Проектная работа по разработке учебно-лабораторного стенда автоматизации процесса отражательной плавки

Номинация: Лучшее конструкторское решение
Просмотреть картинки списком
Автор: Иванов Павел Николаевич. Наставник: Ваулин Иван Николаевич
Город: Екатеринбург
Место учебы: Уральский государственный колледж имени И.И. Ползунова

Введение

Данный стенд предназначен для проведения лабораторных работ группами специальностей «Автоматизация технологических процессов и производств» и «Металлургия цветных металлов». Лабораторная работа по автоматизации процессов отражательной плавки знакомит учащихся с технологией получения меди путём плавки обогащенного медного концентрата.

Процесс отражательной плавки управляется следующими основными автоматическими системами: система подачи топлива в печь и поддержание оптимальной температуры, регулирование соотношения топливо - воздух, поддержание разряжения в печи, с принципами утилизации тепла в котле-утилизаторе. Наглядно показывает все этапы данной плавки. Позволяют приобрести навыки по сборке систем автоматического регулирования включающих в себя электрические регуляторы, частотный преобразователь, датчик давления и температуры. Непосредственное участие в экспериментах вырабатывает у учащихся практические навыки по методике подготовки опытов и обработке их результатов. По полученным результатам учащиеся могут оценивать свойства систем автоматического регулирования.

Рисунок 1 - Графическая модель лабораторного стенда

Автоматические регуляторы в настоящее время представляют собой наиболее распространенный вид средств автоматизации разнообразных металлургических агрегатов и процессов.

Лабораторные работы, осуществляемые на данном стенде, позволят экспериментально проверить теоретические положение по работе автоматических регуляторов. Закрепить теоретические знания по принципам регулирования технологических процессов. Демонстрация учащимся эксперимента позволить выработать практические навыки по методикам проведения опытов и обработке их результатов. Выработать навыки по оценке свойств установки систем автоматического управления, делать выводы по результатам опытов.

1. Описание

Печи для отражательной плавки получили наибольшее распространение в медной промышленности. Одним из самых распространенных способов получения меди является плавка обогащенного медного концентрата на штейн с последующим конвертированием штейна и рафинированием черновой меди. Для плавки медного концентрата чаще всего используют отражательную печь (рис. 2).

Рисунок 2 - Общий вид отражательной печи для плавки на штейн. 1 - стены; 2 - днище; 3 - газоход; 4 - слив штейна; 5 - слив шлака.

Основной задачей плавки является разделение исходного материала на штейн и шлак. Штейн представляет собой сплав сульфидов меди и железа с некоторыми примесями. Шлак отражательной плавки - это главным образом сплав различных окислов. Так как плотность штейна составляет

примерно 5000кг/м³, а шлака - примерно 3000 кг/м³, то в конце печи шлак располагается сверху, а штейн под ним. В процессе плавки железо окисляется кислородом из окисла меди, а медь переходит в сульфид по следующей реакции:

Сu₂О + FеS = Сu₂S + FеО.

Схема автоматизации отражательной медеплавильной печи представлена на рис. 2. Отражательная печь выложена из огнеупорного кирпича. Длина печи достигает 35—40 м, высота до 3,0—3,5 м. Ширина печи и колеблется в зависимости от производительности.

Концентрат в печь загружают через бункера, расположенные над отверстиями в своде печи. Материал подается к печи ленточными транспортерами либо вагонетками.

Рисунок 3 - Схема автоматизации отражательной медеплавильной печи

Отражательная печь — это типичная пламенная печь, отапливаемая природным газом, поступающим в рабочее пространство через форсунки с паровым распыливанием. Воздух для сжигания газа нагнетается в печь вентилятором В. Температура в первой, плавильной, зоне печи достигает 1550°С. В конце печи температура еще высока — до 1200— 1250°С. Примерно треть длины печи в конце ее занимает зона отстаивания, где происходит разделение штейна и шлака.

Тепло сводящих газов обычно используется в котле-утилизаторе К (рис. 4), расположенном на пути газов за печью. Температуру газов, за котлом-утилизатором удается довести до 300—400°С. Часть дымовых газов отводится через обводной дымовой боров Бо мимо котла-утилизатора. Перед котлом и в обводном борове установлены дымовые шиберы 9е и 15в. Так как шиберы работают в зоне высоких температур, их часто выполняют водоохлаждаемыми.

Выпуск шлака производят через летку в задней торцовой стенке печи, а штейна — через несколько отверстий в боковых стенках. Выпуск штейна и шлака осуществляется периодически. Автоматизация отражательной плавки сводится фактически к управлению тепловым режимом печи, поскольку, процессы горения и загрузки материала непрерывны.

