автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование режимов нагрева металлав методических печах на основе развития экспериментальных методов исследования и информационно-теплотехнического моделирования

РГ6 ОА

На правах рукописи

2 с . ■

Шатохин Константин Станиславович

Соворшенствоващв режимов нагрева металла в методических печах на основе развития экспериментальных методов исследования в информационно-теплотехнического моделирования

Специальность 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

Автореферат диссертации на соискаШе ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА, 1995 г.

Работа выполнена на кафедре "Теплофизики и теплоэнергетики металлургического производства" Московского Государственного института стали и сплавов.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Бердышев В.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Климовицкий М.Л. кандидат технических наук Пугачева Е.С.

Ведущее предприятие: АО "Стальпроект", г. Москва

Защита состоится цтз 1995 г. на заседании диссер-

тационного совета К.053.08.01 при Московском Государственно« институте стам и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1. Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " J5_" лая 1995 г. Справки по телефону: .237-84-45

Ученый секретарь диссертационного совета Курунов И.Ф.

- 3 -

ОНДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ' Актуальность работы. Эксплуатация печного парка металлургии в настоящее время сталкивается с рядом острых проблем. Повышенная материало- и энергоемкость производства, значительный износ основных производственных фондов, невысокий технический уровень производства обусловили более низкие качество, конкурентоспособность продукции и на 30-35 * более высокое энергопотребление российских металлургически предприятий по сравнению с предприятиями ведущих стран мира.

Эффективность использования печных агрегатов во многом зависит от полноты представления производственных тепловых процессов, адекватность которого определяется созданием новых- методик исследования и разработкой на основании полученной информации структурно-функционального описания работы печей.

- Совершенствование тепловой работы печей.является существенным резервом повышения производительности и экономичности всего комплекса металлургического производства.

Целью работы является совершенствование тепловой работы нагревательно; печей на основании развития систем исследовательского и эксплуатационного контроля.

Достижение этой цели обеспечивается: развитием теоретической базы исследований печных агрегатов как основы ориентированного поиска прагматических научно-технических решений в области контроля тепловой работы, тепловой диагностики и выработки рациональных температурных режимов печей; разработкой способов и средств определения температуры металла; математическим моделированием с использованием ограниченных исходных измерительных данных; проведением комплексного изучения температурных режимов садок металла и внедрением результатов работы в производство.

. - 4 -

Настоящее исследование выполнено в рамках договорных работ МГИСиС на АО "Кировский завод" в г. Санкт-Петербурге, АО "Новолипецкий металлургический комбинат" и АО "Магнитогорский металлургический комбинат".

Методы проведения работы. В основу теоретических, методологических и практических разработок данной диссертации положены труда ученых России и других стран СНГ, Англии и (Ж в области металлургических печей, систем и методик их исследования и контроля.

' В процессе исследрвания били использованы методы промышленного и лабораторого эксперимента, имитационного моделирования нагрева металла в проходных нагревательных печах. Сочетание научного эксперимента и математического моделирования обеспечило высокую эффективность решения поставленных задач.

Основные функции имитационной модели реализованы на персональном компьютере PC/AT, подключенном в терминальном варианте, с использованием программных средств Qwlclt Basic 4.0 и операционной системы MS-DOS. •

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Введено понятие информационно-теплотехнической метасистема исследования прошменных печных агрегатов, включавдей объект исследования, средства.методики исследования и исследователя, и позволяющей организовать сбор,преобразование,'хранение исследовательской информации, а также дальнейшее использование этой информации для анализа, моделирования и прогнозирования тепловой работа печей. Выдвинута концепция о систеыо-организущэм и системо-опредэлящем статусе технологической информации о нагреве металла в промышенных печных агрегатах.

2. Углублено смысловое содержание понятия температуры как

информационного фактора твшютехнологичеокого процесса и классифицированы методы ее исследования.

3. Разработан новый способ косвенного определения температурных полей металла,находящегося в проходных нагревательных печвх. Предложенный способ основан на том, что термически массивные заготовки, металла следует рассматривать как объекты с тепловой памятью, в которых предыстория нагрева оказывает существенное влияние на процесс теплопроводности в текущий момент времени.

4. Разработана методология имитационного моделирования этого ■ ■ способа.

