Автоматизация дуговых печей
Лапшин И.В.
МГУ, 2004 г.
3. КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ
Контроль электрических параметров ДСП необходим для поддержания заданного режима работы печи, при определении несимметрии нагрузки в подводящей цепи и некоторых других функций. При эксплуатации печи контролируются токи и напряжения (фазные и линейные), мощность (активная и реактивная) и расходэнергии также активной и реактивной. В некоторых специальных режимах могут контролироваться и другие параметры. КОНТРОЛЬ выполняется непрерывно или дискретно, но с достаточно большой частотой.
Электрические измерения в ДСП имеют ряд особенностей и требуют в некоторых случаях применения особых способов измерения. Это определяется условиямиработы печи, которая характеризуется резкими и частыми колебанияминагрузки отдельных фаз печи, большими величинами тока печи, несинусоидальностью напряжений и токов дуг, трудными условиями присоединения измерительных приборов. Кроме того, колебания токов печи оказывают неблагоприятное влияние на работу соседних с печью потребителей. Возникает необходимость контроля этих колебаний, для чего применяются специальные устройства и приборы.
Токи мощных электропечных установок достаточно велики (десятки килоампер) и вызывают возникновение сильных магнитных полей и паразитных э.д.с. в измерительных проводках и приборах. Требуется применение специальных схем и приборов для устранения помех в измерениях. Токи и напряжения печи несинусоидальны и содержат гармонические составляющие высших порядков, что также вызывает необходимость применения специальных приборов. При некоторых условиях в напряжении и токе дуги появляется постоянная составляющая, увеличивающая потериэлектроэнергии в установке. Измерение этой составляющей выполняется по особым схемам.
Измерение токов печи требует установки измерительных трансформаторов тока, что па мощных электропечах со стороны низшего напряжения печного трансформатора затруднительно. Поэтому Измерение тока в ряде случаев проводится либо только на стороне высшего напряжения, либо применяются специальные устройства.
Электроизмерительные приборы особенно электромагнитной и электродинамической систем могут давать значительные частотные погрешности при несинусоидальных токах. Накоплен значительный опыт производства и промышленного применения электролитических датчиков для оперативного контроля содержания активного кислорода в жидкой стали. Применяемые за рубежом активометры в качестве твердого электролита, как правило, используют двуокись циркония (ZrO2). стабилизированную окисью кальция (СаО)или магния (MgO). Они позволяют измерять содержание кислорода в металлической ваиие до 0.001 % при 1600 °С. В качестве электрода сравнения в большинстве датчиков применяют смесь металлов, что обеспечивает потенциал сравнения, близкий к содержанию кислорода в жидком металле, и гарантирует минимальное влияние поляризацииэлектролита на точность измерения. В качестве противоэлектрода в активометрах кратковременного погружения используют химически стабильный материал, не вступающий в реакции с жидкой сталью, чаще всего чистый молибден или вольфрам. Все датчикиактивометров имеют встроенные платино-платинородиевые термопары для измерениятемпературыэлектрода сравнения.
Отличительной особенностью отечественного активометра является использование в качестве твердого электролитаизделий из технически чистого корунда (99.5 % А12О0 и электрода сравнения из железа насыщенного углеродом (синтетического чугуна).
Экспрессный анализ химсостава металла осуществляется с использованием квантометров. Принцип действия одного из отечественных квантометров описан ниже.
Анализ может проводиться для всех элементов периодической таблицы Менделеева от магния до урана. Одновременно анализируются 12 элементов. Принцип действия квантометра основан на измеренииинтенсивности спектральных линии характеристического излучения, возбуждаемого в анализируемом образце при облучении его потоком рентгеновских лучей. анализ может производиться в ручном и автоматическом режиме с использованием ЭВМ. При работе в ручном режиме при нажатии кнопки «Пуск» кювета автоматически подается в камеру, откуда откачивается воздух. При определенной величине разрежения открывается вакуумный затвор и начинает работать спектрометр. Измерение продолжается в течение заданной экспозиции, т. с. 140 с. Флуоресцентное излучение от образца поступает в спектрометрические каналы, число которых равно числу анализируемых элементов. Флуоресцентное свечение с помощью кристалла-анализатора разлагается в спектр и интенсивная линия анализируемого элемента направляется на входное окно детектора рентгеновского излучения, в качестве которого используются сцинтиляциониые и проточные пропорциональные счетчики. Сигнал, снимаемый с детектора, усиливается, проходит через дискриминатор, снимающий шум, к пересчетным блокам, где подсчитывается число импульсов. Количество импульсов за определенный промежуток времени (140 с) характеризует интенсивность данной аналитической линии и пропорционально содержанию элемента в образце.
Используя градуировочиые кривые или известные математические зависимости, можно по результатам измеренияинтенсивностей определять содержание анализируемого элемента в пробе.
Для экспресс-анализа на углерод, серу и кислород используются специальные анализаторы с автоматической коррекцией результатов анализа по массе пробы.
Принцип действия анализаторов АН-7529 и АН-7560 на углерод заключается в определении рН раствора, меняющегося под влиянием образовавшегося при сжиганиипробы диоксида углерода. Они состоят из датчика, измерительного блока и системы газоподготовки. Анализаторыработают следующим образом (рис. 3.7).
