ЧУГУН, сталь, прокат. Всем известно, какое важное место в жизни страны занимает эта продукция черной металлургии. Ее справедливо называют основой основ всей промышленности. И действительно, развитие мощной современной техники, осуществление грандиозных планов подъема советского машиностроения и всего народного хозяйства было бы немыслимо без быстрого роста черной металлургии. Партия и правительство уделяют поэтому исключительно большою внимание этой отрасли тяжелой индустрии.
Достаточно сказать, что в текущем году, последнем году пятой пятилетки, выплавка чугуна возрастет в СССР по сравнению с 1950 годом на 76, стали - на 62, выпуск проката - на 64 процента. Советские металлурги прилагают сейчас все усилия к тому, чтобы досрочно выполнить важнейшие задания пятилетки. В решении этих г задач большую помощь заводам оказывают, ученые - В творческом содружестве с инженерами и рабочими-рационализаторами они непрерывно совершенствуют технику, всемерно развивают комплексную механизацию и автоматизацию производственных процессов.
В настоящее время наши металлургические предприятия достигли высокого уровня автоматизации. До 90 процентов чугуна и свыше 87 процентов стали выплавляется на автоматизированных агрегатах. Все сталеплавильные электропечи, дающие качественные, стали и большинство прокатных станов работают с автоматическим регулированием производственных процессов. Автоматика освобождает рабочих от тяжелых и трудоемких работ, облегчает их труд, повышает культурно-технический уровень персонала, обслуживающего агрегаты. Вместе с тем она приносит большой экономический эффект на 5-10 процентов увеличивается производительность агрегатов и примерно на столько же процентов снижаются расходы топлива. На прокатных станах производительность нередко возрастает еще больше - на 10-15 процентов.
Для Дальнейшего прогресса черной металлургии необходимо еще более широкое внедрение комплексной механизации и автоматизации. В этом направлении работают сейчас советские ученые и инженеры.
Выплавка чугуна и стали, прокатка стальных слитков отличаются исключительной сложностью и трудоемкостью, огромными масштабами производства, применением мощного оборудования, разнообразием химических и физических процессов. В короткой статье, естественно, невозможно дать описание автоматики всех звеньев черной металлургии доменного, сталеплавильного и прокатного производств. Мы ограничимся характеристикой доменного процесса, на примере которого можно получить представление, как о современном состоянии автоматики металлургии, так, и о ее ближайших перспективах.
Главным агрегатом доменного производства является, как известно, вертикальная печь-домна высотою в 30 и более метров. По своим очертаниям она напоминает два усеченных конуса, соединенных широкими основаниями. Доменная печь выложена из огнеупорного кирпича, и с внешней стороны заключена в стальной кожух. В такой печи и происходит выплавка чугуна из железной руды.
Через засыпной аппарат в домну загружают сверху шихту - механическую смесь кокса, железной руды и известняка. Снизу, через специальные трубы - фурмы - вдувают горячий воздух. В рабочем пространстве печи возникают при этом очень высокие температуры, достигающие в горне 1800 градусов, происходят различные окислительные и восстановительные реакции. Постепенно опускаясь в печи, железная руда встречается с потоком горячих газов и претерпевает превращения содержащаяся в ней окись железа вступает в реакцию с окисью углерода. При этом выделяется чистое железо. Оно все более нагревается, плавится и частично соединяется с углеродом, образуя жидкий сплав - чугун, который сосредоточивается в горне. Над ним всплывает более легкий по удельному весу шлак, состоящий из так называемых пустых пород руды, золы сгоревшего топлива и флюса (известняка). Чугун и шлак периодически выпускаются из домны через особые отверстия-летки. К верхней части агрегата присоединены трубы, отводящие горячий доменный (колошниковый) газ, используемый, как топливо. Для предотвращения чрезмерного разогрева домны в ее кладке проложена специальная водяная охладительная система.
