Металлургические процессы

В цветной металлургии объектами управления являются металлургические печи, пачуки, конвертеры, бункера, сгустители, электролизные ванны, насосы и другие аппараты технологических установок, а также трубопроводы. При рассмотрении металлургических агрегатов как объектов автоматического контроля и регулирования можно указать на некоторые особенности, выделяющие их из общего ряда промышленных объектов контроля и регулирования и налагающих особые требования при создании АСУ. Металлургические процессы в основных агрегатах являются, как правило, сложными процессами (сложными объектами), которые можно подразделить на ряд элементарных звеньев, простых объектов, простых процессов.

Регулирование температуры расплава в печах, например в отражательных, происходит за счет изменения расхода сжигаемого топлива и зависит от накладывающихся в пространстве и во времени последовательных процессов аэродинамики (подачи и смешения топлива и воздуха), химических реакций горения и теплообмена (излучением, конвекцией, теплопроводностью).

С точки зрения понятий теории автоматического регулирования сложные объекты представляют как системы, составленные из ряда параллельно и последовательно соединенных элементарных (типовых) звеньев. Разделение сложного объекта на элементарные звенья по их физической сущности и динамическим свойствам может не совпадать. В случае регулирования температуры металла объект в целом представляют одним динамическим звеном, входом которого является расход топлива, а выходом – температура расплава, или двумя последовательно соединенными звеньями, причем входом первого будет служить расход топлива, а входом второго – температура рабочего пространства печи, а выходом – температура расплава. С физической же точки зрения каждое из этих двух звеньев является сложным сочетанием разнородных процессов.

Правильное представление о сложности объекта контроля и регулирования, его физической и динамической структуре является необходимым условием создания рациональной и эффективной системы автоматического управления. Например, только при правильном анализе механизма теплообмена и движения газов в рабочем пространстве металлургической печи можно добиться предварительного замера температуры при установке термоэлектрического преобразователя или пирометрического преобразователя полного излучения, так как на условиях теплообмена датчика с окружающей средой сказывается светимость факела, его конфигурация, скорость движения продуктов сгорания и т.п.

Физическая сложность, многофакторность процесса выплавки и обработки металла приводит к тому, что основные металлургические агрегаты являются многосвязными объектами, функционирование которых определяется рядом входных и выходных величин, испытывающих взаимные влияния. Например, изменение расхода воздуха, подаваемого в печь, вызывает одновременно изменение температуры в печи, состава газов, заполняющих рабочее пространство, и давления в печи.

Подавляющее большинство металлургических объектов принадлежит к системам с распределенными параметрами, т.е. к системам, физические характеристики которых (температура, масса, тепловые потоки, теплоемкость, теплопроводность и т.п.) распределены в пространстве и являются функциями координат трехмерного пространства. Примерами объектов с распределенными параметрами могут служить вращающиеся печи, мельницы, выщелачиватели и др.

В связи с тем, что математическое описание объектов с распределенными параметрами требует использования аппарата дифференциальных уравнений с частными производными, теоретические методы анализа поведения систем управления такими объектами являются более сложными и имеют ряд особенностей.

Несмотря на то, что металлургические процессы подчиняются основным законам переноса тепла, вещества и импульса, отсутствуют достаточно точные математические описания, математические модели реальных производственных процессов, представляющих собой, как указывалось выше, сложные комплексы взаимозависимых физико-химических явлений. Совмещение разнородных явлений усложняет исследование, понимание процессов, формулировку и решение их математических выражений.

Существующие математические модели строят на ряде упрощений и допущений, которые позволяют составить исходные математические выражения и найти их решения строго аналитическими, приближенными или численными способами. Существующие модели оказывают большую помощь в исследовании и познании металлургических процессов, в определении рациональных технологических и теплотехнических режимов и способов управления этими режимами. Однако приближенность существующих моделей не позволяет полностью решить все эти вопросы.

Сложность основных металлургических объектов и разнообразие возмущений, приложенных в различных местах агрегатов, приводят к тому, что объекты характеризуются большим числом контролируемых величин и управляющих воздействий.

Большое число управляющих воздействий, каждое из которых влияет чаще всего на несколько выходных величин, требует от операторов высокой квалификации при управлении процессами, а при создании автоматизированных систем управления необходимы обширные исследования взаимных связей и влияний между входными и выходными величинами, разработка и приборная реализация сложных алгоритмов управления.

На металлургических объектах значительно затруднено осуществление автоматического контроля основных параметров. Это обусловлено в основном высокими температурами и химической агрессивностью сред, принимающих участие в производственном процессе.

В настоящее время, например, практически отсутствуют материалы, которые выдерживали бы погружение в расплавленный электролит алюминиевого электролизера без износа, без изменения физико-химических свойств и разрушения при длительном пребывании в жидком расплаве. Использование пирометрических преобразователей полного излучения для бесконтактного измерения температуры поверхности расплава и элементов кладки печей ограничивается погрешностями, возникающими из-за переменной степени черноты этих поверхностей, запыленности сред и т.д.

Металлургические объекты принадлежат, как правило, к классу нелинейных объектов, т.е. объектов, поведение которых описывается нелинейными математическими выражениями.

Методы анализа и синтеза нелинейных объектов и систем регулирования значительно сложнее, чем методы анализа и синтеза линейных объектов и систем регулирования. Поэтому в тех случаях, когда это возможно, стремятся нелинейные характеристики объектов аппроксимировать линейными с применением известных методов линеаризации. Процессы металлургического производства реализуются в агрегатах как непрерывного, так и периодического, циклического действия. К агрегатам периодического действия принадлежат конвертеры, некоторые электропечи и т.д.

Непрерывные производственные процессы легче поддаются автоматизации, чем периодические, так как непрерывные процессы характеризуются стационарными режимами при относительно небольших отклонениях контролируемых параметров и управляющих воздействий от некоторых номинальных значений, что упрощает автоматизацию управления ими. Параметры периодических процессов претерпевают, как правило, значительные колебания. А управляющие воздействия могут варьироваться по абсолютной величине многократно.

Глубокие изменения контролируемых величин и управляющих воздействий в агрегатах периодического действия, сопровождающихся изменениями статических и динамических характеристик объектов во времени, усложняют синтез систем автоматического управления, так как регуляторы с постоянной структурой и настройками не могут обеспечить приемлемое качество регулирования при существенных изменениях характеристик объекта.

Все реальные промышленные объекты имеют запаздывание, которое достигает довольно больших значений (нескольких десятков минут) в объектах, где протекают тепло- и массообменные процессы, и невелико (всего несколько секунд) в объектах, выходные величины которых представляют собой расход или давление жидкостей или газов. Наличие запаздывания в объектах (в АСР) усложняет задачу регулирования технологического параметра в объекте. Поэтому необходимо стремиться к его уменьшению: устанавливать датчик и исполнительное устройство системы как можно ближе к объекту регулирования, применять малоинерционные измерительные преобразователи, уменьшать протяженность потоков и т.д.

Металлургические агрегаты принадлежат к энерго- и материалоемким объектам.

Большая материало- и энергоемкость металлургических объектов определяет возможность получения значительных экономических эффектов, связанных с увеличением производительности, уменьшением расходов сырья и энергии, улучшением качества готовой продукции при внедрении совершенных систем автоматизации.