УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ КИСЛОРОДНОЙ ФУРМЫ ПРИ ПРОДУВКЕ СТАЛИ В КОНВЕРТЕРЕ

Полезная модель относится к металлургии, конкретнее к управлению продувкой металла в кислородном конвертере, и может быть использована при нарушении режима шлакообразования и появлении угрозы выбросов металла и шлака.
Известно устройство автоматического управления конвертерной плавкой, содержащее блок датчиков информационно-измерительной системы, первый выход которого соединен с входом блока формирования исходного состояния текущей плавки, соединенного своим выходом с первым входом первого блока сравнения исходного состояния текущей плавки и сигналов различных исходных состояний, подаваемых с его первого выхода на второй вход первого блока сравнения, пороговый элемент, выход которого соединен с блоком управления режимами работы блока запоминания, связанного с первым ключом, через который второй выход блока запоминания соединен с блоком для выдачи рекомендаций и выходом устройства, блок определения скорости поступления кислорода в шлак, первый и второй входы которого соответственно соединены с выходами блоков измерения интенсивности газообразования СО и СO2, сумматор, вход которого через первый ключ соединен со вторым выходом блока запоминания, выход которого соединен с входом блока для выдачи рекомендаций и третьим входом блока определения скорости поступления кислорода в шлак, блок контроля количества кислорода в шлаке, своим входом соединенный с блоком определения скорости поступления кислорода в шлак, а выходом связанный с первым входом второго блока сравнения, второй вход которого через второй ключ соединен с третьим выходом блока запоминания, а выход через второй пороговый элемент связан с первым входом блока двойного совпадения, блок анализа режимов управления, первым входом соединенный с выходом сумматора, вторым входом связанный с блоком определения времени продувки и выходом, связанным с первым входом третьего блока сравнения, (см. патент РФ №2281337, С21С 5/30).
Недостатком известного устройства является высокая вероятность возникновения аварийных ситуаций в результате выбросов расплава из конвертера. Это возникает в результате того, что распознавание отклонения шлакового режима от его нормального хода осуществляется путем сравнения количества кислорода, накопленного в шлаке и требуемого значения количества кислорода в шлаке, что не позволяет оценивать степень вспененности шлака и интенсивность колебаний зеркала расплава, вследствие чего не обеспечивается своевременная идентификация тенденций к возникновению выбросов расплава. При отклонении шлакового режима плавки внесение корректирующих воздействий осуществляется оператором, что вносит дополнительную задержку в отработке ситуации. Признаки угрозы выбросов расплава в известном устройстве неизменны в процессе его работы, что не позволяет учитывать изменения параметров конвертера в ходе кампании. В результате наблюдаются выбросы расплава, приводящие к авариям, снижению производительности кислородного конвертера и повышенному расходу шихтовых материалов.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является устройство для управления выплавкой стали в конвертере, включающее блок оценки угрозы выбросов, первый вход которого соединен с выходом блока датчиков информационно-измерительной системы, первый блок запоминания и второй блок запоминания, выход которого соединен с первым входом ключа, блок расчета теплового начала плавки, вход которого соединен с первым выходом блока датчиков информационно-измерительной системы, блок формирования базовых управлений, один выход которого соединен с первым входом сумматора и два пороговых элемента. Устройство также содержит блоки формирования задания по снижению интенсивности кислородной продувки, опусканию кислородной фурмы, присадкам сыпучих материалов порциями, выходы которых связаны с входами блока продувки металла кислородом, второй выход блока датчиков информационно-измерительной системы связан со входом блока определения времени продувки, выход которого соединен с первым входом блока формирования признака плавки по исходному состоянию и периодам продувки, второй вход которого соединен с третьим выходом блока датчиков информационно-измерительной системы, а выход соединен с первым входом первого блока сравнения, второй вход которого связан с первым выходом первого блока запоминания, выход первого блока сравнения через первый пороговый элемент связан со вторым входом блока двойного совпадения, первый вход которого соединен с выходом блока оценки угрозы выбросов, выход блока двойного совпадения связан с первым, вторым и третьим ключами, через которые второй, третий и четвертый выходы первого блока запоминания связаны соответственно с входами блоков формирования задания по снижению интенсивности кислородной продувки, опусканию кислородной фурмы и присадкам сыпучих материалов порциями, выходы которых связаны с первыми входами трех сумматоров, вторые входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока формирования базовых управлений, а выходы сумматоров связаны с первым, вторым и третьим входами блока продувки металла кислородом, выходы которого являются выходами устройства, при этом блок формирования признака плавки по исходному состоянию и периодам продувки включает второй блок запоминания, второй блок сравнения, первый вход которого связан с выходом блока определения времени продувки, а второй вход соединен с первым выходом второго блока запоминания, выход второго блока сравнения через второй пороговый элемент связан с четвертым ключом, выход блока расчета теплового начала плавки соединен с первым входом третьего блока сравнения, выход которого через третий пороговый элемент связан с пятым ключом, (см. патент РФ №2282666, С21С 5/30).
