автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование энергосберегающего режима нагрева заготовок металла в методических печах широкополосных станов

Введение.

Глава 1. Характеристики технологического процесса и постановка задачи.

1.1 Место нагревательных печей в технологии горячей прокатки.

1.2 Требования к режимам управления методическими печами.

1.3 Обзор существующих способов управления нагревом слябов в методических печах.

1.4 Существующие режимы работы современных методических печей.

1.5 Постановка задачи и цели исследования.

Глава 2. Информационное обеспечение заготовок при нагреве металла в методических печах.

2.1 Система слежения за потоком металла на печном участке.

2.2 Определение температурного состояния заготовок в ходе процесса нагрева.

2.3 Описание необходимых исходных данных и выполнение расчетов по математическому описанию процесса нагрева.

2.4 Реализация информационного обеспечения заготовок при нагреве металла в методических печах.

Основными затратами на передел в цехах горячей прокатки, определяемыми выбором технологических режимов работы нагревательных печей, являются стоимость металла, потерянного с окалиной и ушедшего в угар, стоимость топлива, израсходованного на нагрев, стоимость электроэнергии, расходуемой на прокатку, а также стоимость ремонта оборудования. Экономия газа при нагреве металла является основным направлением снижения расходов энергии. Эта проблема становится особенно актуальной, поскольку пламенные нагревательные печи потребляют примерно 10% топлива, расходуемого в черной металлургии [1]. Кроме того, в настоящий момент горячая прокатка потребляет почти 30% горючих газов, являясь более крупным потребителем, чем доменное производство и энергетика [2].

В металлургическом производстве для нагрева стали перед прокаткой широкое распространение получили методические печи различной мощности и конструкции, что связано с увеличением доли непрерывно-литого металла. Нагревательные печи относятся к основному оборудованию прокатных цехов. От их работы в значительной степени зависят объем, качество и экономичность производства проката. В большинстве случаев ошибки, возникающие при нагреве металла, уже не могут быть исправлены. Проявляясь на последующих переделах, эти ошибки приводят к снижению выхода годной продукции. Являясь начальным звеном технологической линии прокатного производства, работа нагревательных печей во многом зависит от ритма работы прокатного оборудования, наряду с этим они сохраняют особенности, присущие всем теплотехническим агрегатам. Поэтому при разработке методов рационального нагрева металла необходимо решать не только задачи, связанные с теплотехническими и технологическими проблемами, но и задачи связи ритма работы прокатного оборудования с основными параметрами теплового режима печей.

В условиях нагрева заготовок с переменными геометрическими и теплофизическими параметрами, а также при переменном темпе выдачи заготовок из печи, получение требуемого качества нагрева заготовок возможно лишь при эффективном управлении работой участка нагревательных печей. Существовавшие ранее системы управления нагревательными печами обеспечивали лишь стабилизацию некоторых отдельных параметров теплового режима работы печей, таких как температура в зонах нагрева, соотношение расходов топлива и воздуха и давления в рабочем пространстве печи. В этих системах задания локальным регуляторам указанных параметров устанавливались вручную нагревальщиком печи, исходя из его опыта, что подчас в условиях напряженной работы стана приводило к субъективным ошибкам. При этом возникали недогрев заготовок, перерасход топлива, значительное окалинообразование и другие нарушения.

Проблемы управления нагревом металла стали особенно актуальными в связи с распространением высокопроизводительных прокатных станов и все более повышающимися требованиями, предъявляемыми к качеству нагрева металла. Быстрый технический прогресс, развитие теории управления нагревом и успехи в области ее практического применения связаны с изменением в подходе к решению этих задач. Изменение заключается в том, что система управления не только должна удовлетворять определенным требованиям, но и быть оптимальной по отношению к выбранному критерию. В качестве критерия может выступать минимизация расхода топлива, снижение окалинообразования, увеличение производительности и другие.

