Способ управления нагревом заготовок в многозонной пламенной печи

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 F 27 B 9/40

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

1

j00 ,Ю О Д (Л () Й (21) 4863993/02 (22) 10.09.90 (46) 15,01,93. Бюл. М 2 (71) Киевский институт автоматики им. XXV съезда КПСС и Государственный союзный институт по проектированию агрегатов сталеплавильного и прокатного производства

"Стальпроект" (72) А. Л. Гончаров, Л, Л. Прядкин, И, М.

Резник, А, В, Гаряжа, А. П. Шутов и И. С.

Воловик (73) А. J1. Гончаров, Л. Л. Придкин, И, M.

Резник, А. В. Горяжа, А. П. Шутов и И. С.

Воловик (56) Беляковский М. А, и др. Автоматизированные широкополосные станы, управляемые ЭВМ, M.: Металлургия, 1984, с, 118 †1. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ

ЗАГОТОВОК В МНОГОЗОННОЙ ПЛАМЕННОЙ ПЕЧИ (57) Изобретение относится к автоматизации производственных процессов в черной и цветной металлургии, в частности для авИзобретение относится к автоматизации цветной и черной металлургии и может быть использовано для управления процессом нагрева металла в пламенных многозонных нагревательных печах.

Известен способ управления нагревом заготовок, заключающийся в том, что измеряют температуру заготовок в томильной и верхних сварочных зонах печи, толщину и ширину заготовок и регулируют расход топлива в зонах для поддержания в них заданных значений температуры, определенных в

„„. Ы„„1789045 А3 томатизации многозонных пламенных нагревательных печей с торцовым отоплением. Сущность изобретения: устанавливают в каждой зоне печи с торцовым отоплением горелки с регулируемой длиной факела и по две термопары в направлении развития факела: основную для регулирования температурного уровня зоны, установленную в область,не зависящую от длины факела, и дополнительную — для контроля температуры кладки печи, установленную в область максимальных температур кладки, определяют распределение температур греющей среды по длине зоны нагрева, сопоставляя измерения основной и дополнительной термопар и корректируют параметры математической модели нагрева заготовок с учетом текущего распределения температуры греющей среды, кроме того регулируют длины факелов в зонах печи, поддерживая их минимально возможными по рассогласованию между измеренными дополнительными термопэрами и заданными максимально допустимыми значениями температуры из условий стойкости кладки. 4 ил. зависимости от изменения толщины, ширины заготовок, скорости прохождения заготовок через печь, марки нагреваемого металла и разности между заданной температурой выдачи заготовок и измеренным значением температуры поверхности заготовок в соответствующей зоне.

Недостатками известного способа являются: во-первых, низкая точность нагрева заготовок и возможные простои стана из-за остановок печи на подогрев, обусловленная неточностями моделирования процесса на1789045

30

50

55 грева заготовок, во-вторых, высокие затраты на нагрев из-за низкой эффективности сжигания топлива, так как не учитывают особенности факельного сжигания топлива, в-третьих, высокая интенсивность нанесения регулирующих воздействий по расходу топлива, так как на показания датчика температурыы зон ы о казы вает существенное влияние нестабильность длины факела зоны.

Наиболее близким к заявленному является способ управления нагревом заготовок в многозонной пламенной печи с торцовым отоплением, заключающийся в определении по математической модели температуры нагреваемых заготовок и требуемой, согласно критерию управления, температуры в зонах нагрева, а также регулирования расхода топлива в зонах нагрева по рассогласованию между измеренными и заданными значениями температуры в них.