Навеску анализируемого сплава сжигают в трубчатой электропечи? в потоке чистого кислорода. При этом содержащийся в сплаве углерод, соединяясь с кислородом, образует углекислый газ, уносимый из печи непрерывным потокомкислорода в электролитическую ячейку 2 датчика экспресс-анализатора, в которой содержится щелочной поглотительный раствор 3. При прохождении углекислого газа уменьшается величина рН, что приводит к соответствующему изменению Э.Д.С. индикаторнойэлектроднойсистемы рН-метра, состоящей из стеклянного измерительного 4 и вспомогательного 5 электродов. Сигнал через усилитель 6 посгупает в регулятор 7, который подключает источник стабилизированного питания 8 к генераторным электродамдатчика (катод 9, анод 10) через проницаемую для тока перегородку 11. При этом на катоде происходит разряд ионов водорода с образованием атомарного водорода, в результате чего рН поглотительного раствора повышается до исходного значения.
С помощью интегратора определяется суммарное количество электричества, пошедшее на титрование. Полученный результат однозначно определяет количество образовавшегося при сжигании углекислого газа и, следовательно, количество углерода в пробе. Результаты анализа индицируются на цифровом табло 12 в процентах углерода.
Время анализа на аппарате АН-7529 — I мин, па АН-7560 2 мин. Диапазон определяемых концентраций углерода: 0,03—2,0 % для АН-7529 и 0001—0,2 % для ЛН-7560.
В электросталеплавильных и других производствах черной металлургии широкое распространение получили газоаналитические системы нового поколения на масс-спектрометрическом методеизмерениясостава технологических газов [5]. Принцип действия масс-спектрометров основан на бомбардировке электронами в вакуум-камере анализируемой пробы. Составляющие пробы анализируемого газа подвергаются ионизации, разгоняются в электрическом и отклоняются в магнитном полях соответственно своим массам. Определение концентраций составляющих в газе (пропорционально их массам) выполняют по молекулярным (материнским) и вторичным (осколочным) пикам. Осколочные пики образуются вследствие разрыва химических связеймолекул при их ионизации и необходимы для выделения и контроля газовых составляющих с одинаковыми массовыми числами. КОНТРОЛЬ пиков и преобразование их в электрический сигнал, пропорциональный концентрациям газовых составляющих, выполняют коллекторами. Масс-спектрометр обеспечивает одновременно определение всех составляющих газов с временем запаздывания ~ 1 с и погрешностью ± (0,2— 0,5)%. Получившие ранее в черной металлургии широкое распространение традиционные типы газоанализаторов (инфракрасные, кондуктометрические, магнитные, химические и др.) не обладают такими возможностями, так как, во-первых, для определения каждой из газовых составляющих необходим отдельный прибор, основанный на своем методе измерения, и, во-вторых, погрешность, быстродействие и надежность таких газоанализаторов в ряде случаев на порядок уступают новым масс-спектрометрам.
Многочисленными исследованиями показано, что положение кислороднойфурмы оказывает большое влияние на степень полезного использования кислорода, скоростиобезуглероживания и нагрев ванны, окисленностьметалла и шлака, стойкость кладки печи и самих фурм, а также выход годной стали.
Продувочные водоохлаждаемые фурмыработают в исключительно тяжелых условиях. Поэтому создание надежных методовконтроля их положения в рабочем пространстве печи является весьма сложной задачей.
При этом относительно просто решается задача определения положения фурмы относительно какой-либо постоянной геометрической отметки (например, порога завалочных окон). Обычно для ввода фурм используют лебедку с электродвигателем, редуктором и механизмом погружения, выполненному в виде троссовой передачи или реечного привода. КОНТРОЛЬ погружения фурмы осуществляется при помощи бесконтактных электрических датчиков, установленных на валу двигателя перемещения фурмы. При этом используются цифровые датчики, определяющие угол поворота вала (например, путем счета отверстий диска, посаженного на вал) или сельсины.
Значительно сложнее осуществляется КОНТРОЛЬ положения фурмы относительно уровня металла. Один из методов основан на определении теплового потока на наконечник фурмы, который резко возрастает при погружении наконечника ниже уровня границы шлак-металл. Более перспективными представляются электрические методы, основанные на изменении электрического сопротивления между фурмой и заземленным каркасом печи или силы электрического тока, протекающего через фурму и соединенные с нею металлические шланги и трубопроводы. Методсопротивления основан на различной электрической проводимости газовой фазы, шлака и металла. При погружении фурмы в рабочее пространство печи сопротивления меняется от 25 до 30 кОм, когда наконечник фурмы находится в газовой фазе, до долей ома в момент касания шлака. При дальнейшем погружении фурмысопротивление продолжает снижаться и достигает минимального значения, близкого к нулю, при соприкосновения наконечника с металлом.
Принцип действия крановых весов системы «Крановые весы» основан на измерении величины линейной деформации упругих элементов под воздействием веса груза с последующими преобразованиями и математической обработкой полученных результатов.
Состав, ориентировочное размещение и основные связиаппаратуры одних крановых весов показаны на рис. 3.8.
Первичными силоизмерительными элементами являются месдозы, воспринимающие вес груза. Конструктивно месдоза выполнена из упругого элемента, непосредственно воспринимающего усилие от действия взвешиваемого груза, и датчика линейных перемещений , преобразующего деформацию упругого элемента в электрический сигнал.
Датчик линейных перемещений трансформаторного типа осуществляет преобразование величины осевой деформации упругого элемента в электрический сигнал, пропорциональный сжимающей силе. Размещаемые внутри месдозы термосопротивлсиия измеряют текущее значение температуры упругого элемента для компенсации температурных погрешностей.