Основное время печи работают в переходных режимах, вызванных изменением сортамента, марки нагреваемых заготовок и темпа их выдачи. В этих условиях нагревальщик даже обладающий большим опытом работы, не в состоянии в течение всей рабочей смены обеспечить рациональное (не говоря уже об оптимальном) управление. Кроме того, следует учесть, что стан обслуживают несколько печей и необходимо обеспечить идентичный нагрев заготовок в отдельных печах и согласовать их работу между собой.

За последнее десятилетие наметился существенный разрыв в энергоемкости производства проката в России по сравнению с другими странами. Анализ работы зарубежных станов горячей прокатки показывает, что затраты энергоресурсов, в частности расход газа, можно снизить в 1.5 - 2 раза. Существенное снижение затрат тепловой энергии за рубежом обеспечивается использованием следующих мероприятий [3]:

1) переход на нагрев, не остывших от предыдущего передела, горячих или теплых заготовок;

2) снижение требуемых температур нагрева для прокатки;

3) применение современных микропроцессорных систем оптимального управления тепловым режимом.

Реализация первых двух мероприятий требует проведение существенных дорогостоящих работ по совершенствованию производственного процесса. Эффективным методом снижения затрат на нагрев и прокатку металла, улучшения качества продукции и повышения производительности является внедрение автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) нагрева металла, реализующей оптимальные режимы работы технологических агрегатов (печей). Внедрение АСУТП является также необходимой предпосылкой для создания интегрированной системы управления прокатным цехом и создания единой технологической цепочки по выплавке - прокатке стали. Объединение в общее информационное пространство смежных цехов и переделов позволит на качественно новом уровне решать задачи по оптимизации работы отдельных участков.

Следует отметить, что оптимальные (с точки зрения минимума затрат на передел) режимы нагрева ввиду своей сложности не могут быть реализованы с помощью традиционного оборудования контрольно-измерительных приборов (КИП) и локальной автоматики. Поэтому использование в системе управления нагревом металла современных микропроцессорных средств становится объективно необходимым и позволяет эффективно, с меньшими затратами и оперативно решить задачу реализации энергосберегающих режимов управления при нагреве металла.

Ритм работы современных прокатных станов колеблется в широких пределах, что, естественно, отражается на режиме работы нагревательных печей, основная задача которых - обеспечить требуемый нагрев металла по сечению, определяемый технологией прокатки, и минимальные потери металла в виде угара и окалины при минимальном расходе газа. Определение времени нагрева заготовок в печи и скорости их продвижения на различных участках в зависимости от производительности стана является важной задачей. Без ее решения невозможно говорить о качественном ведении процесса нагрева и организации автоматического управления. Точное прогнозирование времени нагрева позволяет уменьшать коэффициенты запаса по мощности в системах управления нагревом металла, что является источником экономии энергетических ресурсов.

Актуальность проблемы особенно проявилась на стане 2000 АО ММК. Здесь система управления нагревом так и не была создана. Это связано с тем, что при финансировании строительства стана не было учтено колебание курса рубля по отношению к доллару. А поскольку данную работу должна была выполнить американская фирма General Electric, то затраты на создание такой системы в результате обвала рубля могли сравняться со стоимостью всего прокатного стана. Кроме того, к моменту освоения проектных мощностей оборудование, на котором планировалось производить автоматизацию печного участка устарело не только морально, но и физически. Поэтому было принято решение о создании новой системы автоматического управления нагревом металла силами служб автоматизации предприятия. Однако, внедрение автоматической системы управления сдерживалось отсутствием практического способа и типовой схемы АСУ ТП управления нагревом металла, обеспечивающих оптимальный нагрев металла в условиях разнородного посада и меняющегося темпа прокатки. Частично решению этого вопроса посвящена данная диссертация.

