. Управляющими воздействиями являются управляемые изменения расходов, параметры материальных и энергетических потоков (регулирование подачи сырья, тепловых процессов, частоты вращения приводов).

Воздействия внешней среды называют возмущающими воздействиями. Возмущения могут быть контролируемыми и неконтролируемыми. Они делятся на нагрузку и помеху.

Нагрузка - это возмущающее воздействие на изменение условий работы, поступающее в систему помимо управляющего устройства и влияющее на переменные состояния объекта. Помеха - это возмущающее воздействие, искажающее поступающую в управляющее устройство информацию о нагрузке, состоянии и динамических свойствах объекта (изменение состава, энергетического состояния исходных материалов, отказы оборудования, наводки в проводах, шум, и т.д.).

Характеристика входов и выходов дуговой плавильной печи как технологического объекта управления (ТОУ) представлена в таблице 6.2.

ТОУ - совокупность технологического оборудования и реализуемого на нём технологического процесса. Следовательно, рассматриваемая нами ДСП является ТОУ.

Регулируемые параметры для нашего объекта управления:

- сопротивление дуги и примыкающего участка электрода;

- количество электроэнергии, израсходованной в течение заданного времени;

- время периода плавки, температура футеровки;

- давление газов.

Таблица 6.2 - Характеристика входов и выходов дуговой плавильной печи как технологического объекта управления

Величина	Технологическая характеристика величины
Входные величины	Изменение напряжения в сети электропитания, обгорание электродов, изменение нагрузки отдельных фаз трёхфазной сети электропитания
Возмущения на входе: а) контролируемые	Короткие замыкания при обвалах плавящейся шихты и обрывы дуг в период плавления; изменение свойств шихты (состав, крупность куска) и огнеупорной футеровки
б) неконтролируемые	Возникают из-за обвалов шихты в период плавления, кипения металла в периоды с жидкой ванной, обгорания электродов, подъёма уровня металла по мере плавления, колебаний сопротивления дугового промежутка, вызванных изменением температурных условий в зоне дугового разряда
Возмущения электрического режима технологического и теплотехнического характера	Связаны с нестабильностью состава шихты, нестационарностью протекания физико-химических реакций в печи, введением присадок, износом кладки, выбиваниями и подсосом газов в печь
Управляющие воздействия: а) при автоматическом режиме управления	Полезная электрическая мощность, темп ввода электроэнергии в печь, напряжение дуги, её длина (напряжение питающего тока) и ток фазы; а также электромагнитное перемешивание в печи, расход кислорода на продувку
б) при ручном управлении	Выполнение технологических операций по проведению окислительного и восстановительного периодов, по поддержанию шлакового режима и вводу добавок по ходу плавки; а также состав шихты, количество и состав присадок (для придания заданных свойств металлу)
Выходная величина	Производительность печи, химический состав и температура металла, удельный расход электроэнергии

7. Горячая прокатка

Прокатное производство является завершающей стадией производства металла. Поскольку сортамент проката разнообразен, на заводе может быть несколько прокатных цехов с соответствующими объему производства и сортаменту прокатными станами.

Широкополосный стан горячей прокатки стального листа "2000" предназначен для производства полос из углеродистых, низколегированных, легированных, конструкционных, марок сталей, толщиной от 1,2 до 1,6 мм, шириной от 700 до 1830 мм, свернутых в рулоны весом от 7 до 43,3 т.

В январе 2015 года на стане 2000 горячей прокатки Магнитогорского металлургического комбината произведено свыше 526 тысяч тонн проката. Это максимальный объем продукции, выпущенной за месяц с момента пуска агрегата в 1994 году. Предыдущий аналогичный рекорд был установлен на стане в октябре 2014 года и составлял более 520 тысяч тонн.

Стан 2000 горячей прокатки является одним из самых мощных и современных в России. Он расположен в листопрокатном цехе № 10 (ЛПЦ-10) ОАО "ММК". Оборудование позволяет прокатывать все существующие на сегодня марки стали. Ширина листа варьируется от 760 до 1830 миллиметров. Сортамент выпускаемой здесь продукции является самым широким на комбинате и насчитывает около тысячи позиций. Спектр применения также разнообразен - производство труб, строительная отрасль, машиностроение. Здесь прокатывают судовые и конструкционные марки сталей, трансформаторную сталь, производят прокат, из которого впоследствии изготавливается автолист. В 2014 году на стане 2000 горячей прокатки бы также выпущен рекордный за всю историю агрегата объем продукции - почти 6 млн тонн.

В состав стана входит: оборудование участка нагревательных печей, черновая группа клетей, промежуточный рольганг, чистовая группа клетей, отводящий рольганг, моталки и другое оборудование для уборки рулонов и передачи их в отделение отделки.

С ноября 2006 года ММК приступил к реализации проекта "Стан 5000" (ЛПЦ-9). Этот стан, по своему масштабу, мощности и качественной характеристики выпускаемой продукции первый и единственный в России.

Стан 5000 производит толстолистовой стальной прокат, шириной почти 5 метров. Он используется в нефтегазовой отрасли, судостроении, при строительстве мостов, в машиностроении, но большая часть продукции предназначена для производства труб магистральных нефтепроводов и газопроводов. Получаемые из таких листов одношовные трубы имеют высокие качественные характеристики и позволяют использовать продукцию в агрессивной среде.

Стан оборудован установками прерванной закалки и контролируемого охлаждения, позволяющие получать гарантированно заданные параметры продукции.

