Исследование возможности применения искусственных нейронных сетей для автоматического управления процессом металлизации

В России эти технологии металлизации железорудных окатышей впервые были реализованы в установке ХИЛ-Ш на Лебединском ГОКе, производящей горячее брикетированное железо. А ещё раньше (1983 г.) пущены четыре установки металлизации по способу "Мидрекс" на Оскольском Эектрометаллургическом Комбинате (ОЭМК) [1].

Технологическое оборудование для процесса "Мидрекс" по сравнению с оборудованием для трех других конкурирующих процессов отличается простотой и высокой надежностью. Хотя работа ведется лишь с очень небольшим избыточным давлением в технологических циклах циркулирующего газа, удельная производительность в восстановительном реакторе, т.е. в шахтной печи, получается такой же или даже более высокой, чем при конкурирующих способах (см. П.1., П.2.). Кроме того, производственные показатели первой более крупной установки, которая начала работать на заводе в Контркёр, свидетельствовали о том, что возможности дальнейшего усовершенствования и повышения производительности процесса "Мидрекс" еще не исчерпаны.

Выбор процесса "Мидрекс" для рассмотрения в данной работе явился логическим следствием выше проведённого анализа. Все ссылки, ниже используемые данные и факты по процессу "Мидрекс" взяты из опыта ОЭМК.

1.2 ОПИСАНИЕ ЦЕХА МЕТАЛЛИЗАЦИИ

1.2.1 Модули прямого восстановления

В соответствии с полной мощностью ОЭМК мощность цеха металлизации была установлена равной 5 млн. т. металлизованного продукта в год. Мощность первого этапа первой очереди развития цеха металлизации была принята равной 1,667 млн. т губчатого железа в год, т.е. из 12 модулей, запроектированных для полного развития комбината, на первом этапе построены и работают в данный момент первые четыре [1].

В составе каждого модуля имеются: участок шахтной печи металлизации, участок реформера, система производства инертного газа, система аспирации.

Система водного хозяйства, свеча, помещение пульта с контрольно-измерительными приборами, а также электроснабжение выполнены общими для каждой пары модулей.

1.2.2 Печь металлизации

Восстановительная печь (см. Приложение 4) состоит из загрузочного (промежуточного) бункера, верхнего динамического затвора с загрузочным распределителем и загрузочными труботечками, зоны восстановления, промежуточной зоны, зоны охлаждения, огнеупорной футеровки, постоянно действующих питателей, нижнего динамического затвора и маятникового питателя (для выгрузки готового продукта).

1.2.3 Скруббер колошникового газа

В состав скруббера входят следующие узлы:

труба Вентури, в которой колошниковый газ из шахтной печи, поступающий вертикально сверху вниз, интенсивно смачивается и охлаждается;

насадка, в которой газ и вода движутся в противотоке через элементы насадки так, что газ охлаждается до температуры охлаждающей воды;

зумпф, расположенный под насадкой, куда смывается смоченная пыль;

циклонный каплеотделитель, в котором избыточная вода отделяется от чистого газа.

Компрессоры технологического и охлаждающего газа

Для повышения давления технологического и охлаждающего газов применены двухроторные винтовые компрессоры. Оси обоих роторов располагаются в корпусе параллельно. Вал ротора, не имеющего прямого привода, приводится во вращение через синхронизирующую зубчатую передачу так, что оба ротора вращаются без контакта между собой. Валы обоих роторов опираются на подшипники качения. В каждом компрессоре предусмотрена система циркуляционной масляной смазки под давлением.

1.2.4 Скруббер охлаждающего газа

По конструкции и принципу действия скруббер охлаждающего газа аналогичен скрубберу колошникового газа. В нем только нет разделительной стенки в насадке и второго циклонного каплеотделителя, поскольку поток очищенного охлаждающего газа подается на всасывание соответствующего компрессора без его разделения на две части.

