Датчики, приборы и измерения для контроля доменной печи

Датчики, инструменты и измерения для мониторинга доменной печи

Доменная печь (ДП) работает по принципу противоточного теплообмена газа и твердого тела от канала фурмы к линии шихты и противоточного обмена кислорода (O2) от зоны плавления к линии шихты. Твердые шихтовые материалы, состоящие из железорудных материалов (железная руда, агломерат, окатыши), кокса и флюсовых материалов, загружаются в верхнюю часть печи, а воздух, обычно обогащенный О2, а иногда и вспомогательным топливом, подается через фурмы вблизи топки. дно печи. Обычное время пребывания железистых шихтовых материалов в печи может достигать 8 часов, а газа - несколько секунд. Однако время пребывания кокса в горне намного больше, обычно оно составляет от 1 до 4 недель. Жидкий чугун (ТМ) и жидкий шлак сливаются через равные промежутки времени через ряд леток, расположенных в нижней части печи. Шлак отделяется от жидкого металла, который подается через ковши ТМ. Доменная печь должна работать с высокой производительностью и низким расходом топлива, гибким, стабильным и высокоэффективным образом, а также должна иметь длительный срок эксплуатации.

Доменную печь часто называют «черным ящиком» из-за таких терминов, как состояние печи и уровень нагрева в печи, которые в настоящее время широко используются, а также из-за того, что доменный процесс имеет много неизвестных областей. Причина, по-видимому, в сложности измерения, так как в доменной печи сосуществуют три фазы:газ, твердое тело и жидкость, реакция протекает неравномерно в радиальном направлении, процесс сопровождается изменением во времени, а измеряемые параметры всегда движутся в условиях высокой температуры, высокого давления и запыленной атмосферы.

Некоторыми из датчиков, которые обычно используются в доменной печи, являются (i) «радарный датчик» для измерения уровня шихты и скорости опускания шихты, (ii) запальная фурма колошникового газа доменной печи, (iii) фиксированный датчик «над шихтой» для измерения температуры и измерения давления и отбор проб газа, (iv) подвижный измеритель профиля «над шихтой» для измерения профилей шихты, скорости опускания шихты, температуры, давления и отбора проб газа, (v) подвижный зонд «над шихтой» для измерения температуры, давления, загрузки шихты кривых и для отбора проб газа a(vi) горизонтальные зонды «в руде» для измерения температуры, давления, слоев руды и для отбора проб газа. Другие распространенные датчики, используемые в доменной печи, включают детекторы линии шихты, тепловизионные камеры, измерители профиля, датчики, использующие акустику для измерения температуры колошникового газа, датчики удара, нисходящие вертикальные датчики, сканирующие датчики, инфракрасные термокамеры, фурменные датчики и т. д.

Эксплуатация доменной печи постепенно превратилась из деятельности, основанной исключительно на опыте, в деятельность, основанную на научных и металлургических принципах. Доменная печь больше не считается «черным ящиком». Важной частью этой эволюции является внедрение и использование сложных датчиков и измерительных устройств, которые передают оператору доменной печи полезную информацию о состоянии процесса. Для надежной работы доменной печи важно собирать различные рабочие параметры с помощью этих различных датчиков, чтобы процесс доменной печи стал прозрачным для оператора. Современная доменная печь оснащена большим количеством датчиков, приборов и измерительных устройств, что предполагает контроль большого количества сигналов, и эти сигналы необходимо осмысленно представить оператору доменной печи. Типичные датчики, инструменты и измерительные устройства, использовавшиеся в более ранних доменных печах, показаны на рис. 1.

Рис. 1. Типичные датчики, инструменты и измерительные устройства, использовавшиеся в более ранних доменных печах

За последние 40-50 лет было разработано несколько датчиков и измерительных устройств для контроля процесса в доменной печи. В качестве средства определения распределения нагрузки были разработаны вертикальный датчик, горизонтальный датчик и тепловизионная камера на горле. Комбинация системы измерения расхода газа и системы управления распределением шихты позволила гибко управлять доменной печью. После этих разработок точность, с которой измеряется и контролируется распределение шихты, была повышена за счет использования различных профильных измерителей, а также магнитного измерителя. Развитие газоанализаторов шло от традиционной газовой хроматографии к приборам с более короткими интервалами измерения и более высокой точностью, а затем к масс-спектрометрам. Для измерения вокруг фурм были разработаны фурменные термометры, фурменные телевизоры и фурменные датчики, которые предоставляют информацию о температуре вокруг канала или о распределении газа. Это, наряду с несколькими математическими моделями, основанными на оценке тепла печи и оценке зоны плавления, помогло улучшить общую систему управления работой доменной печи.

