28 мая 2016г.
Сталь – ковкий деформируемый сплав железа с углеродом, один из основных и важнейших продуктов черной металлургии. Без стали сложно представить работу различных отраслей промышленности и строительство в целом. Сталь является одним из основных конструкционных материалов, используемых, как в возведении крупных инфраструктурных объектов (железных и автомобильных дорог, мостов и сооружений), так и в производстве машин и приборов бытового назначения.
По данным всемирной ассоциации стали (World Steel Association, WSA) мировое производство на 2014 г. составило 1.6228 млрд. т. в год, что на 1.2% больше в сравнении с 2013 г.. Россия как одна из крупнейших стран- производителей стали на основании представленных исследований ассоциации на 2014 занимала 6 строчку списка мировых лидеров по выплавке стали, а в 2015 году поднялась на 5 место. Все это свидетельствует о тенденциях роста потребления, и необходимости совершенствования и модернизации технологий производства [1].
Выплавка стали является сложным и трудоемким процессом с использованием различных по принципу действия металлургических агрегатов. К ним можно отнести мартеновские печи непрерывного действия вместимостью от 200 до 900 т, используемые в крупных производствах, кислородные конверторы, вмещающие от 130 до 350 т, и электрических дуговые печи постоянного и переменного тока вместимостью от 0.5 до 400 т [2].
Большую актуальность на сегодняшний день получили дуговые сталеплавильные печи (ДСП) малой вместимости (от 0.5 до 6 тонн). Они просты в эксплуатации, маневренны, не требуют больших производственных мощностей в сравнении с мартеновскими печами, обладают высокой производительностью высококачественных сталей широкого сортамента в соответствии с ГОСТ 997-75 при небольших производственных затратах. Все это обеспечивает широкое распространение использования подобных аппаратов. Однако подобные печи в виду сложности в конструктивном исполнении, а так же в технологии процесса производства требует поддержания и контроля многих параметров, таких как температура, положение механизмов печи, а так же мощности, силы тока и напряжения, подаваемой на электроды. На сегодняшний день многие существующие ДСП по праву можно считать морально устаревшими, вследствие использования технических средств в системах управления не способных обеспечить современные требования к энергоемкости и производительности печи. В связи с этим происходит снижение качества продукции, и как следствие увеличение себестоимости произведенной стали, что влечет за собой снижение конкурентоспособности продукта. Так как основные механизмы и технологическое оборудование не претерпели серьезных изменений, можем признать экономически целесообразным только модернизацию системы автоматизированного управления процессом производства.
Для внедрения новых автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) в дуговых сталеплавильных печах необходимо проанализировать объект управления. Выявить основные требования, предъявляемые к системе, а так же методы управления и воздействия на объект.
Процесс выплавки стали в ДСП основывается на горении электрической дуги, являющейся одним из видов разрядов в газах и парах. Тепло, выделяемое дугой, в процессе горения между электродом и шихтой нагревает последнюю до температуры плавления. Это происходит вследствие передачи энергии электрических дуг шихте путем излучения, конвекции с горячими газами и испарениями, теплопроводностью от наиболее раскаленных участков металла в зоне горения дуги, а так же счет джоулева тепла при протекании тока через шлак и металл [3]. Электрическая дуга в ДСП, как физическое явление, имеет ряд особенностей [4]:
§ горение при определенных значениях тока, напряжения и длины;
§ большие мощности и высокие токи при низких напряжениях;
§ горение в закрытом пространстве;
§ значительная продолжительность горения.
Одним из важнейших и основных вопросов в управлении является поддержание устойчивости горения дуги, как основного источника энергии, необходимой для процесса плавления металла. Это определяет необходимость поддержания определенного заданного электрического режима работы, характеризующегося значениями тока, напряжения и мощности. Нагрузка в печи изменяется при изменении длины дуги в пределах от нуля (короткое замыкание, длинна и сопротивление дуги равны нулю и нагрузка максимальна) до бесконечности (обрыв дуги, нагрузка равна нулю) [3-4].
Стоит так же заметить, что технологический процесс плавки является периодическим, а именно включает в себя этапы с характерными особенностями. Так в начальные стадии процесса дуги неустойчивы, часто перебрасываются с одного куска шихты на другой, меняя при этом длину дуги. По мере расплавления металла происходят обвалы, что ведет к обрыву дуги. А в момент полного расплавления до процесса кипения, дуга является наиболее устойчивой. Многоэтапность процесса определяет использование разных электрических режимов работы для наиболее эффективного использования энергии.