Рисунок 4 - Котёл - утилизатор. 1 — барабан; 2 — испарительная часть; 3 пароперегреватель; 4 — водяной

Центральной системой схемы автоматизации процесса отражательной плавки на штейн должна быть система загрузки материала в печь по импульсу от качества готового продукта.

Регулятор подачи топлива должен получить несколько импульсов по состоянию температурного поля печи. Две точки наиболее важны для технологического режима плавки. Это максимальная температура в зоне плавления и температура в конце печи. Первая температура характеризует режим плавления, режим основного технологического процесса, а вторая — вязкость шлака, температуру штейна и шлака, от которых зависит их качество. В рассматриваемой схеме принято автоматическое регулирование подачи топлива по температурам в начале и конце печи. Такая двухимпульсная схема принципиально более правильна, чем одноимпульсная — по температуре в ядре горения факела, и ее применяют на большинстве предприятий. Как известно, принцип регулирования подачи топлива в любую печь по температуре в ней, т. е. метод поддержания постоянной температуры в печи, несовершенен.

Температуру в печи измеряют радиационными пирометрами типа РАПИР с телескопом ТЕРА-50 6а в защитной арматуре 3ЗАРТ-53 и электронным потенциометром ЭПП-16-АМ2 66. Телескопы радиационных пирометров визируются на дно калильных блоков (стаканов), вмонтированных в свод печи. Калильные стаканы предназначены для защиты телескопов от выбивающихся из печи раскаленных газов. Иногда пирометр визируют через фурму в передней торцовой стенке печи на внутреннюю поверхность свода над ядром факела. В любом случае прибор измеряет фактически температуру внутренней поверхности свода.

Термопары в условиях пламенной печи работают недостаточно надежно из-за пониженной стойкости чехлов, поэтому почти повсеместно для измерения температуры в таких печах используют радиационные пирометры. Электронный регулятор ТРМ 201 (рис. 5) через исполнительный механизм МЭО - 250/25-63 управляет поворотным затвором ПРЗ, тем регулирет подачу газа в печь. Отражательная печь имеет обычно 20-30 форсунок.

Производительность боковых форсунок должна быть несколько больше, чем центральных, так как у боковых стенок печи располагается нерасплавленный материал.

Для системы автоматического регулирования температуры в печи применяются ПИД - регуляторы. Поэтому здесь принято электронное регулирующее устройство типа ТРМ 201.

Воздух в отражательной печи используется лишь для сжигания топлива. Поэтому наиболее распространенной схемой регулирования подачи воздуха является управление расходом его по соотношению топливо-воздух.

1) Рисунок 5 - Измеритель - Регулятор ТРМ 201

В рассматриваемой схеме принято регулирование подачи вентиляторного воздуха по соотношению газ - воздух. Задание регулятору соотношения меняется автоматически в соответствии с режимными картами и показаниями газоанализаторов на кислород и углекислый газ.

Расход газа измеряется диафрагмой ДКС - 100 и датчиком Метран -150ДД со вторичным прибором Диск - 250, расход воздуха с помощью диафрагмы ДКС -200 с датчиком Метран - 150ДД со вторичным прибором Диск 250. Регулятор ТРМ 201 через исполнительный механизм МЭО -250/25-63 и заслонку ПРЗ управляет подачей воздуха в печь. В качестве регулирующего органа может служить и направляющий аппарат вентилятора с поворотными жалюзийными заслонками. Для введения в систему регулирования корректирующего импульса по содержанию кислорода в отходящих газах можно использовать как вторичный прибор к газоанализатору.

Автоматический анализ отходящих газов печи на СО2 и О3 помогает дежурному персоналу следить за режимом горения, устанавливать задание регулятору подачи воздуха. Для контроля процентного содержания углекислого газа используют 4 электрический газоанализатор типа ГЭУК-21. Содержание кислорода измеряют магнитным газоанализатором типа МГК-348.

Разрежение у боковых стенок печи в начале ее составляет около 20 н/м2 Г~2 мм вод. ст.) благодаря инжекции факела. От разрежений в печи во многом зависит от горения (положение факела). Унос пыли с газами, работа котла-утилизатора и тяговых устройств, условия труда. Регулирование тяги в печи производится по импульсу от разрежения в начале газоперепускного борова воздействием на дымовой шибер на обводном борове Бо, Использование обводного борова для регулирования тяги позволяет стабилизировать газовый поток через котел-утилизатор, улучшить его режим работы.

