Автоматизация производства электростали : микропроцессорные системы управления

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 145 

Кафедра металлургии стали и ферросплавов

И.В. Лапшин 
Н.Н. Попов 
Р.М. Мустафин 

Автоматизация производства 
электростали 

Микропроцессорные системы управления 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2010 

УДК 681.511.2 
 
Л24 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. Ю.Д. Миткевич 

Лапшин И.В., Попов Н.Н., Мустафин Р.М. 
Л24  
Автоматизация производства электростали: Микропроцессорные системы управления: Лаб. практикум. – М.: Изд. Дом 
МИСиС, 2010. – 31 с. 
 

В лабораторных работах рассмотрены процессы регулирования теплового 
и электрического режимов периода плавления в дуговой сталеплавильной 
печи, а также микропроцессорная система управления. 
Лабораторный практикум предназначен для студентов, бакалавров и магистров, обучающихся на кафедре металлургии стали и ферросплавов и может быть использован также при выполнении КНИР, курсовом и дипломном 
проектировании систем АСУ ТП. 
 

 
© Лапшин И.В.,  
Попов Н.Н.,  
Мустафин Р.М.,  
2010 

СОДЕРЖАНИЕ 

Лабораторная работа 1. Управление плавлением шихты в дуговой 
сталеплавильной печи ……….………………………………………….4 
Лабораторная работа 2. Изучение конструкции и работы  
микропроцессорного регулятора электрического режима дуговой 
сталеплавильной печи …..……………………………………………..16 
Лабораторная работа 3. Микропроцессорные системы управления ..…26 
 

Лабораторная работа 1 

УПРАВЛЕНИЕ ПЛАВЛЕНИЕМ ШИХТЫ 
В ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ 
(4 часа) 

1.1. Цель работы 

1. Изучить особенности тепловой работы дуговой сталеплавильной печи (ДСП) в период плавления шихты. 
2. Выработать навыки управления каждой стадией процесса плавления шихты. 

1.2. Теоретическое введение 

1. Основная задача автоматизации дуговой сталеплавильной печи – 
получить сталь заданного химического состава и требуемой температуры, а также максимальную производительность печи. Плавка стали 
в ДСП является процессом с периодически повторяющимися операциями. Требования к автоматизации каждого периода плавки различны. 
Плавку стали в ДСП целесообразно характеризовать тремя режимами: электрическим, тепловым и технологическим. Период плавления в дуговой сталеплавильной печи является наиболее энергоемким. 
В электропечи регулирование температурного режима и тепловой 
мощности осуществляется в основном косвенно – путем изменения 
электрической мощности, вводимой в печь. Тепло, необходимое для 
расплавления шихты и протекания технологических процессов в печи, 
возникает в электрической дуге. Дуговой разряд возникает между 
торцом угольного электрода и поверхностью твердого металлического лома или жидкого металла. 
Процесс теплообмена в рабочем пространстве ДСП относится 
к сложному виду теплообмена, и при этом в течение периода плавления изменяется его характер. Основная задача этого периода плавления – нагреть холодные шихтовые материалы до температуры плавления, поддерживать эту температуру до полного расплавления шихты и обеспечить требуемый перегрев ванны до начала окислительного периода. Поэтому длительность расплавления шихты в основном 
определяет производительность печи. 

В начале периода плавления кладка печи отдает тепло холодной 
шихте. При этом дуги горят между электродами и твердой холодной 
шихтой. В дальнейшем по мере разогрева шихты и раскрытия электрических дуг кладка вновь начинает аккумулировать энергию, и ее 
температура растет. 
Электрический режим в начале плавки неустойчив. Короткие дуги 
горят беспокойно, перебрасываясь с одного куска металла на другой, 
часто обрываются, вызывая необходимость короткого замыкания 
электрода и шихты для повторного зажигания. В небольшом объеме 
под электродами выделяется большая мощность. В результате в шихте образуются колодцы, диаметр которых на 30…40 % больше диаметра электрода. Обвал стенок этих колодцев вызывает частые скачки тока и короткие замыкания, в результате чего возникают резкие 
колебания мощности печи. 

