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

черной металлургии. Материал, изложенный в главе, отображает этапы развития и усовершенствования си­ стем и средств управления.

Вседьмой главе автоматизация процесса нагрева стали рассматривается как инженерно-экономическая задача, которая может быть успешно решена лишь на основе установления зависимостей, связывающих техни­ ко-экономические показатели с динамикой объектов, со структурой систем управления, с выбором методов и спо­ собов управления и, наконец, с выбором технических средств для их реализации. Дан анализ основных источ-. ников экономической эффективности автоматизирован­ ного нагрева стали.

Висследовании, разработке и внедрении приведен­ ных в книге средств и систем управления, проводимых под руководством автора, принимали участие Д. Г. Табидзе, В. Б. Файн, И. Д. Баумберг, T. Н. Чачхиани,

А.М. Кюркчян и др.

Автор пользуется приятной возможностью выразить искреннюю благодарность сотрудникам лабораторий Института проблем управления, сотрудникам наладоч­ но-исследовательского отдела ЦПК.Б, ВНИИАчермета, металлургического отдела ПКИ «Автоматпром», цехов КИП и автоматики Руставского металлургического за­ вода (РМЗ), Азербайджанского трубопрокатного заво­ да (АзТЗ), Ново-Липецкого (НЛМЗ) и Донецкого ме­ таллургических заводов, принимавших активное участие в разработке, испытании и внедрении описываемых си­ стем.

Автор будет признателен за все присланные заме­ чания и рекомендации по книге, которые просит направ­ лять по адресу издательства «Металлургия», Москва, Г-34, 2-й Обыденский пер, д. 14.

В металлургическом производстве для нагрева стали перед прокаткой широкое распространение получили методические и кольцевые нагревательные печи различ­ ной мощности и конструкции; причем методические пе­ чи применяются в основном для нагрева блюмов и сля­ бов, а кольцевые печи — для нагрева круглых и фигур­ ных заготовок.

Являясь начальным звеном технологической линии прокатного производства, работа нагревательных печей во многом зависит от ритма работы прокатного обору­ дования, наряду с этим они сохраняют особенности, при­ сущие всем теплотехническим агрегатам. Поэтому при автоматизации процесса нагрева металла надо решать не только задачи, связанные с теплотехническими и тех­ нологическими проблемами автоматизации нагреватель­ ных печей, но и задачи связи ритма работы прокатного оборудования с основными параметрами теплового ре­

лется в широких пределах, что, естественно, отражает­ ся на режиме работы нагревательных печей, основная задача которых — обеспечить требуемый нагрев метал­ ла по сечению, регламентированный технологией процес­ са прокатки, и минимальные потери металла в виде уга­ ра и окалины.

Первой попыткой создания систем управления теп­ ловым режимом, учитывающих фактическую производи­ тельность печи, можно считать работы американских инженеров Калпа, Блума и Хесса. Аналогичные работы проводились и у нас А. П. Копеловичем, М. Д. Климовицким, С. А. Малым, В. Н. Асцатуровым, Д. Г. Табид-

темп выдачи заготовок из печи по показателям работы толкателей печи, а о качестве нагрева металла судить по температуре раската. С. А. Малый предложил изме­ рять темп выдачи заготовок из печей по ритму подачи нагретых заготовок на черновую клеть стана с учетом запоминания номера печи, выдающей заготовку, а о про­ греве металла судить по расходу электроэнергии на про­ катку.

В ранних работах ЦПКБ и ПКИ «Автоматпром» производительность печи оценивали по комплексному сигналу, сочетающему измеряемую температуру поверх­ ности металла в методической зоне (в строго определен­ ном месте установки датчика) и осреднеиное время нахождения заданного числа заготовок в печи. При реа­ лизации этого способа были использованы разработан­ ные В. Ю. Кагановым и Г. И. Образцовым приборы. В дальнейшем эти системы были дополнены устройства­ ми ввода информации о параметрах садки и местона­ хождении границ садок в рабочем пространстве, а так­ же устройством защиты металла от окалинообразования при простоях и малых нагрузках печей. Другой принцип управления методической печью, заключаю­ щийся в изменении тепловой мощности нагревательных зон по средневзвешенной температуре поверхности ме­ талла и средневзвешенному давлению на ограждающих стенках, реализован В. С. Костогрызовым и А. И. Тышко.