Сигналов в современной доменной печи, которые реализуются через сложную систему датчиков, инструментов и измерительных устройств для сбора адекватных данных всего процесса для анализа и точного контроля, очень много. Общее число сигналов ввода-вывода (ввода-вывода) этих датчиков, инструментов и измерительных устройств может составлять порядка 24 000, из них двоичные сигналы ввода-вывода могут находиться в диапазоне от 18 500 до 19 000, сигналы температуры диапазон от 1200 до 1500, другие аналоговые сигналы 4000 и сигналы взвешивания в диапазоне около 70.

Датчики и измерительные устройства доменной печи сделали большой шаг вперед на основе последних достижений в области электроники, оптики и вычислительной техники. Благодаря использованию компьютеров теперь стало возможным лучше отслеживать различные параметры доменной печи, поскольку компьютеры позволяют не только отображать переменные, но также использовать установленные модели, сравнивать различные переменные и создавать базы данных для хранения. переменные и их эволюция в процессе.

Типичное применение датчиков и измерительных устройств в современной доменной печи показано на рис. 2.

Рис. 2. Типичное применение датчиков и измерительных устройств в современной доменной печи

Реакции, протекающие в доменной печи, имеют очень сложный характер, так как все три фазы газа, твердого тела и жидкости сосуществуют вместе, и реакции протекают неравномерно в радиальном направлении. Процесс сопровождается изменением во времени, а измеряемые параметры всегда движутся в условиях высокой температуры, высокого давления и запыленной атмосферы, что создает трудности при измерении. Из-за сложности измерения различных параметров доменной печи печь обычно делится на разные зоны. Различные зоны доменной печи и требуемые измерения в зоне описаны ниже.

Грубая зона

В этой зоне в печи происходит непрямое восстановление. Желательными параметрами зоны, которые должны быть известны оператору доменной печи, являются распределение температуры, газопроницаемость, степень восстановления, скорость опускания шихты и изменение физических свойств шихты. Для этих параметров необходимы измерения количества и распределения частиц по размерам, а также распределения смешанного слоя для твердых шихтовых материалов и количества, состава, температуры и давления в случае восходящих газов. Обычно измеряются профиль поверхности шихты и распределение толщины слоя, температура поверхности шихты, состав газа, распределение температуры и давления.

Непосредственное измерение в комковатой зоне относительно просто, и это позволяет разрабатывать различные датчики, дающие много информации. В этой зоне наиболее важными областями измерения являются распределение шихты, распределение газового потока и их изменение во времени, все это влияет на восстановление, теплообмен, газопроницаемость и поведение шихты при опускании. Три фактора, которые помогают в оценке распределения шихты:(i) толщина слоя, (ii) размер шихты и (iii) распределение пустот. Из этих трех факторов только распределение толщины слоя может быть измерено с помощью различных профилемеров. Однако возможности профилемеров невелики, поскольку они измеряют только профиль поверхности, а не изменения профиля поверхности из-за загрузки шихты. Кроме того, измерения недействительны для измерения смешанного слоя. Недавно был разработан датчик, в котором используется магнитный измеритель. Этот датчик позволяет измерять изменения профиля поверхности шихты, распределение толщины слоя, включая смешанный слой, и распределение скорости опускания.

Распределение газового потока обусловлено распределением шихты. Это очень важное измерение, так как оно влияет на работу доменной печи. Распределение потока газа определяется четырьмя факторами, а именно (i) расходом, (ii) температурой, (iii) составом и (iv) давлением. Измеряемыми нормальными параметрами являются распределения температуры, состава и давления, поскольку эти параметры легко измерить. Использование горизонтальных и вертикальных зондов и манометров на стенках печи обеспечивает достаточно удовлетворительные результаты измерения температуры, состава и распределения давления. Желательно прямое измерение распределения расхода газа в шихте, но в настоящее время очень точные методы измерения не разработаны. Таким образом, распределение расхода газа в пределах шихты оценивается с помощью математических моделей с использованием имеющихся данных о температуре, составе и давлении газа.

