Способ управления процессом нагрева и переплава

 

Способ предназначен для управления процессом нагрева и переплава преимущественно стержневых электродов в электрометаллургии и других энерго- и теплотехнических устройствах, отличающихся наличием агрессивных нагревающих сред (электролитов, плазмы и др.). Сущность изобретения: измеряют температуру на неконтактирующей с основным источником нагрева части электрода. По этим данным рассчитывают эффективную температуру нагревателя и регулируют ее по отклонению от заданной за период между измерениями или за единицу времени. 2 ил.

Изобретение относится к области электрометаллургии и предназначено для использования в технологии и оборудовании при электрошлаковом, вакуумно-дуговом и плазменно-дуговом переплаве слитков высококачественных и специальных сталей и сплавов, а также при их электрошлаковой сварке. Общим для всех этих процессов является нагрев и плавление электродов (в виде стержней) под действием тепла, выделяющегося в электролите или плазме проходящим током. Способ может быть использован также для контроля и управления другими тепловыми процессами, при которых теплопроводные стержни контактируют с агрессивной нагревающей средой, температуру которой необходимо регулировать (генераторы плазмы, высокотемпературные источники электрического тока и т.п. ).

Известные способы управления указанными процессами [1,2] разделяются на два основных вида: первые основываются на непосредственном измерении температуры в зоне нагрева и плавления (рабочей зоне) печи, вторые используют данные об электрической мощности печи, сопротивлении нагревателя, излучении из рабочей зоны и других косвенных параметрах.

Еще одним признаком различия рассматриваемых способов является то, каким образом измеряемые параметры используются для управления. Здесь также существует два основных подхода: в первом измеряемый параметр непосредственно является критерием для изменения управляющего воздействия (например переключения ступени питающего печь трансформатора), во втором производится математическая обработка результатов измерений с вычислением по косвенным параметрам других параметров, более близких к определяющим качество продукции (глубине металлической ванны в печи, скорости кристаллизации этого металла и др. от которых зависит структура и свойства слитка и изделий из него).

Причиной замера не прямых, а косвенных параметров является высокая температура и химическая агрессивность среды в рабочем пространстве печи при переплаве (обычно это шлак-электролит или плазма дугового разряда). Поэтому большую надежность управления обеспечивают системы с замером косвенных параметров, к которым относится и заявляемый способ.

Аналоги отличаются по виду, способу воздействия на процесс переплава, или, иначе говоря, по виду управляемых параметров. Наиболее часто этими параметрами являются напряжение на источнике нагрева (шлаковой ванне, дуге, обмотке печи), а также скорости подачи металла (переплавляемого электрода), что и используется в указанных аналогах. Однако известны и другие способы, например, введение добавок в шлаковую ванну, на сопротивлении которых ток выделяет теплоту (а.с. СССР N 1507834, кл. C 22 B 9/18, 1989).

По числу измеряемых косвенных параметров аналоги можно разделить на способы с одним параметром или с несколькими параметрами. В последнем случае все параметры обрабатываются расчетным методом с помощью единой теплофизической модели, которая позволяет оценить какой-либо непосредственный технологический параметр, по которому и ведется управление. На этих способах основываются современные системы автоматизированного управления (Махненко В.И. и др. Автоматизация промышленных печей ЭШП с использованием ЭВМ. В сб. Электрошлаковая технология. Киев: Наукова думка, 1988, с. 38-44).

Однако точность построенных в настоящее время математических моделей с несколькими входящими косвенными параметрами ограничена, а затраты на повышение точности за счет корректировки коэффициентов требуют большого числа дорогостоящих промышленных плавок, поэтому такие системы используют лишь в качестве вспомогательных, а основное регулирование ведут более простые системы, описанные выше.

Аналоги предусматривают измерение параметров, относящихся в основном к нагревателю (сопротивление, мощность, напряжение, ток, излучение шлаковой ванны, дуги) и к получаемому слитку (температура слитка, глубина расплава в формирующемся слитке, отвод тепла от слитка) и редко используют информацию, снимаемую с переплавляемого электрода. Исключением является метод управления выходным напряжением источника питания печи ЭШП [3] в котором управление ведется по данным об изменении падения напряжения на сопротивление электрода. Именно управление ведется по косвенному параметру с использованием математической обработки данных: U_n U_o + n ˙Z ˙J, где Z постоянная вторичной цепи печи; n определяемое при плавке число участков электрода, на которое изменилась его длина и сопротивление (максимальное n выбирается равным числу ступеней изменения напряжения); U_n напряжение на данной ступени регулирования, зависящее от сопротивления электрода; U_о максимальное напряжение источника питания печи (трансформатора).