Недостатком данного способа являются, во-первых, низкая эффективность использования топлива, т.к. не учитываются особенности факельного сжигания топлива и не выбирается факел оптимальной, с точки зрения теплоотдачи, длины; во-вторых, невысокое качество управления процессом нагрева заготовок; вследствие возникновения методических ошибок при измерении температурного уровня зоны нагрева, т,к. термопара по которой ведется регулирование расхода топлива,не устанавливается в область,не зависящую от длины факела; изза ошибок в расчете температуры заготовок по математической модели, т.к, не учитывается распределение температуры греющей среды, соответствующее текущей длине ошибки расчета температуры заготовок в наибольшей степени проявляют себя при переменной скорости продвижения металла по длине печи; в-третьих, высокая интенсивность включений исполнительных механизмов на регулирующих органах расхода топлива, т,к. изменение длины факела вносит методические ошибки в измерение температуры зоны.

Целью изобретения является повышение эффективности использования топлива за счет учета особенностей факельного сжигания, улучшение качества управления нагревом заготовок за счет повышения точности математического моделирования теплообмена в печи и уменьшение интенсивности нанесения регулирующих воздействий по расходу топлива.

Для дости>кения поставленной цели в способе управления нагревом заготовок в многозонной пламенной печи с торцовым отоплением, заключающемся в определении по математической модели температуры нагреваемых заготовок и требуемой, согласно критерию управления, температуры в зонах нагрева, а также в регулировании расхода топлива в зонах нагрева по рассогласованию между измеренными и заданными значениями температур в них, контролируют максимальную текущую температуру кладки зоны печи, определяют текущее распределение температуры греющей среды по длине зоны нагрева и корректируют параметры математической модели нагрева заготовок с учетом текущего распределения температуры греющей среды. Кроме того, по рассогласованию между текущей максимальной температурой кладки и заданной максимально допустимой температурой из условий стойкости кладки регулируют длины факелов в зонах печи, поддерживая их минимально возможными.

Эффективность использования топлива повышается за счет учета особенностей факельного сжигания, заключающихся в увеличении суммарного теплопоглощения нагреваемых заготовок с уменьшением длины факела в зонах печи. При этом регулирование длины факела в зонах печи осуществляют по показаниям дополнительных термопар, установленных в областях максимальных температур кладки, по рассогласованию между текущей измеренной максимальной температурой кладки и заданной из условий стойкости, максимально допустимой температурой кладки.

Улучшение качества управления нагревом заготовок достигается за счет, во-первых, установки основной термопары в область кладки, не зависящую от изменения длины факела, B результате чего появляется возможность однозначно оценивать температурный уровень зоны при любой длине факела; во-вторых, использованием измеренной дополнительной термопарой в сочетании с измерениями основной позволяет идентифицировать и рофил ь расп редел ения температуры греющей среды по длине зоны соответствующей текущей длины факела.

Интенсивность нанесения регулирующих воздействий уменьшается за счет снижения влияния изменения длины факела зоны, как,вследствие естественной нестабильности, так и при управлении его длиной, на работу контура управления температурным режимом, зоны, для чегоустанавливают зонные термопары в областях кладки, температура которых минимально зависит от длины факела зоны.

На фиг. 1 приведено геометрическое представление математической модели сварочной зоны печи стана 3000; а) пространст1789045 венное расположение расчетных участков, б) схема массопереноса (стрелки) и положение факела; на фиг, 2 температурные поля вдоль свода печи; кривые 1, 2, 3 — для факелов 5, 7 и 9 м соответственно при тепловой нагрузке 800 м /ч и производительности пез чи 120 т/ч; 1, 2, 3 — то же, при тепловой нагрузке 1050 м /ч; 1, 2, 3 — то же, при тепловой нагрузке 550 м/ч; на фиг, 3 — профили удельных поглощенных поверхностью нагреваемых заготовок потоков излучения от рабочего пространства по длине зоны печи: 5, 4, 6 — для факелов длиной 5, 7, 9, соответственно при тепловой нагрузке 800 м /ч и производительности печи 120 т/ч; на фиг. 4 — функции изменения параметра настройки модели (К/L, ф/ для длины факелов

5 м (кривые 7, 9) и 9 м (кривые 8, 10) и различного места установки термопар: кривые 7, 8 для термопары ТПП, кривые 9, 10 для термопары ТПП.

