способ контроля и автоматического управления стабильностью образования гарнисажа в пристенном слое печи ванюкова

Формула изобретения

1. Способ контроля и управления стабильностью образования гарнисажа в пристенном слое печи Ванюкова, включающий регулирование температуры расплава путем изменения величины расхода теплоносителя в печь, непрерывную подачу сжатого воздуха в печь через открытый конец продольного патрубка фурмы, другой конец которого закрыт прозрачным телом в виде крышки, расположенным соосно с чувствительным контрольным элементом прибора, отличающийся тем, что в качестве чувствительного контрольного элемента прибора используют приемник изображения контролируемых образа и яркости гарнисажа, образующегося на открытом конце продольного патрубка фурмы, определяют образ и яркость этого гарнисажа при различных составах и теплотехнических свойствах расплава, а также время, достаточное для образования технологически заданной толщины гарнисажа в пристенном слое печи, затем определенные значения времени, яркости и образа принимают в качестве эталонных и изменяют величину расхода теплоносителя в печь до полного совпадения контролируемых образа и яркости гарнисажа с эталонными их значениями, а последующее изменение величины расхода теплоносителя в печь производят только в том случае, если время отклонения контролируемых образа и яркости гарнисажа от эталонных значений превышает определенное эталонное время, причем сжатый воздух в продольный патрубок фурмы подают с постоянным давлением.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что образ, принятый в качестве эталонного, формируют путем затемнения центральной зоны прозрачного тела непрозрачным материалом.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что открытый конец продольного патрубка фурмы располагают выше уровня расплава.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургическим плавильным печам и преимущественно может быть использовано в металлургических процессах плавки в жидкой ванне, в частности в печи Ванюкова.

Цель изобретения - повышение безаварийности работы печи Ванюкова за счет контроля и управления стабильностью процесса образования гарнисажа в пристенном ее слое.

Известен способ контроля и образования гарнисажа в пристенном слое печи Ванюкова путем упреждающего изменения расхода охлаждающей среды (воды) через кессоны, закрепленные к стенкам печи Ванюкова (патент на изобретение №2039332, МКИ: F 27D 19/00 и F 27В 1/26 от 13.04.90 г., публикация 09.07.95 Бюллетень №9 "Способ управления охлаждением кессона металлургической печи").

Однако известное техническое решение по патенту №2039332 не может обеспечить достаточно надежную работу печи, т.к. в нем отсутствует прямой и безинерционный контроль за процессом образования гарнисажа. Процессом образования гарнисажа управляют по показаниям большого количества датчиков температуры воды на входе и выходе кессонов (более 500-900 ед. датчиков), причем на показания этих датчиков могут влиять не только сам процесс образования гарнисажа, но и многие другие причины (большая вероятность изменения положения одного из множества датчиков, большая погрешность и т.д.). Кроме того, сам принцип оценки наличия или отсутствия гарнисажа через инерционную систему водоохлаждения вносит существенное запаздывание, что не может своевременно устранить возможность аварийного режима и остановки печи. Но самое главное, что не позволило практическое использование описываемого аналога то, что управление процессом образования гарнисажа по производной изменения температуры в пределах от 0,5 до 2°С не может быть принято в качестве входного сигнала системы управления, т.к. точность датчиков температуры, например термометров сопротивления, колеблется в этих же пределах. Самые главные недостатки этого способа - зависимость показаний датчиков от множества факторов, влияющих на работу этих датчиков и чувствительность их не к самому процессу образования или отсутствия гарнисажа, а уже последствиям этих явлений, что приводит только к формированию управляющих воздействий с большим запаздыванием. Это не исключает возможность появления настылей в печи или прожогов отдельных ее элементов, т.е. не обеспечивается стабильная безаварийная работа печи Ванюкова.

Известно также технологическое решение по Японскому патенту №61-030638 от 12.02.1986 г., МКИ: С 22 В 15/06, G 01 J 5/00 на "Метод измерения температуры расплава в медном конвертере".