5. Предложен способ калибровки дистанционных протяжных термоэлектрических термометров в процессе измерения температуры металла в печи.

6. Предложена методика определения параметров аритмичности работы проходных нагревательных печей.

Достоверность полученных результатов базируется на значительном объеме промышленных экспериментов, соответствующей оценке погрешностей'измерений, высоком уровне адекватности разработанной модели и детальной верификации в производственных условиях, а также сопоставлением с литературными данными.

Практическая значимость выполненного исследования заключается в следующем:

1. Создан комплекс систем и средств прямого и косвенного определения температуры нагреваемого металла в процессе промышленного диагностического исследования, реализующих соответственно: метод измерения температуры протяжными термопарами с их калибровкой и двухпирометровую систему, использующую эффект тепловой па-мята.

2. Создан пакет программного обеспечения имитационного моде-

■ - б -

дарования температурных полей металла. Определены точностные характеристики способа косвенного определения полей температуры.

3. Для каждого вида аритмичности работы проходных нагревательных печей предложены' алгоритмы определения гарантированного удельного расхода топлива.

• 4. Разработана карта тепловой диагностики проходной нагревательной печи, позволяющая определить состояние теплового агрегата, идентифицировать вызывающие это состояние причины и выработать рекомендации по коррекции текущего- состояния.

5. На основании концепции информационно-теплотехнической метасистемы и системо-организущего и системо-определявдего статуса в ней технологической информации о нагреве металла разработаны уовершенствованные режимы нагрева, заготовок в промышленных печах АО "Кировский завод" и АО "Магнитогорский металлургический комбинат", обеспечиващие достижение заданного качества и гарантированный удельный расход условного топлива для производства тонны проката. Созданы номограммы выбора количества работающих в отделении печей в зависимости от суточного производства и времени простоев.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсувдены на. всесоюзном научно-техническом семинаре "Прогрессивная технология и оборудование для нагрева заготовок под ковку, штамповку, термообработку. Автоматизация и механизация средств нагрева" ( ЦНИИ информации и технико-эконо-ыических исследований черной металлургии, 22-24 мая 1990 г.) и на всесоюзной конференции "Научные основы создания анергосбербгащей техники и технологий" ( Московский энергетический институт, 27-29 ноября. 1990 г.), а также на научных семинарах кафедры теплофизики и теплоэнергетики металлургического.производства МГИСиС.

Публикации. По результатам диссертационной работы опублико-

ванн 4 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (100 наименований) и приложений.

Объем диссертации составляет 153 страницы машинописного текста, 49 рисунков. 16 таблиц и 5 приложений.

! , СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ И ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Сложившийся традиционный подход к информационному обеспечению функционирования основной триады "технология - теплотехника -- управление" тепловыми агрегатами не вполне удовлетворяет требованиям повышения эффективности их использования. Апробированные схемы автоматического контроля и управления проявляют себя как стягнируювдй фактор в связи с отсутствием в их составе надежного' комплексного мониторинга и эффективного диагностирования.

Эту задачу способны решить только развитые интеллектуальные исследовательские системы, интегрируемые в-теплотехнические метасистемы в самом процессе их создания и отработки усовершенствованной технологии. Причем производственная составляющая приобретает необходимую часть интеллектуального потенциала метасистемы и развивается в новое более совершенное производство.

При этом вкцент от испытаний и изучения отдельных процессов в тепловых агрегатах все более смещается в сторону комплексного системного исследования тепло- и эко-технологий эвристико-дедук-тивными методами. Изучение тепловой работы почИ представляет собой осуществление ряда исследовательских идентификационных процедур, целенаправленно проводимых в интегрированной метасистеме с

• - 8 -

целью получения гарантированного конечного результата, отделенного от самой фазы исследования и прогнозируемого на начальных этапах исследования.

В концепции идентификационного исследования лежит создание метасистемы на абстрактном и физическом уровнях при решении проблемной ситуации и учете мотивационных факторов со стороны производства и науки. В процессе реализации исследования значительное место занимает абстрактный уровень, дополняемый на стадиях созерцательного и верификационного исследования экспериментом на промышленном комплексе. Функционирование метасистемы позволяет усовершенствовать технологию, получить новые научно-технические знания и дооснасгить исследовательский комплекс.