Согласно фиг, 1 математическая модель теплотехнической зоны печи содержит 65 расчетных участков, а именно; 17 объемных участков газа, 30 поверхностных участков кладки и 9 поверхностных и 9 объемных участков металла.

Модель позволяет учитывать следующие особенности теплообмена: неоднородность радиационных характеристик среды по объему, развитию и положение факела относительно тепловосп ринимающих поверхностей, специфику аэродинамики газов и выгорания топлива по длине факела и объему рабочего пространства, распределение потерь тепла между отдельными элементами печи, конвективную радиационные составляющие теплообмена. Теплофизические свойства кладки и металла соответствуют материалам, применяемым в кладки печи и нагреваемому металлу. Степень черноты металла и кладки принималась 0,8. Коэффициенты конвективного обмена на поверхности принимались 25-35 вт/м . Теплота сгорания топлива 38,4 М Дж/м, Длина факела определялась по степени топлива. Полагалось, что полная длина факела равна участку, на котором выгорает

98 поданного в факел топлива. Для описания процесса выгорания топлива и подсоса в факел воздуха использованы известные соотношения (см, стр. 122 ск, Лисиенко В.

Г„Волков В. В., Гончаров А. Л„Математическое моделирование теплообмена в печах и агрегатах, Киев, Наукова думка, 1984, с.

224), „г к=1 — е ", (х lè.), к=0,13 +a.as. (х xi ° ), (2) ф п аг = а„(1 — е m""), (3) где к — степень выгорания топлива, х — расстояние от выходного сечения горелки до рассматриваемого сечения, м; аг — безразмерный подсос воздуха в зону горения, представляющий собой соотношение количества подсосного воздуха на пути до рассматриваемого сечения факела к теоретически необходимому при а = 1; аго — коэффициент расхода воздуха в продуктах горения на выходе из рабочего пространства зоны, Коэффициент m определяется из условия, что в пределах длины пути подсоса выгорает 85 / топлива, а коэффициент получается из условия, что топливо в факеле выгорает на 98% (к = 0,98), т.е. в конце полной длины факела недожог топлива равен 2/.

Коэффициенты поглощения объемных участков модели определяли из концентрации излучающих компонентов приходящихся на соответствующие участки.

Парциальные давления углекислого газа и водяного пара (Рх=Рсо и Рх=Рн,о) по длине факела определяются по соотношению:

ЗОРх=Рпc. к 1/о к 0+ 1— (4) где Р п.г. — парциальное давление излучающего компонента в продуктах полного сго35 Рания при а=1атм;

\/Π— теоретический выход продуктов сгорания при a=1 при нормальных услови-. ях, м /м; Π— теоретически необходимое з з, количество воздуха при нормальных услови40 ях сжигания 1 м топлива.

Заключительным этапом математического моделирования теплообмена в теплотехнической зоне печи являлось решение системы нелинейных уравнений теплового баланса и теплопередачи для каждой расчетной зоны, которые имели вид:

n+m

Т- 4+ у -Т+

i 1 i =1

50 где Ti — температуры расчетных зон, К;

А1 — коэффициенты радиационного теплообмена между зонами i и j, Вт/К;

9 i — коэффициент конвективного теплообмена или переноса тепла газами между зонами и j, Вт/К;

0; — внутреннее тепловыделение в зоне

j или тепло, проводимое из другой зоны, Вт;

1789045

WMi ТМг1ИМ TMj +

n,m — количество объемных и поверхностных зон модели, Количество тепла, поглощенное каждой

j-ой из К объемных зон металла, равно:

+ + QMj =0,16) где: WMI, Ищ — теплоемкость потока, входящего в зону) из зоны i и выходящего из зоны

TMi, Тм1 — среднемассовые температуры зон i u j металла, К;

Тп;, Тп; — температура и площадь поверхности зоны металла ограничивающей объемную зону металла j, К, м; дм>, Яоц — толщины и коэффициент теплопроводности слоя окалины, м, Вт/(м К); дщ, i — то же для металла;

t/ã — коэффициент формы массивного тела для слябов равен 1/3.