2. Учитывая особую важность периода плавления, рассмотрим его 
более подробно. Период плавления можно условно разделить на четыре стадии. 
Первая стадия – зажигание электрических дуг. В момент зажигания дуг, когда электроды еще не заглублены в шихту, излучение дуг 
может воздействовать на свод и футеровку стен. Длится эта стадия 
недолго – дуга сравнительно быстро экранируется шихтой. Для 
уменьшения облучения свода и футеровки стен в эту стадию работа 
проводится на сравнительно коротких дугах. 
Задачей стадии зажигания электрических дуг является обеспечение наиболее быстрого зажигания дуг и прогрева шихты под электродами. Масса расплавленного металла на этой стадии незначительна. 
Управление процессом ведут по величине теплового потока для печей с водоохлаждаемыми панелями, либо по максимальной температуре внутренней поверхности свода и стен для футерованных печей. 
Вторая стадия – проплавление колодцев. Болото, оставленное от 
предыдущей плавки, позволяет быстро плавить шихту и выделять 
максимальную мощность в печь. На стадии проплавления колодцев 
электрические дуги заглубляются в шихту, металл под электродами 
расплавляется и перетекает на подину. Масса расплавленного металла зависит от величины вводимой мощности и насыпной плотности 
шихты, которые определяют размер образующихся колодцев. Скорость плавления шихты на этой стадии минимальна, так как значительная часть мощности идет на прогрев всей массы шихты теплопроводностью. Температура внутренней поверхности футеровки 
снижается, и ее тепло аккумулируется шихтой. 

Если вести плавку на больших токах, прожигаются узкие колодцы. Электроды проходят колодцы быстро, при этом образуется мало 
жидкого металла. Поэтому на данной стадии работают на длинных 
дугах, которые позволяют в большей мере стабилизировать электрический режим. 
Задачей стадии проплавления колодцев является образование ванны жидкого металла, достаточной для поддержания горения электрических дуг.  
Третья стадия – плавление закрытыми дугами. Оно характеризуется полным поглощением мощности, вводимой электрическими дугами, На этой стадии создаются условия для введения максимальной 
мощности в печь: дуга горит на жидкий металл, а футеровка стен экранирована шихтой. Шихта интенсивно расплавляется как за счет 
излучения дуг, так и за счет воздействия поднимающейся ванны 
жидкого металла. Во время стадии образуется общий для всех электродов колодец, который постепенно расширяется. Ванна жидкого 
металла увеличивается, заполняет поры в твердой шихте и дополнительно подогревает ее. Происходят обвалы шихты сначала в центральной части печи, затем на периферии. Стены и откосы печи постепенно обнажаются, и тепловой поток от дуг начинает греть футеровку. Для повышения усвоения вводимой мощности необходимо 
большую часть шихты расплавлять закрытыми дугами, когда скорость 
плавления шихты максимальна. Температура футеровки в начале стадии понижается, достигает своего минимального значения, затем начинается ее постепенный подъем. 
Задачей стадии плавления закрытыми дугами является расплавление максимально возможного количества шихты. Оставшееся от 
предыдущей плавки болото позволяет при управлении процессом 
вводить максимальную мощность с учетом температуры футеровки 
стен печи. 
Четвертая стадия характеризуется наличием открытых дуг. 
В печи еще много нерасплавленной шихты, особенно на откосах, но 
шихта уже не экранирует дуги. После заполнения жидким металлом 
пустот между кусками твердой шихты дуги полностью открываются и 
с этого момента свободно излучают энергию во всех направлениях, 
то есть на свод, стены и ванну. Обычно началом открытия дуг считается тот момент, когда наблюдается резкий рост температуры внутренней поверхности футеровки со скоростью 30…50 °С/мин. В этот 
период активная мощность печи должна снижаться и ее необходимо 
согласовывать с тепловым состоянием футеровки. К концу периода 