Такова в общих чертах схема доменного процесса. Домна действует непрерывно в течение 35 лет, а иногда и больше, и является весьма энергоемким агрегатом. Современная доменная печь потребляет топлива столько же, сколько его необходимо для электростанции мощностью в 80 тысяч киловатт и вырабатывает колошникового газа в количестве, достаточном для работы электростанции мощностью в 50 тысяч киловатт. В сутки подобный агрегат переплавляет более трех железнодорожных составов шихтовых материалов и выдает состав чугуна. За это же время в доменную печь вдувается около 6 миллионов кубометров воздуха с температурой до 800 градусов и давлением в несколько атмосфер.
Бесперебойная работа и длительность «жизни» домны зависят от многих факторов. Этот великан сравнительно легко «заболевает» из-за малейшего несоблюдения режима его эксплуатации неправильного питания шихтовыми материалами, изменения температуры или влагосодержания вдуваемого в печь воздуха, и т. д. Прорыв расплавленного чугуна в фундамент печи может в течение очень короткого промежутка времени вывести ее из строя.
Технологическая схема выплавки чугуна за последние 30-40 лет не претерпела принципиальных изменений, однако техническая оснащенность и производительность доменной печи изменились коренным образом.
На дореволюционных металлургических предприятиях, даже на наиболее крупных, труд рабочего был невероятно тяжелым и изнурительным. Вот, как, например, описывает работу запорожского завода один из старейших советских ученых-металлургов, академик Н. Т. Гудцов:
«От рудного двора к доменным печам, расположенным на расстоянии 300-500 метров, сырье и топливо подвозится на ручных тележках, в. которые впряжены рабочие-катали.
Еще в более тяжелых условиях трудились на колошнике доменной печи «верховые». Подвезенную к печи тележку с грузом в 50-60 пудов каталь подавал на площадку вертикальной подъемной машины, которая поднимала ее на верх доменной печи. Там рабочий выкатывал тележку из клети, подвозил к колошнику и опрокидывал на воронку засыпного аппарата. Это был изнурительный труд на высоте 25-30 метров, под открытым небом, в атмосфере непрерывно вырывавшихся из печи удушливых газов.
Возле доменной печи копошатся, нагнувшись, несколько десятков людей — это канавщики и чугунщики. Они вручную готовят литейный двор для разлива выданного из печи чугуна.
Слышится сигнал - частые удары молотком по подвешенной тарелке вагонного буфера - возвещающий о предстоящем выпуске чугуна. С разных сторон сбегаются к доменной печи горновые, их подручные. 8-10 человек берут в руки тяжелый длинный железный лом и, раскачиваясь, ударяют по «летке» - заделанному огнеупорной глиной отверстию в печи, откуда должна вытечь очередная порция жидкого чугуна. Эта операция длится 10-15 минут, а иногда и больше. Вдруг появляется сноп пламени и вырывается ослепляющая струя металла. Не проходило недели без несчастного случая у доменных печей»
В годы Советской власти все старые заводы были реконструированы. Новые металлические гиганты построены с учетом новейших достижений науки и техники. Магнитогорский и Кузнецкий комбинаты, «Азовсталь», «Запорожсталь», и другие заводы по своей технической оснащенности не имеют равных в мире.
Навсегда исчезли в доменном производстве такие профессии, как каталь, верховой, чугунщик и многие другие. Все операции загрузка шихты, нагрев и подача в печь сжатого воздуха, очистка колошникового газа от пыли, выпуск из печи шлака и чугуна, и т. п.- теперь полностью механизированы. Многие из них выполняются с помощью автоматических регуляторов.
Среди многочисленных автоматических приборов, установленных и внедряемых на современной доменной печи, следует различать два типа регулирующие и измерительные. Первые представляют наибольшую ценность, так, как они управляют процессом производства. Так, например, необходимое давление газа в рабочем пространстве верхней части печи (под колошником), постоянная температура и влажность воздуха, вдуваемого в домну, достигаются благодаря специальным автоматическим регуляторам.
Наряду с дутьем одним из важнейших факторов в доменном процессе является последовательность загрузки печи шихтой в определенных весовых соотношениях. Это делает машинист вагон-весов. Шихтовые материалы необходимого веса перевозятся в вагон-весах к скиповому подъемнику, транспортирующему их на верх доменной печи. Подъем шихты на колошник и распределение ее при засыпке в печь происходят автоматически. Точность же отбора материалов из бункеров зависит от внимательности машиниста.