Для того, чтобы найти температурные поля в рабочем пространстве печи, необходимо решить систему (m+n) уравнений вида (5) и К уравнений вида (6), Для анализа эффективности факельного сжигания топлива при помощи разработанной математической модели был поставлен вычислительный эксперимент по следующей схеме: при постоянной тепловой нагрузке зоны варьировалась длина факела и рассчитывали температурные поля в зоне печи, а также величины падающих на поверхность заготовок потоков излучения от рабочего пространства печи. Затем изменяли тепловую нагрузку и вновь варьировали длиной факела, Анализ результатов вычислительных экспериментов позволит сделать следующие выводы:

1. Температурные поля на своде печи отражают процесс выгорания топлива в факеле (фиг. 2). Причем для факелов одной длины, но различных тепловых нагрузок профиль температурного поля не меняется, но изменяется его температурный уровень.

2,4, На своде печи имеется область с центром в точке А (см, фиг. 2), температура в которой практически не зависит от длины факела, но хорошо отражает тепловую нагрузку зоны (см. серии кривых на фиг, 2 1, 2, 3; 1, 2, 3 ; 1", 2, 3 ).

3, Температурное поле поверхности свода по длине зоны печи существенно неравномерно. Область наибольших температур находится над ядром факела. И именно эта неравномерность температурного поля кладки по длине зоны печи определяет су5 10

55 щественную неравномерность распределения падающих тепловых потоков на поверхность нагреваемого металла — (см. фиг. 3), 4. Рассмотрение распределения температуры греющей среды по длине печи показывает, что для различных длин факелов это распределение также различно (см. фиг. 4).

Поэтому однозначно определить распределение температуры греющей среды по длине зоны одной термопарой невозможно.

5. Кроме того, расчеты подтвердили сделанный ранее вывод, что при постоянной тепловой нагрузке эффективней работа на коротком факеле.

Полученные результаты расчетов и сделанные выводы позволяют принять следующие технические решения; а) температуру теплотехнической воды печи следует контролировать в области,не зависящей от длины факела. Поскольку регулятор топлива поддерживает необходимую температуру в теплотехнической зоне, и, тем самым, обеспечивает конечную температуру нагрева заготовок, до датчик температуры зоны, обеспечивающий обратную связь регулятора топлива, в заявленном техническом решении мы называем основным; б) высокотемпературная область кладки над ядром факела, согласно заявленному техническому решению, контролируется вторым датчиком температуры — дополнительным. Этот датчик используется в обратной связи регулятора длины факела, который подбирает оптимальную с точки зрения теплоусвоения длину факела; в) сравнивая температуры, измеренные основной и дополнительной термопары, возможно однозначно определить длину факела; заявляемое техническое решение развивает предыдущее, т.е. используя результат уравнения, в качестве аргумента, возможно идентифицировать заранее рассчитанный профиль распределения температуры греющей среды по длине зоны и воспроизвести его; г) поскольку основная термопара измеряет температурный уровень зоны (см. п,а.) и определен профиль распределения греющей среды по длине зоны (см. п. в), то несложно воспроизвести распределение температуры греющей среды по длине зоны.

Следует отметить, что технические решения, отмеченные в п.п. а, в, и г с успехом могут быть реализованы на печах с торцовым отоплением, не оборудованных горелками с изменяемой длиной факела, поскольку известно, что применяемые в массовом порядке двухпроводные газовые

1789045

5

К>(!ф)= (9) 25 горелки не обладают стабильностью длины факела во всем диапазоне работы.

