Устройство для управления руднотермической печью
Предлагаемое техническое решение относится к средствам управления руднотермическими печами и может быть использовано в металлургической и химической промышленности для управления технологическими процессами в руднотермических печах, предназначенных, например, для получения ферросплавов. Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в увеличении производительности печи и срока службы футеровки путем повышения точности поддержания условий протекания химических реакций в ванне руднотермической печи: температуры расплава, геометрии реакционной зоны, наличия и толщины гарниссажного слоя. Поставленная техническая задача решается тем, что в известное устройство, содержащее трансформатор 1 с переключателем ступеней напряжения 2, каждая фаза вторичной обмотки которого подключена к электроду 3, перемещаемому внутри ванны печи с помощью своего привода 5, подключенного входом к выходу элемента сравнения 6, вход которого связан с выходом датчика тока электрода 4, блок задания тока 8, дополнительно введены не менее двух датчиков температуры 15, 16, блок вычисления теплового потока 13, датчик активной мощности печи 14, блок деления 12, датчик напряжения печи 10, нелинейный элемент 9, подключенный входом к выходу датчика напряжения 10, и блок умножения 7. 3 илл.
Предлагаемое техническое решение относится к средствам управления руднотермическими печами и может быть использовано в металлургической и химической промышленности для управления технологическими процессами в руднотермических печах, предназначенных, например, для получения ферросплавов.
Известно устройство (Автоматическое управление электротермическими установками. / Под ред. А.Д.Свенчанского. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - С.310-312), содержащее трансформатор с переключением ступеней напряжения, каждая фаза вторичной обмотки которого подключена к электроду, перемещаемому внутри ванны печи с помощью своего привода, подключенного входом к выходу элемента сравнения, связанного одним входом с блоком задания тока, а вторым - с выходом датчика тока электрода.
Основной недостаток данного устройства заключается в том, что регулирование только по току, без учета тепловыделения в реакционной зоне печи, зависящего от ряда технологических факторов, приводит к снижению производительности печи и выхода продукта из-за нарушения условий протекания химических реакций в ванне печи, а также к снижению срока службы футеровки вследствие ее перегрева.
Наиболее близким к предлагаемому авторами решению является устройство (Электрооборудование и автоматика электротермических установок: Справочник. / Под. ред. А.П.Альтгаузена. - М.: Энергия, 1978. - С.265-267), содержащее трансформатор с переключением ступеней напряжения, привод перемещения электрода, блок сравнения, блок задания тока и дополнительные датчики технологических параметров, таких, как температура отходящих газов, давление под крышкой печи, состояние электрофильтра газоочистки, по сигналам которых осуществляется переключение ступеней напряжения.
Недостатками данного устройства являются сложность установления связи между измеряемыми технологическими параметрами и условиями протекания реакций в ванне печи, а также достаточная сложность используемых датчиков и ограниченный срок их службы в условиях агрессивной среды отходящих газов.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в увеличении производительности печи и срока службы футеровки путем повышения точности поддержания условий протекания химических реакций в ванне руднотермической печи: температуры расплава, геометрии реакционной зоны, наличия и толщины гарниссажного слоя.
Поставленная техническая задача решается тем, что в известное устройство, содержащее трансформатор с переключателем ступеней напряжения, каждая фаза вторичной обмотки которого подключена к электроду, перемещаемому внутри ванны печи с помощью своего привода, подключенного входом к выходу элемента сравнения, вход которого связан с выходом датчика тока электрода, блок задания тока, дополнительно введены не менее двух датчиков температуры, расположенных внутри футеровки печи на разном расстоянии от поверхности футеровки, блок вычисления теплового потока, входы которого подключены к выходам соответствующих датчиков температуры, датчик активной мощности печи, блок деления, подключенный первым входом к выходу блока вычисления теплового потока, а вторым - к выходу датчика мощности, трехпозиционный релейный элемент, подключенный входом к выходу блока деления, а выходом - к входу переключателя ступеней напряжения, датчик напряжения печи, нелинейный элемент, подключенный входом к выходу датчика напряжения, и блок умножения, соединенный выходом с другим входом элемента сравнения, первым входом - с выходом блока задания тока, а вторым входом - с выходом нелинейного элемента.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - характеристика трехпозиционного релейного элемента, на фиг.3 - характеристика нелинейного элемента.