Как известно, характеристикой основной составляющей общего состояния металлургических печных агрегатов - их теплового состояния - является температура. Основным направленно изменяемым параметром при управлении нагревом металла является температура рабочего пространства печи. По значении этого параметра косвенными метода™ определяют интенсивность окалинообразования, износ конструкций печи и другие важнейшие факторы, характеризующие работу агрегата. Другой, более важный параметр - температура металла -характеризует состояние и протекание технологического процесса, поэтому, когда это представляется возможным, предпочтительнее измерять именно его.

Таким образом, технологической температуре в рамках информационно-теплотехнической метасистемы придается системо-организую-щий и системо-определямций статус. Для создания эффективной системы управления температурным режимом печи и, соответственно, нагревом металла необходим непрерывный распределенный контроль температуры по всей длине печи. Однако, непрерывный замер распреде-

ления температуры по толщине заготовки в процессе нормальной эксплуатации печи принципиально невозможен, учитывая, что такая информация необходима одновременно для всех заготовок.

Из-за неполной информации часто задаются диапазоном допустимых значений температуры. В промышленных печах физический эксперимент часто или затруднен, или вообще невозможен, поэтому- в этих условиях математическое моделирование при ограниченном использовании исходных к.зрительных данных оказывается особенно эффективным.

Детерминированное математическое описание процессов функционирования печного комплекса чрезвычайно сложно как по причине сложности протекающих в нем процессов, так и по причинам вероятностного характера многих событий, возникающих при нагреве металла. Предпочтительной поэтому оказывается разработка имитационной модели,построение которой требует предварительного анализа и изу-. чения производственных, тепловых и технологических процессов.

Исходя из общей цели работы, заключающейся в повышении эффективности функционирования нагревательной печи, наметился ряд сопряженных задач, решение которых явилось основным направлением исследования:

1. Из-за ограничений, налагаемых на применение известных методов измерения температуры в металлургических печных агрегатах, и получаемой вследствие этого недостаточно полной информации о нагреве металла, необходимо дальнейшее совершенствование методов и средств исследования рассматриваемых тепловых агрегатов.

2. Ввиду сложностей проведения натурного исследования предпочтение должно быть отдано машинному эксперименту с привлечением данных промышленного исследования для адаптации его результатов. Требуется развитие современной концепции теплотехнического

- - 10 -

прикладного промышленного исследования нагревательных печей, базирующейся на сочетании ампирико-дедагивных методов изучения производственного процесса с помощью компьютеризированных средств сбора и обработки информации.

3. Подготовка и проведение промышленного эксперимента, выбор метода математического описания процесса, разработка методики его моделирования и создание соответствующего прикладного программного обеспечения, учитывающего специфические особенности имеющегося информационного обеспечения предприятия-.

4. Проведение вариативного вычислительного эксперимента по исследованию нагрева металла на имитационной модели.

5. Изучение существующих температурных режимов нагрева металла, выявление недостатков тепловой работы нагревательных печей и. выработка соответствующих рекомендаций по устранению этих недостатков.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НАГРЕВА МЕТАЛЛА

Были проведены исследования температурных режимов нагрева металла с помощью пирометра частичного излучения А1ЖР-П "Смот-рич-5п-01". Измерялась температура по длине слябов после их выдачи на рольганг и температура боковой поверхности заготовок через окна печи в разных зонах.

Пр измерениях степень черноты металла с определялась дополнительным экспериментом по показаниям контрольного контактного #

термометра. Для оценки погрешности измерения температуры металла в печи были проведены одновременные измерения температуры заготовок с помощью пирометра и комплекта "штыковая термопара - цифровой термоэлектрический термометр". Оценка абсолютной погрешности измерения температуры металла в печи позволила получить значение

- 11 -

погрешности параметра ± 15 "С.

Выявлена неравномерность нагрева слябов по длине, составляющая 20-25 "С. Оценено охлаждающее действие глиссажных труб: температура поверхности металла над глиссакной трубой на 40-60 °С ниже температуры поверхности мевду трубами при среднемассовой температуре металла 1140 °С. Экспериментально установлена значительная неравномерность температурного состояния различных частей садки нагреваемо1 о металла - на выдаче температура металла вследствие этого варьируется в пределах 40 "С.

