Теоретические основы и практическая реализация энергосберегающего оптимального управления нагревом непрерывнолитых заготовок в печах проходного типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, доктор наук Андреев Сергей Михайлович

  • Андреев Сергей Михайлович
  • доктор наукдоктор наук
  • 2019, ФГБОУ ВО «Череповецкий государственный университет»
  • Специальность ВАК РФ05.13.06
  • Количество страниц 310
Андреев Сергей Михайлович. Теоретические основы и практическая реализация энергосберегающего оптимального управления нагревом непрерывнолитых заготовок в печах проходного типа: дис. доктор наук: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям). ФГБОУ ВО «Череповецкий государственный университет». 2019. 310 с.

Оглавление диссертации доктор наук Андреев Сергей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

1 ТЕОРЕТИКО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ЗАГОТОВОК В ПЕЧАХ ПРОХОДНОГО ТИПА

1.1 Технологические последовательности производства листового проката

1.2 Конструкции и технологические особенности нагревательных печей проходного типа для нагрева слябовых заготовок перед прокаткой

1.3 Особенности температурных режимов методических печей

1.3.1 Параметры нагрева слябовых заготовок перед обработкой металла давлением

1.3.2 Экономические показатели нагрева слябовых заготовок перед обработкой металла давлением

1.4 Режимы оптимизации управления нагревом слябовых заготовок

в нагревательных печах

1.4.1 Цели и задачи оптимизации теплового режима нагревательных печей

1.4.2 Стратегия и критерии оптимальных режимов нагрева металла

1.4.3 Принципы оптимального управления нагревом массивных тел в нагревательных печах с критериями, опреде-

ляющими технологические требования по времени нагрева

1.4.4 Технологические требования при реализации оптимального управлении нагревом заготовок перед обработкой

металла давлением

1.5 Принципы оптимизации процесса сжигания топлива в рабочем

пространстве нагревательных печей

1.6 Информационное и техническое обеспечение системы управления нагревом заготовок в методических печах

1.6.1 Структура АСУ ТП участка нагревательных печей широкополосного стана горячей прокатки

1.6.2 Комплекс технических средств АСУ ТП участка нагрева заготовок

1.7 Основные концепции решения проблемы энергосберегающего оптимального управления нагревом непрерывнолитых заготовок перед обработкой металла давлением

Выводы по главе

2 ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ МЕТАЛЛА В ПЕЧАХ ПРОХОДНОГО ТИПА ПРИ МИНИМИЗАЦИИ РАСХОДА ТОПЛИВА

2.1 Постановка и решение задачи оптимального управления нагревом металла с минимизацией затрат топлива на нагрев

2.1.1 Постановка задачи оптимального управления нагревом

2.1.2 Численное решение задачи теплопроводности с учетом нелинейности теплофизических характеристик

2.1.3 Зависимость теплофизических свойств стали от температуры

2.1.4 Методика определения значений сопряженных переменных в задаче оптимального управления

2.2 Метод определения траектории оптимального управления нагревом непрерывнолитой заготовки и исследование её эффективности

2.3 Алгоритмы реализации оптимального режима нагрева металла с учетом конструкционных и технологических ограничений

2.3.1 Алгоритм определения оптимальной траектории нагрева

с учетом ограничений на управляющее воздействие

2.3.2 Алгоритм определения оптимальной траектории нагрева

с учетом технологических ограничений

2.3.3 Алгоритм управления процессом нагрева заготовки с учетом ограничений на величину термонапряжений возникающих в нагреваемой заготовке

Выводы по главе

3 СТРУКТУРА И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ МЕТАЛЛА В НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ ПРОХОДНОГО ТИПА

3.1 Структурная схема системы оптимального управления процессом нагрева заготовок в методической печи

3.2 Методика прогнозирования и коррекции времени нагрева заготовки в нагревательной печи

3.3 Метод определение качества нагрева заготовок на выходе из нагревательной печи

3.4 Информационная система программно-инструментального контроля теплового состояния заготовок на выдаче из методической печи

3.4.1 Результаты экспериментальных исследований режимов работы методических печей прокатного стана для реализации программно-информационной системы контроля качества нагрева металла перед прокаткой

3.4.2 Результаты исследования работы системы контроля конечного теплового состояния заготовки перед выгрузкой

из нагревательной печи

3.4.3 Результаты иследований по повышению точности определения текущего температурного состояния заготовок на выдаче из нагревательной печи с учетом конвективного теплообмена

3.4.4 Результаты исследований по определению влияния предыстории нагрева металла в предыдущей зоне на величину отклонения прогнозируемой температуры раската

от измеренной

3.4.5 Результаты оценки влияния дрейфа (смещения) статической характеристики при изменении темпа прокатки на отклонение расчетной прогнозируемой температуры раската от измеренной

Выводы по главе

4 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ СОСТОЯНИЕМ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ В НЕСТАЦИОНАРНЫХ

УСЛОВИЯХ РАБОТЫ

4.1 Теоретическое обоснование двухконтурной системы управления процессом сжигания топлива

4.2 Система автоматической оптимизации управления процессом сжигания топлива

4.2.1 Структурная схема двухконтурной системы автоматической оптимизации

4.2.2 Оптимизирующий алгоритм управления по запоминанию максимума скорости изменения выходного параметра процесса

4.2.3 Способ построения системы автоматической оптимизации управления процессом сжигания топлива

4.2.4 Оптимизирующий алгоритм управления по запоминанию максимума скорости изменения выходного параметра процесса

4.3 Результаты исследования работы алгоритма автоматической оптимизации процессом сжигания газообразного топлива

4.4 Методика формирования последовательности работы контуров в системе автоматической оптимизации управления тепловым режимом в рабочем пространстве нагревательной печи

4.5 Математическая модель системы автоматической оптимизации управления тепловым режимом нагревательной печи

4.6 Результаты моделирования процесса функционирования системы оптимизации управления тепловым режимом в рабочем пространстве промышленной печи

4.6.1 Статические характеристики процесса управления тепловым режимом

4.6.2 Результаты исследования переходных процессов в системе управления тепловым режимом

Выводы по главе

5 ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ МЕТАЛЛА НА ПРОМЫШЛЕННОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ ПРОХОДНОГО ТИПА

5.1 Результаты исследования характеристик нагревательных печей широкополосных станов горячей прокатки при реализации энергосберегающего оптимального управления

5.1.1 Основные характеристики нагревательной печи стана 2500 ПАО «ММК»

5.1.2 Организация процесса сжигания смешанного газа в нагревательных печах стана 2500 ПАО «ММК»

5.1.3 Характеристики теплового режима нагревательных печей стана 2500 ПАО «ММК»

5.2 Результаты исследования эффективности энергосберегающих режимов нагрева путем физического моделирования на экспериментальной установке

5.2.1 Описание конструкции экспериментальной установки

5.2.2 Способ экспериментального исследования влияния ограничений на процесс оптимального управления нагревом

в режиме максимального быстродействия

5.2.3 Методика адаптации модели оптимального управления нагревом для условий экспериментальной установки

5.2.4 Результаты реализации расчетных режимов оптимального

управления нагревом на исследовательской установке

5.3 Результаты экспериментальной проверки работы системы оптимального управления нагревом в нагревательных печах широкополосного стана

5.3.1 Технологические особенности функционирования микропроцессорной системы управления тепловым режимом нагревательной печи

5.3.2 Обоснование работы системы управления соотношением «газ - воздух» в нагревательных печах стана

5.3.3 Обоснование работы системы автоматического энергосберегающего режима нагрева металла в нагревательных печах стана

5.3.4 Программное обеспечение микропроцессорного контроллера автоматической системы энергосберегающего управления тепловым режимом методической печи

5.4 Результаты эксплуатации микропроцессорной системы управления тепловым режимом и расчет экономического эффекта

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А Приложение Б

305

ВВЕДЕНИЕ

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», 05.13.06 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические основы и практическая реализация энергосберегающего оптимального управления нагревом непрерывнолитых заготовок в печах проходного типа»

Актуальность проблемы.