1.2.5 Реформер

Корпус реформера представляет собой газоплотную сварную, стальную конструкцию длиной 41, шириной 11 и высотой 9 м, разделенную на 12 секций. Поскольку рабочая температура составляет 1100 ?С, стальная конструкция защищена огнеупорной футеровкой. В реформере имеется 288 реакционных труб, размещенных вертикально в четыре ряда по 72 трубы в каждом ряду так, что в одной секции располагаются 24 трубы, обогреваемые на длине 8 м. Отверстия для прохода через днище и свод корпуса реформера уплотнены.

Трубы реформера заполнены катализатором. Газ проходит через них снизу вверх. Смешанный газ, подогретый до 400 ?С, входит в трубы снизу, конвертированный газ выходит из верхних концов труб с температурой 900?С и поступает в футерованные коллекторные трубопроводы.

Реформер отапливается с помощью установленных с днища в пять рядов 120 главных горелок и 36 вспомогательных. Главные горелки работают на топливном газе - смеси колошникового газа с природным, и на воздухе, подогретом до 600 ?С. Во вспомогательных горелках сжигается природный газ холодным воздухом.

Катализатор, загружаемый в трубы реформера, состоит из материалоносителя (например, глинозема высокой чистоты) и активного компонента. В большинстве случаев в качестве катализатора для реакции конверсии применяется никель в различных концентрациях.

1.2.6 Рекуператор

В каждом модуле прямого восстановления имеются два рекуператора. По направлению потока дымовых газов в них расположены следующие конструктивные узлы: радиационный трубчатый рекуператор для подогрева воздуха (прямотоком дымового газа и воздуха), камера поворота дымового газа, двухходовой конвективный рекуператор для подогрева воздуха (перекрестно-противоточная схема), двухходовой конвективный рекуператор для подогрева смешанного газа (перекрестно-противоточная схема), двухгодовой конвективный рекуператор для подогрева природного газа (перекрестно-противоточная схема).

Эти узлы размещены в несущей стальной конструкции, покрытой герметичным стальным кожухом и опирающейся на бетонные фундаменты и опоры.

1.2.7 Свеча

Для модулей прямого восстановления 1 и 2 и для модулей 3 и 4 предусмотрено по одной свете. На свечу сбрасывают для дожигания газы в основном из предохранительных клапанов, скрубберов колошникового и охлаждающего газов, концевого холодильника технологического газа, холодильника конвертированного газа, фильтра природного газа (у модулей), а также с некоторых станций регулирования давления природного газа. Состав этих газов в соответствии с их происхождением различен. Для проектирования свечи были приняты за основу характеристики топливного газа.

1.3 МЕТАЛЛИЗАЦИЯ ЖЕЛЕЗА В ШАХТНОЙ ПЕЧИ

1.3.1 Краткое описание процесса "Мидрекс"

При восстановительном процессе "Мидрекс" (см. Приложение 5) оксид железа в форме окатышей или кусковой руды превращается в высокометаллизованный продукт, пригодный для производства электростали, например в дуговой печи [1,15,17]. Восстановительный процесс проводится в шахтной печи (см. Приложение 4), в которой горячий восстановительный газ реагирует в противотоке с рудой, опускающейся под действием силы тяжести. Процесс протекает при температуре ниже точки размягчения шихтовых материалов. В качестве восстановительного газа используются водород и монооксид углерода (СО), которые образуются из природного газа в газовом конверторе (реформере).

Здесь развиваются ,в основном, следующие химические реакции:

1) восстановление

Fe2O3 + 3H2 2Fe + 3H2O;

Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2;

2) образование карбида железа

3Fe + 2CO Fe3C + CO2 ;

3) конверсия

CH4 + H2O CO + 3H2 ;

CH4 + CO2 2CO + 2H2 ;

Горячий колошниковый газ, выходящий из верхней части шахты восстановительной печи, охлаждается и очищается в соответствующем скруббере и разделяется на два потока: технологический газ и топливный газ.

Технологический газ сжимается в компрессорах, смешивается с природным газом, очищенным от серы, подогревается в рекуператорах и конвертируется в реформере в присутствии никелевого катализатора, превращаясь в конвертированный газ. Конверсия представляет собой, в основном, расщепление природного газа при воздействии кислородсодержащих газов СО2 и Н2О на продукты распада Н2 и СО. При этом объем газа увеличивается на 30%. Избыточный газ, образовавшийся в результате увеличения объема - топливный колошниковый газ - смешивается с природным газом и сжигается в главных горелках реформера. Тепло от сжигания топливного газа покрывает значительную часть теплопотребления реформера. Недостающую часть тепла получают от сжигания некоторого количества природного газа.

