Продвинутые зонды и приборы для точного мониторинга доменной печи

Зонды, приборы и измерения для мониторинга доменной печи

Доменная печь (ДП) работает по принципу контртокового теплообмена газ-твердое тело от дьюйного пространства до линии загрузки и контртокового обмена кислородом от зоны плавления до линии загрузки. Твердое шихтовое сырье (железорудные материалы: руда, агломерат, пеллеты), кокс и флюсы загружаются в верх печи, в то время как воздух, обычно обогащенный O₂, иногда с вспомогательным топливом, подается через дьюйные утки у основания. Обычное время пребывания железорудного сырья в печи — до 8 часов, газа — несколько секунд. Время нахождения кокса в подпечи гораздо дольше — обычно от 1 до 4 недель. Жидкий чугун (ЖЧ) и жидкий шлак выпускаются через несколько дьюйных отверстий внизу печи. Шлак отделяют от чугуна, который транспортируют в ковши. Доменная печь должна работать с высокой производительностью и низкой коксозатратой в гибком, стабильном и высокоэффективном режиме с длительной кампанией.

Доменную печь часто называют «черным ящиком» из-за терминов «состояние печи» и «тепловой уровень печи», все еще широко используемых, и потому что процесс имеет много неизвестных зон. Причина — трудности измерений: в печи сосуществуют три фазы (газ, твердое, жидкое), реакции идут неравномерно по радиусу, процесс сопровождается временными изменениями, а измеряемые параметры находятся в среде с высокой температурой, давлением и пылью.

Некоторые зонды, применяемые в ДП: (i) «радарный зонд» для уровня шихты и скорости спуска; (ii) зажигательный копило верхнего газа; (iii) стационарный «надшихтовый» зонд для температуры, давления и отбора газа; (iv) подвижный «надшихтовый» профиломер для профилей шихты, скорости спуска, температуры, давления и отбора газа; (v) подвижный «надшихтовый» зонд для температуры, давления, кривых зарядки шихты и отбора газа; (vi) горизонтальные «внутришихтовые» зонды для температуры, давления, слоев шихты и отбора газа. Другие приборы: детекторы линии загрузки, термовизоры, профиломеры, акустические зонды для температуры верхнего газа, импульсные зонды, нисходящие вертикальные зонды, сканирующие зонды, ИК-термокамеры, дьюйные зонды и др.

Эволюция управления печью

Эксплуатация ДП постепенно перешла от чисто эмпирической деятельности к деятельности, подкрепленной научными и металлургическими принципами. ДП больше не считается «черным ящиком». Важная часть эволюции — внедрение сложных зондов и измерительных устройств, передающих оператору полезную информацию о состоянии процесса. Для надежной работы ДП необходимо собирать различные эксплуатационные параметры с помощью этих сенсоров, чтобы процесс стал прозрачным для оператора. Современная ДП оснащена большим числом зондов, приборов и измерительных устройств, что означает мониторинг множества сигналов, которые нужно представить оператору осмысленно. Типичные зонды, приборы и измерительные устройства ранних ДП показаны на рис. 1.

За последние 40–50 лет разработано множество зондов и измерительных устройств для управления процессом ДП. Для контроля распределения шихты разработаны вертикальные зонды, горизонтальные зонды и термовизоры в горле. Комбинация системы измерения распределения газового потока и системы управления распределением шихты позволила гибкое управление печью. Точность измерения и контроля распределения шихты повышена за счет профиломеров и магнитометров. Развитие газовых анализаторов прошло путь от газовой хроматографии к приборам с более короткими интервалами измерений и высокой точностью, а затем к масс-спектрометрам. Для измерений у дьюй: термометры корпусов дьюй, дьюйные телевизоры, дьюйные зонды, дающие информацию о температуре у дьюйного пространства или распределении газа. Это вместе с математическими моделями оценки теплового состояния печи и зоны плавления улучшило общую систему управления ДП.

Сигналы в современной ДП, получаемые через сложную систему зондов, приборов и измерительных устройств для сбора адекватных данных всего процесса для анализа и точного управления, очень многочисленны. Общее число сигналов I/O (вход-выход) может достигать 24 000, из них дискретных I/O — 18 500–19 000, температурных — 1 200–1 500, других аналоговых — 4 000, весовых — около 70.