Проводилась отработка методики измерения температуры металла проходными термоэлектрическими преобразователями. Выявлены колебания темпа нагрева, связанные с охлакдащим влиянием воздуха,попадающего в печь через окна и неплотности футеровки, пережима между методической и сварочной зонами; более интенсивным теплообменом в местах направленного действия факелов горелок.

Установлена высокая коррелируемость показаний пирометра, установленного после черновых клетей прокатного стана, и температу-. рой металла, измеренной через окна печи, коэффициент корреляции составил 0,78 на выборке 200 значений. На рис.1,а пространственно совмещены полученные с помощью пирометра "Смотрич-5п-0Г данные об изменении температуры торцов заготовок на рольганге выдачи и в конце томильной зоны печи. Это послужило основой для разработки новой оперативной методики косвенного бесконтактного оп-'редэления температурного режима нагрева заготовок в проходных нагревательных печах по'температуре металла на выдаче.

Предлагаемая методика основывается на том факте, что любые объекты, способные аккумулировать тепловую энергию - инерционные объекты, следует рассматривать как объекты с тепловой памятью. В таких объектах предыстория протекающего процесса оказывает суше-

Способ косвенного определения температурных полей металла в проходной нагревательной печи

Сляб при движении ^до рольгангу от печи

<5)

а)- изменение температуры металла в конце томильной зоны методической печи (1) и на рольганге выдачи (2);

б)- двухгшроыэтровая система промышленной реализация способа;

в)- датчик температуры со встроенным калибратором: 1-плавжая вставка, 2-проводока из радарного материала

Рио. 1

ственнов влияние не процесс теплопроводности в текущий момент времени. К таким объектам относится термически массивный металл.

Методика сводится к тому, что во время выдачи измеряется температура каждой выдаваемой из пэчл заготовга, при этом рабочее пространство печи соотносится с размерами нагреваемых заготовок путем разбиения его по длине с шагом Н для определения точек,в которых рассчитывается температура. В дальнейшем, после выдачи п заготовок.темперг^ура металла в печи на расстоянии от И до л ■ к со стороны выдачи определяется по формуле

грасч.{ = • гвыдч , (-1)

где 1расч.{ - расчетная температура 1-ой заготовки в печи, °С; kJ - коэффициент тепловой памяти для /-ой'зоны; 1;выд.£ - температура (-ой выдаваемой заготовки, °С.

Коэффициент тепловой памяти определяется на основании непосредственного измерения температуры металла в зонах печи

Шзм.,

к2 = ТлЩТу" • (2)

где гизм.у - температура заготовки в /-ой зоне печи, °С;

1;выд.^ - температура тоД та заготовки на выдаче из печи,°С.

Для промышленной реализации методики предлагается использовать систему из двух спаренных пирометров,измеряющих температуру заготовки в печи (через окно) и на рольганге после черновых клетей ( рис. 1,б ). Данный способ позволяет по результатам текущего \ •бесконтактного измерения температуры металла на выдаче методом экстраполяции назад определить температуру каждой заготовки в томильной и сварочной зонах. Методика может быть использована для корректировки теплового и температурного рекима сварочной и томи-томилъной зон печей при максимальной погрешности ±20 "С.

Для улучшения методики предлагается .периодически проводить

экспермент по определению температуры металла по длине печи с помощью протяжных термопар, рабочие концы которых зачеканены в экспериментальную заготовку.

' При исследовании нагревательных и термических печей с помощью протяжных термопар возникает необходимость калибровки термоэлектрического термометра,рабочий спай которого фиксируется в одной из нагреваемых в печи заготовок. При этом возникает задача определения трудно учитываемых погрешностей измерений в процессе нагрева.

Для оценки погрешностей измерений,выполняемых с помощью термоэлектрических термометров, предложен ряд конструкций калибраторов температуры. Учитывая,что не объектах с ограниченным доступом датчики нельзя снимать для поверки, особый интерес представляют датчики со встроенными калибраторами температуры.

В лабораторном эксперименте получены данные по достоинствам и недостаткам конструкций датчиков со встроенными калибраторами температуры, разработанных в данном исследовании.

