Способ управления технологией электродуговой восстановительной плавки

Изобретение относится к области металлургии. Способ управления технологией электродуговой восстановительной плавки включает регулирование шихтового, электрического и электродного режимов путем периодического изменения избытка или недостатка углерода в шихте, переключения ступеней напряжения, перемещения и перепуска электродов. Определяют электрические параметры состояния фаз и зон рабочего пространства шихты, дуги, расплава, их отклонение от заданных на текущий момент восстановительного цикла. Осуществляют оперативное регулирование шихтового, электрического и электродного режимов по указанному отклонению. При использовании изобретения повышается производительность печи, а также снижается расход электроэнергии.

 

Изобретение относится к электротермии, в частности, к электродуговым восстановительным печам (ЭДВП) и применяется для управления технологическими процессами выплавки ферросплавов, кристаллического кремния, карбидов и т.п.

Известен способ управления электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи, состоящий в том, что в период плавления контролируют электрические параметры дуги, коэффициент облучения футеровки, насыпную плотность шихты и расход электроэнергии, задают значение удельного расхода электроэнергии на 1 т завалки для каждой технологической стадии плавления и по достижении этого значения расхода электроэнергии переключают задание регулятору электрического режима печи (РФ, патент №2128407, Н 05 В 7/148, F 27 В 3/08, Способ управления электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи, от 27.03.99, бюлл. №9).

Известен способ автоматического регулирования мощности многофазной дуговой электропечи, при котором непрерывно измеряют ток и напряжение, путем сравнения с заданными значениями определяют знаки отклонений тока и напряжения. В моменты равенства действительного значения контролируемого параметра фазы его заданному значению запоминают значение тока и напряжения данной фазы и используют эти значения в качестве заданных в интервалах времени между соседними моментами этого равенства (РФ, патент №2079981, Н 05 В 7/148, Способ автоматического регулирования мощности многофазной дуговой электропечи..., БИ №14 от 20.05.97, с.208).

Совокупность признаков, лежащих в основе предлагаемых способов управления, сводится к измерению действующих значений силы тока и напряжения отдельных фаз печи.

Общим и главным недостатком указанных изобретений являются следующие:

1. Все они ограничиваются регулированием только электрических параметров технологии, причем, вне их связи с параметрами других важнейших режимов: шихтовым и электродным.

2. Чрезвычайно низкие уровни оперативности (на базе среднесменных и среднесуточных показателей) и точности (на базе измеренных действующих значений напряжения и силы тока) регулирования.

На основе сказанного приведенные способы можно рассматривать как случаи частичного решения сложной задачи управления технологией электроплавки. По уровню (научной идеологии) разработки эти способы целиком поглощаются нашим техническим решением.

В качестве прототипа принимаем разработку АО "НИАЧермет" (г.Запорожье, Украина), а ныне ЗАО "Вега-плюс" [1-3].

В отличие от аналогов, в прототипе предусмотрено управление технологией в подсистемах, обслуживающих электрический, шихтовый и электродный режимы. Основными недостатками способа по прототипу являются следующие:

1. Подсистемы рассматриваются и формируются в отрыве друг от друга, каждая имеет свою элементную, вычислительную и информационную базы. Отсутствие алгоритмов взаимосвязи параметров подсистем резко снижает качество и оперативность управления. В частности, баланс углерода восстановителей и кислорода оксидов целевых компонентов задаются на входе (в отделении дозировки) по данным периодических анализов их химического состава. На практике поступающие в печь компоненты шихты до начала химического взаимодействия подвергаются высокотемпературной обработке в верхнем слое шихты, следствием которой являются существенные стохастические нарушения исходной кажущейся стехиометрии компонентов. Как результат, возникают резкие колебания проводимости шихтового слоя и нарушение стабильности электрического режима.

Расчет (учет) линейного расхода электродов по суммарному расходу электроэнергии фазой дает большую ошибку, т.к. не предусматривает влияния избытка (недостатка) углерода в шихте на окислительно-восстановительный потенциал газовой и жидкой (шлаки) сред в зоне конца электрода.

Прототипу присущи все главные недостатки, отмеченные выше для аналогов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение производительности печи, снижение удельного расхода электроэнергии, повышение извлечения целевых элементов в сплав. Технический результат достигается за счет повышения качества и оперативности комплексного управления процессом, включающего управление основными режимами технологии (шихтовым, электрическим, электродным).

С учетом недостатков аналогов и прототипа предлагается следующий способ управления технологией дуговой восстановительной плавки. Помимо давно освоенного и известного регулирования параметров фаз по «входу-выходу», в качестве принципиально нового технического приема вводится управление режимами по состоянию отдельных зон рабочего пространства: шихты, дуги и расплава. Причем количественно измеряемые параметры состояния выражаются в электрических величинах (напряжение, сила тока, сопротивление, мощность и др.).

Для этого формируется задание оператору (технологу) на применение необходимого на данной стадии процесса управляющего воздействия на параметры входа: состав шихты, положение электрода, ступень напряжения и т.п. Задание основывается на статистическом анализе параметров состояния процесса, коими являются электрические параметры (сопротивления и мощности) отдельных зон рабочего пространства печи (шихты, дуги, расплава), определяемые с помощью метода вольт-амперных характеристик (ВАХ), защищенного а.с. №1678190 "Способ определения электрических параметров зон рабочего пространства дуговой электропечи", приоритет от 31 июля 1989 г. Сущность метода ВАХ заключается в отборе, нормализации, аналого-цифровом преобразовании электрических сигналов фазного падения напряжения и силы тока каждого из электродов и введении в оперативную память ЭВМ их цифровых реализаций. Далее, из исходных сигналов формируется нелинейная динамическая ВАХ, состоящая из двух линейных участков. Тангенсы углов наклона этих участков к оси тока единственным образом определяют значения сопротивлений линейных элементов электрической схемы замещения рабочего пространства печи - шихты и расплава. Последующий расчет остальных электрических параметров зон: токов в отдельных ветвях, падений напряжения на отдельных элементах, а также мощностей, выделяющихся в зонах шихты, дуги и расплава не представляет труда. Эти параметры тесно связаны с важнейшими технологическими характеристиками процесса. В частности, сопротивление шихты R_ш зависит от содержания твердого углерода в шихте; сопротивление расплава R_p отражает изменения уровня, состава и температуры расплава в подэлектродной зоне. Мощность дугового разряда Р_д компенсирует разбаланс общей мощности фазы Р_ф при условии регулирования Р_ф=const. Кроме того, энергия дуги определяет линейный расход электрода.