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Результаты работы опробованы в составе комплекса работ по автоматизации листопрокатного цеха № 10 АО ММК и подтверждаются актами внедрения и рационализаторского предложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В условиях нагрева заготовок с переменными геометрическими и теплотехническими параметрами, а также при переменном темпе выдачи заготовок из печи, получение требуемого качества нагрева заготовок возможно лишь при автоматическом управлении работой участка нагревательных печей. Существовавшие ранее системы управления нагревательными печами обеспечивали лишь стабилизацию некоторых отдельных параметров теплового режима работы печей, таких как температура в зонах нагрева, соотношение расходов топлива и воздуха и давления в рабочем пространстве печи. В этих системах задания локальным регуляторам указанных параметров устанавливались вручную нагревальщиком печи, исходя из его опыта, что подчас в условиях напряженной работы стана приводило к субъективным ошибкам. При этом возникали недогрев заготовок, перерасход топлива, значительное окалинообразование и другие нарушения.

Переход на полностью автоматические системы управления нагревом заготовок в нагревательных печах широкополосных станов горячей прокатки в условиях смешанного посада сдерживался отсутствием типовой схемы автоматизации и особенно надежной системы прогнозирования темпа прокатки. Решению этих вопросов посвящена данная работа, В ее ходе выполнены следующие задачи:

1. Определены требования, предъявляемые к математическим моделям, описывающим процесс нагрева металла в методической печи, для организации автоматического управления.

2. Разработана методика и алгоритм расчета определения текущего теплового состояния металла и температурного распределения по его сечению.

3. Проведен анализ систем оценки внешнего теплообмена и измерения температуры поверхности заготовок в методической печи. Разработана методика по определению внешнего теплообмена.

4. Приведены и обобщены аналитические зависимости и табличные данные о теплофизических свойствах металла необходимые для проведения расчетов, предложенные в литературе разными авторами.

5. Разработана методика определения максимальной производительности для агрегатов цеха горячей прокатки по всей технологической цепочке в зависимости от прокатываемого сортамента.

6. Разработан алгоритм расчета предполагаемого времени нагрева заготовок и скорости их продвижения по печи.

7. Проведен анализ влияния сортаментных характеристик заготовок и готовой продукции на производительность прокатного цеха. Для листопрокатного цеха № 10 АО ММК выявлены узкие места, существенно сдерживающие возможности по наращиванию темпов производства.

8. Разработана структура системы управления нагревом в методических печах.

9. Дано описание и составлен алгоритм системы информационного сопровождения нагреваемых заготовок.

10. Определена методика расчета оптимальных графиков нагрева применимая к работе в реальном времени с технологическим процессом.

11.Разработан алгоритм выбора температурных уставок для каждой зоны печи с целью рационального использования топлива.

12.Определены принципы проведения адаптации и настройки комплекса на изменяющиеся параметры системы нагревательные печи - прокатный стан.

1. Спивак Э. И. Методы ускоренных расчетов нагревательных печей. М.:

2. Металлургия, 1988 г., 141 с.

3. Опыт эксплуатации и тенденции развития нагревательных печей. Х.М.

4. Айхингер, К.Э. Фон Гермерсхайм, Ю, Кениг, О. Мейер, Г. Нилад, В. Шупе, Г. Фогт, Черные металлы. 1987. № 18. С. 3-15.

5. Чепугов Ю.П. Себестоимость проката и пути ее снижения. М.:1. Металлургия, 1985.

6. Автоматизация методических печей. Л,И. Буглак, И.Б. Вольфман, С.Ю.

7. Ефроймович и др.—М.: Металлургия, 1981,— 196 с.

8. Кривандин В.А., Арутюнов В.А., Мастрюков Б.С. и др. Металлургическаятеплотехника. Т.1 и 2.-М.: Металлургия, 1986.

9. Быков В.В. и др. Выбор режимов нагрева металла. М.: Металлургия, 1980.

10. Нагрев слябов: Сборник докладов на конференции по нагреву слябов. Лоз

11. У.Р., Пер. с англ. М.:Металлургия, 1977, с. 5-22.

12. Оптимальное управление нагревом металла, Бутковский А.Г., Маый С.А.,

13. Андреев Ю.Н. М.:Металлургия, 1972,440 с.

14. Экономичный нагрев металла. Малый С.А., М.: Металлургия, 1967, 190 с.

15. Автоматизированный нагрев стали. Круашвили З.Е. М.: Металлургия,1973,328 с.