Таким образом, сущность данного аналога, принимаемого за прототип, состоит в измерении параметра электрода (n) и в изменении напряжения питания печи согласно изменению параметра электрода. Эта связь выражается приведенным выше математическим соотношением.

Недостатком прототипа является то, что сопротивление электрода связано с качеством слитка весьма косвенным образом, и поэтому определение численных значений U_o и Z требует проведения ряда экспериментальных плавок для каждой марки стали, шлака, размера слитка, что требует существенных затрат и применимо лишь в серийном производстве.

Цель изобретения уменьшение затрат на проведение опытных плавок, в ходе которых уточняются коэффициенты в формулах, используемых при расчетах параметров управления. Эта цель достигается тем, что контроль и управление осуществляются только по непосредственно связанным между собой тепловым параметрам процесса температурой плавящегося электрода и температурой нагревающей его среды (электролита-шлака или газа-плазмы). В этом случае математическое выражение, связывающее эти величины, имеет относительно простой вид (1), в него входит лишь одна непосредственно не определяемая величина коэффициент теплоотдачи "нагревающая среда-электрод". Она может быть определена с достаточной точностью с помощью всего одной опытной плавки. Таким образом, путем измерения температуры в твердом электроде, что достаточно легко и с высокой точностью реализуется, возникает возможность достоверно оценить температуру расплавленного электролита или плазмы в зоне контакта с плавящимся металлом, которая (температура) не может быть постоянно измеряемой прямыми методами (термопарами) в связи с высокой температурой и химической агрессивностью среды. Наличием вокруг этой зоны слоев шлака или плазмы с более низкой температурой не позволяет использовать для управления дистанционное измерение параметров этих сред, например, по интенсивности излучения (пирометрами, спектрометрами и т.п.). Применение более сложных методов диагностики плазмы технически не целесообразно.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем.

Измеряют температуру нагреваемого электрода по длине его части, не контактирующей с нагревающей средой (электролитом или плазмой). Рассчитывают значения температуры электрода по его длине, которые сопоставляются с измеренными значениями. В процессе расчета, осуществляемого микропроцессором, находится значение эффективной температуры нагревающей среды (электролита или плазмы). По отклонению найденной эффективной температуры электролита или плазмы от заданной по технологии плавки осуществляют управление (пропорциональное изменение) напряжением источника питания печи. Поскольку определяемая "эффективная" температура непосредственно характеризует взаимодействие плавящегося металла и нагревающей среды, управление ею обеспечивает управление процессом нагрева, плавления и протекающим в близких условиях процессом кристаллизации переплавляемого металла.

Выражение (1): c˙ρ˙ (∂T_расч)/∂ t λ˙( ∂² ˙T_расч)/∂ x² + + α ₁˙(T_возд Т_расч) + α ˙ (Т_нагр Т_расч) + f, где с, ρ, λ теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности материала электрода; Т_расч температура электрода; х координата точки определения температуры по длине электрода; α₁ коэффициент теплоотдачи "электрод-воздух" (по длине поверхности электрода);
α коэффициент теплоотдачи "электрод-нагревающая среда" на погруженной в нее части электрода;
f мощность, выделяемая в электроде проходящим током (джоулева теплота).

Выражение (2):
-[α(T_изм-T_расч)T_нагр+b·T²_нагр] dx где l длина электрода в момент измерения температуры;
х координата точки измерения и расчета температуры по длине электрода;
Т_изм измеряемая температура электрода в точке х;
Т_расч температура электрода Т, рассчитываемая по выражению (1) в точке х;
Т_нагр искомая температура нагревателя (электролита или плазмы);
α α ₂ коэффициент теплоотдачи "электрод-нагреватель";
b вспомогательный коэффициент (подбирается при расчетах в зависимости от погрешности измерений температуры δ Т, например b=.

Таким образом, преимущества предлагаемого способа по сравнению с прототипом состоят в следующем:
в расчетной части способа необходимо значение только одного коэффициента теплоотдачи "электрод-нагреватель" (шлак), а в прототипе необходимо подобрать два коэффициента U_o и Z (подбор коэффициентов требует проведения дорогостоящих опытных плавок, и чем меньше коэффициентов необходимо найти, тем меньше необходимо плавок);
в заявляемом способе связь измеренной температуры с искомой температурой нагревателя задается известным уравнением теплопроводности, являющимся математической моделью при описании тепловых процессов в стержнях любой природы и может использоваться при управлении процессами переплава разных сталей, электродов любого диаметра и длины. Поэтому найденные коэффициенты теплоотдачи являются мало изменяемыми величинами и легко уточняются, в то время как параметры U_o и Z в прототипе произвольным образом могут меняться при смене технологии.