В настоящее время мировое производство стали составляет 1,674 млрд. тонн в год, в том числе в России 0,071 млрд тонн в год, увеличившись на 0,424 млрд. тонн за последние 10 лет. В 2018 году рост производства стали составил 5,1%. Основная доля этого объема разливается на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Из общего объема производимой стали 45,7% перерабатывается в листовой прокат.

На отечественных широкополосных станах горячей прокатки (ШСГП) осваивается производство полосы толщиной от 0,8 до 1,2 мм, ранее относящейся к сортаменту станов холодной прокатки. На мировом рынке для одинаковых марок и профилеразмеров различие в цене за счет себестоимости передела составляет от 40 до 120 долл/т в пользу горячекатаного металла. Также продолжается рост производства листового проката из трубных марок стали (на 4% в 2017 году) толщиной 16-24 мм, которые производятся на ШСГП из непре-рывнолитой заготовки толщиной 250-300 мм для производства труб большого диаметра.

Для нагрева непрерывнолитых заготовок перед прокаткой на ШСГП удельный расход энергии составляет 1,6 ГДж/т, что составляет 18% от всех удельных энергозатрат при производстве стального проката.

Наиболее эффективной с точки зрения загрузки оборудования и производительности является технологическая цепочка «МНЛЗ-нагревательные печи-ШСГП», которая является основной для высокопроизводительных комплексов производства плоского проката на крупных металлургических предприятиях. Нагревательные печи ШСГП являются сложными объектами автоматизированного управления с распределенными параметрами. При реализации оптимального энергосберегающего управления нагревом крупногабаритных непрерыв-нолитых заготовок приходится решать проблемы формирования управляющих воздействий не только во времени, но и их распределение по длине рабочего пространства в условиях неравномерного темпа прокатки и одновременного

нагрева заготовок с различными характеристиками, различающимися по маркам стали и начальному тепловому состоянию заготовки.

В области исследования процессов теплопередачи при нагреве стальных заготовок в нагревательных печах значительный вклад внесли Н.Ю. Тайц, В.Н. Тимофеев, М.А. Глинков, В.А. Арутюнов, В.А. Кривандин, В.Г. Лисиенко, А.М. Беленький, T. Kiefer, S.W. Taylor, S. Strammer. Развитие теории и разработку автоматизированных систем оптимального управления нагревом массивных тел проводили как отечественные ученые А.Г. Бутковский, С.А. Малый, Ю.Н. Андреев, В.М. Рябков, В.И. Панферов, М.Д. Климовицкий, В.А. Маковский, А.Л. Генкин, Э.Я. Рапопорт, так и зарубежные Y.Z. Lu, A. Steinboeck.

Проведенный теоретико-информационный анализ работ отечественных и зарубежных авторов показал, что до настоящего времени остаются актуальными проблемы в области научного обоснования и реализации оптимальных энергосберегающих режимов нагрева, среди которых:

1) отсутствие точной информации о времени нагрева заготовок в промышленной нагревательной печи, которое затрудняет определение оптимального распределение нагрузок по зонам нагревательной печи;

2) отсутствие решений по формирование управляющих воздействий в условиях неравномерного темпа работы ШСГП применительно к оптимальному управлению нагревом заготовок;

3) отсутствие способов и средств контроля теплового состояния заготовки перед выгрузкой из нагревательной печи на приемный рольганг первой клети прокатного стана.

Выполненные ранее исследования и разработки ориентированы на формирование управляющих воздействий при распределении подачи топлива по длине рабочего пространства в установившемся режиме работы без учета взаимосвязи и взаимовлияния параметров, используемых в системе автоматического управления на режим нагрева металла в динамике процесса. Необходимость учета взаимосвязей контуров управления этими параметрами и обеспечение согласованности их работы в динамических режимах определяет актуальность научных исследований для формирования свойств используемых систем ав-

томатического управления тепловым режимом при нагреве крупногабаритных непрерывнолитых заготовок.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования автоматизированных систем управления процессом нагрева непрерывнолитых заготовок в условиях энергосберегающих режимов работы нагревательных печей для всех групп сортаментов листового проката, выпускаемых на крупных металлургических предприятиях.

Для достижения цели поставлены и решены задачи:

1) выполнить теоретико-информационный анализ теоретических и практических исследований в области построения и функционирования систем автоматизированного управления нагревом непрерывнолитых заготовок в печах проходного типа для выявления их достоинств и недостатков, а также обоснования необходимости в разработке оптимальных энергосберегающих режимах работы нагревательных печей для всех групп сортаментов листового проката;

2) провести экспериментальные исследования в условиях промышленного предприятия для выбора температурных параметров нагреваемой заготовки и огнеупорной кладки рабочего пространства нагревательной печи, которые позволяют обеспечить объективную и оперативную оценку текущего теплового состояния металла перед выгрузкой из нагревательной печи на приемный рольганг первой клети прокатного стана;

3) построить теоретические основы оптимизации режимов энергосберегающего управления нагревом заготовок в печах проходного типа, включающих:

- комплекс математических моделей:

а) математическая модель оптимального управления нагревом металла, позволяющая сформировать траекторию оптимального нагрева непре-рывнолитых заготовок, находящихся в рабочем пространстве нагревательной печи и представленных в виде бесконечно протяженной непрерывной пластины;

б) математическая модель теплового состояния металла для определения температурного поля непрерывнолитой заготовки перед выгрузкой перед выгрузкой из нагревательной печи на приемный рольганг первой

клети прокатного стана для координации режимов нагрева и прокатки заготовок;

в) математическая модель процесса сжигания газообразного топлива в рабочем пространстве нагревательной печи, позволяющая определить соотношение газ-воздух в газовой горелке для получения максимального теплового эффекта от сжигания топлива; - методы и методики:

а) метод определения траектории оптимального управления нагревом непрерывнолитой заготовки, учитывающий технологические и конструкционные ограничения, накладываемые на процесс нагрева металла;

