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

в уравнение (1-5) получается выражение, связывающее тепловую нагрузку нагревательной печи с коэффициен­ том полезного теплоиспользования

Уравнения (1-7) и (1-8) можно использовать для со­ здания алгоритмов оптимизации процесса нагрева ме­ талла в печах, для реализации которых можно приме­ нить современные управляющие вычислительные ма­ шины.

Приведенный выше принцип исследован и доведен до промышленной реализации: создана автоматизиро­ ванная система управления процессом нагрева металла в рекуперативных нагревательных колодцах, отапливае­ мых природным газом из центра подины [4], при этом теплоусвоение и коэффициент полезного теплоиспользо­ вания находят расчетом мгновенного обратного теплово­ го баланса. Количество накопленного металлом тепла определяется интегрированием мгновенного теплоусвоения

T l

где AQ — мгновенное теплоусвоение, ккал/ч.

Выражение (1-9) служит критерием готовности слит­ ков к прокатке при наличии средств, автоматически определяющих энтальпию слитков в начале и конце на­ грева.

Кроме того, в работе [4] указано на целесообраз­ ность применения экстремальной системы регулирова­ ния процесса нагрева металла в колодцах. Трудности создания такой системы управления заключались в от­ сутствии надежных методов и средств непрерывного определения энтальпии слитков в начале (особенно при горячем посаде) и в конце нагрева.

Постановка и исследование проблемы оптимизации комплекса нагревательные печи — прокатный стан при­ надлежит С. А. Малому [5].

Приведем краткий качественный анализ процессов нагрева и последующей прокатки. Зависимости эконо­ мических показателей собственно нагрева и прокатки от

параметров стыка этих процессов в основном антагони­ стичны. Чем хуже прогрет металл, т. е. чем ниже его средняя температура, тем выше сопротивление дефор­ мации и тем большие нагрузки приходятся на клети про­ катного стана, а следовательно, тем больше требуется расходовать электроэнергии на прокатку одной заготов­ ки и тем больше риск производственного брака и поло­ мок на стане. Повышение температуры металла на вы­ даче из печи в достаточно широких пределах приводит к улучшению производственных показателей прокатки.

Обратимся к процессу нагрева. При повышении тем­ пературы поверхности возрастает скорость образования окалины на поверхности заготовок. После некоторого предела начинается оплавление и сваривание заготовок в печи. Вследствие этого возрастает количество металла, который идет не на прокат, а в отходы, брак или воз­ врат, т. е. не только не увеличивает выход продукции, но, напротив, порождает необходимость в дополнитель­ ных затратах, производственных мощностях и площа­ дях. Одновременно резко возрастает количество свароч­ ного шлака, т. е. увеличиваются простои печи и затраты труда на ее обслуживание. Перегрев металла также не­ желателен с точки зрения его структуры. Известно, что ускоренный нагрев металла в печи от фиксированного начального состояния до определенной среднемассовой температуры на выдаче или повышение средней темпе­ ратуры металла на выдаче при фиксированном темпе прокатки достигаются повышением температур в рабо­ чем пространстве печи и на поверхности металла во все большем промежутке времени (в камерной печи) или на все большей длине по тракту проходной печи. С этим сопряжены возрастающие потери металла вследствие обезуглероживания, пережога и по другим причинам и увеличивающиеся потери тепла. Кроме того, чем вы­ ше температура поверхности металла, тем больше риск сваривания заготовок и их оплавления, особенно при внезапном снижении темпа потребления металла, что часто бывает на практике.

В фиксированных условиях данному установившему­ ся режиму нагрева соответствуют определенный график повышения температуры поверхности металла и опреде­ ленная средняя температура по сечению металла при выдаче из печи, т. е. соответствует определенный уход металла в окалину, риск сваривания заготовок между

собой и т. д. Распределение температур по сечению за­ готовки определяет при фиксированных условиях про­ катки расход электроэнергии на прокатку, расход вал­ ков, а также риск брака и прочих дополнительных про­ изводственных потерь (затрат) при прокатке.

Для каждого фиксированного набора параметров процесса — марки металла, профиля проката, темпа прокатки и др. — при фиксированных параметрах печи, стана и прочего оборудования существует единственный оптимальный график нагрева металла в печи. Графики такого рода теоретически получены в работах С. А. Ма­ лого, Э. С. Гескина и др. Каждому переходу от одной мерки к другой, от одного профиля к другому, от одного типа прокатки к другому соответствует оптимальный пе­ реход во времени от одного графика нагрева металла к другому. Оптимальные динамические переходные процес­ сы изучались в работах А. Г. Бутковского, А. X. Вырка и др. Оптимизации подлежит совокупный процесс нагрева и прокатки с точки зрения определенного достаточно об­ щего критерия типа прибыли, суммы расходов по пере­ делу в данном цехе и т. п. Во всех случаях тепловым режимом печей должны учитываться конкретные эконо­ мические условия работы цеха, т. е. темп прокатки, раз­ меры и температура посада заготовок, профиль проката, стоимость металла, топлива, электроэнергии, валков, ра­ бочего времени и т. д. Все эти величины необходимо учи­ тывать при расчете оптимальных режимов нагрева, что­ бы обеспечить оптимальное значение избранного эконо­ мического показателя процесса. Следовательно, сигналы о всех этих величинах должны так или иначе обеспечи­ ваться системой контроля и вводиться в систему управ­ ления.

