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

ях на прокатных станах температура раскатов является результатом наложения на температуру заготовок при выдаче из печей факторов, способствующих как охлаж­ дению металла, так и его нагреву после выдачи из печи.

Охлаждение металла после выдачи из печи обуслов­ лено контактом его с окружающим воздухом, валками стана и водой, охлаждающей валки. Повышение же температуры происходит в результате пластической де­ формации металла. Повышение температуры тем боль­ ше, чем больше расходуемая на деформацию мощность и чем меньше при этом коэффициент теплоотдачи. Сле­ дует подчеркнуть, что, поскольку нагрев металла при­ меняется как средство такого уменьшения сопротивле­ ния деформации, которое делает прокатку экономически целесообразной и возможной, при прокатке важно в пер­ вую очередь усилие в стане, а не сама по себе темпера­ тура нагрева.

Система оптимального управления нагревом метал­ ла, разработанная А. А. Бутковским, послужила даль­ нейшим развитием работ в этом направлении [13]. Ма­ кет системы опробован на тонколистовом стане ММК в 1962 г.

Назначением системы является выработка и осуще­ ствление закона изменения уставок температуры зон пе­ чи при изменении темпа прокатки с учетом характера изменения этого темпа; причем уставки температуры могут изменяться даже при неизменном в данный мо­ мент темпе прокатки — как следствие прежних колеба­ ний темпа. Вычислительное устройство рассчитывает температурное поле в заготовке как функцию темпера­ турных полей зон печи и скорости продвижения метал­ ла через эти зоны.

На основании этого расчета вычислительное устрой­ ство так управляет распределением температур в печи, что минимизируется среднеквадратичное уклонение тем­ ператур заготовок на выдаче из печи от заданных зна­ чений. Найденное оптимальное распределение темпера­ тур зон задается зональным регулятором температуры. Моделирующее устройство непрерывно проводит расчет нагрева заготовок в печи, опираясь на ряд измерений температуры зонпечи и задаваясь рядом коэффициен­ тов. Для уточнения параметров расчета и моделирую­ щего устройства применена система самонастройки, в которой значение температуры заготовки, полученное

■расчетом ее нагрева, сравнивается с действительной температурой раската этой заготовки после одной из клетей стана. В схему введено устройство, оценивающее потерю тепла заготовок перед прокаткой.

В этой системе темп прокатки оценивается по рабо­ те толкателей печи.

Одновременно с конструированием систем управле­ ния процессом нагрева стали с применением средств вычислительной техники интенсивно велись поиски но­ вых параметров, характеризующих тепловую работу на­ гревательных устройств, и создавались специальные средства для их измерения. В начале 1961 г. на мето­ дических печах стана 650 Нижне-Тагильского металлур­ гического комбината ЦНИИКА были испытаны новые элементы системы управления. Качество нагрева метал­ ла в печи оценивалось по расходу электроэнергии, за­ траченной на прокатку каждой заготовки, а темп про­ катки оценивался при помощи специального устройства по ритму исследования выданных из печи заготовок. Температурный режим печи корректировался в зависи­ мости от суммарного расхода электроэнергии на опре­ деленное число прокатанных заготовок и от темпа про­ катки [5, 14].

НИИ «Автоматика» на двухзонных методических пе­ чах двух заводов была внедрена система управления, в которой предусмотрено регулирование температуры металла по перепаду температуры в двух точках то­ мильной зоны, причем температуру металла измеряли радиационными пирометрами, свизированными непо­ средственно на металл через специальные отверстия в подине печи. Эта система послужила реализацией теоретически обоснованного А. Г. Бутковским прин­ ципа оптимального управления проходными печа­ ми [18].

Киевским институтом автоматики разработаны и внедрены на ряде нагревательных печей металлургиче­ ских заводов Украины системы автоматического управ­ ления тепловой мощностью нагревательных зон по сред­ невзвешенной температуре поверхности металла и пропускной способности дымоотводящего тракта . по средневзвешенному давлению на ограждающих стенках томильной зоны. Для создания указанной системы най­ дены распределения температуры поверхности металла в рабочем пространстве печи и исследована динамика

регулирования давления й ее связь с температурным режимом и процессом окалинообразования [15].

Запорожским филиалом Института автоматики внед­ рена на двухзонной методической печи завода «Днепро­ спецсталь» система, построенная на базе автоматиче­ ского корректора температуры (типа АКТ-2), измеряю­ щего темп выдачи металла из печи со сглаживанием вы­ ходного корректирующего сигнала и с возможностью настройки схемы АКТ-2 по маркам и геометрическим размерам загружаемых заготовок [16].