16. Обзор современного состояния управления печами с помощьювычислительной техники. Шупе В., Талер Г. // Черные металлы, 1987. № 20. С. 9-14.

17. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. В.Ю,

18. Каганов, Г.М. Глинков, М.Д. Климовицкий, А.К. Климушкин. М.: Металлургия, 1987, 270 с.

19. Автоматическое управление металлургическими процессами. A.M.

20. Беленький, В.Ф. Бердников, О.М. Блинов, В.Ю. Каганов. М.: Металлургия, 1989, 384 с.

21. Управление нагревательными печами при помощи микропроцессоров напримере проволочного и мелкосортного станов. Райницхубер Ф., Якоб Г., Хиршман Г., Ронер Д. // Черные металлы. 1987. № 20. С. 9-14.

22. Опыт применения ЭВМ в АСУ ТП непрерывного широкополосного стана2000 Череповецкого металлургического завода: Экспресс-информация. Реф. М.Г. Ананьевскии, М.А. Беняковский, Е.П. Сергеев и др. Институт «Черметинформация» 1980, 39 с.

23. Нагрев металла./Под ред. Иоффе Х,М. -М.: Металлургия, 1981.

24. Глинков Г.М. В кн.: Металлургическая теплотехника. Т. 8 (Итоги науки итехники ВИНИТИ АН СССР) М.: изд. ВИНИТИ, 1989. С. 53-112.

25. Улучшение топливоиспользования и управление теплообменом вметаллургических печах. Лисиенко В.Г., Волков В .В., Маликов Ю.К. М.: Металлургия, 1988, 231 с.

26. Парсункин Б.Н., Панферов В.И., Леонтьев А.И., Обрезков B.A.W Сталь.1982. №7. С. 88,89.

27. Климовицкий М.Д. Бюл. НТИ. Черная металлургия. 1988. Вып. 8 (1060).1. С. 23-32.

28. Типовая схема автоматизации управления печами прокатных станов.

29. Пихлер Р., Лангер Р, // Черные металлы. 1989. №5. С, 21-25,

30. Эванс Ю. Р. Коррозия и окисление металлов. Машгиз, 1962

31. Окисление и обезуглероживание стали./ Под ред. Ващенко А.И. М.:1. Металлургия, 1973.

32. Стефани Е.П, Основы построения АСУТП. -М.: Энергоиздат, 1982.352с.

33. Булатов Ю.И. Методы алгоритмизации процессов прокатногопроизводства. М.: Металлургия, 1979. - 192с.

34. Прядкин JI.Jl. // Механизация и автоматизация управления. 1986. №4. С.29.33.

35. Бутковский А.Г., Малый С.А., Андреев Ю.Н. Управление нагревомметалла. М.: Металлургия, 1981. - 272с.

36. Теплотехнические расчеты металлургических печей // Б.Ф. Зобнин, М.Д.

37. Казяев, Б.И, Китаев и др. М: Металлургия, 1982. - 360с.

38. Некоторые проблемы построения АСУ ТТ1 нагревательных печей.

39. Торопов Е. В., Панферов В. И. // Изв. вуз. Черная металлургия. 1991. №2. С. 93-96.

40. Анисимов Е.Ф., Вольфман И.Б. // Изв. вуз. Черная металлургия. 1984. №1.1. С.153-156.

41. Порицкий JI.A., Глинков Г.М. // Изв. вуз. Черная металлургия. 1982. №8.1. С.113-115.

42. Губинский В.И., Минаев А.Н., Гончаров Ю.В. Уменьшениеокалинообразования при производстве проката. Киев: Техника, 1981.

43. Панферов В.И., Парсункин Б.Н., Тузов В.К. // Изв. вуз. Чернаяметаллургия. 1983, №5. С. 156,157.

44. Методические печи. Гусовский В. Л., Оркин Л. Г., Тымчак В. М. М.:1. Металлургия, 1970,432 с.

45. Лучистый теплообмен в печах и топках. Невский А. С. М.: Металлургия,1971,440 с.

46. Кривандин В.А., Марков Б.Л. Металлургические печи. М.: Металлургия,1967.