б) метод прогнозирования температуры металла после прокатки в черновой группе клетей перед выгрузкой заготовки на приемный рольганг стана по температурным параметрам поверхности нагреваемой заготовки и огнеупорной кладки рабочего пространства нагревательной печи;

в) методика определения значений сопряженных переменных в задаче оптимального управления;

г) методика прогнозирования и коррекции времени нагрева заготовки в нагревательной печи, позволяющий определить время нагрева заготовки в момент загрузки заготовки в нагревательную печь и корректировать это время с учетом возникновения незапланированных простоев прокатного стана;

д) методика формирования последовательности работы контуров в процессе оптимального управления сжиганием топлива, позволяющая в соответствии с рациональной характеристикой группы горелочных устройств в отапливаемой зоне нагревательной печи определить моменты включения стабилизирующего и оптимизирующего контура двухкон-турной системы автоматической оптимизации процессом сжигания газообразного топлива;

4) разработать алгоритмы и способы для практической реализации режимов энергосберегающего управления нагревом заготовок в печах проходного типа для условий крупного металлургического предприятия, включающих:

- алгоритм определения оптимальной траектории нагрева непрерывноли-той заготовки с учётом накладываемых на процесс нагрева технологических ограничений и ограничений на управляющее воздействие;

- алгоритм работы системы оптимального управления процессом нагрева заготовок в нагревательной печи определяющий последовательность поэтапного исполнения процедур для формирования управляющих воздействий на исполнительные устройства;

- алгоритм работы двухконтурной системы автоматической оптимизации процессом сжигания газообразного топлива в рабочем пространстве для получения для получения максимального теплового эффекта от сжигания топлива в условиях нестационарности процесса нагрева металла в нагревательной печи;

- способ программно-инструментального контроля теплового состояния заготовок перед выгрузкой на приемный рольганг стана по температурным параметрам поверхности нагреваемой заготовки и огнеупорной кладки рабочего пространства нагревательной печи;

- способ построения системы автоматической оптимизации процессом сжигания газообразного топлива;

- способ исследования эффективности энергосберегающих режимов нагрева путем физического моделирования на экспериментальной установке.

5) выполнить оценку эффективности использования оптимальных режимов энергосберегающего управления нагревом заготовок в печах проходного типа на основе производственных технико-экономических показателей и результатов физического моделирования на экспериментальной установке.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является автоматизированная система управления режимами нагрева непрерывнолитой заготовки в проходных нагревательных печах ШСГП. Предметом исследования работы является информационное, математическое и программное обеспечения распределенной автоматизированной системы управления процессом нагрева заготовок в печах ШСГП.

Методы исследования. В диссертационной работе проведены исследования с использованием методов: теории оптимального управления для опреде-

ления траектории оптимального нагрева непрерывнолитых заготовок; экстремального регулирования для разработки системы автоматической оптимизации процессом сжигания газообразного топлива; математического анализа и вычислительной математики при решении дифференциальных уравнений, описывающих динамику процессов нагрева; математической статистики для обработки экспериментальных данных.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

- комплекс математических моделей для описания теплового состояния непрерывнолитой заготовки и управления нагревом металла, отличающиеся дополнением в состав модели квадратичного функционала с требованием минимизации затрат энергии, наличием соотношений между температурами футеровки по зонам нагревательной печи и температурами поверхности и геометрического центра заготовки и использованием эмпирических зависимостей рационального коэффициента избытка воздуха от расхода газа для плоскопламенных горелок;

- методы для определения траектории оптимального управления нагревом непрерывнолитой заготовки и прогнозирования температуры раската заготовки после черновой группы клетей прокатного стана, отличающиеся от ранее известных тем, что позволяют оперативно учитывать технологические и конструкционные ограничения, накладываемые на процесс нагрева непрерывнолитой заготовки, и производить оценку температуры раската для заготовки, находящейся в нагревательной печи при нестационарной работе прокатного стана, используя инструментальный контроль параметров процесса нагрева;

- методика определения значений сопряженных переменных в задаче оптимального управления, отличающейся тем, что используется критерий поисковой оптимизации, определяющий направление поиска в зависимости от конечных граничных условий задачи теплообмена;

- методика прогнозирования и коррекции времени нагрева заготовки в нагревательной печи, отличающаяся от ранее известных тем, что прогнозирование времени нагрева каждой заготовки осуществляется на момент ее загрузки в нагревательную печь с учетом планируемой производитель-

ности прокатного стана, и в течении всего нагрева производится оперативная коррекция этого времени при возникновении незапланированных простоев;

- методика формирования последовательности работы структурных элементов системы автоматической оптимизации процессом сжигания топлива, отличающаяся тем, что используется дополнительные логические условия, предотвращающие формирования ложного сигнала реверса на исполнительное устройство при действии низкочастотных возмущений на объект управления;

- комплекс алгоритмов для практической реализации методов и методик по определению оптимальной траектории нагрева непрерывно-литой заготовки и оптимального управления процессом нагрева заготовок в нагревательной печи, которые отличаются от ранее известных возможностью формирования траектории нагрева из отдельных участков изменения управляемого параметра по действующим в данный момент времени ограничениям и определяющих последовательность работы подсистем, формирующих управляющие воздействия на исполнительные устройства топлива и воздуха по зонам нагревательной печи;

- способ построения системы автоматической оптимизации процессом сжигания газообразного топлива, отличающейся тем, что используются два контура управления и переключение между ними осуществляется в соответствии с заданной зоной работы этих контуров, определяемой по рациональной рабочей характеристики группы горелочных устройств в отапливаемой зоне нагревательной печи;

- способ программно-инструментального контроля температурного состояния заготовок перед выгрузкой, отличающийся тем, что позволяет произвести прогнозирование температуры раската после черновой группы клетей по тепловому состоянию заготовки перед выгрузкой из печи при стабилизации температуры поверхности локальным регулятором и контроле температуры кладки печи в зоне выдержки;

- способ исследования эффективности энергосберегающих режимов нагрева путем физического моделирования на экспериментальной установке,

отличающийся тем, что позволяет формировать оптимальные управляющие воздействия на нагревательный элемент и контролировать распределение температуры по сечению элемента заготовки в заданных, дискретно расположенных точках.

Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что реализация разработанных теоретических положений позволили:

- сократить расходы топлива на нагрев заготовок в нагревательной печи проходного типа перед прокаткой на 2,54 - 3,81 %;

- снизить количество внеплановых простоев ШСГП из-за выдачи на стан заготовки с недостаточным тепловым состоянием на 88 %;

- сократить затраты на газообразное топливо на 5,25 - 6,02 млн руб./год (в ценах 2018 года) на одну нагревательную печь ШСГП.

Реализация результатов диссертационной работы. Разработанные модели, методы, методики и алгоритмы прошли экспериментальную проверку на экспериментальной лабораторной стенде и в условиях ШСГП 2000,2500 листопрокатных цехов № 4,10 ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Результаты исследования успешно внедрены и используются ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» при построении системы автоматизированного управления нагревом заготовок в проходных нагревательных печах широкополосного стана горячей прокатки 2500.