Горячий металлизованный продукт, опускающийся из зоны восстановления, охлаждается в нижерасположенной зоне охлаждающим газом. Нагревшийся охлаждающий газ затем охлаждается и очищается в скруббере, сжимается в соответствующем компрессоре и снова подается в зону охлаждения. Металлизованный продукт выгружается при помощи маятникового питателя.

При альтернативном режиме работы (AFS) колошниковый газ после скруббера и последующего компримирования подается в зону охлаждения, где он охлаждает горячее губчатое железо. При прохождении через насыпной слой газ отдает содержащиеся в нем соединения серы охлажденному губчатому железу.

Все этапы описываемого процесса проходят под небольшим избыточным давлением. Сырье поступает в восстановительную печь через шлюз с динамическим газовым затвором, а готовый продукт выгружается из печи через другой аналогичный шлюз. Проникновение воздуха предотвращается тем, что в шлюзы с газовым затвором вдувается инертный газ под давлением, несколько превышающим давление в точках соединения шлюзов с печью, при этом не применяют никаких движущихся деталей.

Чтобы описать функционирование процесса, целесообразно разделить его энергоснабжение на пять оборотных циклов и систем. Имеются в виду следующие циклы и системы:

а) Цикл восстановительного газа: печь металлизации, скруббер колошникового газа, компрессоры и холодильник технологического газа, реформер, рекуператор и холодильник конвертированного газа после реформера.

б) Цикл охлаждающего газа: нижняя часть печи металлизации (зона охлаждения), скруббер и компрессор охлаждающего газа и каплеотделитель.

в) Система инертного газа: подача инертного газа в уплотнения при нормальной работе, подача продувочного газа и аварийная система подачи инертного газа.

г) Система водоснабжения: сгуститель, градирни, насосы и прочие вспомогательные устройства.

д) Система аспирации: отсасывающие зонты, трубопроводы запыленного воздуха и радиальный скруббер (промыватель).

Разумеется, во всех системах имеются трубопроводы, измерительные устройства и регуляторы, многочисленная арматура и вспомогательные устройства.

1.3.2 Цикл восстановительного газа

В печи металлизации протекают собственно процессы восстановления. Твердые материалы поступают сверху в реактор, работающий под давлением, и покидают его снизу, выходя из пространства с избыточным давлением в окружающую среду. Твердые материалы (окисленные окатыши) опускаются в печи под действием силы тяжести по мере того, как на нижнем конце печи они выгружаются (уже в виде металлизованного продукта) в заданном режиме при помощи специального устройства для выгрузки - так называемого маятникового питателя. Одновременно горячий восстановительный газ, вдуваемый через сопла примерно на середине высоты шахтной печи при температуре ~ 760 °С и абсолютном давлении ~ 0,2 МПа, движется навстречу потоку окатышей вверх, где и выходит из печи уже как колошниковый газ при температуре ~ 400°С и абсолютном давлении ~ 0,13 МПа. Для предотвращения выхода из печи горючих газов, находящихся под избыточным давлением, устройства для загрузки окисленных окатышей и выгрузки металлизованного продукта уплотнены при помощи так называемых газовых динамических затворов. В эти затворы вдувается инертный (затворный) газ под таким давлением, которое обеспечивает движение этого газа в труботечках загрузки и выгрузки только внутри печи, т.е. только вниз - на колошнике, где загружаются окисленные окатыши, и только вверх - на разгрузке, где выгружаются металлизованные окатыши. Затворный газ представляет собой отходящие из реформера обезвоженные продукты сгорания, содержание кислорода в которых поддерживается на уровне 0,5-1 %.

Время пребывания окатышей в зоне восстановления при проектной производительности модуля устанавливается таким, чтобы достигалась средняя степень металлизации в пределах 90-94 %.