По результатам лабораторных исследований предложен для промышленных условий датчик со встроенным калибратором температуры, фиксирующий разрыв электрической цепи термоэлектрического преобразователя (рис. 1,в). В конструкции рабочий спай термопары или разрыв термоэлектрода замыкается проволокой из реперного материала. Непосредственно над чувствительным спаем (местом разрыва) термоэлектрического преобразователя закреплена электро- и теплоизолированная от него плавкая вставка с температурой плавления, превышающей температуру плавления проволоки.

Датчик температуры со встроенным калибратором размещается в стакане. Плавкая вставка цилиндрической формы имеет сквозной осевой канал, через который опущены электроды термопары, покрытые

изоляцией. Для надежного срабатывания 'датчика объем плавкой вставки превышает объем внутренней полости стакана, расположенный ниже чувствительного спая термоэлектрического преобразователя.

Устройство работает следующим образом. Датчик температуры со встроенным калибратором помещается в печь. Когда температура в области расположения датчика становится равной температуре плавления проволоки, замыкающей электроды термопары, на короткое время (несколько секунд) происходит разрыв электрической цепи датчика, что фиксируется вторичным прибором. В качестве "истинной" температуры в момент калибровки принимается температура плавления проволоки из реперного материала, значение которой берется из справочной литературы. Используются плавкие вставки с температурой плавления на 2-7 °С превышающей температуру плавления проволоки. После проведения калибровки, по мере дальнейшего нагрева вставка расплавляется и, опускаясь под действием силы тяжести вниз, материал вставки вновь замыкает цепь термопары,и становится возможным дальнейшее измерение температуры. Относительная погрешность измерения с использованием предлагаемого калибратора составляет 0,3 х в диапазоне температур 327-1083 °С. Данное устройство признано изобретением ( положительное решение Н- 4628431 от 25.09.90 ).

В рамках концепции информационно-теплотехнической метасистемы предложена методика статистического анализа для кластеризации видов нарушений ритмичности работы печей, в соответствии с которой была проведена оценка рекимов работы печей и количественно классифицирована аритмичность технологического процесса.На рис. 2 приведены характерные гистограммы для интервалов выдачи слябов при нагреве в разных печах стана. Наррения режима проявляются в виде: аритмичности выдачи металла, производственных задержек, не-

Гистограммы для интервалов выдачи слябов

а)-теоретический вид гистограммы рассеяния: 1 - область ритмичной работы, 2 - область аритмичной работы,

3 - область неритмичности, 4 - область задержек, 5 - область остановов;

б)-экспериментальные гистограммы для различных печей

Рис. 2

- 17 -

предсказуемых остановов, планируемых остановов.

В настоящее время снижают тепловую нагрузку только при планируемых остановах печей. Остальные три.вида нарушения режима в силу их большой неопределенности и непредсказуемости не охвачены энергосберегающими мероприятиями. Решение этой проблемы возможно лишь путем автоматизации управления расходом топлива в периоды выхода за область ритмичной работы. При этом должна осуществлять- ' ся коррекция заданий расходов топлива на зоны печи при выходе за пределы значений интервала соответствующего вида наруиений ритмичности.

ИМИТАЦИОННОЕ МОДШРОВАНИЕ ТМШРАТУРНЫХ ПОЛЯ МЕТАЛЛА

Способ косвенного определения температурного режима нагрева можно сформулировать более широко как способ косвенного определения температурных полей металлических заготовок, для чего была разработана модель, позволящая с заданной при расчете дискретностью вычислить двумерные и трехмерные температурные поля металла:

- ^(х.у.г) - "истинная" температура металла в печи:

- ^(х,у) - измеренная температура поверхности металла

• в печи;

- ^(х.у) - измеренная температура поверхности металла на

рольганге выдачи;

- ^(х.у.г) - расчетная температура металла в печи (х, у и

ч - координата точки в трехмерном температурим поле).

Модель состоит из следующих программных модулей: имитационное моделирование температуры поверхности- металла, прогнозирующее моделирование результатов измерения температуры поверхности, расчет температуры глубинных слоев металла, статистические расчеты

отклонений температуры и иллюстративное представление значений результатов в трехмерном пространстве.