Предложенные модели, методы и алгоритмы используются в учебно-методическом материале и применяются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» при изучении дисциплин: «Автоматизация технологических процессов и производств», «Комплексы технических средств в системах управления», «Современные проблемы в области управления», «Математическое моделирование объектов и систем управления», по направлениям подготовки 27.03.04, 27.04.04 — Управление в технических системах (уровень бакалавриата и магистратуры), «Современные методы автоматизации управления технологическими процессами и производствами», по направлению подготовки 09.06.00 -- Информатика и вычислительная техника (уровень аспирантуры).

Соответствие паспорту специальности. Проблематика, рассмотренная в диссертации, соответствует пунктам 3, 8, 10 и 18 паспорта научной специальности 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в металлургии) (п. 3. Методология, научные основы и формализованные методы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и производствами (АСУП), а также технической подготовкой производства (АСТПП) и т. д., п. 8. Формализованные методы анализа, синтеза, исследования и оптимизация модульных структур систем сбора и обработки данных в АСУТП, АСУП, АСТПП и др., п. 10. Методы синтеза специального математического обеспечения, пакетов прикладных программ и типовых модулей функциональных и обеспечивающих подсистему АСУТП, АСУП, АСТПП и др., п. 18. Средства и методы проектирования технического, математического, лингвистического и других видов обеспечения АСУ).

Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на международных научных конференциях: «Математические методы в технике и технологиях», (г. Санкт-Петербург, 2000); «На передовых рубежах науки и инженерного творчества», (г. Екатеринбург, 2000); «Энергосбережение на промышленных предприятиях», (г. Магнитогорск, 2000); «Автоматизированный печной агрегат - основа энергосберегающих технологий XXI века», (г. Москва, 2000); «Современная металлургия начала нового тысячелетия», (г. Липецк, 2001); «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии», (г. Москва, 2002); «Фундаментальные проблемы металлургии», (г. Екатеринбург, 2003); «Новые программные средства для предприятий Урала», (г. Магнитогорск, 2003, 2004); «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве», (г. Новокузнецк, 2003); «Алгоритмический анализ неустойчивых задач», (г. Екатеринбург,

2004); «Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях Российской Федерации», (г. Магнитогорск,

2005); «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике», (г. Оренбург, 2007); «Инженерная поддержка инновации и модернизации», (г. Екатеринбург, 2010); «Актуальные вопросы современной техни-

ки и технологии», (г. Липецк, 2011); «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», (г. Санкт-Петербург, 2011, 2012); «Diamond trading tour», (г. Варшава, 2012); «Актуальные проблемы автоматизации и управления», (г. Челябинск, 2013); «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии», (г. Оренбург, 2013); «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования», (г. Магнитогорск, 2004, 2007-2012 гг.); «Всероссийская научная конференция по проблемам управления в технических системах (ПТУС-2015)», (г. Санкт-Петербург, 2015); «Металлургия: технологии, инновации, качество», (г. Новокузнецк, 2015); «Пром-Инжиниринг»,(г. Челябинск, 2016, г. Санкт-Петербург, 2017, г. Москва, 2018); «Автоматизация (RusAutoCon)», (г. Сочи, 2018); на международной специализированной выставке «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции (HI-TECH)», (г. Санкт-Петербург, 2013).

В 2017-2019 гг. исследования выполнялись в рамках госзадания ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (№8.8900.2017/БЧ от 09.01.17).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 63 печатных работы, в том числе 22 работы в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК, 16 работ индексируется в базе Scopus, 3 монографии в соавторстве, получено 3 свидетельства о государственной регистрации программ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 310 страницах, включая 2 приложения на 6 страницах, библиографический список из 239 наименований.

В первой главе приводится теоретико-информационный анализ разработок в области построения и функционирования систем автоматизированного управления нагревом непрерывнолитых заготовок в печах проходного типа. Изложены технологические особенности нагрева, принципы реализации оптимального управления, определены цели и задачи работы.

Анализ конструктивных и технологических особенностей оборудования и процесса нагрева непрерывнолитых заготовок в проходных нагревательных печах, а также структуры АСУ ТП нагрева, и полученные результаты продемон-

стрировали необходимость разработки модулей для формирования и реализации оптимальных, с точки зрения удельных затрат топлива, режимов нагрева.

Выполнен онтологический анализ предметной области и определена базовая концепция диссертационной работы и её основные элементы, которая включает создание комплексных методов и средств построения системы оптимизации процесса нагрева заготовок в нагревательной печи по критерию минимизации затрат топлива нагрев на основе результатов обработки информации, полученной в ходе экспериментальных и теоретических исследований.

Во второй главе представлена математическая модель оптимального управления нагревом металла, позволяющая сформировать траекторию оптимального нагрева непрерывнолитых заготовок, с учетом зависимости теплофизи-ческих свойств стали от температуры. При решении этой задачи используется метод максимума Понтрягина. В главе рассматривается метод определения траектории оптимального управления нагревом непрерывнолитой заготовки, учитывающий технологические и конструкционные ограничения, накладываемые на процесс нагрева металла, а также методика определения значений сопряженных переменных в задаче оптимального управления.

В третьей главе разработана структура системы оптимального управления тепловой нагрузкой проходной нагревательной печи, включающая ряд подсистем. Взаимодействие отдельных подсистем определяется разработанным алгоритмом работы системы оптимального управления процессом нагрева заготовок в нагревательной печи, который обеспечивает эффективное энергосберегающее управление нагревом заготовок, предотвращение выдачи на стан заготовок с недостаточной температурой и обеспечивает устойчивость в переходных режимах. Приведены результаты экспериментальных исследований работы информационной системы программно-инструментального контроля состояния заготовок на выдаче при различных режимах работы нагревательной печи.

В четвертой главе проведено теоретическое обоснование системы оптимизации управления процессом сжиганием топлива, разработана математическая модель процесса, определены зависимости коэффициента расхода воздуха для каждой зоны нагревательной печи от расхода газообразного топлива через го-

релку, при котором обеспечиваются условия сжигания топлива с получением максимального теплового эффекта. Сформирована структура системы автоматической оптимизации процессом сжигания топлива и разработана методика формирования последовательности работы контуров в процессе оптимального управления сжиганием топлива в условиях действия внешних возмущений на процесс управления сжиганием. Выполнен вычислительный эксперимент и приведены результаты исследований работы системы автоматической оптимизации процессом сжигания топлива при наличии возмущений, формируемых другими контурами системы управления тепловым режимом зоны нагревательной печи.

В пятой главе разработан способ исследования эффективности энергосберегающих режимов нагрева путем физического моделирования на экспериментальной установке и приведены результаты экспериментального исследования эффективности нагрева в этих режимах. Приведены результаты исследований

^ ТЛ ^

характеристик нагревательных печей. В результате проведенных исследований разработана структура системы энергосберегающего оптимального управления реализованная на промышленной нагревательной печи ШСГП ПАО «ММК». Приведена оценка эффективности использования оптимальных режимов энерго сберегающего управления нагревом заготовок в печах проходного типа на основе производственных технико-экономических показателей

В заключении приведены основные результаты и выводы по работе. Приложения содержат акты опробования и внедрения результатов работы.