Согласно Японскому патенту температуру расплава в конвертере измеряют с помощью бесконтактного термометра через некое прозрачное тело, покрывающее (закрывающее) внешний конец фурмы, и стабилизируют температуру расплава в заданных пределах путем регулирования величины расхода газа, подаваемого в расплав до максимальной величины (близкой к скорости звука). Данный способ позволяет устранить трудности контроля температуры, возникающие из-за дыма, образующегося в металлургическом агрегате - конвертере. Однако температура расплава зависит от его непрерывно изменяющихся неконтролируемых состава и теплотехнических свойств. Поэтому способ не позволяет четко контролировать процесс образования гарнисажа в пристенном слое металлургического агрегата, т.к. при одних и тех же температурах расплава контроль и стабилизация процесса образования гарнисажа значительно затрудняются до невозможности его технической реализации. С другой стороны, прямое измерение температуры расплава при стабильном составе и теплотехнических его свойствах может дать возможность грубо предсказать тенденцию (нагрев или остывание) гарнисажа в металлургическом агрегате и предотвратить аварийные ситуации только в этом частном случае и в печи Ванюкова (возможно!). Поэтому Японский патент №61-030638 принимается за прототип предлагаемого нами способа.

Сущность изобретения заключается в том, что в предложенном способе контроля и управления стабильностью образования гарнисажа в пристенном слое печи Ванюкова, включающем регулирование температуры расплава путем изменения величины расхода теплоносителя в печь, непрерывную подачу сжатого воздуха в печь через открытый конец продольного патрубка фурмы, другой конец которого закрыт прозрачным телом в виде крышки, расположенным соосно чувствительному контрольному элементу прибора, при этом в качестве чувствительного контрольного элемента прибора используют приемник изображения контролируемых образа и яркости гарнисажа, образующегося на открытом конце продольного патрубка фурмы, определяют образ и яркость этого гарнисажа при различных составах и теплотехнических свойствах расплава, а также время, достаточное для образования технологически заданной толщины гарнисажа в пристенном слое печи, затем определенные значения времени, яркости и образа принимают в качестве эталонных и изменяют величину расхода теплоносителя в печь до полного совпадения контролируемого образа и яркости гарнисажа с эталонными их значениями, а последующее изменение величины расхода теплоносителя в печь производят только в том случае, если время отклонения контролируемых образа и яркости гарнисажа от эталонных превышает определенное эталонное время, причем сжатый воздух в продольный патрубок фурмы подают с постоянным давлением.

Кроме того, для упрощения технической реализации способа в нем образ, принятый в качестве эталонного, формируют путем затемнения центральной зоны прозрачного тела непрозрачным, а для повышения надежности работы способа при его технической реализации в нем открытый конец продольного патрубка фурмы располагают выше уровня расплава.

Отметим технические результаты, полученные от использования каждой новой операции и последовательности их выполнения.

Использование приемника изображения контролируемых образа и его яркости, образующегося (в форме различных геометрических фигур) на открытом конце продольного патрубка фурмы, обеспечивает повышение комфортности наблюдения за образованием гарнисажа в печи за счет возможности легко перенести информацию об образе на монитор или другое комфортное место.

Но самое главное это позволяет формировать априорную информацию для контроля и управления процессом образования гарнисажа или регулирования температуры расплава при различных заданных составах и теплотехнических его свойствах. Определение времени, достаточного для образования технологически заданной толщины гарнисажа в пристенном слое печи позволяет избавиться от случайных изменений образа, например, за счет колебания разряжения в печи или локального (не во всем объеме печи) состава расплава, что обеспечивает необходимую точность определения реальной величины отклонения измеренной толщины (или реальной) гарнисажа от заданной или априорной формы и яркости, т.к. все остальные случайные помехи будут отфильтрованы. Очевидно, что точное фиксирование величины указанного отклонения или ошибки регулирования позволяет более точно выработать регулирующее воздействие или более точно стабилизировать толщину гарнисажа.

Определение эталонного образца и яркости в способе по изобретению осуществляют путем затемнения центральной зоны прозрачного тела непрозрачным материалом. Поскольку форму непрозрачного материала, заменяющего достаточно сложную форму реального объекта, легко можно заменить на любую простую форму, например форму кольца или треугольника, запоминание и распознавание реального образа и его сравнение с эталонной, например, средствами цифровой техники упрощается. Это, безусловно, приводит к упрощению всей технической системы распознавания, передачи и обработки информации об образе, косвенно отражающего толщину гарнисажа в пристенном слое печи.