плавления температура внутренней поверхности футеровки ДСП достигает 1400…1600 °С. Как правило, по директивному графику применяется ступенчатое снижение мощности с целью предотвращения 
перегрева футеровки выше 1670 °С. Допускается кратковременный 
нагрев футеровки до 1700 °С.  
Для печей с водоохлаждаемыми панелями определяется тепловой 
поток, идущий на панели. Стойкость панелей определяется по разности температур входящей воды и отходящей. Тепловой поток (кВт/м2) 
рассчитывается по величине мощности электрических дуг, приходящихся на 1 м2 панелей. Предельное значение составляет 240 кВт/м2.  
Окончание периода открытого горения дуг наступает при расплавлении всей загруженной части шихты или при достижении заданной температуры металла. 
Задачей стадии открытого горения дуг является доплавление шихты 
и нагрев металла до температуры окончания периода плавления, которая соответствует температуре начала окислительной продувки. 
Управление процессом проводят по максимальной температуре футеровки или по тепловому потоку от электрических дуг. 
Система управления тепловым режимом ДСП используется с целью регулирования тепловой нагрузки, снижения расходов электроэнергии и электродов, увеличения производительности печи, сокращения времени плавки, снижения тепловых потерь и исключения по 
возможности разрушения футеровки. Основным критерием управления является сокращение периода плавления шихты, частным критерием – уменьшение расхода электроэнергии. 

1.3. Математическая модель периода плавления 
в ДСП 

1. Для стандартных дуговых сталеплавильных печей вместимостью 
25…200 т составлена база данных изменения массы расплавленного 
металла Gм, средней температуры шихты Тш и максимальной температуры футеровки Тф в течение всего периода плавления τ в зависимости 
от величины вводимой мощности Р и насыпной плотности шихты ρ в 
интервале 1,0…2,0 т/м3. В общем виде можно записать: 

 
Gм = f1 ( Р, ρ, τ ) ,  

 
Тш = f2 ( Р, ρ, τ ) ,  
(1.1) 

 
Тф = f3 ( Р, ρ, τ ) .  

Указанная база данных составлена расчетным путем и на основании проверки адекватности данных промышленным измерениям на 
действующих печах. Для математической модели принята табличная 
форма представления исходных и расчетных данных. Использование 
таблиц, а не интерполяционных зависимостей непосредственно 
в расчете процесса плавления более выгодно в связи с определенностью этих данных. Чтобы объем таблиц был приемлемым, для расчета 
в данной лабораторной работе принят временной шаг, равный 3 мин. 
Вышеуказанные параметры для рассматриваемых марок стали 
имеют сходный характер, поэтому можно составить общую матрицу 
расчета с применением отличительных коэффициентов для разных 
марок стали. 
Зависимости (1.1) имеют трехмерный характер и в таком виде 
введены в память ЭВМ. При решении задачи плавления насыпная 
плотность шихты для каждой конкретной плавки задается заранее, 
поэтому можно перейти к упрощенной двумерной модели, которая 
рассчитывается в базе данных теплового режима работы ДСП: 

 
Gм
ρ = f4 ( Р, τ ) ,  

 
Тш
ρ = f5 ( Р, τ ) ,  
(1.2) 

 
Тф
ρ = f6 ( Р, τ ) .  

2. Задача управления процессом плавления шихты в ДСП решается последовательно по четырем вариантам расчета (см. рисунок).  

В первом варианте мощность задается постоянной, как правило – 
максимальной, и по распечатке определяются границы стадий периода плавления.  
Во втором варианте изменения мощности выбирается стратегия 
управления на каждом временном шаге так, чтобы не были превышены заданные граничные условия плавления.  
В третьем варианте прогнозирования мощности задача управления облегчается за счет подготовленных данных на каждом временном шаге.  
Четвертый вариант – оптимизация мощности – выполняется 
в автоматическом режиме и выдает расчет с наилучшими параметрами для заданных начальных условий плавления шихты. По результатам этого варианта проверяется правильность расчетов, выполненных студентами. 
При неизменной вводимой мощности масса расплавленного металла и температура шихты непрерывно возрастают в ходе плавления. 
Максимальная температура футеровки имеет скачок при зажигании 
дуг, затем постепенно снижается в течение стадии проплавления колодцев и плавления закрытой дугой до минимального значения. При 
открытии дуг температура футеровки поднимается со скоростью 
30…50 °С/мин, что предъявляет повышенные требования к системе 
управления электрическим режимом. 
Управление процессом плавления с изменением или прогнозированием мощности строится на основе выполненного расчета. При 
зажигании дуг и открытом их горении снижают мощность в соответствии с превышением температуры футеровки над допустимой (примерно 1670 °С) и ведут плавление до полного расплавления шихты. 