Ныне ведутся работы по автоматизации набора, взвешивания и транспортировки шихтовых материалов вагон-весами. Уже проходит испытание первая подобная установка. Машинист при этом управляет лишь перемещением вагон-весов от бункера к бункеру, а последовательность набора и отвешивание необходимого количества каждого материала совершается автоматически.
Таким образом, основные моменты, в наибольшей степени влияющие на доменный процесс, - загрузка шихтовыми материалами, количество, температура и влажность дутья, и давление газов под колошником - на современной печи регулируются действием соответствующих автоматических регуляторов.
Но нарушения нормального хода доменного процесса могут быть вызваны и другими причинами качеством шихтовых материалов (химический состав, крупность, влажность), изменениями профиля шахты печи и др. Для того, чтобы своевременно обнаружить эти нарушения и предупредить аварии, доменная печь снабжается большим количеством автоматических измерительных, регистрирующих и сигнализирующих приборов, и аппаратов, которые непрерывно отмечают величины, характеризующие работу доменной печи.
Пользуясь этими показаниями, мастер обнаруживает нарушение «хода доменной печи», как говорят доменщики, и вмешивается в ее работу, изменяя программу загрузки шихты, или режим дутья, или, наконец, давление на колошнике. Однако не все величины, характеризующие течение доменного процесса, надежно измеряются приборами. Так, например, до сих пор не удается получить полную картину распределения шихтовых материалов в печи, что оказывает большое влияние на плавку чугуна. Их уровень измеряется пока лишь в двух точках «шомполами», периодически опускаемыми на шихту при помощи автоматически действующих лебедок. Положение концов шомполов передается при помощи телемеханической системы приборов на специальный щит, находящийся в помещении мастера печи.
Измерение уровня шихтовых материалов в домне одновременно во многих точках можно осуществить только при помощи таких современных технических средств, как радиолокация, телевидение в инфракрасных лучах или ультразвук. В настоящее время проводятся экспериментальные работы по использованию излучателя ультразвуковых волн с узконаправленным пучком. Последний «осматривает» поверхность шихты, направляя на нее ультразвук отдельными импульсами, длящимися одну тысячную долю секунды. В паузах между импульсами установленный рядом приемник «слушает» эхо от участков поверхности, на которые в данный момент падает луч. Чем больше времени проходит между моментами излучения и возвращения эхо, тем глубже залегает здесь шихта. При помощи электронных устройств можно получить изображение, воспроизводящее в некотором масштабе профиль шихты в вертикальной плоскости.
Часто бывает необходимо точно установить содержание двуокиси углерода в периферийных газах доменной печи, так, как появление неодинакового ее количества в симметрично расположенных точках свидетельствует о начале нарушения «хода печи». Недавно для определения содержания двуокиси углерода были успешно использованы автоматические газоанализаторы, действие которых основано на измерении относительного поглощения инфракрасного излучения различными газами. По-видимому, эти приборы найдут применение на всех доменных печах вместо распространенных ныне автоматических химических газоанализаторов.
Мы располагаем многими сведениями о процессах, протекающих внутри печи. Однако задача автоматического управления всем доменным процессом еще не решена. Производительность доменной печи и ее экономичность во многом еще зависят от опыта мастеров, от четкости и оперативности их работы.
А нельзя ли полностью автоматизировать управление печью? Тогда бы не было необходимости многим мастерам доменного цеха непрерывно наблюдать за большим количеством измерительных и регистрирующих приборов, за их показаниями и записями. На щит дежурного оператора можно было бы вывести показания лишь основных величин и экраны местных телевизоров, позволяющих видеть наиболее важные участки доменной печи.
На вкладке к этой статье показана одна из возможных схем полной автоматизации доменной печи и примерный вид главного щита контроля и управления ее работой. Наряду с главным оператором печи предусмотрены еще 2-3 оператора для управления автоматизированными механизмами рудного и литейного дворов. Эти операторы также будут наблюдать за отдельными участками при помощи телевизионных установок. Остальной персонал цеха составит лишь дежурная ремонтная бригада.