1 ТЕОРЕТИКО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ЗАГОТОВОК В ПЕЧАХ ПРОХОДНОГО ТИПА

В настоящее время мировое производство стали превышает 1,6 млрд. т стали в год. В России в 2018 году производство составило 71,3 млн. т стали [1], показывая в последние 10 лет стабильный рост [1,2]. Наибольший удельный вес в торговом сортаменте металлопродукции занимают полуфабрикаты и горячекатаный лист. Из общего объема производимой стали 45,7% перерабатывается в листовой прокат [3].

Производство листового горячекатаного проката на современных металлургических комбинатах осуществляется, как правило, в листопрокатных комплексах «печи - стан», включающих печи для нагрева металла и непосредственно прокатный стан с черновой и чистовой группами клетей. Подобные технологии, как правило, предусматривают в своей технологической цепочке использование нагревательных печей проходного типа, которые обладают высокой производительностью, широким спектром возможностей для нагрева металла различных марок стали, достаточно простой интеграцией и адаптацией для различных технологий производства, а также возможностью комплексной автоматизации, включая системы автоматического слежения и оптимального управления [4].

Похожие диссертационные работы по специальности «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», 05.13.06 шифр ВАК

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Андреев Сергей Михайлович, 2019 год

г /

7

Л» \

401

200

н и

150

100

50

а н а т о

X

я о т о

о р

Я

ы

з

8? П

451

Рисунок 3.7 - Сравнительный анализ прогнозируемого времени нагрева и фактического (Тр, Тр - расчетное и фактическое время нагрева, тш -планируемое время простоя на ремонт)

Одновременно на рисунок 3.7 отражены (линия Т2м ) продолжительности плановых прогнозируемых остановок стана для каждой нагретой в печах заготовки. Регламентируемое время перевалки рабочих валков составляет 25 мин, а опорных валков от 40 мин до нескольких часов в зависимости от сложности выполняемой работы. Значительная часть (55%) нагреваемых заготовок в анализируемый период работы стана попала под одну перевалку. Часть заготовок (45%) нагревалась в печах без остановки стана.

0

1

Частотное распределение отклонений фактического времени нагрева от прогнозируемого А = Тр — Тр в период проведения исследований представлено на рисунок 3.8.

50%

40%

\0 О4

I 30%

п о н о

(-Н

ев

£ 20% ч о ЕД

10%

0%

-12 -8 -4 0 4 8 12

Величина отклонения расчетного прогнозируемого времени нагрева Тн от фактического ТН, мин (Л=тНН - тН )

Рисунок 3.8 - Частотное распределение заготовок по величине отклонения расчетного времени нагрева от фактического (457 заготовок)

Практически все (97,4%) величины отклонений лежит в диапазоне ±12 мин. Из них 90,4% отклонений лежит в пределах ±4 мин. Ошибка прогноза составляет ±2 — 3% при изменении продолжительности нагрева от 140 до 195 мин.

Этого вполне достаточно для достоверного оперативного прогноза времени нагрева заготовки и позволит производить расчет оптимальной траектории нагрева заготовки в момент посада этой заготовки в нагревательную печь.

3.3 Метод определение качества нагрева заготовок на выходе из

нагревательной печи

Для обеспечения гарантированного качества нагрева металла перед прокаткой при функционировании системы энергосберегающего оптимального управ-

ления нагревом металла в проходных печах, минимизирующих затраты топлива на нагрев, возникает необходимость создания системы, обеспечивающей автономный объективный и достоверный контроль теплового состояния заготовок перед выгрузкой из печи. Необходимость такого контроля вызвана прежде всего тем, что стратегия оптимального энергосберегающего режима нагрева металла увеличивает опасность выдачи на стан заготовок с недостаточным тепловым состоянием, что может привести к остановки стана и ожидании нагрева заготовок в нагревательной печи.

Для практических целей обычно считают достаточным определение двух числовых характеристик температурных полей заготовок: температуру поверхности металла и наибольший перепад температур по сечению заготовки. Между тем, если температуру поверхности нагреваемой заготовки можно измерить с определенной точностью с помощью типовых, современных технических средств, то перепад температуры по сечению, как и само распределение температуры, недоступны для прямого измерения.

Использование данных по начальному тепловому состоянию нагреваемых заготовок и времени пребывания заготовок в зонах нагревательной печи для формирования уставок температуры по зонам методической печи, как предложено в [156] позволяет производить управление температурой в зонах при равномерном темпе прокатки и отсутствии возмущений, связанных с резким изменением теплового состояния или возникновением аварийных простоев.

Из-за нерегулярности тепловых режимов математическое моделирование процесса теплопередачи в массивных заготовках не решает полностью проблему оценки качества нагрева. Хотя модель нагрева и дает предварительную информацию о тепловом состоянии заготовок в любой момент времени, но достоверность этой информации может быть проверена лишь после того, как заготовка была прокатана в черновой группе клетей, и измерена температура раската. Температура раската является пока основным контролируемым параметром, по которому можно объективно оценить качество нагрева заготовки.

Но метод оценки теплового состояния заготовки по температуре раската обладает запаздыванием, так как объективная информация о тепловом состоянии заготовок требуется до того, как заготовка будет выдана из печи. В противном

случае выдача на стан заготовки с недостаточным тепловым состоянием может привести к возникновению брака, нарушению нормальных режимов работы прокатного оборудования, что в свою очередь ведет к его поломке и простоям стана.

Подобный недостаток имеет метод оценки качества нагрева заготовок и управления тепловым состояние зоны нагревательной печи описанный в патенте РФ №2337293 [157], согласно которому предлагается корректировать температурное состояние металла и величин заданий регуляторам температуры по зонам нагрева по изменению усилий прокатки в первых черновых проходах заготовки.

Поэтому вызывает интерес нахождение и реализация таких функциональных зависимостей, которые связывали бы характеристики температурных полей и величин, доступных для прямого измерения, с величинами, характеризующими распределение температур по сечению нагреваемой заготовки.

На возможность получения и реализации таких зависимостей было указано в работе [218], где Парсункиным Б.Н. совместно с Панферовым В.И. было получено уравнение, позволяющее с помощью простых технических средств автоматизации организовать косвенный контроль прогрева металла по сечению перед прокаткой.

Теоретическое обоснование возможности определения таких зависимостей было проведено в работах [219-224]. Панферовым В.И. были исследованы режимы нагрева металла в период выравнивания их температуры по сечению и получены уравнения, которые позволяют осуществлять контроль теплового состояния заготовки при одном из условий:

1) при постоянной температуре печи [219];

2) при нулевом тепловом потоке на поверхность [223];

3) при постоянной температуре поверхности [222].

Реализация первых двух режимов в производственных условиях обуславливается рядом сложных, и иногда неразрешимых технических трудностей. Так, реализация режима выдержки металла при нулевом тепловом потоке на поверхность, из-за отсутствия на сегодняшний день аттестованных надежных стационарных средств измерения теплового потока не может быть проведе-

на в промышленных условиях. Кроме того, проведенные измерения тепловых потоков на поверхности металла в различных точках печи показывают, что величина теплового потока изменяется не только по длине печи, но имеет существенную неравномерность и по ширине печи.

