книги из ГПНТБ / Круашвили, З. Е. Автоматизированный нагрев стали

Для уменьшения потерь тепла боковой поверхностью теплоприемпик и тепловое сопротивление помещены внутрь стакана, выпол­ ненного из стеклоткани, пропитанной эпоксидным клеем. К тепло­ меру снизу пристроен медный усеченный конус с развитой поверх­ ностью в виде впаянных медных диафрагм. Этот узел устраняет влияние конвекции газов. В качестве вторичного прибора можно использовать серийные потенциометры.

Тепломер необходимо располагать вблизи излучающей поверх­ ности и вводить в рабочее пространство через кладку свода или боковых степ печи. Печные газы, попадающие внутрь головки теп­ ломера, резко охлаждаются и теряют свою скорость, что обусловле­ но наличием холодных диафрагм. Таким образом устраняется влия­ ние конвекции газов.

Тепломеры описанной конструкции были установлены в томиль­ ной H сварочной зонах методической печи стана 800 Челябинского металлургического завода па расстоянии. 150 мм от поверхности металла, они испытывались в течение двух месяцев. Расход воды на каждый тепломер составлял 0,7 иі3/ч. Показания тепломера кон­ тролировались оптическим пирометром. Тепломеры показали высо­ кую чувствительность, они реагируют на все изменения в рабочем пространстве печи (скорость проталкивания заготовок, изменение расхода газа и т. д.).

Как уже указывалось, для автоматического контроля и регули­ рования температуры поверхности металла используются преиму­ щественно бесконтактные оптические измерители (датчики) темпе­ ратуры. Однако проблема измерения температуры поверхности ме­ талла в рабочем пространстве нагревательных печей окончательно все еще не решена, отсутствуют надежные и точные серийно выпус­ каемые пирометры излучения.

Отсутствие бесконтактного датчика, способного выдавать до­ стоверную информацию о температуре металла, значительно умень­ шает эффективность системы автоматического регулирования тем­ пературы и намного усложняет системы управления процессом на­ грева. Существующие пирометры излучения дают показания, в сильной степени зависящие от параметров состояния объекта из­ мерения и промежуточной среды, учесть которые практически невоз­ можно, так как они неконтролируемым образом меняются в течение

к усложнению систем регулирования температурного режима мето­ дических печей.

Например, оптимальное управление процессом нагрева металла с минимизацией среднеквадратичного отклонения температуры от заданной осуществляется на модели объекта, непрерывно вычисля­ ющей температуру поверхности металла по температуре зоны и скорости передвижения заготовки через печь; при непосредствен­ ном измерении температуры поверхности металла значительно уп­ рощается алгоритм системы оптимального управления.

Известно применение радиационного пирометра, визируемого че­ рез водоохлаждаемую фурму в своде печи стана 900 металлурги­ ческого завода им. Дзержинского, тепломера полного излучения, радиационного пирометра со светофильтром, спектрально-дифферен­ циального пирометра СПД, яркостных переносных пирометров

и пирометров спектрального отношения. Однако и водоохлаждае­ мая фурма, вводимая в атмосферу печных газов на заводе нм. Дзер­ жинского, и радиационный пирометр с фильтром были использованы на печах, отапливаемых смесью коксового н доменного газов или доменным газом, оптически менее плотными, чем природный.

ПКИ «Автоматпром» совместно с Тбилисским ин­ ститутом средств автоматизации (ТНИИСА) был испы­ тан в промышленных условиях новый пирометр для бесконтактного измерения температуры поверхности металла — спектралы-ю-деффереициальный (СДП), пред­ ложенный Ю. Н. Костава (ТНИИСА) и предназначен­ ный для бесконтактного измерения цветовой температу­ ры объектов с заранее неизвестными характеристиками (коэффициентом черноты и прозрачности), меняющими­ ся в течение производственного процесса [66, 67].

Этот прибор имеет более широкие принципиальные возможности при оценке свойств объекта и определения его истинной температуры по сравнению с другими пиро­ метрами излучения и, кроме того, открывает широкие возможности по созданию систем управления нагревом металла с использованием средств вычислительной тех­ ники.