В результате подбора режима нагрева, соответству­ ющего минимальному значению (не стоимостного, а аб­ солютного выражения), суммы риска брака при нагреве и риска брака при прокатке, минимизируется производ­ ственный брак, что позволяет увеличить производитель­ ность по годной продукции до возможного в данных ус­ ловиях максимума.

Обеспечивая режим нагрева, соответствующий мини­ мальному (в стоимостном выражении) значению суммы риска брака при прокатке, риска брака при нагреве, ри­ ска дополнительных производственных потерь при про­ катке, риска перерасхода топлива на нагрев, риска пе-

рерасхода электроэнергии и валков на прокатку, полу­ чим минимальную себестоимость продукции, минималь­ ную сумму расходов по переделу.

Поскольку интенсификация нагрева металла в печи сопряжена с дополнительными затратами и трудностя­ ми, а выдача из печей металла, нагретого хуже (т. е. холодного или недостаточно прогретого), порождает трудности и дополнительные затраты при прокатке для каждой марки металла, сортамента заготовок, темпа прокатки и т. д., существуют такой график температуры поверхности металла во времени, такая средняя темпе­ ратура по массе заготовок при выдаче из печи и такой темп процесса, при которых обеспечивается экстремум (максимум или минимум) избранного технико-экономи­ ческого показателя совместной работы печи и стана. Стабилизация этих величин является задачей системы управления печами. Не существует какого-то одного ре­ жима нагрева, который мог бы обеспечить оптимизацию одновременно всех возможных критериев, например, дал

Каждый критерий достигает желаемого экстремума при специфическом режиме нагрева металла. Поэтому воз­ можны два пути построения системы управления. Пер­ вый — система последовательно перебирает возможные критерии оптимальности и для каждого из них реша­ ет задачу о выборе соответствующего оптимального режима нагрева, а затем персонал решает, какой имен­ но режим предпочтителен. Второй путь — система находит режим, оптимальный по достаточно общему критерию (типа прибыли), а в конкретных усло­ виях персонал может сводить решаемую системой об­ щую задачу к различным упрощенным и частным слу­ чаям.

В ходе дальнейшего развития будет создана иерар­ хическая система управления, функцией которой будет выработка оптимальных задаваемых системе управле­ ния печами значений темпа выдачи металла и его температуры. В зависимости от обстоятельств крите­ рий оптимизации в этой системе также можеть быть из­ менен.

Проводимая совместно ПКИ «Автоматпром», Инсти­ тутом проблем управления и ВНИИАчерметом работа направлена на создание такой системы..

топлива и воздуха во всех отапливаемых зонах печи il давления в рабочем пространстве печи.

Кроме того, на печах, отапливаемых мазутом, регу­ ляторами прямого действия регулировалось давление мазута, а на печах с использованием эксгаустеров регу­ лировалась температура подогретого воздуха для защи­ ты лопаток от перегрева.

Как правило, все печи оснащают узлами аварийной сигнализации и отсечками топлива и воздуха при паде­ нии давления.

На рис. 1 приведена блок-схема системы поузловой стабилизации параметров теплового режима кольцевой печи. Схемы для нагревательных печей всех других ти­ пов аналогичны данной и различаются только числом регулируемых зон.

Блок-схема системы не содержит указаний на типы применяемых чувствительных элементов, датчиков, вто­ ричных приборов, регуляторов и исполнительных меха­ низмов, так как аппаратурно системы конструировали весьма разнообразно, но в принципе они были предна­ значены для решения относительно узких задач стаби­ лизации основных параметров теплового режима:

а) температурного режима: изменением тепловой на­ грузки каждой зоны (задания регуляторам-стабилиза­ торам устанавливали вручную);

б) гидравлического режима (задания давлений в ра­ бочем пространстве устанавливали вручную) ;

в) режима горения (заданный коэффициент расхода воздуха устанавливали вручную).

Нагревательные устройства, работающие в техноло­ гической линии прокатки, как правило, являются объ­ ектами с переменной производительностью, что обычно связано с неравномерной работой прокатного оборудо­ вания, а также различным сортаментом прокатываемой продукции. При автоматической стабилизации парамет­ ров теплового режима обслуживающий персонал вы­ нужден вручную устанавливать новые задания регуля­ торам при всяком изменении производительности и па­ раметров садки; причем каждый сварщик-по-своему выбирает конечные задания параметров, внося субъектив­ ный фактор в систему управления и, естественно, во мно­ гих случаях приводит к ухудшению качественных и тех­ нико-экономических показателей процесса нагрева.