Для регулирования тяги установлены: Метран-55 ДИ вторичный прибор Диск 250, электрический регулятор ТРМ 201, частотный преобразователь Овен ПЧВ 101-К18-А. Регулятор ТРМ 201 регулирует разряжение в печи путем изменения частоты вращения дымососа через частотный преобразователь Овен ПЧВ 101-К18-А.

Регулирующий дымовой шибер 9е выполнен водоохлаждаемым для защиты от высокой температуры газов. Температура воды на выходе из шибера не должна превышать 80—85°С во избежание парообразования внутри водяной системы. Контроль и сигнализация температуры охлаждающей воды после шибера позволяют предотвратить аварийный прожог шибера при уменьшении по какой-либо причине подачи воды. Температуру воды измеряют термометром сопротивления ТСМ-Х1 12а, который соединен с самопишущим и сигнализирующим прибором Диск 250(рис. 6). Позиционное устройство прибора связано со световой и звуковой сигнализацией 12в.

Разрежение и температура отходящих газов после котла-утилизатора характеризуют тепловой режим котла, степень использования тепла в нем. От этих параметров зависит экономичность работы всей установки в целом.

Системой регулирования для котла-утилизатора является управление подачей питательной воды в барабан по уровню в нем. Часто в эту систему вводится корректирующий импульс по расходу питательной воды. Кроме того, котел-утилизатор оборудован установками автоматического контроля Рисунок 6 - Диск 250 уровня в барабане, расхода и давления питательной воды, температур по газовому тракту и т.д.

Контроль давления первичного и вторичного воздуха перед всеми четырьмя горелками печи помогает обслуживающему персоналу следить за режимом горения угольной пыли, своевременно принимать меры.

к восстановлению правильного режима факела, наблюдать за состоянием горелок.

Технологическое назначение отражательных печей может быть различным: для плавки медных концентратов, для плавки медных вайербарсов, для анодной плавки и т. д. Однако принципиальные схемы автоматизации всех подобных печей практически не отличаются друг от друга. В дальнейшем для целей автоматизации отражательных печей намечают реконструировать загрузочные устройства с использованием вибро дозаторов, пневмотранспорта, дозаторов-весоизмерителей и пр., создать установки для надежного контроля уровня в загрузочных бункерах и уровня шихты и штейна в печи, осуществить непрерывный автоматический контроль температуры шлака и штейна во время плавки.

2. Устройство стенда

1) Измеритель - Регулятор ТРМ 201

2) Измеритель - Регулятор ТРМ 201

3) Подача газа

4) Подача воздуха

5) Форсунок

6) Измеритель - Регулятор ТРМ 201

7) Частотный преобразователь Овен ПЧВ 101-К18-А

8) Измеритель - Регулятор ТРМ 201

9) Жидкокристаллический монитор

10) Радиационный пирометр ТЕРА 50

11) Котёл - утилизатор

12) Метран-55 ДИ

13) Радиальный вентилятор

3. Экономическая часть

Расчет затрат на создание лабораторного стенда (см. таблицу).

Заключение

В данной пояснительной записке произведено проектирование учебно - лабораторного стенда для специальностей «Автоматизация технологических процессов и производств» и «Металлургия цветных металлов».

Автоматизации технологии получения меди путём плавки обогащенного медного концентрата в отражательной печи, отображены основные регулируемые технологические параметры: система подачи топлива в печь и поддержание оптимальной температуры, регулирование соотношения топливо - воздух, поддержание разряжения в печи, принципы утилизации тепла в котле - утилизаторе.

Проведение лабораторных работ на данном стенде ознакомит учащихся с основной технологией работы отражательной печи, позволят приобрести навыки по сборке систем автоматического регулирования включающих в себя электрические регуляторы, частотный преобразователь, датчик давления и температуры закрепить теоретические знания на практике и получить представление с настройкой и подключением автоматических регуляторов.

В процессе работы над данным проектом мы применили теоретические данные, полученные в течение учебного процесса на специальных дисциплинах нашей специальности, разработали представление конструкции стенда в виде графической модели, создали анимационное отображение процесса плавки в печи.

В ходе выполнения проекта мы произвели расчет и выбор оборудования, подходящие для автоматизации процесса отражательной плавки.

А так же в процессе разработки мы определили, что в перспективе на данном стенде, возможно, проводить лабораторные работы по следующим специальностям: «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования», «Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования», «Компьютерные системы и комплексы», «Компьютерные сети», «Программирование в компьютерных системах», «Реклама».