«Опыт эксплуатации газоаналитических систем «гранат» в кислородно-конверторных цехах ОАО «НЛМК»

Лякин А.П., Ярошенко А.В., Филяшин М.К., Чаплыгин А.М., Уманцев О.В., Шарипов В.Н., Курлыкин А.Ф. (ОАО «НЛМК»), Паринов С.П., Михайлец С.Н. (ЦФТИ «Аналитик», г. Санкт-Петербург)

В основу создания газоаналитической системы «Гранат» положен масс-спектрометрический принцип измерения, позволяющий получать полные данные о составе газовых проб. Таким системам свойственно оперативность, высокая точность и однородность измерений. В этом отношении они удовлетворяют требованиям, предъявляемым к аналитическим средствам контроля состава конверторных газов, когда информативность измерений в существенной степени зависит от времени общего запаздывания газового анализа.

На ОАО «НЛМК» имеется большой опыт эксплуатации газоаналитических масс-спектрометрических систем. В ККЦ № 2 более 10 лет использовались в режиме анализа конверторных газов системы фирмы Триндель (Франция). В конце 80-х годов на комбинат были поставлены газоаналитические системы ФТИАН-3 отечественного производства. Несмотря на относительно большие капитальные вложения в обеспечение особых требований к условиям эксплуатации оборудования, добиться стабильной работы систем ФТИАН-3 в ККЦ № 2 не удалось. Обусловлено это было сложностью аналитического оборудования в обслуживании и несоответствием показателей надёжности аппаратуры высоким требованиям промышленной эксплуатации в конверторных цехах.

В связи с негативным опытом эксплуатации отечественной масс-спектрометрической аппаратуры газоаналитические системы «Гранат» прошли всесторонние испытания. При этом исходили из необходимости получения оборудования, обладающего следующими свойствами:

• высокой точностью измерений и стабильностью показаний;
• надежностью работы;
• полной автоматизацией всех измерительных операций, обеспечивающей автономность работы системы без обслуживающего персонала;
• «живучестью» системы в реальных условиях производства.

Газоаналитические системы «Гранат» выпускаются фирмой ЦФТИ «Аналитик» (поставку оборудования на комбинат и пуско-наладочные работы осуществляла дочерняя фирма — НТЦ «АСК»).

Газоаналитическая система «Гранат» состоит из газоанализатора «Гранат» и системы отбора и пробоподготовки. Основными элементами газоанализатора являются: времяпролетный масс-анализатор с высоковакуумным магниторазрядным насосом, блок питания, система регистрации масс-спектра, бесперебойный блок питания, блок автокалибровки и модуль ввода газовых проб в масс-анализатор. Газоанализатор выполнен в пылевлагозащитной стойке.

Первая система «Гранат» была поставлена в ККЦ № 1 в апреле 1997 г. Проект привязки оборудования и монтаж оборудования выполнялся силами комбината с активным участием специалистов фирм НТЦ «АСК» и ЦФТИ «Аналитик». Пуско-наладочные работы выполнила фирма НТЦ «АСК».

В течение 2-х месяцев система находилась в опытной эксплуатации. Отбор конверторных газов осуществлялся на прямом газоходе (31 отметка). В темпе с продувкой расплава кислородом выполнялся анализ состава конверторных газов, по окончанию каждой плавки определялось содержание примесей в кислороде дутья. В период простоя осуществлялась калибровка прибора либо газоанализатор переходил в режим «покой»-прекращался напуск газа в масс-анализатор.

В период испытаний осуществлялся периодически контроль точности и стабильности измерений состава конверторных газов и кислорода дутья, фиксировали сбои в работе системы. Все замечания по работе фиксировались и после их обобщения передавались специалистам фирмы-изготовителя. Работа выполнялась в тесном контакте с технологами цеха, которые внесли существенный творческий вклад в формирование «картины» отображения оперативной и архивной информации на экране рабочей станции, установленной на пульте оператора-дистрибутора.

Результаты первого этапа испытаний показали, что по эксплуатационным показателям оборудование удовлетворяет требованиям цеха. Система работала полностью в автоматическом режиме. В течение первого месяца испытаний выхода из строя аналитических модулей не наблюдалось, системы отбора и пробоподготовки так же проработала без замечаний При продолжительности измерений, равной 2 сек., среднее квадратичное отклонение измерений основных газовых компонент не превышает 0.04 % (абс.). Абсолютная погрешность измерений конверторных газов (H₂, CO, CO₂, N₂, O₂, Ar) составляет (0.005-0.015)*Х(I) + 3* (I), где Х(I) — абсолютная величина измеряемого I-ого компонента. Общее время запаздывание газового анализа по ходу продувки составляло 10-12 сек., что обеспечивает возможность оперативного вмешательства в технологический процесс при обнаружении неблагоприятных тенденций при возникновении взрывоопасных ситуаций.