На фиг.1 приведена структурная схема реализации предложенного способа применительно к печи Ванюкова, где приняты следующие обозначения: 1 - корпус печи Ванюкова, охлаждаемый кессонами 2; 3 - корпус фурмы для непрерывной подачи сжатого воздуха или кислородно-воздушной смеси; 4 - продольный патрубок фурмы, один конец которого закрыт прозрачным телом в виде крышки 5, а другой входит в пристенное пространство корпуса печи 1; 6 - чувствительный элемент прибора контроля образа и его яркости; 7 - сменный элемент формирования образа; 8 - блок задания эталонного образа и его яркости; 9 - блок сравнения заданного и контролируемого образов и их яркости; 10 - блок (монитор) выдачи результатов контроля процесса образования настыли; 11 - блок задержки и фильтрации сигналов; 12 - блок формирования и выдачи стабилизирующего воздействия на управление толщиной гарнисажа. Отметим, что выход приемника 6 через блоки 9 и 11 подают на вход блока 12, причем выход блока 8 подают на один из выходов блока 9, а выход блока 9 одновременно подают на входы блоков 10 и 11.

Сущность назначения предложенного способа состоит в том, что температура корпуса печи Ванюкова, охлаждаемого кессонами 2, при подаче теплоносителя (кислородно-воздушной смеси) через фурмы (показаны) должна оставаться постоянно ниже, чем температура расплава в печи, т.е. ниже, чем температура расплавления корпуса 1 и других металлических элементов печи. Поэтому до пуска печи она футерована огнеупорными материалами (кирпичи, специальная обмазка и т.д.). Но в процессе плавки эти материалы тоже расплавляются. Чтобы разрушения корпуса 1 и остальных элементов печи не было, необходимо непрерывно на защищаемые от высоких температур расплава элементы печи организовать образование гарнисажа из этого же расплава в пристенном слое, т.е. из брызгов барботирующего жидкого слоя образовать указанный пристенный слой или "корку".

Гарнисажный слой образуется в зависимости от температуры расплава, его состава и теплотехнических свойств, а также температуры охлаждающей воды, интенсивности теплосъема с корпуса 1 и других параметров охлаждающей воды. В настоящее время надежных методов контроля указанных взаимосвязанных параметров и безинерционных способов теплосъема с корпуса 1 не существует. Высокая инерционность управления температурой образования гарнисажа охлаждающей водой в узком диапазоне температур не всегда дают положительные результаты. В силу этого достаточно часто случаются аварии на печи из-за прожогов ее элементов или образования недопустимых настылей из-за переохлаждения корпуса 1 и других элементов.

По предлагаемому способу, необходимую величину регулирующего расхода теплоносителя подают через фурмы (не показаны), а через фурмы 3, предназначенные для контроля процесса образования гарнисажа, подают сжатый воздух или кислородно-воздушную смесь непрерывно, величину скорости которого выбирают из условия исключения возможности попадания расплава во внутрь продольного патрубка 4 фурмы 3 (фурм) и эту скорость поддерживают на постоянном уровне. Для удобства назовем фурмы 3 "контрольными". Поскольку, другой или наружный конец условного продолжения продольного патрубка 4 контрольной фурмы 3 закрыт прозрачной крышкой, а также в это же пространство или полую часть непрерывно с постоянной скоростью через патрубок (не обозначен) подается сжатый воздух, то дым, газ и расплав не попадают во внутреннюю полость "контрольной" фурмы, обозначенной на чертеже корпусом 3. В этих условиях для контроля за процессом образования гарнисажа в пристенном слое или на открытом конце продольного патрубка 4, выведенного в плоскость внутренней стенки корпуса 1, напротив прозрачной крышки 5 устанавливают чувствительный элемент контрольного прибора 6, воспринимающий образ (изображение) и яркость гарнисажа, образующегося или исчезающего на открытом конце продольного патрубка 4. Например, в качестве чувствительного элемента прибора контроля образа и его яркости 6 используют любой фотоприбор (желательно цифровой), выходные сигналы которого одновременно подают на любые известные типы блока задания образа и яркости 8, например монитор с блоком памяти, и блок сравнения образов и его яркости 9, например, выполненный в виде перепрограммируемого контроллера любого типа.