Развитие работ в области автоматизации нагрева­ тельных устройств характеризуется тем, что наметились тенденции перехода от существующих систем стабили­ зации отдельных параметров теплового режима печей к более совершенным системам комплексной автоматиза­ ции процесса нагрева. В поисках рационального реше­ ния конструкций систем регулирования изучается и про­ веряется на практике пригодность отдельных новых па­ раметров, отражающих как тепловое состояние печи, так и ритм работы прокатного оборудования. Важней­ шим препятствием па пути решения проблем автомати­ зации процесса нагрева металла является также отсут­ ствие надежных способов стабилизации параметров теп­ лового режима в условиях переменных параметров про­ цесса таких, как темп прокатки (производительность печи), тепловое состояние металла (температура поса­ да и т. п.) и др. Обобщение результатов исследований по созданию описанных выше систем управления нашло от­ ражение в совместных работах ПКИ «Автоматпром» и ЦП КБ.

В автоматизированной системе управления темпера­ турным режимом методических печей реализован новый способ1, в котором корректирующий импульс изменения задания регуляторам температур зон вырабатывается на основе суммирования с соответствующими «весами» си­ гналов о температуре металла в методической зоне и о среднем времени пребывания заданного числа заготовок в томильной зоне печи. Относительная простота, надеж­ ность в эксплуатации и значительный экономический эф­ фект обусловили широкое распространение систем тако­ го типа на металлургических заводах.

Методы расчета качества и настроек систем даны во многих работах. В приведенных методах используются временные или частотные характеристики, а формулы и графики определены как теоретическим путем, так и подтверждены экспериментально [17].

Для практических целей системы управления режи­ мом горения с автоматическими оптимизаторами следует конструировать так, чтобы экстремальный регулятор (оптимизатор) управлял не исполнительным механизмом расхода воздуха, а изменял коэффициент избытка в узле стабилизации соотношения расхода топлива и воз­ духа.

Поскольку при простоях и малых нагрузках происхо­ дит основное окалинообразование, следует в этот пери­ од защитить металл созданием восстановительной атмос­ феры в рабочем пространстве печи. С этой целью пред­ ложен новый способ управления режимом горения1, который заключается в том, что в моменты простоев и ма­ лых нагрузок (информация о которых постоянно посы­ лается в систему управления горением) оптимизатор от­ ключается, и коэффициенты избытка воздуха автомати­ чески устанавливаются на уровнях, создающих восстано­ вительную атмосферу в печах.

Аналогичные принципы управления температурным режимом легли в основу систем, созданных ПКИ «Автоматпром» для кольцевых печей трубопрокатных станов. В этих системах изменение заданных значений темпера­ тур на участках горения ведется не только в функции суммы сигналов, характеризующих тепловое состояние печи и среднее время пребывания заданного числа заго­ товок в зонах нагрева, но и по параметрам садки с уче­ том нахождения границ садок в рабочем пространстве печи.

Кроме того, в автоматизированной системе управ­ ления тепловым режимом кольцевых нагревательных пе­ чей использован новый способ автоматического управле­ ния режимом сжигания топлива в пламенных печах, заключающийся в том, что для уменьшения окалинообразования при простоях и малых нагрузках печи в узлы регулирования .соотношения вводится корректирующий сигнал, изменяющий коэффициент избытка воздуха в

сторону создания нейтральной или восстановительной атмосферы в рабочем пространстве печи1.

На основе теоретических разработок Института проб­ лем управления (ИАТ) и вытекающих из них алгорит­ мов оптимального управления, разработана система, ми­ нимизирующая среднеквадратичное отклонение темпера­ туры заготовок при выдаче из печи от заданного значе­ ния. Система предусматривает слежение за прохожде­ нием металла от посада до выдачи, ввод информации о параметрах садки, а также поддержание постоянства времени транспорта металла от печей к стану.

Слежение за прохождением металла через печь осу­ ществляется специальным устройством, разработанным ПКИ «Автоматпромом» на базе способа запоминания и моделирования, заключающегося в том, что процесс про­ хождения металла различного сортамента через печь отображается динамической мнемосхемой, которая поз­ воляет как визуально наблюдать за перемещением на­ греваемого металла в рабочем пространстве печи, так и автоматически определять местонахождение различ­ ных садок с дальнейшим вводом этой информации в си­ стему оптимального управления тепловым режимом пе­ чи. Описанная выше схема впервые реализована на ме­ тодических печах Ново-Липецкого металлургического завода.

Для минимизации потерь тепла при транспортировке нагретого металла от печей к стану и обеспечения бес­ перебойной и ритмичной работы стана ПКИ «Автоматпром» разработал специальную систему связи печистан. Эта система осуществляет: сигнализацию операто­ рам печей требуемого момента выдачи очередной заго­ товки; сигнализацию оператору клетей стана момента фактической выдачи сляба и момента прихода ее к кле­ ти; регистрацию суммарного времени простоя заготовок перед прокаткой и времени задержки в выдаче загото­ вок из печей за смену.