В тоже время было выявлено ряд недостатков. При включении режима «анализ конверторных газов» имел место существенный по величине начальный переходный участок. Первые 20-30 сек. начала плавки практически отсутствовал достоверный газовый анализ. Кроме того, была отмечена нестабильность измерений примесей в кислороде дутья. Была зафиксирована систематическая погрешность измерений в момент отключения кондиционера, когда резко повысилась температура в помещении. Отмечался повышенный расход калибровочных смесей из-за неудовлетворительной работы редукторов контура автокалибровки.

Выявленные на первом этапе испытаний недостатки были оперативно устранены за счёт изменения конструктивного исполнения отдельных узлов, доработки программного обеспечения и оптимизации режимов работы системы с учётом реальных условий эксплуатации. В результате начальный переходный период сокращён до 10 сек.; абсолютная погрешность измерений содержания примеси азота (аргона) в кислороде дутья составила величину (0.005-0.01) % при содержании азота (аргона) до 0.1 %; устранено в значительной степени влияние колебаний температуры в помещении на показания газоанализатора; обеспечена герметичность закрывания редукторов. По окончанию испытаний газоаналитическая система «Гранат» прошла индивидуальную метрологическую аттестацию в производственных условиях ККЦ-1 с привлечением предприятия Госстандарта — ГП ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.

Оснащение второго и третьего конверторов системами «Гранат» было выполнено, соответственно, в 1998 г. и в 2000 г. В 2000-ом же году был реализован на базе трёх систем «Гранат» газоаналитический комплекс, обеспечивающий резервирование газового анализа за счёт переключения любого «свободного» газоанализатора на СПП работающего конвертора в случае сбоя в работе основного газоанализатора либо при остановке его на профилактическое обслуживание.

Успех внедрение систем «Гранат» обеспечил высокий уровень технического исполнения оборудования. Из всех отечественных аналогов это оборудование в наибольшей степени удовлетворяет выше перечисленным требованиям, предъявляемым к газоаналитическим системам промышленного назначения.

Газоаналитическая система «Гранат» работает в автоматическом режиме и не требует присутствия человека-оператора. Профилактическое обслуживание выполняется слесарем КИПиА. По ходу работы осуществляется диагностика состояния всех блоков и узлов с запоминанием текущих значений их выходных параметров в архив состояния системы. В случае выхода из строя какого-либо узла информация об этом выдается на экран монитора. Ремонт состоит в простой замене блоков.

Стабильность масс-спектрометрических измерений состава конверторных газов находится на уровне, обуславливающем включение автокалибровки с частотой один напуск эталонных смесей за 1-3 суток. Достигается это, во-первых, за счет уменьшения дрейфа параметров электронных блоков и плат и, во-вторых, за счет повышения чистоты оптико-электронной системы. Постоянство параметров электронных узлов, также как и надёжность работы, определяется выбором электронной комплектации и уровнем проработки схемотехнических решений. Использование лучших электронных образцов импортной элементной базы и привлечение специалистов-электронщиков с опытом выполнения космических проектов позволило решить эту проблему с максимальной эффективностью.

Высокие метрологические характеристики системы достигнуты за счёт использования управляемого пьезокерамического натекателя, что позволило выполнять все измерительные операции в автоматическом режиме (напуск газовой смеси, съём фона прибора, калибровка прибора по конверторным газам).

Основными показателями надёжности масс-спектрометрических газоанализаторов являются следующие параметры:

• продолжительность работы катода накала (т1);
• продолжительность работы вторичных электронных умножителей
  (микроканальных пластин для времяпролётных масс-спектрометров) (т2);
• продолжительность межрегенерационного периода высоковакуумного насоса в случае использования МРН (Т3);
• продолжительность эксплуатации электродов оптикоэлектронной системы (до замены либо до чистки) (т4).

По всем этим показателям мы достигли уникальных результатов (т1 = 2 года; т2 = 3 года; т3 = 1 год; т4=3 года). За пять лет эксплуатации систем «Гранат» электроды оптикоэлектронной системы не менялись. В этом отношении, согласно нашим данным, системы «Гранат» превосходят в данный момент все масс-спектрометрические газоаналитические системы, находящиеся в эксплуатации на металлургических комбинатах Росси. В настоящее время заключён контракт на замену относительно нового газоанализатора фирмы Триндель (Франция) на газоанализатор «Гранат» в ЭСПЦ № 6 ОАО «МЕЧЕЛ».