Зонды и измерительные устройства ДП значительно продвинулись благодаря недавним достижениям в электронике, оптике и компьютерных технологиях. С компьютерами стало возможным лучше мониторить параметры ДП: компьютеры не только отображают переменные, но и используют установленные модели, сравнивают переменные, строят базы данных для хранения переменных и их эволюции в процессе.

Реакции в ДП очень сложны: сосуществуют три фазы, реакции идут неравномерно по радиусу, процесс меняется во времени, измеряемые параметры движутся в среде высокой температуры, давления и пыли — это создает трудности измерения. Из-за трудностей печь делят на зоны. Ниже описаны зоны и желаемые измерения.

Кусковая зона

Здесь происходит непрямое восстановление. Желаемые параметры: температурное распределение, газопроницаемость, степень восстановления, скорость спуска шихты, изменение физических свойств шихты. Необходимые измерения: количество и гранулометрический состав, распределение смешанных слоев для твердого сырья; количество, состав, температура и давление для восходящих газов. Обычно измеряют: профиль поверхности шихты и распределение толщины слоев, температуру поверхности шихты, состав газа, температуру и распределение давления.

Прямое измерение в кусковой зоне относительно простое, что позволило разработать разные сенсоры с большой информацией. Самые важные области измерений: распределение шихты, распределение газового потока и их изменение во времени — все влияет на восстановление, теплообмен, газопроницаемость и поведение спуска шихты. Три фактора для оценки распределения шихты: (i) толщина слоев, (ii) размер кусков шихты, (iii) распределение пустот. Из них только распределение толщины слоев измеряется профиломерами. Но их возможности ограничены: они измеряют только профиль поверхности, а не изменения профиля при зарядке. Измерения недействительны для смешанных слоев. Недавно разработан сенсор с магнитометром, позволяющий измерять изменения профиля поверхности шихты, распределение толщины слоев включая смешанные слои и распределение скорости спуска.

Распределение газового потока — результат распределения шихты. Очень важное измерение, влияющее на работу печи. Определяется четырьмя факторами: (i) расход, (ii) температура, (iii) состав, (iv) давление. Обычно измеряют распределения температуры, состава и давления — их легче измерить. Горизонтальные и вертикальные зонды и манометры стенки печи дают удовлетворительные значения распределений температуры, состава и давления. Прямое измерение распределения расхода газа в шихте желательно, но точных методов пока нет. Поэтому распределение расхода оценивают математическими моделями по данным температуры, состава и давления газа.

Когезивная зона

Здесь происходят все три типа реакций: (i) непрямое восстановление, (ii) прямое восстановление, (iii) реакции растворительного потерь. Все три влияют на когезивную зону. Поэтому все измерения, нужные для кусковой зоны, плюс измерения уровня и профиля шихты — важны для когезивной зоны.

Когезивная зона создает наибольшее сопротивление газовому потоку в ДП и служит индексом стабильности работы через внутрипечное распределение газа и спуск шихты. Поэтому измерение положения и профиля когезивной зоны считается очень важным. На данный момент положение и профиль нельзя измерить напрямую — используются параметры, измеряемые зондами, для оценки когезивной зоны математическими моделями.

Капающая, дьюйная и мертвая зоны

Здесь происходят: (i) образование шлака, (ii) сгорание кокса и/или вспомогательного топлива, (iii) циркуляция металлоидов (цинк, сера, щелочи), (iv) остаточное прямое восстановление и реакции растворительной потери. Желаемые измерения: жидкая проницаемость, распределение потоков металла и шлака, реакции металлоидов, спуск кокса, сгорание кокса, формирование мертвой зоны, расширение дьюйных пространств. Типичные измерения: (i) объем дутья в каждой дьюй, (ii) длина дьюйного пространства, (iii) яркость дьюйного пространства, (iv) движение кокса, (v) размер кокса, (vi) температура корпуса дьюй.

Здесь происходят: спуск кокса, формирование мертвой зоны, течение чугуна и шлака, сгорание кокса в дьюйном пространстве, реакции металлоидов, десульфуризация. Для понимания важны газовая и жидкая проницаемость и температурный уровень. Эти зоны определяют конечное состояние чугуна и шлака, поэтому нужна важная информация. Но реально возможны измерения: (i) температурное распределение охлаждающих стойк, (ii) температура корпуса дьюй, (iii) состояние дьюйного пространства у дьюй. Развитие измерительных устройств в этих зонах шло очень медленно — методы измерения сложны, и есть путаница в философии: что измерять и как упорядочить явления. Для этих зон обычно используют оценочные модели с математическими моделями для оценки конечного состояния чугуна и шлака и управления условиями.

