Автоматизация производства электростали : автоматизация дуговых сталеплавильных процессов

УДК 669.18.:658.011.56 

Л24 

Л24 
Лапшин И.В. Автоматизация производства электростали; 
Автоматизация дуговых сталеплавильных процессов: Курс 
лекций. – М.: МИСиС, 2001. – 65 с. 

Данное учебное пособие предназначено для студентов специальностей 11.01 и 21.02 по курсам "Автоматизация электроплавки" и "Автоматизация технологических процессов". Существующие учебники по данным курсам, изданные в 80-ые годы, существенно отстали по своему уровню от современных концепций развития автоматизации. Микропроцессорная техника, 
широкое использование ЭВМ, в том числе для создания систем искусственного интеллекта – вот далеко не полный перечень современных направлений 
автоматизации, не вошедших в предыдущие издания. 

Поэтому в данном пособии наряду с традиционными задачами построения систем автоматического управления дуговыми сталеплавильными 
печами особое внимание обращено на микропроцессорные системы управления, системы искусственного интеллекта, оптимальные системы. В пособии 
не затрагивались общие вопросы теории автоматического регулирования, 
освещенные во многих учебниках по существующим курсам. 

© Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС), 2001 

ЛАПШИН Игорь Васильевич 

АВТОМАТИЗАЦИЯ 
ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОСТАЛИ 

Раздел: Автоматизация дуговых 
сталеплавильных процессов 

Курс лекций 
для студентов специальностей 11.01, 21.02 

Рецензент доц., канд. техн. наук В.И. Голубев 

Редактор Г.Б. Преображенская 

Заказ 995 
Объем 65 стр.  
Тираж 100 экз. 

Цена “С” 
Регистрационный   № 492 

Московский государственный институт стали и сплавов , 
119991, Москва, Ленинский пр-т, 4 
Отпечатано в типографии издательства «Учеба» МИСиС, 
117419, Москва, ул. Орджоникидзе, 8/9 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Дуговая сталеплавильная печь и процессы в ней как объект 
автоматического регулирования .........................................................5 

2. Автоматическое управление электрическим режимом.....................6 

2.1 Характеристика объекта ................................................................6 
2.2. Возмущающие воздействия........................................................11 
2.3. Требования к регуляторам..........................................................13 
2.4. Параметры регулирования .........................................................14 
2.5. Исполнительные механизмы......................................................17 
2.6. Автоматические регуляторы ......................................................19 
2.7. Микропроцессорные системы регулирования .........................24 

2.7.1. Микроконтроллеры...........................................................24 
2.7.2. Микропроцессорный регулятор типа РMM....................26 

2.8. ACУ ТП  дуговых сталеплавительных печей ...........................33 

2.8.1. Информационное обеспечение ........................................34 
2.8.2. Функциональная схема автоматизации...........................36 
2.8.3. Управление электрическим режимом .............................37 
2.8.4. Управление тепловым режимом......................................56 
2.8.5. Управление физико-химическими процессами..............59 

Литература ..............................................................................................61 
Приложение. Расчет электропечной установки...................................62 

ВВЕДЕНИЕ 

Развитие автоматизации электросталеплавильного производства 
и, в особенности, автоматизации дуговых сталеплавильных печей, переживает в настоящее время удивительный скачкообразный подъём, об 
этом свидетельствует большое количество публикаций, отражающих 
высокий уровень автоматизации агрегатов на многих заводах различных стран мира. Безусловным рычагом такого прогресса стала вычислительная техника. Использование микропроцессоров, автоматизированных систем управления и, в последнее время, интеллектуальных 
систем позволило обеспечить решение качественно новых задач, поставить на практические рельсы задачи оптимизации процессов: достижение максимальной производительности, минимального расхода электроэнергии, минимального расхода электродов и т.д. 

Это определило необходимость нового учебного пособия по 
курсу “Автоматизация производства электростали”. Данное пособие 
предполагается издать в 2-х частях (книгах): первая – автоматизация 
дуговых сталеплавильных печей и вторая – автоматизация ферроплавильных, электрошлаковых, вакуумных дуговых и индукционных 
печей, а также автоматизация электросталеплавильного цеха. 

1. ДУГОВАЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНАЯ 
ПЕЧЬ И ПРОЦЕССЫ В НЕЙ КАК 
ОБЪЕКТ АВТОМАТИЧЕСКОГО 
РЕГУЛИРОВАНИЯ 

Современные дуговые  сталеплавильные печи (ДСП) характеризуются следующими особенностями: 

– большой ёмкостью агрегатов (100, 150, 200  и  более тонн); 
– высокой мощностью; 
– вынесением ряда рафинировочных операций в агрегаты 
внешней обработки металла; 

– усовершенствованием конструкций печи – использованием 
водоохлаждающих панелей, симметрированной короткой сети, графитированных электродов, выдерживающих повышенную плотность 
тока, донный выпуск и т.д; 

– использованием высокомощных газокислородных горелок; 
– использованием пенистых шлаков; 
– использованием в шихте металлизованных окатышей 
В дуговой сталеплавильной печи происходят электрофизические, физико-химические, теплоэнергетические процессы, включая 
даже квазиплазменные явления. Эти процессы в значительной степени взаимосвязаны и взаимообусловлены. Электрическая энергия дуг 
превращается в тепловую, нагревая шихту и футеровку печи, физико-химические процессы происходят в ней при определённых температурных условиях. Поэтому при решении задач управления необходимо комплексное рассмотрение всех вопросов выплавки стали. Решение отдельных локальных задач вне их взаимосвязи может привести даже к отрицательным результатам. 

Поэтому использование математических описаний отдельных 
процессов в печи не дало возможности осуществить рациональное 
(или оптимальное) управление, и для этого стали использовать другие методы, в частности, метод искусственного интеллекта. 

2. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ 

2.1. Характеристика объекта 

В настоящее время ДСП используются в основном для расплавления шихты; рафинировочные процессы частично или полностью проводятся в других агрегатах. 

Современная дуговая сталеплавильная печь представляет собой мощную энергетическую установку для выплавки стали. Тепло, 
необходимое для расплавления шихты и протекания физикохимических процессов в печи, выделяется в электрической дуге. 

Поэтому управление электрическим режимом печи или электрической мощностью выделяемой в дуге, является важнейшей задачей управления. Управление электрическим режимом печи или выделяемой в дуге мощностью (т.е. имеются в виду регулирующие воздействия) возможно двумя путями: изменением напряжения, подаваемого на печь, и изменением длины межэлектродного промежутка. 

Весь период плавления шихты можно условно разделить на ряд 
стадий, которые различаются условием протекания процессов и действующими ограничениями на введение электрической мощность в печь. 

Первая стадия – заглубление электродов в шихту (рис. 2.1). В 
момент зажигания дуг, когда электроды ещё не заглублены в шихту, 
излучение дуг может воздействовать на свод и футеровку стен. 
Длится стадия недолго – дуга сравнительно быстро экранируется 
шихтой. Для уменьшения облучения свода и футеровки стен, в эту 
стадию работают на сравнительно коротких дугах. Из-за малой длительности её часто не выделяют, принимая во внимание ограничения 
следующей стадии. 

а

б

Рис. 2.1. Периоды плавления шихты (а) 
и электрические режимы периодов(б): 
1 – электрод; 2 – шихта; 3 – жидкий металл; Рп – полезная мощность; 
Iр – рациональный ток печи; U1 – U2 – ступени напряжения печного 
трансформатора (U1 < U2 < U3 < U4; U6 < U5 < U1). 

Вторая стадия – проплавление колодцев. В эту стадию также 
нельзя задать максимальные электрические параметры. Если вести 
плавку на больших токах, прожигаются узкие колодцы. 

Электроды проходят колодец быстро, при этом образуется мало 
жидкого металла, и электрические дуги могут повредить футеровку подины при отсутствии конечных выключателей, ограничивающих перемещение электрода. Кроме того, узкие колодцы могут привести к поломке электродов из-за возможности их горизонтальных перемещений. 
Поэтому, на этой стадии работают на длинных дугах. 

Третья стадия – стадия закрытых дуг или основная стадия. На 
этой стадии имеется возможность для введения максимальной мощности в печь: дуга горит на жидкий металл, а стены экранированы 
шихтой. Шихта интенсивно расплавляется как за счет излучения дуг, 
так и за счет воздействия поднимающейся массы жидкого металла. 

Четвёртая стадия характеризуется наличием открытых дуг. В 
ней ещё много нерасплавленной шихты, особенно на откосах, но 
шихта уже не экранирует дуги. Поэтому в эту стадию работают на 
коротких дугах.  

Выделяют также пятую стадию, в течение которой происходит нагрев металла до заданной температуры. На этой стадии длина 
дуг становится ещё более короткой.