47. Теплотехнические расчеты металлургических печей. Китаев Б. И., Зобнин

48. Б. Ф., Ратников В. Ф., Телегин А. С. и др. М.: Металлургия, 1970, 528 с.

49. Арютюнов В. А., Бухмиров В. В., Крупенников С. А. Математическоемоделирование тепловой работы промышленных печей. М.: Металлургия, 1990.

50. К теории моделирования нагрева металла в печах. Панферов В. И,

51. Торопов Е. В. Известия ВУЗ, Черная металлургия, № 3 1992. сс. 79-82

52. Плискановский С.Т. Маковский В.А. Кожух В.Я. и др. Применениевычислительной техники на металлургическом заводе. М.: Металлургия, 1973,272 с.

53. Алгоритмы управления нагревательными печами, Маковский В. А.,

54. Лаврентик И. И. М.: Металлургия, 1977, 184 с,

55. Энергосберигающие технологии нагрева металла с использованиемсамонастраивающейся системы управления. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Парсункина Б. Н. -Магнитогорск. 1995.

56. Roney J.E, Slab temperature measurement in reheat furnace. Iron and steelengineer, 1982, № 6, 35-38 cc.

57. Автоматизация металлургических печей. Каганов В.Ю., Блинов О.М.,

58. Глинков Г.М., Морозов В.А., М.:Металлургия, 1975, 376 с.

59. Ефимов А.В. Математический анализ (специальные разделы). Ч. I. Общиефункциональные ряды и их приложение: Учеб. Пособие для втузов. М.: Высш. Школа, 1980. 279 с

60. Михеев М.А. Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973,319 с.

61. Маковский В.А. Изв. вуз. Черная металлургия, 1975, № 1, с. 159-162.

62. Warmetechnische Rechnungen fur Industrie6fen. W. Heiligenstaedt, 1951

63. Справочник конструктора печей прокатного производства. Под ред.

64. Тымчака В.М., Т. I., М.: Металлургия, 1970, 575 с.

65. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали, М.: Металлургиздат, 1962, 567 с.

66. Челюсткин А.Б. Автоматизация процессов прокатного производства. М.:1. Металлургия, 1971, 294 с.

67. Горячая прокатка полос на стане 2000 горячей прокатки. Технологическаяинструкция. Ти-101-ГЛ. 10-374-90. Магнитогорск, 1995.

68. Демидович Б. П., Марон И. А., Шувалова Э. 3. Численные методыанализа. М., «Физматгиз», 1962. 368 с. с ил.

69. Хемминг Р. В. Численные методы. Пер. с англ. М., «Наука», 1972. 400 с.

70. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамическогопрограммирования, М., «Наука», 1967.

71. Тайц Н. Ю. Технология нагрева стали.М.:Металлургиздат, 1968.

72. Маковский В. А., Лаврентик И.И. Алгоритмы управлениянагревательными печами. М.: Металлургиздат, 1977.

73. Рябков В.М., Парсункин Б.Н., Панферов В,И. // Изв. вуз. Чернаяметаллургия. 1981. №6. С. 105-108.

74. Парсункин Б.Н., Прозоров В.В., Андреев С.М. / Оптимальное управлениенагревом металла с целью минимизации затрат топлива // Электротехнические системы и комплексы: Меж.вуз.сб — Магнитогорск: МГТУ, 1998. Вып,3. С.163-168,

75. Воробьев Г. Н, Данилова А. Н. Практикум по вычислительнойматематике. М.: Высшая школа, 1990.

76. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс.М.: Радио и связь,1988.

77. Коздоба Л.А., Круковский П.Г. Методы решения обратных задачтеплопереноса. Киев: Наукова думка, 1982. - 359с.

78. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами. М.:1. Наука, 1976.-424с.

79. Панферов В.И. // Изв. вуз. Черная металлургия. 1988. №7, С. 112-115.

80. Нагрев металла и эксплуатация нагревательных печей ЛИЦ-10.

81. Технологическая инструкция ТИ-101-ГЛ.10-382-94. АО ММК, Магнитогорск, 1994