На процесс плавления так же влияют и другие косвенные параметры. Состав шихты и присадок, вводимых на этапе окисления и восстановления, изменяют электропроводность атмосферы в подэлектродной зоне. В процессе плавления так же происходят обгорания электродов, весь период расплавления металла до момента полного перехода его в жидкое состояние сопровождается обвалами кусков шихты в проплавленные колодцы, а в момент кипения жидкого металла образуются пузыри. Эти явления меняют геометрию поверхности над и под дугой, что влечет за собой изменение её длины [3-4].
Практика промышленного использования ДСП и анализ литературных источников показывают, что изменение электрического режима печи возможно двумя путями: изменением длины дуги и изменением вторичного напряжения.
Изменение вторичного напряжения трансформатора, подаваемого на печь, осуществляется периодически, в определенные моменты плавки, однако частые коммутации сильноточных цепей нежелательны. Длину дугового промежутка есть возможность изменять оперативно, поэтому данный путь управления выделяют как основной.
Поскольку изменение длины дугового промежутка приводит к изменению силы тока и напряжения, то данные величины используются как параметры регулирования.
Исходя из вышесказанного получаем структурную схему ДСП как объекта управления.
К переменным, характеризующим состояние процесса, – вектору регулируемых величин относятся:
· I – сила тока дуги, А;
· Uф – напряжение фазы печи, В.
К вектору регулирующих воздействий:
· L –длина дуги, м;
· Uв – вторичное напряжение трансформатора, В. К вектору возмущающих воздействий:
· A – обвал шихты (изменение геометрии поверхности под дугой), м;
· B – обгорание электродов (изменение геометрии поверхности над дугой), м;
· C – кипение металла (изменение геометрии поверхности под дугой), м;
· D – состав вводимых присадок (изменение электропроводности атмосферы в подэлектродной зоне),См/м ;
· E – состав шихты (изменение электропроводности атмосферы в подэлектродной зоне), См/м;
Все возмущающие воздействия являются неконтролируемыми параметрами, так как, либо нет возможности произвести измерения, либо эти измерения являются трудоемкими [3-5].
Так как процесса выплавки стали включает в себя не только задачи по поддержание горения дуги, но и другие служебные функции, обеспечивающие работу ДСП, к системе управления предъявляются требования как единому комплексу, включающему себя дуговую сталеплавильную печь, печной трансформатор, механизмы наклона печи, подъема и отвода свода, перемещения электродов, систему водоохлаждения.
Исходя, из всего вышесказанного, можно выдвинуть ряд технологических требований к работе оборудования. К ним относится[3-6]:
· быстродействие, обеспечивающее отработку коротких замыканий и обрыв дуги в течение 1,5 с;
· время регулирования не более 3 с;
· автономность регулирования по фазам, устранение и сведение к минимуму ненужных перемещений электродов при возмущениях в других фазах;
· обеспечение автоматического зажигания дуг без поломки электродов;
· остановка исполнительных механизмов при исчезновении питающего печь напряжения;
· предотвращение «макания» электрода в жидкий металл;
· возможность плавного изменения задания мощности и его автоматического изменения;
· чувствительность к непроводящей шихте и своевременная остановка электрода для предотвращения поломки;
· возможность использовать гибкие статические характеристики регулятора;
· возможность оперативного изменения параметров плавки и технологической карты;
· возможность оперативного ручного управления системой с панели оператора;
· возможность контроля хода технологического процесса на панели оператора;
· минимизация влияния человеческого фактора на принятие решений в управлении технологическим процессом;
· архивирование и документирование технологических параметров процесса плавки, а так же действий оператора;
· сокращение или полное исключение аварийных ситуаций, а так же автоматический контроль и блокировка работы оборудования при выявлении неполадок.
Выполнение основных технологических требований возможно только при правильном подборе регулятора. На современном этапе возможно построение регуляторов, поддерживающих один из следующих параметров [6]:
· Силу тока дуги, Iд;
· Напряжение дуги, Uд;
· Сопротивление дуги, Zд (длина дуги);
· Активную мощность.
На основании различных исследований было выявлено, что лучшие результаты дает регулятор, использующий разность тока и напряжения при подбираемых настроечных параметрах:
В зависимости от значения рассогласования задания и действующий значений (e), формируется сигнал управления. Так как изменение длины
дуги является наиболее оптимальным способом изменения электрического режима печи, управляющим сигналом является частота вращения двигателя (w), меняющего положение электрода в печи, а соответственно и длину дуги (L).
