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高炉喷吹系统自动控制研究与应用

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作者:原作原创  来源:网络转载  发布时间:2018-05-04 09:35:00

  【摘 要】近些年,我国钢铁产能日益增大,优质炼焦煤资源却日渐匮乏。高炉喷吹系统应用喷吹煤粉代替部分焦炭,进而可达到缓解炼焦煤供不应求的情况,同时也可有效节约煤炭能源。随着高炉喷吹关键技术的不断进步和完善,其在钢铁冶炼工艺中的地位越来越高。论文以高炉喷吹系统中的自动控制为研究对象,简要分析了其喷煤工艺与自控系统的设计,并探究了其实际应用,以期为相关技术人员提供参考。 
  【Abstract】In recent years, China's iron and steel production capacity is increasing, but high quality coking coal resources are increasingly scarce. The blast furnace injection system uses pulverized coal instead of some coke, which can reduce the supply of coking coal and save coal energy effectively. With the continuous progress and improvement of the key technology of blast furnace blowing, its position in steel smelting process is becoming higher and higher. Taking the automatic control of blast furnace injection system as the research object, this paper briefly analyzes the design of its coal injection process and automatic control system, and explores its practical application, so as to provide reference for the relevant technical personnel. 
  【关键词】高炉喷吹系统;自动控制;系统设计;应用 
  【Keywords】blast furnace blowing system; automatic control; system design; application 
  【中图分类号】TP273 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069(2018)04-0156-02 
  1 引言 
  社会经济发展速度的加快使得钢铁企业的竞争越来越激烈,提高生产作业率、降低企业成本、提高控制系统的自动化水平已经成为各个企业的必然选择。目前,我国不少钢铁企业都在开展适应性改造,如此才能提高企业竞争力,而本文将重点阐释的高炉喷吹系统就是改革内容之一。从高炉风口向炉内直接喷吹出磨细的无烟煤粉、烟煤粉或两者的混合物代替了部分焦炭所提供的热量和还原剂[1],进而可达到节约企业生产成本的目的,而高炉喷煤自动控制系统的正常运转以及节能降耗的完成与其自动控制系统的设计与应用密切相关。 
  2 高炉喷煤系统简介 
  高炉喷煤系统包括原煤储运、制粉、喷吹和供气等工艺环节,具体构成如下[2]: 
  ①原煤储运系统:原煤储运系统包括煤场,永磁除铁器,M1、M2、M3皮带输送机与宽带给料机等。 
  ②制粉系统:制粉系统主要有烟气炉、磨煤机、给煤机、布袋收粉器、木屑分离器、高温风机、密封风机、助燃风机、主引风机、设备相关阀门以及防爆抑爆与检测控制设备。具体工序则有干燥与研磨、收粉与除尘等。 
  ③喷吹系统:喷吹系统通常是先在喷吹罐组内充以高压氮气,再经过混合器引入高压氮气后将煤粉喷入高炉,其主要有并列式喷吹罐、种阀、硫化装置等组成。 
  ④供气系统:喷吹系统的运行及整个喷煤系统的安全与供气系统密切相关,其主要有高低压氮气和氧气组成。 
  3 高炉喷吹系统自控系统的设计 
  3.1 系统综述 
  高炉喷吹系统主要由上位机、PLC和现场控制的各控制单元组成,上位机可同时完成制粉和喷吹工艺,该单元安装有两台计算机,可对系统的运行状况、制煤工艺的执行情况以及故障灯进行有效的监控,两台计算机可相互备份。系统各个部分的数据传输与共享均通过以太网实现。上位机发出停机指令后,处于工作状态的系统就会每隔一段设定时间停止一个机组,直至停止最后一个机组。触发报警指令后,上位机会立刻弹出报警提示界面并要求停车,如果这一信号未得到反应,系统就会自动运行技术人员事前设定的工艺要求,确保系统的安全与稳定。 
  3.2 系统硬件结构 
  该系统硬件网络由远程控制模块、PLC和上位机计算机通过PORFIBUS-DP连接,远程控制模块组从站之间的数据交换采用周期I/O模式,也就是采用主从式数据交换方式周期地将数据从从站发回主站,主站经过计算后再将响应传回从站,进而实现数据的传输[3]。在系统各个部分的PLC运算周期内,主站CPU与接口模块之间的数据交换主要是通过内部数据总线完成,而从站的数据交换则通过布尔处理器与通信处理器。 
  3.3 系统程序设计 
  在PLC程序設计上,通常设有5个FC块和1个OB块,OB块是主程序块,是执行程序的入口,而5个FC块则主要负责设计工作。当选择自动时,系统会自动执行FC13(制粉过程的自动控制程序)和FC14(喷吹过程自动控制程序)[4];当选择手动时,技术人员可根据实际的工艺流程在上位机执行操作,同时运用FC11(制粉过程手动控制程序)与FC12(系统整体手动和自动调节)。高炉喷吹过程实质上包含泄压、加料、加压以及喷吹四个过程,值得注意的是在不同动作条件下不同的阀应处于不同的开闭状态下。