Устройство содержит трансформатор 1 с переключателем ступеней напряжения 2. К вторичным обмоткам различных фаз трансформатора подключены электроды 3 (на фиг.1 показан один электрод). Каждый электрод оснащается датчиком тока электрода 4. Электрод перемещается в вертикальном направлении в ванне печи своим приводом 5, в качестве которого может использоваться электромеханический или электрогидравлический привод.
Вход привода 5 подключен к выходу элемента сравнения 6, подключенного первым входом к выходу датчика тока 4, а вторым входом - к выходу блока умножения 7, подключенного первым входом к выходу блока задания тока 8, а вторым входом - к выходу нелинейного элемента 9, подключенного к выходу датчика напряжения печи 10, измеряющего напряжение вторичной обмотки трансформатора.
Вход переключателя ступеней напряжения 2 подключен к выходу релейного элемента 11, вход которого подключен к выходу блока деления 12, подключенного первым входом к выходу блока вычисления теплового потока 13, а вторым входом - к выходу датчика мощности 14.
Блок вычисления теплового потока 13 подключен своими входами к выходам датчиков температуры 15, 16, причем в футеровке печи установлены не менее двух датчиков температуры на различном расстоянии от поверхности футеровки. В качестве датчиков температуры 15, 16 могут использоваться, например, термоэлектрические преобразователи (термопары).
Устройство работает следующим образом.
Питание руднотермической печи осуществляется от трансформатора 1 с переключателем ступеней напряжения 2. К вторичным обмоткам различных фаз трансформатора 1 подключены электроды 3. Может использоваться подключение каждого из электродов к отдельному однофазному трансформатору. Ток электрода измеряется датчиком тока 4.
Электрод перемещается в ванне печи в вертикальном направлении своим приводом 5, входной сигнал которого вырабатывается элементом сравнения 6 на основании текущего значения тока электрода, измеренного датчиком тока 4, и уставки тока, вырабатываемой умножителем 7 путем умножения сигнала на выходе блока задания тока 8 на сигнал, вырабатываемый нелинейным элементом 9 на основании используемой ступени напряжения. Номер используемой ступени напряжения определяется по напряжению вторичной обмотки трансформатора, измеряемому датчиком напряжения 10.
Текущее значение теплового потока рассчитывается блоком вычисления теплового потока 13 по сигналам датчиков температуры 15, 16, установленных в футеровке. Как минимум, необходимы два датчика температуры, установленных на различном расстоянии от поверхности футеровки в одном радиальном направлении от геометрического центра ванны печи на одинаковой высоте относительно пода печи. Тепловой поток по сигналам двух датчиков температуры определяется как
где 
t - разность температур, измеренных первым и вторым датчиками; 
- теплопроводность материала футеровки; S - расстояние между датчиками.
Возможна установка более чем двух датчиков температуры в одном радиальном направлении от центра ванны печи на одинаковой высоте относительно пода печи, при этом тепловой поток рассчитывается согласно (1) для каждой пары соседних датчиков температуры, а по результатам этих вычислений рассчитывается его среднее значение. Возможна также организация нескольких рядов датчиков температуры (не менее двух датчиков в каждом ряду) в различных радиальных направлениях от центра ванны и на различной высоте относительно пода печи. В этом случае усредняются значения теплового потока, рассчитанные, как описано выше, для каждого ряда датчиков. Усреднение теплового потока по радиальным направлениям и высоте печи позволяет повысить точность определения состояния реакционной зоны.