Путем изменения величины расхода теплоносителя в печь экспериментально определяют образование необходимой по технологическому регламенту толщины гарнисажа в пристенном слое печи Ванюкова и фиксируют образ, яркость и время образования и исчезновения (они практически равны) такого гарнисажа при различных составах и теплотехнических свойствах расплава. Экспериментально определенные значения образа, яркости и времени принимаются за уточненные, регламентные или эталонные. Эталонные значения образа и яркости подают в блок задания образа и яркости 8, а зафиксированное значение времени - в блок задержки сигнала 11. Гарнисаж, образующийся в процессе работы печи в рабочем режиме на открытом конце продольного патрубка 4, наносится барботирующимся расплавом в виде различных образов и яркости, что в свою очередь фиксируется контрольным прибором 6 и сравнивается (сопоставляется) с эталонным. Ряд различных образов и их яркость приведены на фиг.2. Для формирования более четкого (без ребристых краев) эталонного образца и его яркости между концами продольного патрубка устанавливают сменный элемент формирования образца 7, положение которого регулируют любым известным путем, или же просто на прозрачное тело 5 с наружной его стороны наносят форму эталонного образца с краской или наклейкой, перекрывающих часть тела 5. Например, оптимальные формы эталонных образцов желательно получить в форме колец с различными внутренними диаметрами (см. фиг.2).

Таким образом, если образ и яркость, полученные на выходе контрольного прибора 6 совпадает с эталонными, задаваемыми на один из выходов блока 8, то это означает, что гарнисаж в пристенном слое печи поддерживается в пределах регламента. Но поскольку нормально слой контролируемого образца гарнисажа должен непрерывно обновляться из-за колебания давления воздуха в патрубке 4, например если расплав "холодный", то выходное сечение открытого конца патрубка 4 начинает перекрываться, что вызовет повышение давления воздуха в патрубке 4 до тех пор, пока контролируемый гарнисаж с его конца не разрушится или не будет снижен. При высокой температуре расплава гарнисаж на конце патрубка 4 вообще не будет образовываться, что означает отсутствие процесса образования гарнисажа в пристенном слое корпуса печи 1. Отметим, что при чрезмерном охлаждении расплава открытый конец патрубка 4 может полностью закрываться настылем, а контролируемая яркость образца становится более темной и давление воздуха внутри патрубка 4 приблизится к максимальному значению. Безусловно, в этом случае работа печи будет нарушена из-за недопустимой толщины настыли на стенках и элементах печи. Из изложенного следует, что постоянно заданное значение давления воздуха внутри патрубка 4 изменяется в зависимости от физико-химического состава, температуры и теплотехнических показателей расплава для образования гарнисажа и колеблется с определенной частотой, обратно пропорциональной эталонному времени образования образца. Эти естественные колебания фильтруют в блоке 11 и при превышении времени образования контролируемого образца с заданной яркостью по сравнению с эталонным временем расход теплоносителя при помощи блока 12 изменяют (уменьшают) до тех пор, пока контролируемое время не станет равно эталонному. И, наоборот, при сохранении образовавшегося контролируемого образца с заданной яркостью на открытом конце патрубка 4 с продолжительностью более эталонного времени производят увеличение расхода теплоносителя в печь до тех пор, пока опять упомянутое эталонное и контролируемое время не станут равны. Чтобы исключить раскачку и возможность появления незатухающих колебаний процесса поддержания заданной толщины гарнисажа в пристенном слое печи Ванюкова, изменение величины расхода теплоносителя производят только в том случае, если время отклонений контролируемого образца яркости гарнисажа на открытом конце патрубка 4 превышает его эталонное значение, что обеспечивается сравнением времени отклонения контролируемых величин элементами 6-8-9-10-11 на фиг.1, т.е сигнал на вход блока 12 подается лишь в том случае, когда имеет место отклонения контролируемого образа, его яркости и времени образования или его исчезновения от эталонных значений.

Таким образом, совокупность отличительных признаков с известными позволяет предложенному способу устранить все недостатки его аналогов и прототипа, и обеспечить (повысить) безопасность и безаварийность работы печи Ванюкова.

Достижение цели значительно упрощается и закрепляется еще тем, что эталонный образ формируют или задают путем затемнения отдельной зоны любым из известных приемов, например, путем закрытия непрозрачным материалом (краской) центральной зоны прозрачного тела 5 или установкой сменного элемента 7, затемняющего центральную зону того же прозрачного тела 5.

Кроме того, достижение цели еще более надежно обеспечивается расположением открытого конца продольного патрубка фурмы 4 выше уровня расплава в ванне печи Ванюкова. В этом случае на результаты формирования контролируемого образа и его яркости значительно меньше влияют колебания уровня жидкого металла или расплава в ванне печи, а длительность срока службы открытой части патрубка 4 повышается, точность определения контролируемого и управляемого процесса образования гарнисажа повышается, т.к. гарнисаж образуется в основном за счет брызгов расплава из жидкой ванны и контролируемый процесс образования гарнисажа на конце патрубка 4 находится в совершенно одинаковых условиях образования гарнисажа в пристенном слое печи.