Эффективность использования топлива достигается выбором минимальной длины факела. Однако, уменьшение длины факела ведет к повышению температуры кладки печи (см, фиг. 2). Это увеличение температуры может достигнуть и предельнодопустимых значений из условий стойкости кладки. В заявляемом способе предлагается регулировать длину факела, путем ее сокращения потока температура кладки не достигнет предельного значения. При достижении предельной температуры кладки длину факела увеличивают, тем самым растягивается процесс выгорания топлива и тепловыделение в зоне печи распределяется более равномерно. Кроме того, эффективность возрастает вследствие исключения ложных срабатываний регулятора расхода топлива при изменении длины факела, что обеспечивается специальным выбором места установки основного датчика температуры.

Исключение ложных срабатываний регулятора продлевает срок службы исполнительных механизмов.

Качество управления нагревом заготовок обеспечивается повышением точности математического моделирования процесса нагрева заготовок, которое реализуется в составе заявляемого технического решения. Это повышение обеспечивается корректным заданием распределения температуры греющей среды по длине зон нагрева и как было отмечено, выше, вытекает из расчета падающего потока излучения на поверхность нагреваемого металла по длине печи. При этом результирующий тепловой поток в математической модели нагрева заготовок определится из выражения:

qpy(L)= ОВ(Ц(К(-, 1ф)Ттп — Тм / )), (7) где L — координага положения сляба в печи, м;

va(L) — приведенный коэффициент внешнего теплообмена по длине печи, Вт/(м К );

Ттп — температура в зоне печи, измеренная основной термопарой, К;

TM(L) — температура поверхности заготовки,находящейся в координате L, К;

1ф — текущая длина факела в зоне печи, K(L, !ф) — функция, определяющая связь профиля распределения температуры греющей среды по координате с температурой измеренной термопарой B локальной области теплотехнической зоны.

Как видно из уравнения (7) настроечными параметрами являются oa(L) и К/L, ф).

Очевидно, что экспериментальными методами осуществить поиск этих параметров крайне сложно и при этом не исключены существенные погрешности, вызванные возможностью постановки чистых экспериментов на печи при работе ее в технологической линии, Однако, используя зональный метод расчета теплообмена, по математической модели, возможно рассчитать эти настроечные коэффициенты для конкретной конструкции печи.

Для этого используя основные выражения для расчета коэффициентов радиационного теплообмена(Лисиенко В. Г., Волков В.

В., Гончаров А, Математическое моделирование теплообмена в печах и агрегатах—

Киев: Наукова думка, 1984, 232 с) согласно зональному методу уравнение (5) возможности свести к виду (7) для каждой поверхностной зоны металла при условии:

ОВ>(! ф) = Ali(I4)/Fl; где Ов (!ф), К;(! ф), Ац(!ф) — коэффициенты уравнения (5), (7) рассчитанные для фиксированной длины факела ф, Т вЂ” температура расчетной зоны модели, которая совпадает с местом установки термопары контролирующей температурный уровень зоны нагрева.

Изменение параметра Kj(L, 1ф) по длине печи зависит от выбора места установки датчика температурного уровня зоны, т,к, формула (9) определяет связь температуры измеряемой этим датчиком и падающим потоком излучения на поверхность металла в конкретной координате. На фиг. 4 приведено изменение параметра K(L, (ф) для различных мест установки термопар.

Таким образом, для идентификации распределения падающего потока необходимо определить текущую длину факела и затем использовать в модели, согласно фиг, 4 необходимый профиль распределения, который рассчитан для конкретного места установки основной термопары, Установка основной термопары в область кладки,не зависящую от длины факела, существенно сокращает число ложных срабатываний регулятора расхода топлива, особенно в случае регулирования длины факела.

Блок-схема устройства для реализации заявленного способа представлена на фиг, 5. Система содержит зону 11 многозонной печи с торцовым отоплением, горелку 12 с регулируемой длиной факела, регулирую1789045

5

30 парой 20

55 щий орган 13 расхода топлива, регулятор 14 расхода топлива, основную термопару 15, математическую модель 16, блок 17 слежения за заготовками, регулирующий орган 18 длины факела, регулятор 19 длины факела, дополнительную термопару 20, задатчик 21 максимальной температуры кладки, блок 22 идентификации распределения температуры греющей среды.