Сплоченная зона

Все три типа реакций, а именно (i) реакции непрямого восстановления, (ii) реакции прямого восстановления и (iii) реакции потери раствора, происходят внутри доменной печи. Все три реакции влияют на когезионную зону. Следовательно, все измерения, необходимые для комковатой зоны, наряду с измерениями уровня и профиля шихты, являются важными измерениями для когезионной зоны.

Когезионная зона проявляет наибольшее сопротивление потоку газа в доменной печи и, следовательно, является показателем стабильности работы за счет распределения газа в печи и опускания шихты. Поэтому измерение положения и профиля когезионной зоны считается очень важным измерением. В настоящее время положение и профиль когезионной зоны не могут быть измерены напрямую, и те параметры, которые непосредственно измеряются с помощью различных датчиков, используются для оценки когезионной зоны с использованием математических моделей.

Зоны подтекания, дорожки качения и мертвеца

В зонах стекания, лотков и мертвых зон действия, происходящие в доменной печи, включают (i) образование шлака, (ii) сжигание кокса и/или вспомогательного топлива, (iii) циркуляцию металлоидов, таких как цинк, сера и щелочи, и (iv) исключили реакции прямого восстановления и потери раствора. Желательными измерениями в этой зоне являются проницаемость для жидкости, распределение потока металла и шлака, реакция металлоидов, оседание кокса, сгорание кокса, образование мертвого тела и расширение дорожек качения. Типичными измерениями, которые выполняются в этих зонах, являются (i) объем дутья на каждой фурме, (ii) длина лотка, (iii) яркость лотка, (iv) движение кокса, (v) размер кокса и (vi) ) температура корпуса фурмы.

В этих зонах происходят такие явления, как выпадение кокса, образование затора, течение чугуна и шлака, горение кокса на фурменном канале, металлоидная реакция, десульфурация. Считается, что для лучшего понимания явления важны газо- и жидкостная проницаемость и уровень температуры. Именно в этих зонах определяются окончательные состояния чугуна и шлака, поэтому для измерения и понимания требуется некоторая важная информация. Однако фактические измерения, которые в настоящее время возможны в этих зонах, включают (i) распределение температуры охлаждающей пластины, (ii) температуру корпуса фурмы и (iii) состояние дорожки качения на фурме. Развитие измерительных устройств в этих зонах продвигалось очень медленно, так как методы измерения в этой области сложны, а также существует путаница в философии того, что следует измерять и как упорядочивать явления. Для этих зон обычно используется оценочная модель с использованием различных математических моделей для скорейшей оценки конечного состояния чугуна и шлака и контроля условий.

Очаг

В этой зоне происходит сбор, разделение и хранение чугуна и жидкого шлака. Единственными работами, которые происходят в этой зоне, являются десульфурация и науглероживание чугуна. В этой зоне также важна проницаемость для жидкости. Желательными измерениями в этой зоне являются (i) уровень чугуна и шлака и их поведение, (ii) подача кокса и его удаление из-за его сжигания, (iii) десульфурация и науглероживание чугуна и металлоидная реакция. Типичными измерениями в этой зоне, которые необходимы, являются мониторинг поведения чугуна и жидкого шлака, а также мониторинг замены кокса горна, и для этого в настоящее время используется модель оценки с использованием различных математических моделей.

Методы измерения, используемые для контроля процесса доменной печи

Ниже приведены некоторые методы измерения, используемые в настоящее время для контроля процесса доменной печи.