 3.4 画面功能 
  高炉喷吹系统在计算机监控和自动控制所有设备时采用WINCC画面监控软件和STEP7编程软件,不仅具备自动采集/处理工艺数据、自动/手动启停、自动调节PID回路的功能,还具备显示工艺画面动态、紧急停喷报警以及显示历史和实时趋势记录等功能。下面将简单介绍该系统的画面功能。 
  ①主画面:高炉喷吹系统的高炉煤气、热风废气、中低压氮气的温度、压力与流量等数据均通过主画面显示,以及喷吹系统的相关流程也通过主画面进行监测。主画面设计包含各类型设备和阀门控制按钮以及手自动等各个画面间相互切换的按钮。原煤仓料位过高或过低的情况下,主画面均会通过闪烁的方式进行实时报警。技术人员还可通过画面完成自动调节与软手动调节以及各个阀门的开启及操作等工作。 
  ②监控画面:监控画面的主要功能是显示喷吹系统的温度、压力和流量分布状况,同时还负责完成各个阀门的启停与状态监视。 
  4 高炉喷吹系统自动控制的实际应用 
  4.1 煤粉預热喷吹 
  常规煤粉喷吹法所产生的喷吹量较低,煤粉的燃尽率也不高,而煤粉预热喷吹法则在降低焦比、提升企业效益方面具有更大的优势。煤粉经过预热后可提前热解,之后再进行喷吹有利于其燃烧气化,同时还可促进热风温度的提升以及煤粉在回旋区停留时间的延长。煤粉预热喷吹模式下,煤粉的燃烧区域可得到迁移,其燃尽率自然可得到提高。实践经验表明,预热温度每提高50℃,煤粉的燃尽率平均就会提高2%[5]。 
  4.2 自动倒罐作业 
  目前不少高炉喷吹系统都采用了并列乃至三列的罐喷煤装置,以并列罐喷煤的自动倒罐作业为例,两个喷吹罐并列置于一个煤粉仓下,一个罐喷吹时,另一个罐卸压装煤后冲压进入备用状态,当喷吹罐喷完并完成卸压、装煤、充压与均压等一系列操作后,备用罐开始进行喷吹。自动倒罐作业可实现煤粉的连续喷吹,降低了手动操作中较易出现的空煤和重煤问题的发生几率,操作人员劳动强度过大、误操作等问题也可避免。为防止因煤粉层被击穿而造成向高炉空吹,一般应在喷吹罐内保留总煤粉的10%左右的煤粉量。不管系统处于何种状态,一旦压力过低或过高,系统将自动关闭所有下煤阀和补压阀,同时还将弹出窗口进行声光报警。如果相关阀门出现了故障,操作人员可视实际情况对系统进行人工干预,可直接跳过此步后继续作业,也可按下喷吹停止按钮,停止自动倒罐作业,转入手动倒罐作业。 
  4.3 自动调节回路 
  高炉喷吹系统分为内、外两环,内环为喷吹罐罐内压力自动调节回路,外环则为喷吹速度自动调节回路。由于自动调节回路系统会受到煤粉品种、湿度、温度等因素的影响,因此系统无法一直保持理想的且均匀的喷吹状态。针对这一问题,技术人员需频繁调节回路,且应选择合适的时间间隔来输出调节信号,以防频繁的手动操作对调节效果的影响。延期发生炉高炉煤气、空气流量均采用单回路闭环调节,自动调节程序则采用周期运行的服务方式。 
  5 结语 
  高炉喷吹系统增加了自动控制的集成程度,实现了煤粉预热喷吹、自动倒罐作业与自动调节回路,可有效降低对原料的要求,进而可降低企业生产成本,而且便于及时发现并消除隐患。 
  【参考文献】 
  【1】马成伟,王正新,李宏伟,等.首钢京唐1号高炉提高煤比冶炼实践[J].炼铁,2016,35(01):29-32. 
  【2】韦武强,杨双平,张朝晖.提高高炉喷煤量的实践[J].铸造技术,2011,32(08):1152-1154. 
  【3】高雪生,石金奎,焦刚.长钢8号高炉双枪喷煤实践[J].炼铁技术通讯,2006(08):11-12+10. 
  【4】黄振泰,容劲强,徐祖云.新钢二铁厂8号高炉喷煤喷吹系统的改造[J].江西冶金,2014,34(06):27-29. 
  【5】王振海.日本高炉粉煤喷吹技术的发展[J].中国冶金,1996(03):49-50.


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