Недостатком известного устройства является высокая вероятность возникновения аварийных ситуаций в результате выбросов расплава из конвертера. Это возникает в результате того, что в качестве одного из средств воздействия на ход процесса продувки применяется опускание кислородной фурмы в момент угрозы выброса, что не позволяет нормализовать процесс продувки, так как для предотвращения выбросов расплава при развитии резонансных колебаний зеркала расплава необходим подъем кислородной фурмы для снижения кинетической энергии, передаваемой расплаву, а не опускание. При регулировании положения кислородной фурмы средствами электропривода лебедки возникает значительная задержка в отработке задания вследствие необходимости предварительного растормаживания подъемного механизма и выборки зазоров механической части электропривода лебедки. Указанная временная задержка приводит к запаздыванию изменения положения кислородной фурмы в момент угрозы выбросов расплава. Признаки угрозы выбросов расплава в известном устройстве неизменны в процессе его работы, что не позволяет учитывать изменения параметров конвертера в ходе кампании. В результате наблюдаются выбросы расплава, приводящие к авариям, снижению производительности кислородного конвертера и повышенному расходу шихтовых материалов.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в предотвращении возникновения аварийных ситуаций при появлении угрозы выбросов, путем повышения быстродействия и достоверности внесения корректирующих воздействий в момент угрозы выбросов при продувке стали в конвертере.
Поставленная техническая задача решается тем, что известное устройство автоматического управления электроприводом кислородной фурмы при продувке стали в конвертере, содержащее блок диагностирования угрозы выбросов, первый вход которого соединен с третьим выходом блока датчиков информационно-измерительной системы, первый блок запоминания и второй блок запоминания, выход которого соединен с первым входом ключа, блок расчета теплового начала плавки, вход которого соединен с первым выходом блока датчиков информационно-измерительной системы, блок формирования базовых управлений, один выход которого соединен с первым входом сумматора и два пороговых элемента, согласно изменению, снабжено блоком установки режима работы, вибродатчиком для измерения виброускорения корпуса конвертера, выход которого соединен со входом усилителя, блоком адаптации алгоритма диагностирования угрозы выбросов, блоком ввода класса текущей ситуации, блоком оценки жидкоподвижности шлака, блоком формирования задания по перемещению кислородной фурмы, системой регулирования электродвигателя вращения лебедки для перемещения кислородной фурмы, третий вход которой соединен с выходом датчика положения кислородной фурмы, блоком логического «ИЛИ», блоком задержки и приводом тормозного механизма кислородной фурмы, причем второй вход блока диагностирования угрозы выбросов соединен с первым выходом блока установки режима работы, третий его вход - с первым выходом первого блока запоминания, четвертый вход - с выходом усилителя сигнала, пятый вход указанного блока диагностирования угрозы выбросов соединен с выходом датчика положения кислородной фурмы, первый вход блока адаптации алгоритма диагностирования угрозы выбросов соединен с четвертым выходом блока датчиков информационно-измерительной системы, второй его вход соединен со вторым выходом блока установки режима работы, третий вход - с выходом усилителя сигнала вибродатчика, четвертый вход - с выходом блока ввода класса текущей ситуации, а выход указанного блока адаптации соединен со входом первого блока запоминания, вход первого порогового элемента соединен с выходом блока диагностирования угрозы выбросов, а его выход соединен со вторым входом ключа, выход которого соединен с первым входом блока формирования задания по перемещению кислородной фурмы, а четвертый вход последнего соединен с выходом датчика положения кислородной фурмы, выход блока расчета теплового начала плавки соединен с первым входом блока оценки жидкоподвижности шлака, у которого второй вход соединен со вторым выходом блока датчиков информационно-измерительной