Развитие различных реакций процесса металлизации - восстановления гематита до магнетита и далее до вюстита железа, и образования карбида железа, в принципе зависит от температуры восстановительного газа, его химического состава и времени пребывания газа и твердых материалов в восстановительной печи. Химический состав окисленных окатышей существенно влияет на кинетику восстановительных процессов.

Для управления восстановительным процессом используются в основном следующие взаимозависимости:

1. Повышение содержания СО2 в восстановительном газе снижает его восстановительную способность.

2. Повышение содержания СН4 в восстановительном газе охлаждает слой окатышей и повышает восстановительную способность газа при достаточно высокой температуре.

3. Увеличение отношения Н2/СО в восстановительном газе охлаждает слой окатышей.

Внизу зоны восстановления наряду с восстановлением происходит и науглероживание металлизованного продукта, в котором углерод появляется преимущественно в форме карбида железа. На содержание углерода можно повлиять следующими практическими мероприятиями:

изменением содержания метана в восстановительном газе путем добавки природного газа к охлажденной части конвертированного газа;

увеличением содержания метана в охлаждающем газе, с тем чтобы заданное количество CH4 поступало в переходную зону и из нее - в зону восстановления.

В нижней части печи металлизации (ниже переходной зоны и вплоть до нижнего динамического затвора) происходит охлаждение металлизованного продукта.

Горячий запыленный колошниковый газ входит в скруббер сверху через трубу Вентури, где при подаче большого количества воды происходит резкое охлаждение газа и одновременно смачивание частиц пыли. Над поверхностью промывочной воды конусной части скруббера газ совершает поворот на 180°, вследствие чего смоченные частицы пыли вместе с большей частью капелек охлаждающей воды отбрасываются силой инерции в воду. При дальнейшем движении газа вверх через насадку скруббера он охлаждается почти до температуры охлаждающей воды. Доля газа, необходимая для реформинга (технологический газ), выходит из скруббера насыщенной водяными парами при температуре ~ 55 °С. Избыточный газ (топливный газ) должен быть возможно более полно обезвожен, поэтому он орошается в насадке скруббера промывочной водой, имеющей возможно более низкую температуру. При длительной непрерывной работе температура топливного газа может достичь 30°С. Чтобы можно было получить различные температуры газа, промывочная насадка скруббера разделена промежуточной перегородкой на зону технологического газа и зону топливного газа.

Нагретая и загрязненная пылью вода из труб Вентури и с насадки скруббера поступает в конус скруббера и оттуда передается далее в систему грязной воды. Содержание пыли в чистом газе при нормальной чистой насадке скруббера составляет в среднем ~ 5 мг/м3. Потеря напора в скруббере для промывки колошникового газа равна ~10 кПа.

Компрессоры технологического газа обеспечивают циркуляцию технологического газа, причем суммарная потеря напора в этом цикле при полной нагрузке и равномерном ходе печи составляет 1214 кПа и для поддержания заданного избыточного давления давление на стороне всасывания компрессоров обычно составляет 12 кПа. Для процесса "Мидрекс" хорошо зарекомендовали себя выносливые и почти не нуждающиеся в обслуживании винтовые (двухроторные) компрессоры. Это обусловлено, в первую очередь, их характеристикой (такие компрессоры относятся к гидрообъемному типу, т.е. нагнетаемый объем почти не зависит от колебаний давления), а также их нечувствительностью к высокому и меняющемуся содержанию свободной воды во всасываемом газе и хлопьям пыли, которые иногда захватываются газом. Компрессоры работают с впрыскиванием воды, которая поглощает тепло, образующееся при сжатии, и предотвращает появление образований на роторе. Они снабжены электроприводами с постоянной частотой вращения, поэтому для регулирования расхода газа предусмотрена байпасная линия, через которую избыточное количество газа возвращается из цикла технологического газа обратно в скруббер колошникового газа.

В концевом холодильнике технологический газ с заданной точностью насыщается водяными парами благодаря орошению насадки, через которую газ проходит снизу вверх. Температура воды устанавливается в соответствии с температурой газа, измеренной после холодильника.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11