3. Лабораторная работа проводится на информационно-вычислительном комплексе, построенном на базе IBM PC. 
Комплекс состоит из следующих основных элементов: 
• пульта управления с клавиатурой и видеотерминалом (дисплеем); 
• блока периферийных устройств, в который входят флэш-накопитель и два дисковода; 
• вычислительного блока; 
• печатающего устройства (принтера). 
Данная работа выполняется с помощью команд, вводимых с клавиатуры. Конечные результаты расчета распечатываются на принтере.  

1.4. Порядок проведения работы 

1. Студенты делятся на бригады по 4–5 человек, каждая из которых получает свое задание. В задание входят данные о вместимости 
дуговой сталеплавильной печи, насыпной плотности шихты, максимальной установленной мощности трансформатора печи, марке выплавляемой стали и другие исходное данные о процессе, для которого следует подобрать рациональное управление электрическим и тепловым режимами плавления шихты. 
Перед началом работы преподаватель или начальник вычислительного центра проводит дополнительный инструктаж по правилам 
работы на ЭВМ.  
Работа проводится в диалоговом режиме: на экране видеотерминала появляются вопросы, на которые студент должен ответить.  
В ходе работы вводятся следующие данные: 
• емкость печи,  100 т; 
• масса загрузки, 70…125 т;  
• насыпная плотность шихты, 1…1,5 т/м3; 
• величина вводимой мощности, МВт. 
Каждый студент бригады получает для расчета свое значение насыпной плотности шихты. 

2. Получив разрешение на самостоятельную работу, студент приступает к выполнению первой части работы – расчету периода плавления на максимальной мощности. В этом варианте расчета при неизменной мощности на экране дисплея выводятся данные о времени 
плавления, максимальной температуре футеровки, средней температуре шихты и массе расплавленного металла. По данным о максимальной температуре футеровки определяются: 
• необходимость снижения мощности в начале периода плавления 
при зажигании дуг; 
• длительность стадии закрытого горения дуг до достижения допустимой температуры футеровки – 1670 °С . 
На основании этого расчета студент должен определить длительность стадий и сделать вывод о наилучшем времени переключения 
мощности при регулировании тепловой работы печи. 
Далее с помощью математической модели следует провести поиск 
наилучшего рационального режима управления плавлением шихты. 
Студент, управляющий процессом, должен ввести исходные данные 
и наблюдать за изменением основных параметров процесса на экране 
дисплея – Тш и Тф. Для изменения режима плавления на каждом вре

менном шаге может вводиться новое значение мощности Р. Таким 
образом, в каждый момент времени студент может управлять процессом плавления.  
Величину вводимой мощности можно изменять в широких пределах – от 0 до значения, соответствующего вместимости печи. Максимальная температура футеровки в течение всего процесса не 
должна превышать 1670 °С (допускается кратковременный перегрев 
на одном временном шаге до 1700 °С). Окончание периода плавления происходит при расплавлении всей загруженной массы шихты. 
Если необходимо провести новый вариант расчета или при выполнении работы допущена ошибка, то без изменения начальных 
исходных данных можно провести корректировку расчета, введя команду «шаг назад» вплоть до момента включения печи для плавления шихты. 
Данные всех расчетов о проведенном периоде плавления выводятся на печать. Студенты получают распечатку основных показателей процесса в виде таблицы. 

Основные показатели процесса плавления 

Время, 
мин 

Тепловой 
поток, 
кВт/м2 

Температура 
футеровки, 
°С 

Температура 
металла, °С 

Масса 
металла, 
т 

Вводимая 
мощность, 
МВт 

3. На основании полученных результатов студент должен выполнить следующие действия. 
• Построить график изменения максимальном температуры футеровки при неизменной максимальной мощности в течение периода 
плавления. Выделить на графике стадии периода плавления. 
• Построить графики изменения массы расплавленного металла, 
средней температуры шихты, максимальной температуры футеровки 
и величины вводимой мощности в течение периода плавления при 
рациональном режиме прогнозируемой мощности. Выделить на графике стадии периода плавления. 
• Провести анализ полученных зависимостей. Сделать выводы об 
источниках различия в показателях процесса плавления при различных режимах. 
• В заключительной части работы проводится обсуждение найденных рациональных вариантов управления режимом плавления, полученных каждым студентом в составе бригады.