Наиболее приемлемым способом построения системы контроля качества нагрева металла является способ при соблюдении условия постоянства температуры поверхности металла. Реализация такой системы контроля качества нагрева заготовок с использованием простых аналоговых вычислительных устройств рассматривалась в работе [218]. Однако, недостатком предложенной системы контроля является трудность ее интеграции в существующие современные цифровые системы АСУТП нагрева металла, а также невозможность проведения автоматической адаптации системы контроля к реальному процессу. Кроме того, внедрение подобных систем расчета качества нагрева металла на действующих печах сталкивается с рядом трудностей, разрешение которых представляет сложную техническую проблему. До последнего времени основные трудности при технической реализации систем контроля качества нагрева возникали по следующим причинам:

- из-за сложности обеспечения измерений контролируемого параметра с необходимой для целей расчета точностью;

- из-за отсутствия доступных технических средств, пригодных для работы в условиях промышленного производства и способных производить сложные математические расчеты.

Появление, в последнее время, высокоточных пирометров (например ИК-пирометр выпускаемый Екатеринбургским институтом автоматики и оптоэлек-троники), а также использование современных микропроцессорных технических средств позволяет более эффективно решать поставленную задачу.

Следует отметить, что стратегия энергосберегающего оптимального управления нагревом заготовок обуславливает на заключительном интервале заданного времени нагрева стабилизацию (выход на ограничение) температуры поверхности металла, поэтому необходимости в использовании каких-то дополнительных приборов контроля не требуется. Используя данную особенность оптимального энергосберегающего нагрева заготовки разработан метод

прогнозирования температуры раската заготовки на промежуточном рольганге прокатного стана. Суть метода состоит в том, чтобы произвести прогноз величины температуры раската по величине теплового состояния заготовки с учетом коррекции, определенной по измеряемым параметрам процесса.

Так как изменение температурных полей в период выдержки составляет относительно небольшую величину, то ограничимся рассмотрением симметричного нагрева массивного тела полностью линеаризованным уравнением теплопроводности (2.1).

Граничные условия при соблюдении условия постоянства температуры поверхности металла запишем как условия 1-го рода

t(S,т) = ^ = соиБр (И(0,т)

0,

(3.21)

где ts - температура поверхности в период выдержки.

Принимая распределение температуры по сечению сляба в начальный момент периода выдержки по параболе второго порядка, можно записать начальное условие в виде

^х,0) = ^(х) = to0 + (ts - to0) • (X)2,

(3.22)

0

где ^ - температура центра в начальный момент периода выдержки.

Решение уравнений (2.1), (3.21), (3.22), согласно данным работы [108] представляется следующим образом

4 • (-1)ж

^х,т) = ts + (to0 - ts) • £ —

-3

х

cos • exp s

( -2 •а • Л V s2 У

(3.23)

где

= (• =1,2,3 ...).

(3.24)

Определим тепловой поток, требуемый для выравнивания температур в период выдержки при постоянной температуре поверхности. Для этого, определив градиент температуры дt/дx из решения уравнения теплопроводности

(3.23) и подставив затем 5 вместо х, получим для пластины

8'

а = -АдХ

- - 'О) А £ ¿2 ■ »Р (. (3.25)

х = 5 4 Э—- а-

1 = 1 1

Выразив '0 из (3.25) и подставив в (3.23), получим

а ■ 5

'(х,т) = 'Э--^-;---г х

4 I <П-а-

^ / 2 \ А-Е^42-ехр ^) 1=1 1 4 7

^ 4 ■ (—1)1+1 х (а2- а■ т\

—а—С05 ехЧ—■

(3.26)

Результирующий тепловой поток Р на поверхность пластины можно определить из модели внешнего теплообмена, которая, как предложено в работе [218], представляется в лучисто-конвективной форме и для расчета используется следующее уравнение

0 = ар

\т) \ юоу

+ ак- ('р - 'з), (3.27)

где 'р - температура греющей среды, °К; ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2 ■ К); ар - приведенный коэффициент излучения который рассчитывается по формуле В.Н. Тимофеева, (1.4).

При этом предполагается, что источник излучения «греющая среда» имеет равномерное распределение плотности потока по всему спектру излучения. Но использование такой, так называемой серой модели излучения для расчета внешнего теплообмена в печах, является не совсем корректным в силу селективности излучения газов, футеровки и металла. Учет ошибок в расчетах вносимых селективными свойствами [216,225] можно производить за счет введения зависимости коэффициента черноты результирующего источника излучения от температуры греющей среды и номера зоны печи, где в данный момент находиться заготовка, то есть еР = I('р,Ы). Подбор коэффициента степени черноты результирующего источника излучения может быть проведен с помощью аппроксимации фактических данных, полученных последовательными измерениями ручным пирометром через смотровые окна печи.

4

Экспериментально установлена зависимость интегральной степени черноты от температуры для томильной зоны методической печи стана 2000 ГП ПАО «ММК», график которой приведен на рисунке 3.9.

Температура, 0С

Рисунок 3.9 - Зависимость интегральной степени черноты греющей среды для томильной зоны печи №1 стана 2000 ОАО «ММК» в зависимости от

температуры

Таким образом, результат расчета теплового потока по формулам (3.27), (3.28) после подстановки в (3.26) позволит выразить разность между температурой поверхности и центра. Положив x = 0, получим следующее выражения для расчета разности температур между поверхностью и центром нагреваемой заготовки

At = ts - to =

ар •

(ioo) (100)

4'

+ ак • (tp - ts)

S

x

E

i=1

/ 2 \

A •E 02eXP (-i=1 i v 7

4(-1)i+1 ____ x а2 • a • т^

(3.28)

а3

• cos ai • — • exp s

или в общем виде полученную формулу можно записать

At = ^ ■ Ф, (3.29)

где Е - функция для температур печи и теплового потока при постоянной температуре поверхности и зависящая от а, т и S; Ф - функция для пластины при постоянной температуре поверхности.

Значение функции Ф(ат^2; х^) представляет собой относительную температуру [21,108] и эта функция, рассчитанная для х = 0, при различных значениях критерия Фурье Ф0 = aт/S2, изображена на рисунке 3.10 под цифрой 1.

Рисунок 3.10 - Значение функций: 1 - Ф(ат^2; х^) при х = 0 для центра пластины при постоянной температуре поверхности; 2 - Е(ат/S2) для температуры печи и теплового потока при постоянной температуре поверхности; 3 - и (ат/S2) отношение функций

Функция Е (ат/S2) связывает температуру греющей среды с тепловым потоком от поверхности пластины к центру при соблюдении постоянства температуры поверхности. Значение функции Е(ат/S2) при различных значениях критерия Ф0 показано на рисунке 3.10 под цифрой 2. Отношение функции

Ф(ат/52; х/5) при х=0 к функции Р(ат/52) рассчитывается по формуле (3.30) и показано на рисунке 3.10 под цифрой 3.