• Распределение нагрузки. В настоящее время используются следующие методы измерения:(i) профильный измеритель контактного типа, (ii) профильный измеритель бесконтактного типа и (iii) магнитный измерительный прибор. Измеритель профиля контактного типа измеряет только профиль поверхности шихты. Он не измеряет изменение профиля поверхности из-за зарядки и не измеряет смешанные слои. Кроме того, возникают большие ошибки измерения, особенно при нарушении распределения нагрузки. Профилометры бесконтактного типа лучше, так как не нарушают распределения нагрузки. В случае магнитного измерителя он измеряет внутреннюю часть шихты и позволяет измерять изменение профиля поверхности при зарядке и перемешивании слоев.
• Распределение газового потока. В настоящее время используются следующие методы измерения распределения скорости газового потока:(i) расходомер жидкости, (ii) расходомер газа с горячей проволокой, (iii) метод нагретой термопары и (iv) газоиндикаторный метод. Обычно объемы потока газа получают из давления, температуры и состава газа в случае первых трех методов. Метод индикатора газа представляет собой мгновенное измерение, которое не нарушает распределения нагрузки.
• Уровень и профиль когезионной зоны. Уровень и профиль когезионной зоны измеряются либо прямым, либо косвенным методом. В косвенном методе расчеты основаны на некоторых предположениях и некоторых измеренных параметрах, в основном на давлении потока газа, температуре и распределении состава. Горизонтальные зонды обычно используются для определения температуры и состава газа. Это снова мгновенный метод измерения. Распределение давления потока газа измеряется путем измерения давления газа на стенках печи, которое является непрерывным измерением без нарушения шихты. Прямое измерение когезионной зоны выполняется методом вертикального зонда вставного типа, методом RI и методом тройной доменной рефлектометрии (TDR). Из трех TDR является непрерывным измерением, а два других — мгновенными измерениями. Преимущество вертикального зонда заключается в предоставлении данных о температуре, давлении и составе.

Техническое обслуживание оболочки BF

Для высокоэффективной и стабильной работы кожуха доменной печи и огнеупорной футеровки в основе КИП лежит внутренний профиль огнеупоров доменной печи и уход за кожухом печи. Поскольку длительный срок службы доменной печи в значительной степени способствует снижению затрат, измерение технического обслуживания кожуха печи имеет большое значение для получения информации об износе огнеупоров печи, нарастании лесов и для защиты системы охлаждения. оборудование и навесное оборудование печи от повреждений.

Обычно при измерении кожуха печи и огнеупоров в основном измерялась температура, а количество точек измерения увеличивалось в связи с расширением требований. Недавние достижения в методах измерения включают метод импульса электрического потенциала или метод отклика термопары, который непосредственно измеряет толщину огнеупора. Обслуживание корпуса доменной печи также направлено на включение системы управления корпусом печи в компьютер, чтобы справиться с увеличением количества точек измерения и с использованием математической модели оценки линии износа огнеупора. Ниже описаны различные приборы, которые обычно используются для обслуживания корпуса доменной печи и огнеупоров.

• Износ огнеупорного материала и наращивание каркаса. Существует несколько методов. Метод термопары является установленным методом, но точки измерения ограничены и зависят от температуры печи. Метод инфракрасной термокамеры создает графики в виде шаблона, а также зависит от температуры печи. В случае метода измерителя теплового потока количество точек измерения ограничено и зависит от температуры печи. Другими методами являются (i) метод отклика термопары, (ii) метод потенциального импульса, (iii) метод встроенного рефрактометра и (iv) метод бурения. Эти методы измеряют толщину стенки, но не обнаруживают увеличение толщины стенки. В случае встроенного метода RI можно измерить только одну точку на RI, в то время как метод растачивания затруднен при нормальной работе.
• Защита оборудования для охлаждения печи. С целью защиты оборудования для охлаждения печи и выявления повреждений на ранних стадиях выполняется несколько измерений. Этими измерениями являются (i) измерение количества CO, растворенного в охлаждающей воде, (ii) измерение дифференциального расхода охлаждающей воды, (iii) измерение температур подачи и выпуска охлаждающей воды и (iv) измерение водорода в доменной печи. верхний газ. Второй метод чувствителен к качеству воды. Третий метод показывает тепловую нагрузку на охлаждающее оборудование, а четвертый метод не определяет поврежденную часть.
• Защита оборудования, прикрепленного к доменной печи. Оборудование, прикрепленное к доменной печи, должно быть защищено от выхода из строя. В случае газоочистного оборудования это делается путем измерения и контроля температуры и давления колошникового газа, в то время как фурмы и продувочные трубы защищаются путем измерения объема дутья и количества вспомогательного топлива на каждой фурме.






Процессы вакуумной дегазации жидкой стали Склад доменной печи