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.
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 чугунек — 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/(градмоль) — ЛН°298 +)леРс1Т.
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&bdquo-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 °C 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 °C 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 + 31 950 • 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:
