автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Топливосберегающие режимы нагрева непрерывнолитых слябовых заготовок в методических печах

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

1

Жадинский Дмитрий Юрьевич

ТОПЛИВОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ НАГРЕВА НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СЛЯБОВЫХ ЗАГОТОВОК В МЕТОДИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

Специальность 05 16 02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2007

003054981

Работа выполнена в ГО У ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Парсункин Борис Николаевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор,

Иванов Николай Иванович

доцент, кандидат технических наук Леднов Анатолий Викторович

Ведущая организация ОАО «Уральская сталь», г Новотроицк

Защита состоится «24» апреля 2007 г в 1500 на заседании диссертационного совета Д 212 111 01 в Магнитогорском государственном техническом университете им Г И Носова по адресу 455000, г Магнитогорск, пр Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им Г И Носова

Автореферат разослан 23марта 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

,еливанов В Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Нагрев металла перед прокаткой является неотъемлемой и важнейшей стадией технологического процесса, определяющей качество и себестоимость продукции Существующие режимы нагрева металла в методических печах, рассчитанные на обеспечение максимальной производительности, реализуются путем установки максимальных тепловых нагрузок на начальном этапе нагрева, что экономически невыгодно в случае наличия резерва во времени Действующие режимы определяют сложившуюся концепцию, которая нашла отражение в конструкции отечественных методических печей широкополосных станов Снижение времени работы печей в режимах максимальной производительности определило необходимость перехода к концепции топливосбережения Внедрение оптимальных топливос-берегающих режимов, определяющих необходимость интенсификации нагрева на заключительных стадиях процесса, выявило конструктивные особенности отечественных методических печей, не позволяющих реализовать эти режимы в полной мере Существующее распределение тепловых нагрузок по зонам в отечественных методических печах, заключающееся в фиксированных зонах нагрева, а также в наличии томильных зон с низкой тепловой мощностью, не позволяют реализовать расчетные оптимальные топливосбе-регающие режимы нагрева Следовательно, для достижения максимально возможного топливосберегающего эффекта обязательным условием становится необходимость пересмотра требований к конструктивным особенностям проектируемых и реконструируемых методических печей

Целью работы является обоснование предложений по совершенствованию распределения тепловых нагрузок по длине рабочего пространства действующих и вновь проектируемых методических печей с шагающими балками или подом, и доказательстве возможности практической реализации оптимальных топливосберегающих режимов нагрева металла

Научная новизна

1 Обоснована необходимость отказа от фиксированных томильных зон и превращения их в зоны интенсивного нагрева при безусловном обеспечении выполнения технологических требований по нагреву металла

2 Разработана математическая модель расчета топливосберегающих режимов нагрева с учетом влияния технологических ограничений, адаптируемая к действующим методическим печам, и доказана необходимость коренного изменения распределения тепловой мощности отечественных методических печей за счет увеличения числа коротких равноценных зон нагрева, имеющих индивидуальные контура управления

3 Экспериментально доказана реализуемость и эффективность оптимальных топливосберегающих режимов нагрева, рассчитанных по разработанной адаптируемой математической модели, на основе анализа результатов нагрева заготовок на компьютеризированном стенде, физически имитирующем нагрев слябов в методических печах широкополосных станов

Практическая значимость исследования заключается в

1 создании математической модели реализации топливосберегающих режимов нагрева, адаптируемой к действующим методическим печам,

2 доказательстве эффективности применения разработанной математической модели на компьютеризированном стенде, физически имитирующем нагрев сляба в рабочем пространстве печи, и экспериментальном подтверждении целесообразности смещения максимальных тепловых нагрузок к концу процесса нагрева металла,

3 возможности частичной реализации расчетных топливосберегающих режимов нагрева в действующих методических печах, позволяющей получить значительный экономический эффект

Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах

- международная научно-техническая конференция молодых специалистов, инженеров и техников 21-25 апреля 2002 года ОАО «ММК»,

-на IV конгрессе прокатчиков 16-19 октября 2001 года, г Магнитогорск,

- на всероссийской научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» 29 октября - 2 ноября 2001 года, г Липецк,

- на 62-ой и 63-ей научно-технических конференциях для студентов и аспирантов МГТУ,

Публикации По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, 3 из них в центральных изданиях Получено свидетельство об отраслевой регистрации разработки в «Отраслевом фонде алгоритмов и программ»

Структура и объем диссертации Диссертационная работа изложена на 143 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 53 рисунка, 8 таблиц, список использованных источников из 100 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ проблемы нагрева металла перед прокаткой на широкополосных станах горячей прокатки Выявлены следующие ключевые моменты 1) отмечено существенное отставание экономических показателей отечественных проходных нагревательных печей перед аналогичными агрегатами зарубежных стран, по критерию удельного расхода топлива на нагрев, 2) обозначены преимущества использования оптимальных топливосберегающих режимов, основанных на расчетах по математическим моделям нагрева металла, 3) обозначены недостатки конструкции проходных нагревательных печей, выявленные в процессе внедрения оптимальных топливосберегающих режимов нагрева на действующих технологических агрегатах, 4) определены направления совершенствования конструкции проходных нагревательных печей в процессе реконструкции действующих агрега-

tob, 5) обозначен тип рабочего пространства, рекомендованный для проектирования современных нагревательных печей широкополосных станов горячей прокатки

Показано, что переход на близкие к оптимальным топливосберегаю-щим режимам нагрева отечественных методических печей широкополосных станов, позволил уменьшить расход топлива до 54-56 кг/т Дальнейшее снижение расхода топлива невозможно без пересмотра распределения тепловых нагрузок по длине печи Поэтому основная цель настоящей работы была сформулирована следующим образом необходимо обосновать распределение тепловой мощности по длине рабочего пространства печи, позволяющее максимально возможно реализовать топливосберегающие режимы нагрева для любого участка нагревательных печей

Мероприятия определения требуемого топливосберегающего распределения тепловых нагрузок по длине печи в работе раскрываются при решении следующих последовательных задач

- разработка и программная реализация алгоритма определения оптимального изменения температуры греющей среды при нагреве по оптимальному топливосберегающему режиму,

- разработка методики определения прогнозируемого времени пребывания отдельной слябовой заготовки в методической печи,

- создание алгоритма расчета уставок температур по зонам нагрева методических печей,

- внесение предложений о необходимом распределении тепловых нагрузок по длине рабочего пространства методических печей для максимально возможной реализации расчетного изменения температуры греющей среды по длине рабочего пространства при нагреве отдельных слябов,

- экспериментальное доказательство эффективности внедрения оптимальных топливосберегающих режимов нагрева

Во второй главе рассматривается математическая модель определения оптимального изменения температуры греющей среды во времени при нагреве по оптимальному топливосберегающему режиму

Математическое описание процесса нагрева металла представлено в виде следующей системы уравнений

8t(x,r) _ 8t2(x,T) т дт дх2

О < т <Т; 0 < х < S-,

J

где ¿(х, г) - температура пластины на оси х, °К, а = Л / ср - коэффициент

температуропроводности, х - пространственная координата, 0 < х < 8, м, д -принимаемая в расчетах толщина заготовки, м, X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К), с — коэффициент удельной объемной теплоемкости, Дж/(м3 К), г- текущее время нагрева, 0 <т <Т, с, Т—заданное время нагрева, с, ¿(0, т) - температура центра пластины, °К, f т) - температура на поверхности пластины, °К, £гс(т)~ температура греющей среды, °К, Оприв-приведенный коэффициент излучения

Задано распределение температур при г = 0 и при т — Т

Ц0,х) = ?(х) 1(Т,х) = Г{х), (2)

где £°(х) - функция начального распределения температур, ^(х) "функция конечного распределения температур по толщине заготовки

Связь температуры греющей среды Ьгс (г) с расходом топлива Уп (г) предлагается осуществить через характеристическую температуру управления И(т), дифференциальное уравнение этой связи имеет следующий вид

1 ггг, ч

(з)

с/т Тс

где и(т)~ к-Ут(т)~ характеристическая температура управления, °К, к - коэффициент передачи по каналу расход топлива Уш (г) - характеристическая температура управления То - постоянная времени по каналу расход топлива - температура греющей среды

Критерием оптимальности энергосберегающего управления режимом нагрева металла является минимизация затрат топлива на нагрев Этот критерий можно представить функционалом вида

т

J = \и2{т)с1т -ЯП1П ^

Для нахождения полученного критерия использован принцип максимума Понтрягина Л С Необходимые условия оптимальности для поставленной задачи представлены в виде функции следующего вида

То

+

| ¿Т1{х,т) а дЧ{х,г) дх2 дх2

где р10-является константой, а Тггс{т), П(5,т), Рг(х,г) играют роль вспомогательных сопряженных переменных и определяются из уравнений

л

д Р1(х,т)

и X

дП(0,т) дт

ЭFгг Л

= 0,

дРг(х,т) 1 дг а

а

(6)

дт дР1(8,т) дх

То А

П(5,т)

а

/

Необходимое условие оптимальности определяется следующей теоремой (принцип максимума) если допустимое управление доставляет минимум функционалу (4) ,то оно удовлетворяет условию максимума функции Н по С/, те

— = 2 и (г) + ^ = (7)

ди у ' То к }

тт , ЛДТ>

Отсюда иор( = —^—> ^8)

2 То Л,

где

Рг0 = -1 по определению

Совместное решение системы уравнений (1) и (6) позволяет найти оптимальный режим по формуле (8) Однако для численного интегрирования системы (1), требуется знать начальные условия для системы (6), то есть пгс(0) , П(5,0), Гг(х,0) Так как граничные условия заданы в виде выражения (2), следовательно, возникает задача выбора начальных условий пгс (0) , Р1(<5,0), р1(х,0) таким образом, чтобы совместное решение систем (1) и (6) привело в точку с заданным конечным температурным полем (2) Для оценки отклонения рассчитанного конечного состояния системы от заданного конечного состояния введем критерий следующего вида

где t™de (Т), t™d (Г) - заданные конечные температуры поверхности и центра соответственно

Решение системы уравнений (1-8), когда критерий (9) примет минимальное значение, будет являться оптимальным

Изложенная методика расчета позволяет получить оптимальную топ-ливосберегающую траекторию изменения температур по сечению в процессе нагрева без учета действия каких-либо ограничений Однако в производственных условиях работы методических печей всегда имеют место технологические ограничения на управляющее воздействие, температуру греющей среды и температуру поверхности металла, ограничение на максимально допустимый перепад температур по сечению (до среднемассовой температуры 600 °С)

< и(т)< и ит)<скс, /„0дг)<сг

At(r)<AtMaKC (Ю )

В математической модели представленные ограничения учитывались с помощью автоалгоритмов Маковского В А, которые для удержания параметра процесса на заданном предельном значении предполагают использование ПИ-закона регулирования

U(r) = kp^(r)+jr^(T)dT, (11 )

и

где £ (г ) = ®Макс (r) ~ (г)> £ - рассогласование между заданным значением ограничения 0макс (г) и действительным параметром процесса 6д (г) в текущий момент времени т , кр и Ти - настроечные коэффициенты, которые зависят от динамики процесса

По представленной методике был проведен расчет нагрева слябовой заготовки толщиной 250 мм от начального теплового состояния

(f°(x)=0 °С) до конечного теплового состояния (tK(x) =1250 °С, с перепадом температур по сечению сляба в конце нагрева, не превышающем 50 °С) за отведенное время на процесс ( Т =150 мин), с учетом влияния технологических ограничений (на управление JJMakC = 1500 °С, ограничение на температуру греющей среды t""KC = 1400 °С, ограничение на температуру поверхности = 1300°С и максимальный перепад температур tstmmc = 200 °С) Результаты расчета изображены на рисунке 1

О 30 60 90 120

Время мин

Рис 1 Расчетная траектория оптимального нагрева слябовой заготовки

Полученная траектория управления LZ(r) (см рис 1) состоит из пяти участков Начальный участок траектории представляет собой управление, рассчитанное в открытых областях, без действия каких-либо ограничений на параметры процесса и на управляющее воздействие На участке 3 управление достигает своего предельного значения и ограничивается по верхнему пределу Участки 2, 4, 5 представляют собой траектории управляющего воздействия, рассчитанные блоками автоалгоритмов, при условии выхода движения соответствующего параметра процесса по ограничению (участок 2 -

ч , макс

ограничение на максимальный перепад температур по сечению Дг ,

4« * макс

— ограничение на максимальную температуру греющей среды 1гс ,

участок 5 — ограничение на максимальную температуру поверхности )

Входными параметрами расчета в представленной математической модели являются время, отведенное на нагрев, характеристики нагреваемого металла и функции начального и конечного теплового состояния заготовки При известных начальных параметрах представленная модель служит необходимым и достаточным средством расчета траектории изменения температуры греющей среды в процессе топливосберегающего нагрева отдельной слябовой заготовки, которая наглядно отражает требуемое расчетное изменение температурного профиля рабочего пространства методической печи, еще раз подтверждая необходимость интенсификации нагрева на заключительной стадии процесса

В третьей главе предложена методика расчета прогнозируемого времени пребывания (нагрева) слябовой заготовки в методической печи, являю-

т

иагр

щейся необходимым основным параметром при расчете траектории оптимального изменения температуры греющей среды при нагреве по топяивос-берегающему режиму

Общее время пребывания в печи не может быть меньше, чем сумма минимальных времен обработки каждой из предшествующих заготовок, находящихся во всех печах Следовательно, прогнозируемое время пребывания заготовки в печи можно выразить следующим выражением

= 2<ШП> (12) 1=1

где д - число предшествующих слябовых заготовок в печах, шт ; г,™" - минимальное время обработки г-го сляба на технологическом участке нагревательные печи - черновая группа - чистовая группа - участок предварительного охлаждения — моталки

Минимальное время обработки каждой предшествующей заготовки определяется как максимальное значение времени обработки ее в каком-либо агрегате рассматриваемой технологической линии

^ПНП _ С тш тш тш шш тш ^ А о \

>* черн' чист' охл ' мот)' У1-' У

_тн1 _тт _тт _тш _пип

где Тв , Хчери , Тчист , тохл , Тмот -минимальное время обработки на участке выдачи из печей, на черновой группе, на чистовой группе, на участке охлаждения, на участке моталок соответственно

Исследования показывают, что сдерживающим фактором рассматриваемого технологического комплекса обычно является работа чистовой группы клетей, но на некоторых сортаментах печи являются узким местом

При работе двух и более печей операции по загрузке и выгрузке

(Тв) заготовок осуществляются поочередно в разных печах во время перемещения заготовки в печи (Тп ) Поэтому, если тз< Хп, то минимальный период выдачи заготовки из п печей (при п> 1) будет равен

(14 )

(л — \){к +1)

где к - число заготовок в ряду одной печи, шт , п - количество печей, шт

В работе был проделан расчет минимального времени перемещения металла в отдельной методической печи в зависимости от геометрических размеров заготовок, ограничения, накладываемого работой механического оборудования, и максимально возможной скорости нагрева металла Итоговые выражения для определения времени нагрева в печи имеют вид (для печей стана 2000 ОАО «ММК»)

т„ - шах-

В + г

5(11248-7,061/,«)

05)

где В - ширина заготовки, мм, г- расстояние между рядами заготовок, мм, 5 -длина шага печи, мм, Гш - длительность шага печи, с, Ьпечи - длина печи, м,

(11248 — 7,061/пос) - экспериментально статистически определенное удельное время нагрева, характеризующее зависимость параметров нагрева от температуры посада (для печи стана 2000 ОАО «ММК»), с, f ^ - температура посада металла в печь, °С

Результаты расчетов по разработанной методике отражены на номограмме на рис 2

1,5

Толщина полосы, мм 2 2,5 3

3,5

250 -

200 -

о 150 ,

и

и. т 100 ^

50

--1--1- (1.1) ^^ -1-1-1- 1 1

(1,2),(2,1) --

11000 ..... 1 --- (2,2) -Т _ \ 1 1

----\(4,2)|'\А_ ! ЧЬ_ 1 - 1

0,75 0,95 1,15 1,35

Ширина сляба, м

1,55

1,75

Рис 2 Номограмма для определения минимального времени прокатки стана (2000 ОАО «ММК») и минимального времени выдачи сляба из печного участка в зависимости от геометрических размеров сляба и полосы (Ь/В=0,95) Цифры у кривых без скобок обозначают длину сляба (мм), цифры у кривых в скобках означают количество печей и слябов в ряду соответственно

Графическое представление результатов расчета позволяет наглядно продемонстрировать определение слагаемого в выражении (12) для отдельной обрабатываемой заготовки Так, если из сляба длиной 5 м прокатывать рулон толщиной 2,7 мм, то время обработки в чистовой группе клетей составит 50 сек (см рис 2 точка А) В случае работы 3 печей на нагревательном участке выдача заготовки из печи за то же минимальное время возможна при нагреве слябов шириной 1380 мм Обработка слябов при всех прочих равных

условиях шириной более 1380 мм приводит к тому, что минимальное время выдачи из печей превышает время обработки в чистовой группе клетей, и печи становятся узким местом Аналогичное изменение величин времени обработки на технологическом комплексе возможно определить при изменении прочий условий

Предложенная номограмма (см рис 2) также позволяет оценить целесообразность строительства 4 нагревательной печи на стане 2000 ОАО «ММК» Введение в эксплуатацию планируемого агрегата позволит снизить минимальное время выдачи заготовок из печи Согласно представленным данным (см рис 2 точка Б), при работе всех тепловых агрегатов производительность печного участка совпадет с производительностью чистовой группы клетей при прокате коротких слябов (длина 5 м) шириной 1750 мм в горячекатаную полосу толщиной 3,7 мм Увеличение величин типоразмеров прокатываемого сортамента снизит время, когда печи будут являться узким местом в технологическом процессе, что, безусловно, отразится на увеличении производительности всего комплекса Однако, строительство 4 нагревательной печи увеличит затраты топлива на нагрев при сохранении существующих режимов, следовательно, внедрение концепции топливосбе-режения становится просто необходимостью