Оценка уровня температуры в любой точке поверхности по длине рабочего пространства печи производится в соответствии с выражением

-53-а-х/ еа

*;<1.У) = V ( V 101) • V е 1 1 . 1=1.2. (3)

где ^ - температура печи, "С;

- начальная температура пластины, °С;

Р и 5а - затабулированные функции числа Био; а - коэффициент температуропроводности, ма/с , г - время,с;

в - характерный размер заготовки, м. При расчете ух.у) учитывается наличие экспериментально найденных непрогретых участков на заготовках в местах их контакта с глиссажными трубами, а также локальных повышений и понижений температуры металла по длине печи путем введения гармонических составляющих

х - 1

ух.у) = г'(х.у) +

а • 81п

- 1 • в1п

X

g • ь • X

Ь • У

I

) е -V у

(4)

1

где а.Ь.с.б.е.Г ^ДД - коэффициенты .подбираемые при адаптации модели.

Значения температуры в узлах решеток полей измеренной температуры вычисляются по формулам:

ух,у) = ух,у) + р4 + «(М51.ав1), (5)

ух.у) = ух,у) - 1;*(х,у) + р2 + ШМ^.о^.), (6)

где р( и р2 - величины систематических составляющих погрешностей средств измерения температуры металла в печи и на

- 19 -

рольганге соответственно, "С; ql и (}а - максимальные величины случайных составлявши погрешностей, °С;

- случайное число в диапазоне от 0 до 1.

После этого рассчитывается массив коэффициентов тепловой памяти

их.У)

и(х.у) = -3--(7)

ух.у)

и вычисляется средний коэффициент тепловой памяти kj для данной зоны точи

й, = г ' V • V ш.у) . (8)

* ' у 1-1

Поле расчетной температуры поверхности металла в кавдой зоне печи вычисляется по формуле

ух.у) = ^ • 1э(х.у) . (9)

Расчет температуры глубинных слоев металла ^(х.у.г) и ^(х.у.г) производится путем конечно-разностного решения соответствуйте™ нелинейного нестационарного уравнения- теплопроводности с граничными условиями первого рода и заданными начальными условиями. Использовалась явная разностная схема расчета с равномерным шагом сетки

\.иАГ - с,.г ^ |.Г* - )

1 , Ь

где 4г - величина шага по времени, с; .

»х - величина геометрического параметра узла сетки, м; 1 - номер узла.

' Для сравнения температурных полей используются две величины.' Первая, "абсолютная ошибка несовпадения полей" - вто средняя абсолютная ошибка несовпадения значений температуры

ШХ,.ХЙ) =

/ *'У -

/ Е <Х,-Хй)а у 4-1 Я

/ X - у - 1

(11)

Вторая величина - выборочный коэффициент корреляции, характеризующий близость функциональных зависимостей,

1 ■ а

"к

та.Лъ) = -. (12)

} К с • а

где М - математическое ожидание;

а - среднее квадратичное отклонение соответствующих случайных величин (Х^ я Хй) с нормальным законом распределения.

На рте. 3 изображены поля температуры на поверхности металла, находящегося в томильной зоне печи; начало координат помещено в начале этой зоны. При расчете задавались следуицие погрешности приборов : р, = 10 °С, = 10 °С. ра = ю °С, ча = 10 °С.

В результате имитационного моделирования показано, что для достижения выборочным коэффициентом корреляции между расчетной и измеренной в печи температурами металла значения больше 0,8 необходимо использовать приборы класса точности не ниже 1. Чтобы абсолютная ошибка несовпадения этих полей не превышала 15 "С, должен сканироваться на выдаче по крайней мере каждый 2-ой сляб. Для измерения температуры металла в печи надо использовать более точный прибор, чем для измерения температуры на рольганге.

Предложенный способ позволяет прогнозировать температурные

Тампературные поля на поверхности металла, находящегося в томильной зове

Рис. 3

нарушения в режиме нагрева последующих слябов и проводить управление проходной нагревательной печью с целью их исключения. Методика применима для оперативного выявления нарушений температурного режима нагрева металла в томильной зоне, возможно ее применение для ближайшей к томильной сварочйой зоны методической печи.

РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ ЭНЕРГО-СБЕРЕГАПЦИХ МЕРОПРИЯТИЙ НА МЕТОДИЧЕСКИХ ПЕЧАХ.СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Проведено опытно-промышленное подтверждение эффективности предложенных мероприятий на методических печах листопрокатного цеха N£ 1 АО "Магнитогорский металлургический комбинат", отапливаемых природным и коксовым газом ( используется для обогрева томильных зон печей ) и спроектированных на максимальную производительность 75 т/ч. В печах подвергают нагреву перед обработкой давлением на стане горячей прокатки 1450 заготовки для производства жести 08кп, автолиста х/к 08 и 08ю. калибровки ст.О, автолиста г/к 08, углеродистой стали х/к и г/к ст.10-20 и других групп марок стали.

В случае аритмичной выдачи металла ( см. рис. 2 ) вводилась глубокая коррекция ( сокращение расхода топлива до 43х ). В случае возникновения производственных-задержек и непредсказуемых остановов топливо на период нарушения сокращалось на ЗО-ЗЗх. Одновременно, учитывая инерционность печей, осуществлялось запаздывание на 6-10 мин. при подключении полной нагрузки в момент возвращения к интервалу ритмичной работы.

Отработаны мероприятия по соверенствованию и последовательность их внедрения с целью верификации теоретических результатов. Проверены гарантирующие топливосберекение на 3-5 * режимы с ограничением максимального расхода топлива в "горячий" час и при

планируемых простоях печи, и режимы снижения расходов топлива при простоях, обеспечивающие сокращение удельного расхода топлива при этом до 15-35 х.

Предложена и апробирована методика структурной адаптации отделения нагревательных печей при резком изменении уровня производства, заключающаяся в переходе на нагрев с разным количеством печей. При этом достигнуто гарантированное соответствие плановых и реализуемых удельных затрат топлива без снижения уровня качества нагрева. Для практического использования персоналом цеха полученные зависимости номографированы для выбора числа печей п и удельного расхода топлива q при работе с различной производительность!) стана Рст и простоями гп. На рис. 4 представлена номограмма для случая снижения суммарного расхода топлива на печь с 7ТП = = 4380 м3/ч в период прокатки до Уте = 2880 м3/ч в период простоев ( на 35 * ) . Например, при простоях тп около 3 часов и производстве П = 3200 т проката в сутки с Рст = 225 т/ч средний удельный расюд условного топлива ч = 135 кг у.т./т при работе 5 по-чей и я = 110 кг у.т./т при работе 4 печей (пунктир на рс. 4).

Созданы, опробованы и внедрены энергосберегающие мероприятия: аэродинамическая стенка нижней сварочной зоны, интенсивно излучающее покрытие внутренней поверхности кладки, навесная теплоизоляция опорной системы труб с радиационно-отражакщим покрытием поверхности трубы.

Эффективность внедрения мероприятий оценивалась косвенным определением температурных полей нагреваемого металла.

Внедрение комплекса мероприятий позволило сократить расход топлива в "горячий" час на 600-700 мэ для одной печи, то есть на 12-15ч, улучшить качество нагрева металла:

Номограмма выбора числа печей и, удельного расхода топлива ^ при работе с различной ; производительностью Рст и простоями Тп (работа со снижением общей тепловой нагрузки на 35 ?)

5000 Д, т/сут 6000

200 250

Рис. 4

300 <э_. кг у.т./т 400

(О

- 25 -ВЫВОДЫ

1. Установлено, что предметная область научного исследования включает объекты (печи), измерительные средства, искусственный (компьютеры) и естественный (исследователи) интеллект, основные инструментальные и дополнительные биосенсорные каналы взаимодействия исследователя с объектом. Предназначенная для получения комплексного знания о тепловом.агрегате и его совершенствования со- ' вокупность исследователя, средств и обекта исследования представляется в виде информационно-теплотехнической метасистемы, позволяющей организовать сбор, преобразование, хранение исследовательской информации, и дальнейшее использование этой информации для анализа, моделирования и прошозирования тепловой работы печей.

2. Технологической информации при нагреве металла в печах, включая информацию о температурных и тепловых рекимах, придан си-стемо-организувдий статус, в соответствии с которым технологический комплекс, например, функционирующая методическая печь, является заверенным, имеющим целевую установку материало-энерго-инфо-рмациопным элементом техносферы в металлургической области.