и (ОН) = Ф(ат/52;х/5) (3 30)

и V 52 У Р(ат/52) ■ ( )

Анализ функций Ф(ат/52; х/5) и Р(ат/52) показывает, что по мере удаления от начального момента времени т = 0, иначе говоря, по мере увеличения критерия Фурье Ф0, каждый последующий член ряда, начиная со второго, уменьшается и, наконец наступает такой момент или такое значение критерия Фурье, когда все последующие члены ряда становятся настолько малыми по сравнению с первым членом ряда, что им в решении можно ограничится без большой погрешности [108]. Такой тепловой режим является регулярным или установившимся режимом.

В этом случае

4

Ф(1) = — exp(-а2aт/S2), (3.31)

а1

Р (1) = 42ехр(-а2ат/52). (3.32)

а21

Отношение этих функций

Ф(1) 1 2 и (1) = - = - ■ (3.33)

Р (1) а1 п

Как видно из графика рисунка 3.10, значение функции и (ат/52) при увеличении критерия Фурье стремиться к 2/п.

Можно считать, что регулярный режим для пластины наступает при Фо = ат/52 ^ 0,3 или при т ^ 0,3(52/а). Погрешность при этом составляет не более 1% [108]. Выражение для определения перепада температур по сечению в установившемся режиме можно записать

2-

А' = —■ (3.34)

п ■ А

Указанное упрощение (ограничение лишь первым членом ряда) значительно облегчает расчет в области регулярного режима. При расчетах по формуле (3.28) значение коэффициента черноты поверхности металла принималось равной постоянной величине ем = 0,8, угловой коэффициент излучения футеровки на тепловоспринимающую поверхность ф = 0,7.

Для оценки теплового состояния нагреваемых заготовок также часто используется среднемассовая температура металла, которую можно вычислить путем интегрирования выражения (3.21)

s

Г 2 1

tм (т) = у Е (х,т) = 3 • *0 (т) + 3 • ts (т). (3.35)

0

Использование системы контроля качества нагрева позволяет исключить случаи выдачи на стан непрогретых заготовок и повысить качество нагретых заготовок выдаваемой на стан из нагревательной печи.

3.4 Информационная система программно-инструментального контроля теплового состояния заготовок на выдаче из методической печи

Для определения качества нагрева непрерывнолитых заготовок в методических печах считается достаточным определение перед выдачей из печи двух параметров: температуры поверхности заготовки ts и перепада температур по сечению заготовки At = ts — ^ , где ^ - температура центра заготовки при двустороннем нагреве.

В связи с этим необходимо определить комплекс программно-инструментальных средств для контроля текущего теплового состояния заготовок на основе таких величин, которые позволят во-первых, автоматизировать операцию расчета теплового состояния заготовок, выдаваемых на стан, во-вторых, по результатам оценки теплового состояния заготовок на выдаче из печи будет возможность автоматизировать процесс адаптации математической модели расчетного контроля теплового состояния заготовок и корректировать режимы нагрева на заключительной стадии перед выдачей заготовок на стан.

Техническая реализация метода, основанного на соблюдении постоянства температуры поверхности нагреваемой заготовки при одновременном измерении температуры греющей среды (рабочего пространства) [218] позволяет создать информационную систему программно-инструментального контроля теплового состояния заготовок на выдаче из методической печи с возможностью проведения коррекции теплового состояния заготовок перед выдачей из нагревательной печи [207,226-229].

Техническая реализация системы контроля теплового позволит решить следующие проблемы.

1. Обеспечить выполнение операций расчета теплового состояния (средне-массовой температуры и ожидаемой температуры раската) перед выдачей из методической печи каждой очередной заготовки.

2. По результату полученной оценки теплового состояния очередной к выдаче на стан непрерывнолитой заготовки обеспечить возможность адаптации используемой математической модели для прогнозирования ожидаемого расчетного значения температуры раската этой заготовки.

3. Обеспечить в дальнейшем возможность корректировать энергосберегающий режим нагрева на заключительной стадии перед выдачей из печи очередных заготовок [189,227].

Структурная схема программно-инструментального контроля качества нагрева металла, реализованная на методической печи №6 стана 2500 ПАО

«ММК», представлена на рисунке 3.11. -

РО

Топливо

—С; ^ Горелка

Термопара (ДТС)

.Пирометр 1 (ДТМ)

11Н1Н1Н1ПП

РК-131

БП

ПРЦ

Пирометр 2 (ДТР)

Станция оператора

Черновая группа клетей

Модуль аналогового ввода вывода (УСО)

Модуль интерфейсной связи

Рисунок 3.11 - Структурная схема системы контроля качества нагрева

металла

В функции реализованной системы входят:

1) контроль и визуализация основных текущих параметров нагрева заготовок с заданной дискретностью отсчета: расходы природного газа на все зоны

методической печи У^~ъ(т); расходы воздуха на верхние зоны V^'3'5(r); темпе-

i 3 5

ратуры поверхности металла в верхних зонах - ts' ' (т); температуры рабочего пространства нижних зон и томильной зоны - tp' 4 ' 5(т) ; измеренные температуры раската заготовок после черновой группы клетей tR;

2) определение температурного состояния очередной на выдачу заготовки из печи;

-л \ w __w

3) расчет и визуализация среднемассовой температуры очередной перед выдачей заготовки;

4) расчет и визуализация прогнозируемой температуры раската очередной перед выдачей из печи заготовки.

Система включает следующие элементы. Датчик температуры греющей среды ДТС, в качестве которого использована термопара типа гр. ТПП, установленная в боковой стене печи на 300 мм выше уровня нагреваемого металла. Датчик температуры поверхности металла ДТМ, в качестве которого использован пирометр полного излучения типа ТЕРА-50, установленный в боковой стене печи и свизированный на поверхность заготовки.

Сигналы с ДТС и ДТМ через нормирующие преобразователи поступают на входные цепи устройства связи с объектом (УСО) микропроцессорного контроллера (Ремиконт РК-131). УСО осуществляет преобразование входных аналоговых сигналов в цифровую форму.

Кроме параметров, необходимых для расчета теплового состояния заготовки ts(т) и tp(т) в пятой зоне, системой контролируются контролируется действительная температура раската каждой заготовки, выдаваемой из каждой печи. Анализируя последовательность выдачи заготовок из всех печей стана определяется принадлежность каждой заготовки, прокатываемой в текущий момент в черновой группе, к номеру печи, в которой происходил её нагрев.

В качестве вычислительного устройства был выбран микропроцессорный контроллер РК-131 с модулями аналогового ввода МАС. Общее число аналоговых сигналов составляет - 16. Микропроцессорный контроллер осуществляет управление устройствами ввода (аналого-цифровыми преобразователями), ин-

терфейсной связи с ЭВМ по последовательному каналу, а также производит первичную обработку данных (фильтрацию, линеаризацию, и т.д).