Согласно заявляемому способу управление нагревом металла осуществляется следующим образом, B зоне 11 печи с торцовым отоплением устанавливают горелки 12 с регулируемой длиной факела и регулирующим органом 18.

Предварительно определяют места установки термопар основной 12 и дополнительной 20. При этом основную термопару 15 устанавливают в область,не зависящую от длины факела, а дополнительную термопару 20 над ядром факела, т.е. в область мак симальных температур кладки, Регулирование длины факела осуществляется регулятором 19 независимо от расхода топлива в зону 11 печи по рассогласованию между заданной максимально допустимой температурой кладки, заданной задатчиком

20 и текущей максимальной температурой кладки, измеренной дополнительной термоВ качестве горелки 12 с изменяемой длиной факела возможно использование известной горелки типа ФСГ-Р, в которой изменение длины факела достигается за счет изменения условий перемешивания топлива и воздуха путем перераспределения топлива между центральными и периферийными подводами.

Температурный уровень в зоне 11 печи поддерживается регулятором 12 расхода топлива, через исполнительный механизм

13, в зависимости от разности температуры измеренной основной термопарой 15 установленной в области А кладки зоны 11 печи и заданного значения температурного уровня зоны рассчитанного по математической модели 16, Математическая модель 16 рассчитывает температуры заготовок по их координатам в печи и определяет требуемый температурный уровень зоны согласно критерию управления, Информация о положении заготовок в зоне и их параметрах поступает в математическую модель из блока 17 слежения за заготовками, Математическая модель 16 рассчитывает температуру заготовок в соответствии с распределением температуры греющей среды, профиль которой определяется блоком 12 идентификации распределения температуры греющей среды в зависимости от рассчитанной по разности температур основной 15 и дополнительной 20 термопар длины факела зоны (фиг. 4). Практическая возможность технической реализации распределения температуры греющей среды по длине печи для фиксированной длины факела подтверждена на стане 3000 меткомбината им. Ильича.

Экономический эффект при использовании заявляемого изобретения в составе

АСУТП нагрева металла составит по оценкам сделанным с помощью автоматической модели 3 экономии топлива за счет оптимизации длины факела.

Формула изобретения

Способ управления нагревом заготовок в многозонной пламенной печи, преимущественно с торцовым отоплением, заключающийся в определении по математической модели температуры нагреваемых заготовок с учетом падающего теплового потока на заготовку и требуемой, согласно критерию управления, температуры в зонах нагрева, а также в регулировании расхода топлива в зонах нагрева по рассогласованию между измеренными и заданными значениями температуры в них, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения эффективности использования топлива путем учета особенностей факельного сжигания, улучшения качества управления нагревом заготовок за счет повышения точности математического моделирования процесса нагрева заготовок в печи и снижения интенсивности включений исполнительных механизмов при регулировании расхода топлива, контролируют максимальную текущую температуру кладки зоны печи, определяют текущее распределение температуры греющей среды по длине зоны нагрева и корректируют параметры математической модели нагрева заготовок с учетом текущего распределения температуры греющей среды, по рассогласованию между текущей максимальной температурой кладки и заданной максимально допустимой температурой из условий стойкости кладки, регулируют длины факелов в зонах печи, поддерживая их минимально возможными, 1789045 уОК

8 5) 10

% иг,1

Т,С а00 200

Н00 00

900 б00 00

1789045 зоо гоо

«00

0 2 ««6 6

«Р««г. 3

<О о,9

0,8 б 8 фут.

Составитель О,Фомина

Техред M. Ìîðãåíòàë Корректор Л Филь

Редактор В.Трубченко

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 86 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5