ПКИ «Автоматпром» провел соответствующие экспе­ рименты [68] на методической печи № 1 стана 900/750 Руставского металлургического завода, предназначенной для нагрева блюмов углеродистых и легированных ста­ лей размером от 150X150 до 300X400 мм при длине 2500—6000 мм перед прокаткой.

Печь отапливали природным газом Карадагского ме­ сторождения с теплотой сгорания 8600 ккал/м3. Произво­ дительность печи при горячем и холодном посаде со­ ставляла 100 и 70 т/ч. Во время испытаний использовали следующую аппаратуру:

1)радиационный пирометр ПРК-кварц, установлен­ ный в водоохлаждаемой и обдуваемой фурме на рассто­ янии 20—30 см от поверхности металла (так же, как и на печах стана 900 завода им. Дзержинского);

2)радиационный пирометр РАПИР, установленный в

металлургии) и без фильтра;

3)переносный оптический пирометр ОППИР;

4)переносный цветовой пирометр типа «Триколор» с пределами измерения 1050—1800° С по шкале яркостной

ная длина волны определения яркостной температуры 0,65 мкм) ;

5) спектрально-дифференциальный пирометр (СДП). При исследованиях был применен эксперименталь­ ный образец пирометра СДП, который состоял из опти­ ческой головки (монохроматора) и вычислительного ус­ тройства. Принцип его действия основан на использова­

монохроматической яркости объекта при изменении дли­ ны волны.

При измерении температуры с использованием СДП излучение объекта измерения разлагается оптической го­ ловкой в спектр, и в вычислительное устройство поступает информация об интенсивности монохроматической вол­ ны. Оценка осуществляется в широком диапазоне види­ мого спектра.

В вычислительном устройстве, содержащем электри­ ческую модель черного тела, вычисляется температура по формуле Планка, т. е. автоматически сравниваются сигналы, пропорциональные величине ср объекта и ср0 чер­ ного тела для каждого значения длин волн на рабочем участке спектра, и при каждом значении длины волны определяется температура черного тела, при которой ср = Фо. Далее анализируется спектр излучения, и из мно­ жеств решений выбирается достоверное (т. е. определяет­ ся наличие в спектре излучения участков, соответствую­ щих одной и той же цветовой температуре, и измерение базируется только на этих участках). Критерием отбора служит постоянство температуры с изменением длины волны в некотором спектральном интервале. Результат измерения выдается на вторичный прибор,проградуиро­ ванный в градусах Цельсия; одновременно возможна запись и на электронном потенциометре. К СДП можно

подключать осциллограф для наблюдения за спектраль­

ными характеристиками объекта.

Испытываемый образец СДП предназначен для изме­ рения температуры в диапазоне 1300—2500° С; для пере­ хода на диапазон измерения 800—1400° С существенных

ленных приборов и сопоставлялись с показаниями тер­ мопары, вводимой в отверстие, расположенное близ точки визирования. Это позволило определить система­ тические погрешности («амплитуды помех») для всех приборов в статических условиях. По найденным ампли­ тудам можно переградуировать все перечисленные при­ боры, обеспечив идентичность их показаний при одном конкретном режиме. При изменении режимов,необходи­ ма новая переградуировка. Уровень шумов потребовал для обеспечения надежности результатов эксперимента

ционарных режимах совпадают с полными алгорит­ мами:

ной и нижней зон;

Ь‘, с‘т и S' — соответственно ширина, коэффициент,

зависящий от марки стали, и толщина t-того сляба от конца печи; для выда­ ваемого сляба г = 0;

і*пм и t'nua — соответственно заданная температура верхней поверхности сляба при выда­ че из печи и действительная темпера­ тура верхней поверхности t-того сляба;

ki— коэффициенты; выбираются при на­ кладке системы (t=l, 2, 3, 4, 5, 6 ).

На рис. 29 изображена структурная схема системы управления нагревом металла в четырехзонной методи­ ческой печи. Для измерения температуры поверхности нагреваемого металла установлены три пирометра Я 1, Я2 и Я3, соответственно на расстояниях 1\, /2 и /3 от торца выдачи. Пирометр Я Д /= 1, 2, 3) измеряет темпе­ ратуру верхней поверхности і;-того ( / = 1 , 2 , 3) сляба t-пыл’ где Ь' определяется из неравенств

(ІѴ-6)

Для исследования влияния погрешности пирометров Я ь Я2 и Я3 на точность нагрева слябов использовали ма­ тематическую модель методической • печи № 1 стана

900/750 Руставского металлургического завода, которая была реализована на ЭЦВМ типа М-220.