3. Впервые разработана методика и установлены пространственные границы сохранения отображения конфигурационных особенностей и аномалий температурного поля нагреваемых в печи заготовок, как объектов с тепловой памятью, в методической и сварочной зонах проходной печи и на выдаче вне печи. Алгоритм методики основан на определении конфигурации теМператрного поля в слитках по регистрации теплового излучения температуры поверхности путем сканирования поверхности заготовки вдоль оси на рольганге и замера температуры торца слитка в томильной зоне печи с помощью пирометра. Расчетным методом с использованием коэффициентов тепловой памяти определяются температурные поля металла в печи.

1 Предложенный способ позволяет прогнозировать температурные нарушения в режиме нагрева последующих слябов и проводить управление проходной нагревательной печью с целью их исключения. Для промышленной реализации методики предложена система из двух спаренных пирометров, измеряющих температуру заготовки в печи и на рольганге после черновых клетей прокатного стана.

4. Разработана методика информационно-теплотехнического имитационного моделирования температурных шлей металла в проходной нагревательной печи, позволяющая оценить возможности способа расчета полей температуры. Проведено имитационное моделирование на ЭВМ с целью оценки влияния точностных характеристик средств измерения температуры на величину погрешности определения температурных полей металла.

5. Для верификации предложенного способа и проведения исследований сконструированы и изготовлены калибраторы температуры различных конструкций. Проведено лабораторное изучение устройств для калибровки в процессе измерения температуры заготовки.

Одна из предложенных конструкций датчиков со встроенным калибратором для исследования температурного поля металла внутри рабочего пространства печи признана изобретением. Относительная погрешность измерения температуры с использованием предлагаемого калибратора составляет 0,3 * в диапазоне температур- 327-1083 °С.

6. Классифицированы нарушения ритмичности работы печей и установлены закономерности влияния каждого класса нарушений на удельный расход топлива в печи. Получены алгоритмы расчета гарантированного удельного расхода топлива для каждого вида нарушений. Составлена карта тепловой диагностики проходной нагревательной печи. Выполненные комплексные промышленные исследования и анализ теплового состояния печей позволили разработать организационно-

технические мэры по повышенно эффективности работы печей, включающие упревдапце-зап8здыващее снижение тепловой нагрузки в каждой зоне оператором при запланированных простоях; внедрить тепловые режимы с гарантированным тошшвоиспальзованием и автоматическое снижение тепловых нагрузок при непредвиденных нарушениях ритмичности работы печи. Проверены гарантаруюцие топливосбережение на 3-5* режимы с ограничением максимального расхода топлива в "горячий" час и при планируемых простоях печи, и режимы снижения расходов топлива при простоях, обеспечивающие сокращение удельного расхода топлива при этом до 15-35*.

7. Предложена методика структурной адаптации отделения нагревательных печей при резком изменении уровня производства,заключавшаяся в переходе на нагрев с разным количеством печей при соответствующем изменении производства. Для возможности .практического использования полученные зависимости представлении в виде номограмм для выбора числа печей, удельного расхода топлива при работе с различной производительностью и в зависимости от времени простоев.

Внедрение комплекса мероприятий на методической печи позволило получить новые температурные режимы нагрева металла и, тем самым,сократить расход топлива на 12-15*.улучшить качество нагрева.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: I. Бердшюв В.Ф. .Шатохин К.С. Косвенное определение температурного режима нагрева металла в нагревательных печах/ Всесоюзный научно-технический семинар "Прогрессивная технология и оборудование для нагрева заготовок под ковку, штамповку, термообработку. Автоматизация и механизация средств нагрева." - Москва: ЩШ информации и техшко-экономич. исследований черной металлургии. -1990.

2. Шатсшш К.С. .Бердышев В.Ф. Определение температурных полей металла в нагревательных печах/ Моск. ин~т стали и сшювов-М., 1990. 7 с.-Деп. в ЦНИИ информации и технико-экономич. исследований чер-рной металлургии 10.08.90, N- 5551/222.

3. Шатохин К.С.,Бердышев В.Ф. Определение температурных полей металла в нагревательных печах/ Всесоюзная конференция "Научные основы создания энергосберегающей техники и технологий." - Москва: Моск. энергетический ин-т. -1990.

4. Соболев В.М..Шатохин К,С. К вопросу определения температуры движущегося металла в печи// Изв. ВУЗов. Черная металлургия: 1995: № 3. -С. 77.

Объем 1 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ УЧ Типография МГИСиС (ТУ), ул. Орджоникидзе, 8/9