Эффективность использования любой газоаналитической аппаратуры во многом определяется тем, насколько успешно в каждом конкретном случае решена задача пробоотбора и подготовки газовых проб (СПП). С учётом большой запыленности газовых трактов работоспособность системы «Гранат» достигается за счёт использования двух водоохлаждаемых отборных устройств с автономными узлами пробоподготовки и газовыми импульсными трассами. Система работает в запрограммированном периодическом режиме — попеременно используется одна из двух газовых ветвей. В течение одного периода, продолжительностью 3-6, состояние каждой из ветвей меняется в следующей последовательности — отбор, транспортировка и подготовка газовых проб (основной режим); «очистка фильтров, зонда и трассы; ожидание; подготовка к основному режиму («промывка» конверторным газом магистральных узлов и линий). Работа системы организована таким образом, что переключение ветвей СПП не сказывается на достоверности газового анализа. Надёжность работы такой гидравлической схемы, предусматривающей систематическое переключение отдельных её ветвей из одного состояния в другое, в значительной степени зависит от качества исполнения электромагнитных вентилей. В этом отношении выбор вентилей фирмы Burkert полностью себя оправдал.

Под «живучестью» системы в данном случае подразумевается такое её свойство, которое позволяет сохранять работоспособность системы при появлении различного рода возмущений. В первую очередь это касается температуры окружающей среды. Для масс-спектрометров важна стабильность температуры, а не абсолютное её значение. Для уменьшения влияния колебаний температуры в помещении на показания прибора разработана система стабилизации температуры внутри аналитической стойки, имеющей пылевлагозащитное исполнение. Для работы электронных блоков большое значение имеет постоянство параметров электрической сети, что в реальных условиях производства редко имеет место. В связи с этим электрическое питание всей системы осуществляется через бесперебойный блок питания. Поэтому даже при отключении электрического питания система сохраняет работоспособность в течение 15-20 минут, после чего автоматически отключается. Если после этого в сети появляется напряжение, система автоматически включается и выходит на рабочий режим. В качестве дополнительной меры предусмотрена автоматическая перезагрузка управляющего вычислительного комплекса при «сбоях» по питанию либо при «зависании» компьютера. Существенное значение для обеспечения устойчивой работы высоковакуумной системы имеет узел напуска анализируемых газовых проб. Напуск газа в масс-спектрометр осуществляется посредством автоматического пъезокерамического натекателя. Поэтому система не критична к изменению давления газовых проб. Более того, система работает как при избыточном давлении в подводящей газовой магистрали, так и под разрежением. Узел напуска газа конструктивно выполнен таким образом, что температура газовой пробы и её влажность могут меняться в широком диапазоне.

Программное обеспечение реализовано как набор приложений Windows NT. Передача данных в АСУ ТП осуществляется в виде гальванически развязанных аналоговых сигналов и в цифровом виде, используя сеть Ethernet (через NetDDE для приложений Windows). В процессе работы формируется архив данных газового анализа, содержимое которого обновляется при поступлении новых значений. Данные о каждой плавке из этого архива в цифровом и графическом виде могут быть выведены на экран монитора управляющего компьютера либо компьютера рабочей станции, установленного на пульте управления технологического агрегата.

Рассмотрим технологические аспекты внедрения газоаналитических систем «Гранат». Ранее непрерывный газовый анализ в ККЦ № 1 отсутствовал. Поэтому приходилось преодолевать определённый психологический барьер в использовании операторами дистрибутора информации о составе конверторных газов.

В первые месяцы работы данные газового анализа не учитывались оператором дистрибутора. На плавках каждого из операторов дистрибутора кривые газового анализа имели четко определенный специфический характер. По виду кривых газового анализа можно было судить о том, кто стоял за пультом управления конвертора. Было очевидно, что, несмотря на регламентирующий характер рекомендаций технологической инструкции, в управлении технологическим процессом превалировал личный опыт и субъективные представления об эффективном алгоритме ведения плавки.