Попыткой учесть в системе управления печью изме-

нения производительности было создание схемы каскад­ ного регулирования, которая предусматривала автома­ тическое изменение заданий регуляторам температур в зонах в зависимости от температуры отходящих газов.

ратуры отходящих газов при изме­ нении производительности:

газов в качестве импульса, характеризующего произво­ дительность печи, является принципиально неправиль­ ным, так как характер изменения этой температуры та­ ков, что в системе регулирования температуры в зонах будут происходить ложные срабатывания при измене­ нии производительности.

На рис. 2 представлены экспериментальные кривые переходных процессов измерения температуры отходя­ щих газов при изменении производительности. Как вид­ но из кривых, при увеличении производительности тем­ пература отходящих газов сначала в первый период (12—15 мин— 1 и 22—25 мин—2) падает, что вызывает правильное срабатывание системы в сторону увеличе­ ния тепловой нагрузки зон. Однако увеличение тепловой нагрузки в последующий период приводит к увеличению температуры отходящих газов и соответственно вынуж­ дает систему к ложному срабатыванию: снятию тепло­ вой нагрузки. Аналогичная картина неправильных сра­ батываний будет наблюдаться и при снижении произ­ водительности печи.

Отсутствие до последнего времени надежных средств измерения температуры металла в печи сдерживало пе­ реход к системам управления с обратными связями по состоянию нагреваемого в печи металла.

На основе измерения температуры поверхности ме­ талла радиационным пирометром, свизированным на

металл через открытую с двух концов защитную трубу (способ, предложенный Ф. С. Блумом [7, 8]), была со­ здана и в дальнейшем получила распространение на ме­ тодических печах ряда стран каскадная система. Пред­ полагалось, что замеренная таким образом темпера­ тура однозначно характеризует производительность печи.

В частности, в США на заводе «Джонстон» Бетлехемской стальной корпорации была внедрена каскадная схема регулирования, в которой в качестве импульса, характеризующего темп прокатки, использована темпе­ ратура поверхности металла в методической зоне пе­ чи [9]. Температура металла, согласно способу Блума, измерялась радиационным пирометром, визированным через открытую с обоих концов трубу на поверхность металла в методической зоне. Пирометр устанавливали на таком расстоянии от загрузочного окна, чтобы мож­ но было избежать вредных влияний загрузочных опе­ раций на процесс измерения. Корректирующий импульс подавался на потенциометр, который затем изменял за­ дания регуляторам температур в томильной и свароч­ ных зонах. По данным авторов, каскадная система позволила значительно улучшить, качественные и количе­ ственные показатели нагрева: снизился брак по свари­ ванию заготовок во время производственных задержек печи или при медленном темпе прокатки; увеличилась производительность прокатного стана, поскольку умень­ шились простои печи; улучшилось качество проката в результате равномерного нагрева заготовок и предот­ вращения перегрева, кроме того, значительно сократил­ ся угар.

Для этой работы характерен чисто интуитивный под­ ход к вопросу выбора координат установки радиацион­ ного пирометра в методической зоне, что является су­ щественным недостатком, так как определение места установки чувствительного элемента требует обоснова­ ния. Как показали исследования ПКИ «Автоматпром», произвольная установка пирометров в методической зо­ не может привести к тому, что в ряде случаев темпера­ тура поверхности металла не будет отображать произво­ дительность печи.

В результате исследований, проведенных Централь­ ным проектным конструкторским бюро, предложена свя­ занная система автоматического управления тепловым

режимом печи и автоматизации операций посадка и вы­ дачи металла, включая операции транспортировки на­ гретого металла к клетям стана.

В качестве корректирующего тепловой режим сигна­ ла принята температура поверхности металла в методи­ ческой зоне. Основой при этом служит эксперименталь­ но полученная зависимость между температурой поверх­

в точке измерения, поскольку температуры в печи вы­ равниваются, превышает температуру, наблюдаемую до простоя, на величину Дт, являющуюся функцией дли­ тельности простоя.

В схеме предусмотрен также контроль температуры раската, при понижении которой подряд для двух или более заготовок, выданных из одной печи, заданные зна­ чения температур зон печи повышались. Таким образом, заданные значения температур зон устанавливаются в зависимости от количественного сочетания величин критериев темпа прокатки (температуры металла в ме­ тодической зоне) и результата нагрева металла (темпе­ ратуры раската).

Для случая, когда стан обслуживается несколькими печами, разработана схема, которая запоминает номер печи, из которой выдается заготовка, затем сопровож­ дает заготовку до клетей стана и измеренную темпера­ туру заготовки посылает в систему регулирования той печью, из которой выдана данная заготовка. Контроль горения осуществлялся экстремальными регуляторами, отыскивающими при данной тепловой нагрузке макси­ мальные температуры зон воздействием на задания ре­ гуляторам соотношения топливо — воздух соответствую­ щих зон.

Дальнейшее усовершенствование каскадных схем происходило в направлении определения и измерения

черновой группы клетей или в начале чистовой группы) были поставлены в работах [10—12]. Однако системы' с использованием этого сигнала не нашли широкого практического применения, так как в реальный услови­