Блок деления 12 определяет отношение теплового потока через футеровку печи, вычисленного блоком вычисления 13, к активной мощности, потребляемой печью, измеренной датчиком мощности 14. Варианты исполнения датчика мощности 14 могут быть различными, так, активная мощность может определяться по результатам измерений действующих значений напряжения и тока и угла фазового сдвига. Измерения при этом проводятся для каждого электрода отдельно, определенные для каждого электрода значения мощности суммируются. Учитывая некоторые искажения формы кривой тока, потребляемого печью, относительно синусоидальной, наиболее точно активная мощность определяется путем интегрирования по времени произведения мгновенных значений напряжения и тока в аналоговой или цифровой форме.
Рациональный режим использования введенной в печь мощности в восстановительных реакциях в ванне печи на практике можно выявлять по отношению мощности тепловых потерь (теплового потока через футеровку) к потребляемой активной мощности, которое должно лежать в определенных пределах, уточняемых для конкретной печи экспериментальным путем. Превышение верхнего предела такого отношения свидетельствует о том, что вводимая мощность чрезмерна, недоиспользуется в реакциях в ванне печи и приводит только к повышенным значениям тепловых потерь и ускоренному износу футеровки. В этом случае необходимо снижение мощности путем перехода на более низкую ступень напряжения питающего трансформатора.
Если отношение теплового потока через футеровку к потребляемой мощности ниже нижнего предела, то для повышения производительности печи необходимо увеличение мощности путем перехода на более высокую ступень напряжения питающего трансформатора.
Команду на переключение ступени напряжения переключателем 2 подает трехпозиционный релейный элемент с зоной нечувствительности 11, подключенный к выходу блока деления 12. Характеристика релейного элемента представлена на фиг.2. Значение выходного сигнала релейного элемента Uвых, равное -Е, приводит к переходу на более низкую ступень напряжения, равное +Е - к переходу на более высокую ступень.
Нелинейный элемент 9 вырабатывает в зависимости от используемой ступени напряжения (номер ступени определяется по напряжению вторичной обмотки трансформатора, измеряемому датчиком напряжения 10) значение выходного сигнала, которое при максимальном значении сигнала на выходе блока задания тока 8 обеспечивает работу печи на максимуме полезной мощности при данной ступени напряжения с учетом допустимых значений тока печного трансформатора. Характеристика нелинейного элемента 9 представлена на фиг.3. Вид характеристики должен уточняться для конкретного печного трансформатора.
Таким образом, управление руднотермической печью осуществляется путем перемещения электрода в функции тока с коррекцией заданного значения тока по номеру используемой ступени напряжения и переключением ступеней напряжения в зависимости от соотношения теплового потока через футеровку и активной мощности, потребляемой печью.
Блок вычисления теплового потока, элемент сравнения, блок деления, блок умножения, релейный элемент и нелинейный элемент могут быть реализованы, например, на цифровых вычислительных средствах.
Использованные технические решения позволяют увеличить производительность печи и выход продукта за счет повышения точности поддержания условий протекания химических реакций в ванне руднотермической печи (температура расплава, геометрия реакционной зоны, наличие и толщина гарниссажного слоя) и увеличить срок службы футеровки печи.
Устройство для управления руднотермической печью, содержащее трансформатор с переключателем ступеней напряжения, каждая фаза вторичной обмотки трансформатора подключена к электроду, перемещаемому внутри ванны печи с помощью своего привода, подключенного входом к выходу элемента сравнения, вход которого связан с выходом датчика тока электрода, блок задания тока, отличающееся тем, что дополнительно введены не менее двух датчиков температуры, расположенных внутри футеровки печи на разном расстоянии от поверхности футеровки, блок вычисления теплового потока, входы которого подключены к выходам соответствующих датчиков температуры, датчик активной мощности печи, блок деления, подключенный первым входом к выходу блока вычисления теплового потока, а вторым - к выходу датчика активной мощности, трехпозиционный релейный элемент, подключенный входом к выходу блока деления, а выходом - ко входу переключателя ступеней напряжения, датчик напряжения печи, нелинейный элемент, подключенный входом к выходу датчика напряжения, и блок умножения, соединенный выходом с другим входом элемента сравнения, первым входом - с выходом блока задания тока, а вторым входом - с выходом нелинейного элемента.