Рис. 29

Структурная схема системы управления нагревом металла в четырехзонной методической печи

что погрешность измерения температуры каждым из трех пирометров может приобретать различные значения от

Из рис. 30 видно, что погрешности пирометров П\ и Я2 практически не влияют на точность нагрева верхней поверхности выдаваемого сляба. Следовательно, если пи­

с температурой ^пмс~^п„с± 2/зез независимо от значений

еі и е2в пределах ±2,5%.

Погрешность пирометра Я і в пределах ± 2 ,5%: не вли­ яет на аначенне температуры нижней поверхности /п.м.н или перепада температуры At выдаваемого сляба; иными словами, неточности нагрева металла вследствие пог­ решности пирометра в I сварочной зоне можно пол­

При определении погрешности измерений не прини­ малась во внимание погрешность, вносимая переменным по толщине слоем окалины на поверхности металла. Рас­ четы показывают, что для ходовых марок сталей макси­ мальная погрешность, вносимая этим фактором, может достичь 15—20 град, т. е. 1—1,5% от измеряемой темпе­ ратуры; это может быть учтено в алгоритме управления.

Из результатов моделирования можно сделать вывод, что влияние точности пирометров П\—Я3 на результат нагрева является возрастающей функцией координаты места их установки от посада к выдаче. По результатам моделирования можно также определить допустимую погрешность пирометров в зависимости от требуемой точности нагрева слябов при выдаче из печи.

Полученные результаты показывают путь для упро­ щения алгоритмов управления нагревом металла в ме­ тодической печи. Так как погрешность измерения темпе­ ратуры поверхности металла в I сварочной зоне почти не влияет на точность нагрева сляба при выдаче из печи, можно вместо алгоритма (ІѴ-2) принимать

при реализации которого вообще не требуется измерять температуру поверхности металла в I сварочной зоне,

т. e. в этом случае вместо управления используем просто компенсацию.

Как показывают результаты моделирования управле­ ния печью при стационарных и нестационарных режи­ мах, можно без большого ущерба (в смысле среднеквад­ ратичного отклонения (п.м.с и Aie от заданных значений) принимать даже w1 (T)=const, т. е. температурой в I сва­

рочной зоне вообще не управлять. Результаты моделиро­ вания управления печью по алгоритмам (ІѴ-3) — (ІѴ-5) при гг1 (т) = const с точностью до 4 град совпадают с ре­

зультатами, полученными при моделировании управле­ ния печью по алгоритмам (ІѴ-2)— (ІѴ-5).

Как показывают более подробные исследования, при замене алгоритма (ІѴ-2) простым условием «' (x)=const

основные затраты на нагрев увеличиваются: расход топ­ лива и количество окисленного металла возрастают, по­ скольку не соблюдаются оптимальные (в смысле мини­ мума основных затрат) соотношения между тепловыми мощностями I и II сварочных зон, которые должны су­ щественно зависеть от темпа выдачи слябов из печи.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСТАНОВОЧНЫХ КООРДИНАТ ДАТЧИКА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТАЛЛА В МЕТОДИЧЕСКОЙ ЗОНЕ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

При всех изменениях темпа работы прокатного стана необходимо изменять производительность нагреватель­ ных печей и соответственно корректировать тепловую нагрузку печи, что должно осуществляться автоматиче­ ским изменением задания регуляторам температуры в зонах печи.

Исследования [70] показали, что информацией, непре­ рывно характеризующей производительность печи, мо­ жет служить температура металла в методической зоне печи в сочетании с сигналом о средней частоте выдачи нагретого металла из печи. Эти два сигнала дополняют друг друга, их сочетание дает возможность получить достаточно полное представление о производительности печи и может быть использовано в системе управления в качестве корректирующего задания регуляторам темпе­ ратуры.

От полноты и достоверности указанных сигналов и правильного выбора их соотношения полностью зависит работа системы управления. Между температурой ме-