Основная задача системы — согласование ритма вы­ дачи заготовок из разных печей с ритмом работы стана. Опытно-промышленный образец системы внедрен на ста­ не листопрокатного цеха Донецкого металлургического завода.

3. ЗАДАЧИ АЛГОРИТМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА НАГРЕВА МЕТАЛЛА В МЕТОДИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

Для применения современных математических мето­ дов оптимизации необходимо предварительно строго ма­ тематически сформулировать задачу управления, т. е. прежде всего создать математическую модель, адекват­ ную физическим процессам, которые исследуются в дан­ ной задаче.

Создание таких математических моделей встречает серьезные трудности, что обусловлено сложностью тех­ нологических и теплотехнических вопросов.

А. Г. Бутковский распространил подходы и методы оптимального управления, в частности, и на широкий класс объектов теплотехники, например, на нагрев тон­ ких и массивных тел в камерных и проходных печах [18]. Актуальность и важность задач, которые могут быть решены на основе этой теории предопределили большое число научных разработок в данной области и, естественно, в настоящее время многими советскими и зарубежными авторами предложены и реализованы раз­ личные алгоритмы управления, вытекающие из разнооб­ разных постановок задач оптимального управления пе­ чами.

Ниже приводится краткий обзор наиболее интерес­ ных, с точки зрения их практической реализации, теоре­ тических разработок и алгоритмов управления процес­ сом нагрева стали перед прокаткой.

В работе [13] А. Г. Бутковский решает задачу опти­ мального управления системами с распределенными па­ раметрами, движение которых описывается дифференци­ альными уравнениями в частных производных типа

направлении оси у со скоростью у(т), зависящей только от времени. (Для печей с шагающим подом скорость пе­ ремещения заготовок, лежащих на разных секциях ша­ гающих балок, может быть различной). Теплофизиче­

ские параметры материала (толщина, теплопроводность и др.) могут быть различными, они объединены в ком­ плекс b= b(y) , причем

где с— теплоемкость; у — плотность стали;

R — толщина нагреваемых заготовок;

а — коэффициент теплообмена заготовок со средой. Естественно, 0. При входе в зону нагрева (у— 0) температура металла t(y, т) известна

t (0 , т) = /0 (т).

По мере продвижения через зоны печи материал на­ гревается, если ѵ(у, т) > t(y, т). Теплообмен, как предпо­ лагается, подчиняется простейшему закону Ньютона. Поскольку функции свойств металла b (у) и скорости продвижения через рабочее пространство известны, каж­ дой конкретной функции управления (температуре ра­ бочего пространства печи) при заданном начальном ус­ ловии соответствует единственное решение: распределе­ ние температуры металла по длине печи t{y, т), 0 ^ y s ^ L , а следовательно и определенное значение температуры на выдаче из печи t(L, т). Но с точки зрения технологии и оптимизации экономических показателей системы печь—стан на выдаче из печи желательно иметь опреде­ ленную температуру устанавливаемую в зависи­ мости от сортамента, марки стали и др. К сожалению, современные проходные печи, имеющие длины зон, во много раз превосходящие ширину заготовки, не могут обеспечить индивидуальный нагрев заготовок, и поэтому приходится так управлять температурой зон и(у, т), чтобы хотя бы в среднем для всей партии заготовок от­

было минимально.

В стационарном режиме, когда fe = idem и ѵ= const можно достигнуть точного соблюдения заданной темпе­ ратуры металла, и /= 0 . В нестационарном режиме, ког­

Для создания промышленных систем оптимального управления методическими печами очень большое зна­ чение имело аналитическое решение этой задачи, полу­ ченное А. Г. Бутковским для случая нагрева теплотех­ нически тонких заготовок.

Проведя замену переменных типа

т. е. введя подвижную систему координат, сопряженную с движущимся металлом, заменил исходное дифферен­ циальное уравнение более простым, которое можно рас­ сматривать как обыкновенное дифференциальное по вре­ мени Ѳ уравнение. Проведя ряд преобразований и при­ менив принцип максимума, А. Г. Бутковский доказал, что оптимальное уравнение в этом случае имеет гранич­

цесса нагрева происходит вследствие однократного скач­ кообразного разрыва свойств нагреваемого металла

где В\ и В2— заданные величины.

Оптимальный процесс нагрева состоит из 3 участков.

действие выходит на границу. Этот, неособый, участок простирается на промежутке тіС тС тг. На особых участ­