Необходимо было обеспечить обратную связь: текущие показания газоанализатора на плавке — выбор управляющих воздействий оператором-дистрибутора. Анализ и обработка архива данных о плавках позволил построить эталонный портрет динамики процессов конвертерной плавки в виде кривых газовых компонент. Понимая, что всё многообразие реальных ситуаций нельзя отразить одним набором таких эталонных кривых, последний все же был предложен операторам-дистрибутора в качестве своеобразного «эталона», к которому следует стремиться и с которым должны сравниваться реальные реализации компонент конверторного газа. Систематическая разборка руководством цеха результатов работы каждого оператора — дистрибутора с просмотром в таком контексте архива плавок послужила дисциплинирующим фактором, что проявилось в воспроизводимости динамики газовых компонент на плавках различных операторов-дистрибутора.

Несмотря на то, что с появлением газового анализа контроль за качеством управления усилился, уже через незначительный период времени операторы-дистрибутора проявили заинтересованность в работе газоаналитической системы. Отторжение новой технической системы человеком не произошло из-за того, что оператор-дистрибутора получил мощный источник информации о процессах, протекающих в конверторной ванне. До этого момента управление плавкой практически велось в «слепую». С внедрением газоаналитической системы у оператора-дистрибутора впервые появилась возможность наблюдать по ходу продувки развитие основных процессов конвертерной плавки (усвоение кислорода дутья жидкой ванной, обезуглероживание), определять возникновение и развитие таких технологических ситуаций как «зажигание» плавки, «нормальное» («холодное», «горячее») начало плавки и т.д., наблюдать реакцию конвертерной плавки на наносимые управляющие воздействия, заканчивать продувку при достижении определенной концентрации СО2 на основании результатов предшествующих плавок. Наличие архива плавок и возможность оперативного просмотра данных о ранее проведенных плавках позволило операторам-дистрибутора при выходе на смену быстрее «вживаться» в текущую обстановку, складывающуюся в цехе на момент пересмены. Визуализация предыстории позволило восстановить преемственность управления конверторным процессом при сменой работе обслуживающего персонала.

Оперативный контроль состава конверторных газов дал возможность определять момент зарождения и наблюдать развитие процессов, приводящих к возникновению взрывоопасных газовых смесей, своевременно прекращать продувку. При возникновении же аварий просмотр данных архива плавок повысил объективность расследования причин их возникновения.

В условиях повышения требований к качеству стали очень ценной оказалась информация о содержании N₂ в кислороде дутья. Выполняемый газоаналитической системой «Гранат» оперативный анализ примесей в кислороде дутья по окончании плавки позволил более объективно вскрывать причины повышения N₂ в стали и снимать взыскания с операторов-дистрибутора при завышенном содержании N₂ в кислороде. В тоже время появление входного объективного контроля «чистоты» дутья послужило дисциплинирующем фактором для кислородного производства — через несколько месяцев число нареканий со стороны конверторного цеха кислородному производству значительно сократилось.

Повышение эффективности использования систем газового анализа следует ожидать при внедрении соответствующего программно-алгоритмического обеспечения по оперативному расчёт основных выходных показателей конверторного процесса. Работы в этом направлении продолжаются.

Газоаналитические системы «Гранат» выбраны в качестве базового оборудования для внедрения на других технологических агрегатах комбината систем многокомпонентного газового анализа. Исходя из этого на комбинат поставлен газоаналитический комплекс «Гранат» для резервирования работы масс-спектрометрических систем ЭМГ-20 ( производитель и поставщик — фирма МЕТТЕК) на двух конверторах в ККЦ № 2. Такой комплекс включает газоанализатор «Гранат» и две системы пробоотбора и пробоподготвки. Предусмотрено использование комплекса в трёх режимах:

• периодический;
• текущий анализ конверторных газов на одном из двух конверторов с проведением анализа «чистоты» кислорода дутья по окончанию каждой плавки;
• текущий анализ конверторных газов поочередно на каждом конверторе с проведением анализа «чистоты» кислорода дутья в межплавочный период.

В течение трёх месяцев комплекс успешно прошёл испытания в каждом из этих трёх режимах работы. Выполнена метрологическая поверка. При использовании комплекса запаздывание газового анализа конверторных газов составляет не более 10 сек., что меньше аналогичных показателей систем ЭМГ-20.

В заключение следует отметить, что благодаря совместному участию технологов ККЦ № 1 и ККЦ № 2, специалистов КИПиА, разработчиков системы (ЦФТИ «Аналитик», НТЦ «АСК») газоаналитические системы «Гранат» успешно внедрены в производство. Результатом такого творческого содружества является появление отечественного аналитического оборудования по своим эксплуатационным показателям не уступающее, а по функциональным возможностям превосходящее лучшие импортные аналоги.

Назад