системы, а его выход соединен со вторым входом блока формирования задания по перемещению кислородной фурмы, третий вход которого соединен с выходом блока формирования базовых управлений, а выход соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен с первым входом системы регулирования электродвигателя вращения лебедки для перемещения кислородной фурмы конвертера, вход второго порогового элемента соединен с выходом блока диагностирования угрозы выбросов, а его выход соединен со вторым входом системы регулирования электродвигателя и с первым входом блока логического «ИЛИ», второй вход которого соединен с первым выходом системы регулирования электродвигателя вращения лебедки для перемещения кислородной фурмы конвертера, а выход блока логического «ИЛИ» соединен со входом блока задержки, выход которого соединен со входом привода тормозного механизма кислородной фурмы.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображена структурная схема устройства автоматического управления электроприводом кислородной фурмы при продувке стали в конвертере;
на фиг.2 приведена временная диаграмма изменения сигнала вероятности возникновения выбросов;
на фиг.3 приведена временная диаграмма изменения сигнала задания привода тормозного механизма кислородной фурмы;
на фиг.4 приведена временная диаграмма изменения положения кислородной фурмы при управлении ее перемещением заявленным устройством.
Устройство автоматического управления электроприводом кислородной фурмы при продувке стали в конвертере содержит блок диагностирования угрозы выбросов 1 (фиг.1), первый вход которого соединен с третьим выходом блока 2 датчиков информационно-измерительной системы, второй его вход соединен с первым выходом блока 3 установки режима работы, третий вход указанного блока 1 - с первым выходом первого блока запоминания 4, а четвертый его вход - с выходом усилителя сигнала 5, вход которого соединен с выходом вибродатчика 6. При этом вибродатчик 6 предназначен для измерения виброускорения корпуса конвертера 7. Пятый вход блока 1 диагностирования угрозы выбросов соединен с выходом датчика положения 8 кислородной фурмы 9. Учет положения кислородной фурмы позволяет повысить точность диагностирования угрозы выбросов при ее перемещении. Первый вход блока 10 адаптации алгоритма диагностирования угрозы выбросов соединен с четвертым выходом блока 2 датчиков информационно-измерительной системы, второй его вход соединен со вторым выходом блока 3 установки режима работы, третий его вход - с выходом усилителя сигнала 5, четвертый вход - с выходом блока 11 ввода класса текущей ситуации, выход указанного блока 10 адаптации соединен со входом первого блока запоминания 4. Блок 10 адаптации позволяет корректировать алгоритмы диагностирования выбросов расплава в ходе кампании конвертера. Вход первого порогового элемента 12 (фиг.1) соединен с выходом блока 1 диагностирования угрозы выбросов, а его выход соединен со вторым входом ключа 13, первый вход которого соединен с выходом второго блока запоминания 14, а выход ключа 13 соединен с первым входом блока 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы 9, четвертый вход указанного блока 15 соединен с выходом датчика положения 8 кислородной фурмы 9, что позволяет формировать задание на перемещение кислородной фурмы 9 с учетом ее текущего положения. Вход блока 16 расчета теплового начала плавки соединен с первым выходом блока 2 датчиков информационно-измерительной системы, а его выход соединен с первым входом блока 17 оценки жидкоподвижности шлака, второй вход которого соединен с выходом блока 2 датчиков информационно-измерительной системы, а выход указанного блока 17 соединен со вторым входом блока 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы 9. Наличие блока 17 оценки жидкоподвижности шлака и указанных связей позволяет выбирать в блоке 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы 9 эффективную траекторию коррекции ее положения при угрозе выбросов расплава. Третий вход блока 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы 9 соединен с первым выходом блока 18 формирования базовых управлений, а выход указанного блока 15 соединен с первым входом