Файл: Круашвили, З. Е. Автоматизированный нагрев стали.pdf

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

ратуры отходящих газов при изме­ нении производительности:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Дальнейшее усовершенствование каскадных схем происходило в направлении определения и измерения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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