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. 

Таким образом, из анализа протекания процесса расплавления следует, что помимо физических ограничений ввода электроэнергии в печь, обусловленных мощностью используемого трансформатора, существует и ряд технологических ограничений, обусловленных, прежде всего, допустимой мощностью потока излучения на стены и свод печи (т.е. их стойкостью) и допустимой длиной 
дуги. Лишь в одну стадию периода расплавления (стадию закрытых 
дуг) можно вводить максимальную мощность в печь. Продолжительность этой стадии обычно невелика, в результате чего не полностью 
используется мощность трансформатора и падает производительность агрегата. Одной из мер, принимаемых в настоящее время по 
повышению производительности печи, является использование пенистых шлаков, позволяющих существенно увеличить длину дуг при 
полном их экранировании. 

Изменение вторичного напряжения трансформатора. подаваемого на печь, осуществляется периодически, в определённые моменты плавки. Частые коммутации сильноточных цепей нежелательны. Длину межэлектродного промежутка можно изменять оперативно. Для этого служит электромеханический и гидравлический привод, с помощью которого перемещаются стойки с электродами. Поэтому вопрос управления с использованием этого параметра рассмотрим подробнее, и, прежде всего, определим статическую характеристику печи – зависимость в установившемся режиме между длиной дуги (входной параметр) и силой тока и напряжением на дуге 
(выходные параметры). В дуговом разряде выделяют три области: 
катодную, столб дуги и анодную. Напряжение на дуге определяется 
следующим выражением: 

 
, 
(2.1) 
д
д
l
U
⋅
β
+
α
=

где 
 – сумма анодного и катодного падения напряжения, В; 
α
β – градиент напряжения столба дуги, В/мм; 

дl  – длина дуги, мм. 

Величина α  зависит в основном от материала электрода и 
колеблется в пределах 9…30 В, величина градиента значительно меняется в течение плавки: она составляет 10…12 В/мм, при расплавлении металла и наличии шлака – 1,5…3,8 В/мм, в восстановительный период – 0,7…1,1 В/мм. Как следует из выражения (2.1), зави

симость между длиной и напряжением дуги носит линейный характер. Коэффициент передачи объекта по напряжению 

β
=
=

д

д
н
d
d
l
U
K
. 
(2.2) 

Для определения аналитической зависимости силы тока от 
длины дуги несколько упростим расчёт: исключим взаимовлияние 
фаз и не будем учитывать нелинейности трансформатора. В этом 
случае значение длины дуги в зависимости от электрических параметров печи может быть определено из уравнения для напряжения фазы печи: 

(
)
(
)2
2
x
I
r
I
U
U
⋅
+
⋅
+
=
д
п
, 
(2.3) 

где I  – сила тока данной фазы; 

r  – суммарное активное сопротивление; 
x  – суммарное реактивное (индуктивное) сопротивление. 

Из этого уравнения 

( )
r
х
I
I
U
U
−
−
=
2
2
п
д
. 
(2.4) 

Из уравнений (2.3) и (2.4) получим: 

(
)
r
I
x
I
U
l
⋅
−
⋅
−
=
⋅
β
+
α
2
2
п
д
, 
(2.5) 

(
)
⎟⎠
⎞
⎜⎝
⎛
α
−
⋅
−
⋅
−
β
=
r
I
x
I
U
l
2
2
1
п
д
. 
(2.6) 

Характер полученной зависимости представлен на рис. 2.2. 

Рис. 2.2. Зависимость длины дуги от тока на различных 
ступенях напряжения трансформатора для ДСП-100 

Поскольку зависимость имеет нелинейный характер, коэф
фициент передачи объекта по току 

д
т
d
d
l
I
K =
 может быть вычислен 

для определённых значений тока и длины дуги и численно равен тангенсу угла наклона касательной к оси абсцисс. 

Как следует из формул (2.2) и (2.6), коэффициенты передачи 
и по напряжению, и по току  зависят от величины β. Поскольку 
 
меняется в течение плавки, то коэффициент передачи объекта является переменным. 

β

Это обстоятельство существенно и, вообще говоря, требует 
применения адаптивного регулятора с самонастройкой параметров в 
соответствии с изменениями β. 

2.2. Возмущающие воздействия 

Как уже отмечалось, наиболее неспокойный электрический режим наблюдается в начальные стадии плавки при расплавлении холодной шихты. Частые и значительные колебания тока (от коротких замыканий до разрыва дуги) приводят к снижению уровня используемой 
мощности. Длина межэлектродного промежутка в этот период мала – 
15…20 мм, условия для ионизации дугового промежутка неблагоприятны,  наибольшие величины градиента потенциала β и соответственно 
наибольший коэффициент передачи объекта, т.е. небольшие изменения 
длины межэлектродного промежутка приводят к существенным изменениям напряжения дугового промежутка 
 и тока 
д
U
I . 

Электрический режим в этот период неустойчив. Короткие дуги 
горят беспокойно, перебрасываются с одного куска металла на другой, 
часто обрываются вызывая необходимость короткого замыкания для 
повторного зажигания. В небольшом объёме под электродами выделяется огромная мощность. В результате в шихте образуются “колодцы”, 
диаметр которых на 30…40 % больше диаметра электрода. На дугу действуют потоки паров и газов за счёт высокого градиента температур в 
этой области. Также весьма существенно воздействие на дугу электромагнитного поля от соседних электродов и собственного тока, протекающего по электроду и по шихте. Действие этих факторов приводит к 
непрерывному изменению положения и длины столба дуги, что обусловливает высоких уровень колебаний тока. Дуга под электродом 
практически никогда (если не принять специальные меры, например 
полый электрод) не горит вертикально. Благодаря взаимодействию дуги 
с токами в электроде и шихте, а в стадию открытого горения дуг – с токами соседних фаз, дуга выдувается от центра электропечи и горит под 
углом к оси электрода. Это подтверждается как скоростными киносъёмками дуги в электропечи, так и внешним видом конца электрода. Поэтому любые движения электродов – как вертикальные, отрабатываемые регуляторами, так и горизонтальные, вызывают изменение длины 
дуги и соответствующее изменение тока и электрического режима печи. 

Горизонтальные движения электродов, которые не могут 
быть отработаны регулятором, должны быть по возможности 
уменьшены правильным выбором электрического режима печи. В 
частности, к уменьшению горизонтальной  составляющей перемещения электрода при сохранении заданной мощности приводит умень