Заявленный способ как последовательность действий детально состоит в следующем.

До начала процесса принимают предположительно какое-либо значение температуры нагревателя Т_нагр и значения теплофизических констант с, ρ λ, α α₁ по данным опыта подобных процессов. Выбирают шаг дискретизации по времени Δ t, через который будут обновляться Т_нагр и корректироваться процесс. Фиксируют значения T_min и T_max наименьшее и наибольшее возможные значения для T_нагр, которые берут по данным опыта подобных процессов или из разумных соображений.

Решают уравнение (1), из которого находят Т=Т_расч в точках замера температуры для момента времени t=t_нач + Δ t. Для решения уравнения можно использовать конечно-разностные методы.

В конкретном теплофизическом процессе нагрева стержня замеряют в момент времени t=t_нач + Δ t температуру Т_изм в ряде точек по длине стержня выше области его контакта с агрессивной средой. Получаются ряд чисел, относящихся к известным координатам длины х.

По полученным данным Т_изм и Т_расч для момента времени t=t_нач + Δ t находят минимум выражения (2). Интеграл не вычисляется, а используется известная формула для точки минимума
T_нагр= T_max где T_* α /2b ˙ (T_изм Т_расч).

Полученное Т_нагр и есть искомое значение температуры нагревателя на момент t=t_нач + Δ t
Полученную величину температуры нагревателя сравнивают с требуемой по технологии и по какому-либо из известных законов регулирования (например, пропорциональному) изменяют в соответствии с результатом этого сравнения напряжение на нагревателе или расход горючего газа или интенсивность иного источника тепла.

Наступивший момент времени t_нач + Δ t принимают за начальный момент с повторяют шаги 2, 3, 4, 5 до конца процесса.

Описанная процедура содержит действия, отличающие ее от прототипа, и действия, выполняемые известными способами (проведение замеров, поиск минимума, пропорциональное управление). Отличительная сущность заявляемого способа в сравнении с прототипом состоит в том, что в качестве косвенного параметра, в зависимости от величины которого изменяют количество теплоты, подводимый в процесс нагрева и переплава (плавления) стержневого электрода одним из известных способов, используют эффективную температуру источника нагрева, находящегося в контакте с электродом. Величину этого косвенного параметра определяют исходя из данных об изменении температуры электрода на той его части, которая не контактирует с источником нагрева, не позволяющим в силу его термохимической агрессивности или по другим причинам вести непосредственные замеры температуры.

П р и м е р. Согласно изложенному выше способ реализуется в трех последовательных операциях. При переплаве слиток стали 22К массой 60 т на печи ОКБ-1111 замер температур электрода проводили 8 термопарами (зачеканенными с шагом 1 м) через 15 мин в течение плавки (44 ч). Расчет вспомогательной модели, соответствующей выражению (1), проводили на ПЭВМ IВМ РС/АТ по явной разностной схеме (Самарский А.А. Теория разностных схем. М. Наука, 1977). Температура нагревателя (шлака) определялась как минимум выражения (2). Зафиксированный при плавке с управлением по заявленному способу режим оказался близким к отработанному при многочисленных плавках этой стали. В результате получен качественный слиток, соответствующий техническим условиям. Результаты замера и расчета температур по формулам (1) и (2) приведены на фиг.1 и 2.

Преимущества предлагаемого метода состоят в возможности сокращения числа опытных плавок новых марок стали различных типоразмеров слитков с 3-5 до 1-2. Сокращение числа плавок в сравнении с прототипом обусловлено более простой и более непосредственной зависимостью измеряемого параметра электрода с качественными показателями слитка (в заявляемом способе эта физическая связь положена в основу способа, а в прототипе косвенно задается через величины U_o и Z путем отработки технологии при опытных плавках). Ежегодно на крупных печах осуществляется до 10 опытных плавок на 1 печь.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НАГРЕВА И ПЕРЕПЛАВА преимущественно стержневого электрода, включающий изменение количества теплоты, подводимой в процесс, в зависимости от величины косвенного параметра, отличающийся тем, что в качестве косвенного параметра принимают эффективную температуру источника нагрева, находящегося в контакте с электродом, которую определяют по температуре электрода на его не контактирующей с источником нагрева части.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2