Подпечная зона

Здесь собирают, разделяют и накапливают чугун и жидкий шлак. Единственные процессы — десульфуризация и закарбуризация чугуна. Жидкая проницаемость также важна. Желаемые измерения: (i) уровень чугуна и шлака и их поведение, (ii) поставка кокса и его удаление из-за сгорания, (iii) десульфуризация и закарбуризация чугуна, реакции металлоидов. Типичные измерения: мониторинг поведения чугуна и шлака, мониторинг замещения кокса подпечи — сейчас используют оценочные модели с математическими моделями.

Методы измерений для управления процессом ДП

Некоторые применяемые методы:

Распределение шихты

• Контактные профиломеры — измеряют только профиль поверхности. Не измеряют изменения профиля при зарядке и смешанные слои. Большие ошибки при нарушенном распределении шихты.
• Бесконтактные профиломеры — лучше, не нарушают распределение шихты.
• Магнитометры — измеряют внутри шихты, позволяют измерять изменение профиля при зарядке и смешанные слои.

Распределение газового потока

• Методы для скорости газового потока: (i) расходомеры жидкости/газа, (ii) горячепроволочные газорасходомеры, (iii) метод нагретых термопар, (iv) трассерный метод газа. Обычно расход получают из давления, температуры и состава (первые три метода). Трассерный метод — мгновенное измерение, не нарушает распределение шихты.

Уровень и профиль когезивной зоны

• Коэффициент распределения серы — измеряется прямым или косвенным методом. Косвенный — расчеты на основе предположений и измеренных параметров (давление, температура, состав газа). Горизонтальные зонды для температуры и состава. Мгновенное измерение. Распределение газового давления — измерением давления на стенке печи (непрерывное, без нарушения шихты). Прямое измерение: вставочные вертикальные зонды, РИ-метод, ТDR (тройная доменная рефлектометрия). Из них ТDR — непрерывное, остальные — мгновенные. Вертикальный зонд дает также данные по температуре, давлению, составу.

Обслуживание оболочки ДП

Для высокоэффективной и стабильной работы оболочки и огнеупорной облицовки приборы основаны на внутреннем профиле огнеупоров и обслуживании оболочки. Поскольку длительная кампания сильно снижает затраты, измерения для обслуживания оболочки значимы: информация об износе огнеупоров, нарастании нагаров, защите охлаждающего оборудования и приборов печи от повреждений.

Традиционно измерения оболочки и огнеупоров были в основном температурными с увеличением точек по расширенным требованиям. Недавние достижения: метод электрических импульсов потенциала или метод реакции термопары — прямое измерение толщины огнеупоров. Обслуживание оболочки стремится к интеграции системы контроля оболочки в компьютер для работы с увеличенным числом точек и модели оценки линии износа огнеупоров. Распространенные приборы:

• Износ огнеупоров и нарастание нагаров: несколько методов. Термопарный — устоявшийся, но точки ограничены и зависят от температуры печи. ИК-термокамера — графики как образцы, тоже зависит от температуры. Тепловой поток — ограниченные точки, зависит от температуры. Другие: (i) метод реакции термопары, (ii) метод потенциальных импульсов, (iii) встроенный РИ-метод, (iv) бурение. Эти методы измеряют толщину стенок, но не обнаруживают увеличение толщины. Встроенный РИ — одна точка на РИ. Бурение сложно в нормальной эксплуатации.
• Защита охлаждающего оборудования печи: измерения для раннего обнаружения повреждений: (i) количество CO, растворенного в охлаждающей воде, (ii) разница расходов охлаждающей воды, (iii) температуры подачи и отвода воды, (iv) водород в верхнем газе ДП. Второй метод чувствителен к качеству воды. Третий показывает тепловую нагрузку на оборудование. Четвертый не локализует повреждение.
• Защита оборудования, прикрепленного к ДП: оборудование защищают от отказов. Для газоочистки — измерением и контролем температуры и давления верхнего газа. Для дьюй и дутовых труб — измерением объема дутья и количества вспомогательного топлива в каждой дьюй.