К другим отличительным характеристикам стана относится:

- высокая оснащенность современными средствами измерения и контроля параметров;

- абсолютная техническая прозрачность;

- комплексный подход к автоматизации процессов управления.

Это позволяет организовать индивидуальное сопровождение и паспорторизацию процесса производства каждого листа от момента выплавки дол момента отгрузки.

Технические характеристики оборудования стана позволяют получать продукцию с суженным диапазоном допуска по геометрическим размерам и форме листа по сравнению со стандартами.

Стан построен в рекордные для такого объекта сроки, за 32 месяца. Стан 5000 на ММК во многом уникален: усилие прокатки клети составляет 12000 тонн - это самая мощная прокатная клеть в мире.

Таблица 8.1 - Возможности производства перспективных сталей для автомобильной промышленности в условиях ОАО "ММК"

Цех	Продукция	Предел прочности, МПа	Толщина, мм	Ширина, мм	Длина, мм	Дополнительная обработка поверхности
ЛПЦ-4	горячекатаный рулонный прокат	до 750	1,8-12	1030-2350	-	без промасливания
	горячекатаный листовой прокат	до 590	1,8-6,0	1000-2350	2000-12000	без промасливания
		до 1000	5,0-25,0	1000-2350	3000-24000	без промасливания
	горячекатаный травленый листовой прокат	до 590	1,8-6,0	1000-2350	2000-12000	промасливание консервационным маслом или маслом типа "прелюб"
ЛПЦ-10	горячекатаный рулонный прокат	до 800	1,5-18,7	700-1830	-	без промасливания
ЛПЦ-7	горячекатаный штрипс	до 640	1,5-8,0	100-1600	-	без промасливания
ЛПЦ-5	горячекатаный травленый рулонный прокат	до 650	1,5-6,0	1000-2350	-	промасливание консервационным маслом или маслом типа "прелюб"
	холоднокатаный рулонный прокат	до 650	0,4-3,5	500-900 и 1000-2350	-	промасливание консервационным маслом или маслом типа "прелюб"
	холоднокатаный листовой прокат	до 650	0,5-3,0	1000-2350	1500-6000	промасливание консервационным маслом или маслом типа "прелюб"
ЛПЦ-8	горячекатаная травленая лента	до 1050	2,0-4,5	160-490	-	промасливание консервационным маслом
	холоднокатаная лента	до 1050	0,5-4,5	50-490	-	промасливание консервационным маслом
ЦП (АНГЦ-1,2)	горяче-оцинкованный рулонный прокат	до 650	0,25-2,5	700-1650	-	промасливание консервационным маслом или маслом типа "прелюб";
	горяче-оцинкованный листовой прокат	до 650	0,25-0,38	700-1000	400-1000
			0,4-2,0	1000-1650	1500-6000
ЛПЦ-11	нагартованный рулонный прокат	до 1500	0,28-3,0	850-1850	-	без промасливания

7.1 Подготовка исходных материалов

Исходным материалом для производства горячекатаной листовой стали на современных станах, как правило, являются слябы. Однако в ряде случаев применяются и слитки, если нет возможности обеспечить стан слябами или требуется прокатка листов специального назначения: большой ширины, толщины и длины. Технологические операции при применении слитков нами в общем виде рассмотрены.

На отечественных толстолистовых станах используют слитки прямоугольного сечения массой от 6-8 до 120 т. Однако основной объем проката получают из слитков массой 22-25 т, большая их масса определяется уже специальным назначением листа. Размеры и соотношение сторон слитков, предназначенных для производства слябов и профилей толстолистовой стали, приведены в разделе о производстве полупродукта. Однако следует указать, что при определении толщины слитка надо исходить не только из условий кристаллизации жидкой стали, структуры зерен литой стали и последующих условий ее деформации, но и учитывать такое суммарное обжатие, которое обеспечило бы получение готовой листовой стали требуемого качества.

Как правило, слитки большой массы, предназначенные для производства листовой стали, отливают в изложницы, уширенные кверху и снабженные утепляющими надставками. Конусность слитков должна быть минимальной. В настоящее время конусность слитка на одну сторону принята 1,5-2,5%; чем больше масса слитка, тем больше конусность. Качество поверхности слитков и слябов определяет и качество готовой листовой стали. Поэтому их подготовке к нагреву и прокатке уделяют, особое внимание.

Поверхностными дефектами и признаками неподготовленности слитка к нагреву и прокатке являются плены, продольные и поперечные трещины наличие прибыльной части, усадочной раковины и выступов на нижней части от выработки поддонов. Происхождение этих дефектов рассмотрено в первой части - при производстве полупродукта.

Прокатка толстолистовой стали из слитков требует особой и обязательной подготовки по следующим основным технологическим положениям.

Необходимо осуществить обрезь верхней и нижней частей слитка перед посадкой в печь. В усадочной раковине концентрируются различные ликваты, легкоплавкие соединения, которые при нагреве в печи превращаются в жидкую фазу и заливают подину печи или проникают на подину зон нижнего подогрева. Но удаление прибыльной (верхней) части слитка приводит к преждевременному в ряде случаев довольно часто повторяющемуся выходу нагревательной печи из строя, что связано с ее остановками, ремонтом и потерей производительности стана. Кроме того, ненужные верхнюю и нижнюю части слитка, составляющие почти 20% от его общей массы, нагревать в печи, расходуя для этого топливо, нерационально. Кроме того, после обрези верхней и нижней частей слиток оформляется в более удобную и рациональную форму, что благоприятно отражается на его продвижении вдоль подины печи и на собственно процессе прокатки.