сумматора 19, второй вход которого соединен со вторым выходом блока 18 формирования базовых управлений, а выход сумматора 19 соединен с первым входом системы 20 регулирования электродвигателя 21 вращения лебедки 22 для перемещения кислородной фурмы 9, причем третий вход указанной системы регулирования соединен с выходом датчика положения 8 кислородной фурмы 9, второй пороговый элемент 23, вход которого соединен с выходом блока 1 диагностирования угрозы выбросов, а выход соединен со вторым входом системы 20 регулирования электродвигателя 21 вращения лебедки 22 для перемещения кислородной фурмы 9 конвертера 7 и с первым входом блока 24 логического «ИЛИ», второй вход которого соединен с первым выходом системы 20 регулирования электродвигателя 21 вращения лебедки 22 для перемещения кислородной фурмы 9 конвертера 7, а выход логического «ИЛИ» соединен со входом блока задержки 25, выход которого соединен со входом привода 26 тормозного механизма кислородной фурмы 9. Наличие косвенной связи между блоком 1 диагностирования угрозы выбросов и приводом 26 тормозного механизма кислородной фурмы 9 позволяет осуществлять предварительное растормаживание кислородной фурмы 9 при угрозе выбросов расплава, что ускоряет в дальнейшем ее перемещение в зависимости от жидкоподвижности шлака.
Заявленное устройство работает следующим образом.
2
2
З
T
З
1
1
2
зп
к
зп
зпк
зпк
зп
зпр
зп
зпр
зпк
зпр
п
п
зпр
зпк
зпк
к1
к1
зп
1
зпк
зп
зпк
зп
к2
зп
зпк
р
зпр
2
T
Перед началом продувки конвертера 7 (фиг.1) посредством блока 3 установки режима работы вводится режим работы заявляемого устройства: «обучение» либо «управление». Для вновь проводимой плавки блок 2 датчиков информационно-измерительной системы подготавливает данные об исходных параметрах плавки на начало продувки и по ходу продувки металла в конвертере, формирует информацию о текущих параметрах, косвенно характеризующих процесс обезуглероживания металла и процесс шлакообразования, таких как концентрация СО и СО в отходящих газах, текущий расход кислорода дутья, вес шихты. С выходов 1, 2, 3 и 4 блока 2 датчиков информационно-измерительной системы данные одновременно поступают соответственно в блок 16 расчета теплового начала плавки, в блок 17 оценки жидкоподвижности шлака, в блок 1 диагностирования угрозы выбросов и в блок 10 адаптации алгоритма диагностирования угрозы выбросов. При помощи вибродатчика 6 осуществляется измерение виброускорения корпуса конвертера 7, после чего сигнал с выхода вибродатчика 6 усиливается усилителем сигнала 5 и поступает на вход 4 блока 1 диагностирования угрозы выбросов и на вход 3 блока 10 адаптации алгоритма диагностирования угрозы выбросов. Учет сигнала виброускорения при диагностировании угрозы выбросов позволяет оценивать интенсивность образования газовых пузырей в шлакометаллической эмульсии и амплитуду колебаний зеркала расплава в конвертере 7. В режиме «обучение» оператор в процессе продувки стали отмечает моменты визуального наблюдения выбросов расплава через горловину конвертера посредством блока 11 ввода класса текущей ситуации. С выхода блока 11 ввода класса текущей ситуации полученные данные поступают на вход 4 блока 10 адаптации алгоритма диагностирования угрозы выбросов, в котором формируется обучающая выборка. Диагностическими признаками указанной выборки являются сигналы, поступающие от блока 2 датчиков информационно-измерительной системы и сигнал виброускорения, поступающий от усилителя сигнала 5. При накоплении достаточного объема обучающей выборки в блоке 10 адаптации алгоритма диагностирования угрозы выбросов формирование обучающей выборки прекращается и осуществляется синтез алгоритма диагностирования угрозы выбросов по методу машинного обучения. В качестве метода машинного обучения использован известный метод решающих деревьев «С4.5», с последующим преобразованием решающих деревьев в список эквивалентных логических правил. Рассчитанный список логических правил диагностирования угрозы выброса расплава передается с выхода блока 10 адаптации алгоритма диагностирования угрозы выбросов на вход первого блока запоминания 4. В режиме «управление» с выхода первого блока запоминания 4 список логических правил