В свою очередь, электрические параметры зон количественно связаны с их физико-химическими свойствами. Так электрическое сопротивление шихтового твердофазного слоя в первую очередь зависит от избытка или недостатка в нем углеродистого восстановителя. Электрическое сопротивление расплава (шлака) определяется его химическим составом и геометрическими пропорциями. Сопротивление дуги зависит главным образом от длины подэлекгродного газового промежутка.

Уравнения связи сопротивлений и мощностей зон с их физико-химическими свойствами представлены нами во многих публикациях [4-6].

Развитие математического описания этих закономерностей позволяет с максимальной оперативностью находить отклонения в состояниях зон по изменению их электрических характеристик и, в свою очередь, принимать оперативные меры по месту и мере их устранения. Кроме того, появляется возможность известными методами находить рациональные диапазоны допустимого колебания уровней параметров указанных зон, что в свою очередь обеспечивает подходы к решению задач их оптимизации. Последнее приводит к резкому повышению стабильности состояния зон и процесса в целом и, как результат, к существенному улучшению технико-экономических показателей процесса.

Промышленные испытания нового способа управления технологией дуговой восстановительной плавки на примере выплавки ферросплавов бесшлаковым (48%-ый ферросиликохром и 65%-ый ферросилиций) и шлаковым (углеродистый феррохром и 17%-ый ферросиликомарганец) процессом проводились на печах ОАО «ЧЭМК» в течение длительных (3-6 месяцев) периодов. В результате было установлено, что в среднем удельный расход электроэнергии снижается на 8-12%, производительность возрастает на 10-15%, расход рудного сырья и углеродистых восстановителей снижается на 5-8%. Существенное улучшение технико-экономических показателей плавки объясняется прежде всего снижением потерь активной электроэнергии (ростом теплового и электрического к.п.д.), а также, как следствие, снижением потерь кремния, хрома и марганца с газовой фазой и шлаками.

Таким образом, суть изобретения сводится к тому, что оперативное регулирование шихтового, электродного и электрического режимов осуществляют по отклонению от заданных на текущий момент восстановительного цикла уровней электрических параметров состояния фаз и зон рабочего пространства: шихты, дуги и расплава.

Для оперативного управления ходом процесса оператору на экран монитора выводится информация в следующем виде: таблица, содержащая значения параметров состояния (Р_ф, Р_д, Р_ш, R_ф, R_ш, R_p, k_ит) и состоящая из четырех блоков, соответствующих 20-ти минутным интервалам времени; графики изменения положения электродов и коэффициентов дисбаланса углерода в тигле для всех трех фаз за 8 часов (1 смена) и с дискретностью 2 мин; мнемосхема, отражающая положение электродов в ванне печи и таблица «Совет технологу», в которую сведены данные для каждой из фаз о съеме активной мощности А_фi, величинах перепуска Δp_i, расхода Δh_i, электродов и их разности, длине электродов l_эi, а также рекомендации по добавкам рудного или углеродистого компонента на колошник.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Годына В.В., Свищенко В.Я., Степанянц С.Л. и др. Применение индустриальных компьютеров для автоматизации ферросплавных печей, выплавляющих ферросилиций. Сборник трудов НТ совещания «Электротермия-96», СПб, 1996 г., с.246-256.

2. Годына В.В., Степанянц С.Л., Свищенко В.Я. Управление шихтовым режимом выплавки марганцевых сплавов с помощью экспертной системы. Там же, с.257-258.

3. Годына В.В., Степанянц С.Л., Свищенко В.Я. и др. АСУ ТП выплавки ферросплавов на основе хрома. СПб. 1994 г., с.34-42.

4. Сивцов А.В., Воробьев В.П., Паньков В.А. «Определение величины линейного расхода электрода при производстве кремния и высококремнистых сплавов». Доклады совещания «Электротермия-94», С.-Пб., 1994, с.128-134.

5. Воробьев В.П., Сивцов А.В., Лапченков В.И. «Совершенствование управления электропечными процессами производства ферросплавов». Сталь, №12, 1998, с.22-24.

6. Сивцов А.В., Воробьев В.П., Цымбалист М.М., Лапченков В.И., Брезгин В.В. «Управление процессом выплавки кремнистых ферросплавов на основе оперативного контроля диабаланса углерода в тигле». Доклады совещания «Электротермия-2000», С.-Пб., 2000, с.220-226.

Способ управления технологией электродуговой восстановительной плавки, включающий регулирование шихтового, электрического и электродного режимов путем периодического изменения избытка или недостатка углерода в шихте, переключения ступеней напряжения, перемещения и перепуска электродов, отличающийся тем, что определяют электрические параметры состояния фаз и зон рабочего пространства шихты, дуги, расплава, их отклонение от заданных на текущий момент восстановительного цикла и осуществляют оперативное регулирование шихтового, электрического и электродного режимов по указанному отклонению.