Мы можем с уверенностью сказать, что в ближайшее время вместо существующей системы автоматизации печи, состоящей из отдельных, не связанных друг с другом измерительных приборов и регуляторов, советские ученые создадут схему полностью автоматизированных доменных печей. Они будут управляться своеобразным «мозгом» в виде автоматического счетно-решающего устройства, которое объединит все элементы системы в единое целое. На этот электронный интегратор станут поступать сведения от своеобразных «органов чувств» - приборов-датчиков, измеряющих различные величины доменного процесса и перерабатывающих их в электрические сигналы. Счетно-решающее устройство, обработав соответствующим образом полученные сведения, отправит командные сигналы на исполнительные устройства-местные автоматические регуляторы и схемы. Это будут схемы автоматического набора, взвешивания, транспортировки и загрузки шихтовых материалов, регуляторы количества, температуры и влажности доменного дутья, давления газов на колошнике. Конечными исполнительными органами этих регуляторов, «мышцами» схемы, явятся электродвигатели, поршневые исполнительные механизмы и электромагниты, которые приведут в движение загрузочные, распределительные, взвешивающие устройства, клапаны, заслонки и краны, регулирующие количество воздуха, пара, газа или воды.
Измерительные приборы-датчики будут непрерывно или периодически определять различные величины, характеризующие процессы, которые протекают в доменной печи и ее вспомогательных установках. Это уже упоминавшиеся автоматические газоанализаторы, измерители уровня шихты, количества, калорийности и запыленности колошникового газа, температуры и влагосодержания доменного дутья, устройства для периодического измерения температуры и определения химического состава выпускаемых из печи чугуна и шлака.
Последние два измерения являются пока еще проблемными, однако имеются вполне реальные возможности их осуществления с помощью новейших средств современной физики. Периодическое измерение температуры жидкой стали в ковшах уже вошло в повседневную практику многих заводов. В настоящее время ведутся исследования по автоматизации процесса измерения температуры ста ли. Результаты этих работ могут, быть полностью использованы для автоматического измерения температуры шлака и чугуна в доменной печи.
Итак, управление всеми процессами доменного производства с одного пульта — вот задача, которая стоит в настоящее время перед советской наукой. Для решения ее имеются уже достаточно надежные технические средства.
Советские металлурги уверены, что эта задача будет уже в ближайшее время осуществлена не только в доменных, но, и в сталеплавильных цехах. Имеются также большие достижения по автоматизации прокатных станов. Например, на Челябинском заводе подачей горячих слитков и их прокаткой управляют лишь три оператора. На Магнитогорском комбинате автоматика освободила рабочих прокатных агрегатов от необходимости производить в сутки около 5 тысяч переключений различных механизмов. На стане «300» № 1 полностью автоматизирована работа холодильников, где остывает металл. Сейчас только благодаря этому коллектив стана прокатывает в каждый «горячий» час на 7 тонн больше металла, чем в предыдущем году.
Таких примеров можно было бы; привести много. Они свидетельствуют о широком размахе автоматизации производства, об огромном техническом прогрессе советской металлургии; Успешное осуществление комплексной» механизации и автоматизации черной металлургии позволит уже в ближайшие годы значительно увеличить в нашей стране производство чугуна, стали и проката.
НА ВКЛАДКЕ
Примерная схема полной автоматизации доменной печи приборы-датчики (1-16) измеряют величины, характеризующие ход доменной печи (28), и посылают сигналы на счетно-решающее устройство (17), которое преобразует по определенным законам полученные от датчиков сведения и вырабатывает командные сигналы местным автоматическим схемам и регуляторам (1823), управляющим доменным процессом. Часть сведений на счетно-решающее устройство подается оператором при помощи так называемых задатчиков (24-27).
Слева изображен вид центрального щита управления доменной печью при полной автоматизации. Оператор наблюдает за показаниями нескольких приборов, характеризующих наиболее существенные величины работы печи и исправность всех автоматически действующих устройств. В центре щита - экран аппарата, показывающего профиль залегания шихты и экраны телевизоров для наблюдения за наиболее важными участками домны.