диагностирования угрозы выброса расплава передается на третий вход блока 1 диагностирования угрозы выбросов. В блоке 1 диагностирования угрозы выбросов на основе вектора диагностических признаков, формируемого из непрерывно поступающих данных о состоянии продувки с третьего выхода блока 2 датчиков информационно-измерительной системы и выхода усилителя сигнала 5, осуществляется расчет вероятности возникновения выброса расплава (s), график которого приведен на фиг.2. Для оценки вероятности возникновения выброса расплава рассчитывается максимум функции подобия текущего значения вектора диагностических признаков логическим правилам из ранее рассчитанного списка логических правил диагностирования угрозы выбросов расплава. Сигнал с выхода блока диагностирования угрозы выбросов 1 (фиг.1) подается на вход первого порогового элемента 12 и второго порогового элемента 23. При достижении величины сигнала s на входе второго порогового элемента 23 больше уровня s, на его выходе формируется сигнал предварительного растормаживания подъемного механизма кислородной фурмы 9, передаваемый на второй вход системы 20 регулирования электродвигателя 21 вращения лебедки 22 и через блок 24 логического «ИЛИ» на вход блока задержки 25. При поступлении сигнала на второй вход системы 20 регулирования электродвигателя 21 вращения лебедки 22 для перемещения кислородной фурмы 9 на ее выходе формируется напряжение, компенсирующее статический момент на валу электродвигателя 21 вращения лебедки 22, тем самым осуществляется выборка зазоров лебедки 22 за время t, указанное на фиг.3. Блок задержки 25 осуществляет задержку прохождения сигнала растормаживания (U), график которого приведен на фиг.3, на вход привода 26 тормозного механизма кислородной фурмы 9 на время t. При достижении величины сигнала s на входе первого порогового элемента 12 уровня s, s>s, на его выходе формируется сигнал, поступающий на второй вход ключа 13, через который сигнал рекомендуемого изменения задания положения кислородной фурмы (ΔU) соответствующего перемещению кислородной фурмы на величину ΔН, указанную на фиг.4, с выхода второго блока 14 запоминания подается на первый вход блока 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы 9. На вход блока 16 расчета теплового начала плавки подается информация с первого выхода блока 2 датчиков информационно-измерительной системы, включающая в себя данные о массе лома и чугуна на вновь проводимую плавку, их температуры, содержания в них отдельных элементов и т.д. С использованием блока 16 расчета теплового начала плавки формируется признак ожидаемой температуры ванны начального периода продувки (низкая, нормальная, высокая). С выхода блока 16 расчета теплового начала плавки указанный признак подается на первый вход блока 17 оценки жидкоподвижности шлака, в котором формируется признак текущей жидкоподвижности шлака (низкая, высокая), передаваемый на второй вход блока 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы 9. Учет жидкоподвижности шлака позволяет выбирать эффективную траекторию корректирующего воздействия при появлении угрозы выбросов расплава. Блок 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы 9 рассчитывает величину и знак коррекции положения следующим образом: при поступлении на первый вход блока 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы 9 сигнала ΔU на выходе указанного блока формируется сигнал коррекции задания положения кислородной фурмы 9 (U): U=cΔU, где с - направление перемещения кислородной фурмы 9; при наличии сигнала о низкой жидкоподвижности шлака на втором входе блока 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы устанавливается с=1 (перемещение вверх); при наличии сигнала о высокой жидкоподвижности шлака на втором входе блока 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы устанавливается с=-1 (перемещение вниз). Выход блока 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы 9 связан с первыми входом сумматора 19, второй вход которого соединен с выходом блока 18 формирования базовых управлений, через который выдается задание положения кислородной фурмы 9 для нормального протекания процесса (U), тем самым с выходов