Процессорный модуль контроллера (ПРЦ) считывает цифровые сигналы и по заданной программе организует расчет перепада температур по сечению нагреваемой заготовки. Вся информация, формируемая ПРЦ передается в последовательный радиальный канал контроллера. Из последовательного канала информация по физическому протоколу Я8-232С передается в ЭВМ управления нагревом металла. ЭВМ оператора поста управления выполняет роль локального узла АСУ ТП нагревом металла. Далее информационный сигнал может быть передан в систему управления нагревом металла или на центральную ЭВМ по сетевому каналу связи.

Функциональная схема автоматизации информационной системы программно-инструментального контроля теплового состояния заготовок на выдаче из методической печи приведена на рисунке 3.12.

Для визуальной оценки теплового состояния методической печи и заготовки на выдаче разработана программа визуализации основных технологических параметров нагрева, вид которой показан на рисунке 3.13.

Данные параметры совместно с расчетным значением теплового состояния заготовки перед выгрузкой - температура центра и среднемассовая, выводимые на монитор, позволяют технологическому персоналу оперативно оценивать тепловое состояние нагревательной печи и нагретых заготовок, находящихся в состоянии перед выгрузкой. Кроме того, технолог может оценить нагрев заготовок в текущей печи по сравнению с другими печами.

Использование разработанной системы контроля качества нагрева металла перед прокаткой позволит контролировать качество нагрева металла и исключить случаи выдачи на стан заготовки с недостаточным для проведения операций обработки металла давлением температурой.

газ

РАСКАТ НА ПРОМЕЖУТКЕ

© ■»Г д © 12 1 Ж

газ \2а/ -ф1

ТЕ 6а .

15

10

11

12

13

14

15

и)

Температура поверхности металла по зонам

Температура

рабочего пространства в 5-ой зоне

Температура раската на промежутке

Рисунок 3.12 - Функциональная схема автоматизации информационной системы программно-инструментального

контроля теплового состояния заготовок на выдаче из методической печи

'¿ГКонтрмь теггаыэго мстсяшя мготоки на тывдч«

ЩЩ

Ср. масс. т-ра

!2#4 С

Раскат на промежутке

1®№С

3

в

т

Рисунок 3.13 - Вид экрана на технологическом мониторе рабочего места

технолога-оператора (нагревальщика)

3.4.1 Результаты экспериментальных исследований режимов работы методических печей прокатного стана для реализации программно-информационной системы контроля качества нагрева

металла перед прокаткой

Для обоснования возможности реализации разработанной системы программно - инструментального контроля теплового состояния заготовок на участке нагревательных печей стана 2500 ГП ПАО «ММК» было проведено исследование режимов работы печей.

Особенностью работы пятизонной толкательного типа, отапливаемой природным газом методической печи №6 стана 2500, является двусторонний нагрев непрерывно-литых заготовок толщиной 250 мм практически холодного

посада при активной длине рабочего пространства не превышающей 29 м и максимальном удалении от прокатного стана.

Технологический режим работы стана 2500 характеризуется значительной неравномерностью по производительности. Изменение количества заготовок, прокатанных за один час работы стана, в течение суток представлено на рисунке 3.14.

60

50

!- 40

О «

о н

|з°

о «

н о

(D

S 20

ч о Ы

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Время, ч

Рисунок 3.14 - Часовая производительность стана (а), количество заготовок

(б) в течение суток

0

Количество заготовок, прокатанных за один час, колеблется от 14 до 54, что приблизительно соответствует изменению производительности стана от 180 до 700 т/ч. Основными причинами неритмичной работы стана являются плановые остановки на перевалки и отсутствие металла на складе и довольно редко остановки по причине отсутствия нагретого металла. В среднем стан прокатывает 34-36 заготовок в час или 480 т/ч, что составляет 11-11,5 тыс. тонн в сутки при наличии металла.

Распределение периодов выдачи заготовок представлено на рисунке 3.15. Анализ полученных данных показывает, что в 93% случаев интервал времени выдачи между очередными заготовками из печи не превышает 100 с.

350

300

250'

200

150

100

50

(43,41%) 359

<50 сек

(36,15%) 299

(13,3%) 110

У.'/.'.'.'."/.'..'.'.'.'.'.','.'.

(3%)

51-75 сек 76-100 сек

Диапазон времени выдачи

101-125 сек

(4,05%)

25

>126 сек

Рисунок 3.15 - Распределение интервалов (периодов) выдачи заготовок из печей стана 2500 в течение суток (при работе стана)

0

Для измерения температуры рабочего пространства в томильной зоне была установлена термопара градуировки ТПП примерно на одном уровне с датчиком температуры поверхности нагреваемой заготовки по длине рабочего пространства печи.

На расчетное определение текущего температурного состояния очередной заготовки по предложенному методу оказывает заметное влияние тепловой режим в томильной (пятой) зоне печи. Поэтому было проведено исследование реальных особенностей управления температурным режимом в этой зоне. Особое внимание при исследовании было уделено соблюдению условия постоянства заданного значения температуры поверхности нагреваемой заготовки и выявлению причин, нарушающих соблюдение этого необходимого условия.

В процессе исследования фиксировались во времени следующие параметры: температура рабочего пространства (т) (греющей среды); расход газа в томильную зону Уо(т); расход воздуха в томильную зону УА(т); соотношение газ-воздух Уд(т)/Уо (т) ; температура поверхности нагреваемой заготовки ^ (т); продолжительность периода времени между выдачей очередных заготовок из печи твс. Хронометраж основных параметров процесса нагрева при равномерном режиме работы стана с производительностью от 560 до 620 т/ч и одной перевалкой показан приведен на рисунке 3.16.

то о

Оу

к ■с

то

то §

а то ■с к

о то

о то

к

ж о

о\

иг

то

^ £ 0\ 5

то

й ж й

о

ж к то

о то ж о

ж

с

¡К §

ж

I §

^ то

05 к

0 О4

1

то ж к

а

I

то

к ^ ^

й 05

Ж

р

о

05

к®

Ж

о ^

й

о\

о

то то

й ж й

то

о

Оу

ж к

I й ж о

05 С

ТО

I

о

05

О

Оо

о ^

то

I

с

ж о

о

со О

ж

с

о 1_

и

П) Ьа

К Я

ы>

сл

о

о чо

о

о

чо

00

о

сл

о о

о

Расход газа, м /ч;

-5 1

Расход воздуха, м /ч хЮ" Период выдачи на стан, с

ю о

чо о

о

чо о

Температура, °С

¿И

Некоторое увеличение производительности до максимальной наблюдалось за один час до перевалки, и объясняется высадкой метала перед плановым простоем стана.

Распределение средней температуры раската (после черновой группы стана), выданных из печи №6 представлено на рисунке 3.17.

45 40 35

и 30 о 30 ш о н

2 25

20 15 10

42

17

37

0

1040-1050 1050-1060 1060-1070 1070-1080 1080-1090 1090-1100 1100-1110 1110-1120 1120-1130

Диапазон температур

Рисунок 3.17 - Распределение средних температур раската заготовок, выданных из печи №6 стана 2500 за сутки

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.