Одним из стимулов к дальнейшему совершенствова­ нию систем управления процессом нагрева металла по­ служили работы М. А. Глинкова по теплотехническим проблемам автоматизации печей. Разработка систем оптимального управления методическими печами велась и ведется А. Г. Бутковским.

Для создания систем управления нагревом металла необходима информация, характеризующая теплофизи­ ческие параметры состояния металла (например, тем­ пературу поверхности металла и среднемассовую тем­ пературу), а также температуру факела, теплоту сгора­ ния топлива, время нахождения нагреваемого металла в зонах, геометрические размеры и марки нагреваемых заготовок, местонахождение границ садок в рабочем пространстве печи, распределение давления в рабочем пространстве печи и др.

Измерения многих из этих параметров, несмотря на го, что проведено большое число исследований в этом направлении, носят проблемный характер.

Самостоятельной проблемой является измерение температуры поверхности металла в рабочем простран­ стве печи. Решению этой задачи за последние двадцать лет посвящено много работ, из которых наиболее инте­ ресными являются работы Д. Р. Лавджоя, А. Плекса, А. Пьютмана, С. А. Элдера, Б. М. Ларсена, Д. Я. Све­ та, А. А. Поскачея, В. Б. Модылевского, В. А. Пиастро,

А. А Пискунова, И. Н. Эльке, А. И. Тышко, Ю. Н. Коставы и др.

Измерению темпа нагрева (среднего времени пребы­ вания нагреваемого металла в зонах печи) особое вни­ мание уделено в работах С. А. Малого, В. Н. Асцатурова, И. Д. Баумберга, В. Б. Файна, Д. Г. Табидзе, 3. Е. Круашвили и др.

Ввод в систему управления процессом нагрева ме­ талла информации о параметрах садки и местонахож­ дении границ садок в рабочем пространстве печи и уст­ ройства для этой цели впервые были предложены и раз­ работаны ПКИ «Автоматпром».

Решения нашедших широкое распространение в по­ следнее время задач оптимального управления процес­ сом нагрева металла сводятся, в конечном итоге, к со­ зданию развитых систем автоматического управления с применением средств вычислительной техники, воздей­ ствующих на задания регуляторов основных параметров теплового режима печи по алгоритмам, реализующим, например, минимизацию расхода топлива на нагрев ме­ талла, минимизацию среднеквадратичного отклонения состояния металла на выдаче из печи от заданного, ми­ нимизацию окисления металла, максимизацию произво­ дительности печи и т. д.

Поскольку параметры печи как объекта управления при изменениях нагрузки и параметров садки значи­ тельно изменяются, важным вопросом является динами­ ка регулирования. Для создания систем управления на­ гревательными печами, инвариантных к указанным воз­ мущениям, по-видимому, следует применять принципы самонастройки или адаптации.

В этой книге в той или иной степени затронута зна­ чительная часть вышеперечисленных задач, причем в не­ которых случаях только в порядке постановки проблем и определения путей их решения, а в ряде других слу­ чаев даны конкретные варианты решения, уже под­ твержденные практической реализацией их в промыш­ ленных условиях.

Г л а в а I

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПЕЧЕЙ

В этой главе рассмотрены основные этапы развития теоретических и практических разработок в области со­ здания автоматизированных систем управления процес­ сами нагрева стали перед прокаткой. Основное внима­ ние уделено разработкам, испытанным или реализован­ ным в промышленных условиях. Приводятся наиболее интересные с точки зрения практического применения алгоритмы управления процессом нагрева стали, пред­ ложенные советскими и зарубежными авторами. Про­ блема создания автоматизированных систем управления рассматривается в связи с теплотехническими основами и технологическими требованиями к процессу нагрева стали перед прокаткой.

1. ОСНОВНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИМИ

И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

И НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Процесс нагрева металла в печах представляет со­ бой сложный комплекс явлений, характеризующихся тем, что тепло из окружающей среды, т. е. из рабочего пространства печи, передается поверхности металла, а с поверхности распространяется внутрь (внешний и внутренний теплообмен). Внешний теплообмен зависит от условий сжигания топлива, движения газов, а следо­ вательно, от конструкции печей и условий их эксплуа­ тации.

Конструкции нагревательных печей разнообразны. Ту или иную из них выбирают в зависимости от требуе­ мого температурного режима нагрева, вида сжигаемого топлива, способа выдачи металла, размеров и формы нагреваемых заготовок и т. п..

Взаимосвязь между теплотехническими и технологи­ ческими процессами при нагреве металла очень слож­ на, и это существенно усложняет автоматическое управ­ ление тепловой работой нагревательных печей по срав­ нению с управлением другими чисто теплотехническими агрегатами. Вместе с тем, усовершенствование автомати­ ческого регулирования и управления печей имеет боль­ шое значение. Рассмотрим, например, весьма частный аспект: по потреблению энергии промышленные печи за­ нимают одно из первых мест, а коэффициент полезного теплоиспользования печей, как правило, низок, в сред­ нем он не превышает 0,25. Как показала практика, ав­ томатическое управление может способствовать повы­ шению полезного использования топлива.

В течение многих лет основная причина недостаточ­ ной эффективности систем автоматического управления печами была обусловлена, в основном, не недостатком средств автоматизации или теоретических основ по­ строения собственно систем управления, а прежде все­ го недостаточным развитием теплотехнического и техно­ логического обоснования принципов автоматического управления печами.

Большое внимание вопросам создания теплотехниче­ ских и технологических основ автоматического управле­ ния нагревательными печами уделено в работах М. А. Глинкова. Фундаментальные теоретические рабо­ ты в области автоматического управления нагреватель­ ными печами как объектами с распределенными пара­ метрами принадлежат А. Г. Бутковскому [18].

Создание систем стабилизации отдельных парамет­ ров теплового режима печи без учета их взаимосвязей не представляет особой трудности. Системы — стабили­ заторы отдельных параметров позволяют облегчить труд управления печью, но не позволяют решить задачи управления, так как, во-первых, задания узлам-стаби­ лизаторам устанавливаются обслуживающим Персона­ лом субъективно и, во-вторых, без поддержания в ди­ намике оптимальных значений регулируемых парамет­ ров не может быть реализована основная цель системы

Поддержание коэффициента полезного тешюиспользования на оптимальном уровне или изменение его во времени по заданной программе [г)к.п.т= /('с)] можно осуществить, используя управляющую вычислительную машину.

М. А. Глинков, рассматривая систему автоматическо­ го управления тепловой работой печи с точки зрения теплотехники, предложил следующий метод решения задачи.

В нагревательных печах принципиально всегда мож­ но найти аналитическую зависимость для теплоотдачи в виде функции

ности нагреваемого металла; FM-— величина поверхности нагрева.

Уравнение, описывающее тепловую работу печи (1-3), имеет вид

f (стх; “ 2; тэФ(т); тм(т); F„) = Ау (т) р (т) +

причем значения функции Тм(т) и величины правой ча­ сти уравнения (1-6), вытекают из технологического за­ дания, а функция Т'эф(т) регулируется изменением теп­ ловой нагрузки QT.H при заданных параметрах процес­ са сжигания

Величина Т3ф(х) определяется на основе расчета тепло­ вого баланса.

После подстановки значения

В (т) = —тн (т)