сумматора 19 осуществляется выдача результирующего (базового и корректирующего) значения задания положения кислородной фурмы 9 U=U+U для реализации системой 20 регулирования электродвигателя 21 вращения лебедки 22 для перемещения кислородной фурмы 9, осуществляющей перемещение кислородной фурмы 9 при помощи лебедки 22, приводимой в действие электродвигателем 21. При этом величина U изменяется по ходу продувки в зависимости от технологического режима работы конвертера 7. На выходе датчика 8 положения кислородной фурмы 9 формируется сигнал обратной связи по положению (U), поступающий на пятый вход блока диагностирования угрозы выбросов 1, на третий вход блока 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы 9 и на третий вход системы 20 регулирования электродвигателя 21 вращения лебедки 22 для перемещения кислородной фурмы 9. При достижении кислородной фурмой 9 заданного положения в блоке 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы 9 выполняется условие U=U+U и с этого момента сигнал U на выходе указанного блока поддерживается неизменным в течении интервала времени t, указанного на фиг.4. Если по прошествии интервала времени tсигнал ΔU на первом входе указанного блока 15 отличен от 0, что означает, что сигнал s на входе первого порогового элемента 12 уровня превышает порог s, на выходе блока 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы 9 формируется сигнал коррекции задания положения кислородной фурмы 9 U=2cΔU, поступающий через сумматор 19 на первый вход системы 20 регулирования электродвигателя 21 вращения лебедки 22 для перемещения кислородной фурмы 9, в результате чего осуществляется перемещение кислородной фурмы 9 в новое положение. При достижении кислородной фурмой 9 заданного положения, сигнал U на выходе блока 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы поддерживается неизменным до тех пор, пока сигнал ΔU на первом входе указанного блока 15 отличен от 0, но не менее интервала времени t, приведенного на фиг.4. Это гарантирует оказание воздействия на шлаковый режим плавки, достаточного для его нормализации. При достижении сигналом ΔU уровня 0 на первом входе блока 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы 9, на его выходе формируется сигнал U=0, что приводит к перемещению кислородной фурмы 9 в положение Н, указанное на фиг.4, соответствующее U. При понижении сигнала s на входе второго порогового элемента 23 менее уровня s на его выходе обнуляется сигнал предварительного растормаживания подъемного механизма кислородной фурмы 9, передаваемый на второй вход системы 20 регулирования электродвигателя 21 вращения лебедки 22 для перемещения кислородной фурмы 9 и через блок 24 логического «ИЛИ» на вход блока задержки 25. Блок задержки 25 в этом случае осуществляет прохождения сигнала растормаживания U. на вход привода 26 тормозного механизма кислородной фурмы 9 без временной задержки, как указано на фиг.3, что позволяет своевременно зафиксировать кислородную фурму 9.
Таким образом, при возникновении угрозы выбросов расплава осуществляется предварительное растормаживание показанное на фиг.3 кислородной фурмы 9 (фиг.1), посредством блока 15 формирования задания по перемещению кислородной фурмы 9 устанавливается напряжение задания положения кислородной фурмы 9, перемещаемой при помощи лебедки 22, приводимой в действие электродвигателем 21, управляемым системой 20 регулирования электродвигателя 21 вращения лебедки 22 для перемещения кислородной фурмы 9, позволяющее заблаговременно скорректировать положение кислородной фурмы 9 в соответствии с графиком, приведенным на фиг.4, нормализовав состояние шлака, затем осуществить возврат кислородной фурмы 9 к базовому положению.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволит предотвратить возникновение аварийных ситуаций при появлении угрозы выбросов путем комплексного учета параметров продувки стали и согласованного управления электроприводом и тормозным механизмом кислородной фурмы. Это позволит повысить выход годного металла, сократить длительность продувки, а также снизить расход шлакообразующих материалов, в результате чего производительность конвертера повысится на 5-10%.