Статические характеристики для данного типа регулятора могут быть различны, что определяет возможность изменения электрического режима для разных этапов плавки. Исследования и практика работы ДСП показали, что наиболее лучшие результаты дают регуляторы, использующие не классические законы регулирования П, ПИ, ПД, ПИД, а однованные на применении статических характеристики, представленных на Рисунке 2 [3-6].
Здесь сплошной линией обозначена характеристика на этапе расплавления, а пунктиром характеристика, используемая на стадии доводки.
Для решения существенного недостатка уже существующих систем управление, а именно автоматических систем регулирования (АСР) стабилизации, которые не учитывают особенности этапов плавки, и поддерживают регулируемые параметры на постоянном значении возможно при использовании регулятора с переменной структурой. Главной особенностью данного регулятора, является использование различных типов статических характеристик для разных
этапов плавки, что обеспечивает экономичное использование энергоресурсов,
а так же повышение качества выпускаемого продукта. При этом алгоритм регулятора обеспечивает выполнение основных технических требований, предъявляемых к системе управления.
Упрощенная структура системы регулирования рассмотрена на Рисунке 3.
Система состоит из объекта управления (ОУ), а именно печи, «задатчика» (блок 0), определяющего задание, блока выбора характеристики в зависимости от этапа процесса (блок 1), статических характеристик регулятора, блока преобразования
полученного управляющего воздействия (блок 2), частотного преобразователя (ЧП), и исполнительного механизма (ИМ) – электродов печи.
Сигналы тока iд и напряжения uд дуги поступают в систему управления и на основании параметров «задатчика» по формуле (2) формируется сигнал ошибки e. В зависимости от этапа плавки, программа выбирает необходимую характеристику, и рассчитывает задание на частоту вращения двигателя w. Направление движение электродов определяется по знаку задания частоты, если он отрицательные электрод должен опускаться, если положительный – подниматься. Частотный преобразователь в зависимости от задания по средствам двигателей изменяет положение электрода, что приводит к изменению длины дуги L.
Аппаратная реализация подобных систем управления возможно при использовании современного свободно программируемого оборудования, а именно программируемых логических контроллеров (ПЛК), программируемых реле, панелей оператора, модулей ввода и вывода информации.
Учитывая интенсивно разрастающийся рынок приборов автоматизации, широкий список как отечественных, так иностранных компаний зарекомендовавших себя в данной сфере и обширной номенклатуры предлагаемых товаров можно выдвинуть основные критерии выбора используемого оборудования:
·
Высокая надежность в эксплуатации;
· Невысокая цена, при условии высокого качества;
· Наличие широкой номенклатуры;
· Удобство в использовании и возможность интегрирования в существующие информационные системы сбора и обработки информации.
Оборудование, отвечающее всем предъявленным требования, можно приобрести у зарекомендовавших себя производителях средств автоматизации, таких как Siemens, Schneider Electric, ABB, OMRON, ОВЕН и др.
Модернизация старых производственных объектов с использованием современных подходов к регулированию и усовершенствованного программно-техническим комплекса должна внести ощутимый положительный эффект в количестве и качестве выпускаемой стали, а так же условиях труда и безопасности на производстве.
Список литературы
1.
World crude steel output increases by 1.2% in 2014// World Steel Association // URL: http://www.worldsteel.org/media-centre/press-releases/2015/World-crude-steel-output-increases-by-1.2--in- 2014.html (дата обращения: 16.04.2016)
2. Третьякова, Н.В. Технология конструкционных
материалов: Курс лекций/ Материаловед для преподавателей и научных работников// URL: http://xn--80aagiccszezsw.xn--p1ai/uchebniki/osnovy- metallurgicheskogo-proizvodstva (дата обращения: 16.04.2016)
3. Сойфер, В.М Дуговые печи в сталелитейном цехе [Текст]/
Сойфер В.М., Кузнецов Л.Н.,– М.:«Металлургия», 1989. –176 с.
4. Лапшин, И.В. Автоматизация дуговых печей [Текст]/ Лапшин И.В. Московский Институт Стали и Сплавов г. Москва 2004 г - 166 с.
5.
Свенчанский, А.Д Электрические промышленные печи: Дуговые печи и установки специального нагрева:Учебник для вузов [Текст]/ Свенчанский А.Д., Жердев И.Т., А.М. Кручинин и др. – М.: Энергоиздат,
1981.– 296 с.
6. Браславский И.Я. Энергосберегающие
асинхронный электроприводы: Учеб. пособие для студ. высш.
учеб. заведений [Текст]/ Браславский И.Я., З.Ш.
Ишматов, В.Н. Поляков – М.:
Издательский центр «Академия», 2004. – 256 с.