В четвертой главе разработана методика задания температурного профиля методических печей, необходимая для реализации расчетного топ-ливосберегающего изменения температуры греющей среды

Для каждой заготовки в печи рассчитывается индивидуальная траектория нагрева по топливосберегающему режиму во времени На практике необходимо знать не только временное, но и пространственное изменение параметров процесса по длине рабочего пространства печи Если условно считать скорость продвижения металла за время Т постоянной, то пространственное распределение параметров процесса в печи эквивалентно изменению этих параметров во времени В этом случае в системе уравнений (1) необходимо произвести замену переменных ¿¡т на (11, как показано в диссертационной работе Тогда траектории изменения температур будут зависеть от

координаты по длине печи (и(1), 1 гс (!), 1(5,1)), /(0,/)).

Для реализации расчетных режимов нагрева отдельной слябовой заготовки необходимо найти значения температуры (уставки) в отапливаемых зонах печи, при которых распределение температуры по длине печи было бы близким к расчетной траектории /гс = /(!) , следовательно, нагрев рассматриваемой заготовки осуществлялся по близкому к расчетному топливосберегающему режиму Для этого полученную расчетную траекторию = /(1)

необходимо поделить на несколько участков, каждый из которых соответсву-

*

ет конструктивной протяженности отапливаемой зоны печи Уставку / для отдельной заготовки предлагается находить как средневзвешенное значение

расчетного распределения температуры tгc (/) по длине одной зоны, как это продемонстрировано на рисунке 3

4\

& *

о* ГС

Б

4>

Н

В

О

А

И

/

Б

>

Длина зоны псчп

Рис 3 Определение уставки температуры в зоне печи

Таким образом, уставка температуры в зоне печи находится из выражения

с = ]М)<#/(/2-/,). Об)

'1

Аналогичным образом находятся значения температуры в каждой отапливаемой зоне печи для каждой нагреваемой в печи заготовки Необходимо отметить, что предложенный способ определения уставок температур для реализации топливосберегающего режима одной отдельной заготовки возможен в том случае, когда датчик температуры рабочего пространства установлен по середине отапливаемой зоны В ином случае участки траектории расчета уствок температур выбираются симметрично от точки установки температурного датчика

В качестве конкретного примера реализации предлагаемого метода на рисунке 4 приведены результаты расчета уставок температур в верхних зонах печи стана 2000 ОАО «ММК» Время, отведенное на процесс нагрева для всех расчетов, составило 220 мин Расчет уставок температур в зонах для заготовки холодного посада (((3,0) — /(0,0) = 20 °С) был проведен по экспериментальным данным при нагреве по существующему режиму, при котором подача газа осуществляется, начиная с первой отапливаемой по ходу металла зоны Также на рисунке 4 приведены результаты расчета уставок температур для реализации расчетного топливосберегающего режима нагрева экспериментальной заготовки Анализ представленных данных показывает, что при переходе с существующего режима нагрева (УРУТ 56,5 кг/т) на

расчетный топливосберегающий режим (УРУТ 53,4 кт/т), экономия топлива составит 3,1 кг/т Однако обязательным условием при этом переходе становится увеличение тепловой мощности последних по ходу металла зон нагрева №5и №7 (доведения их мощности до аналогичной зонам печи №1 и №3) На рисунке 4 также приведен результат расчета уставок температур для заготовки горячего посада (t(S,0)—t(0,0) = 500 °С) Использование заготовок горячего посада приведет к дополнительной экономии топлива на 3,8 кг/т (УРУТ 49,6 кг/т)

1600 -

Зона I Зона 3 Зона 5 Зона 7 Зона 9

Рис 4 Результаты расчета у ставок температур в верхнихзонах печей стана 2000 ОАО «ММК»

а Существующий режим нагрева слябов холодного посада (УРУТ 56,5 кг/т) & Опгамальный энергосберегающий режим нагрева сляба горячего посада (УРУТ 49,6 кг/т) а Оптимальный энергосберегающий режим нагрева сляба холодного посада (УРУТ 53,4 кг/т)

Организация оптимального топливосберегающего режима нагрева металла на действующих печах определяется задачей выбора температурного профиля печи Суть проблемы заключается в том, что в каждой отапливаемой зоне печи одновременно нагреваются до 8-10 шутк заготовок с различными теплофизическими свойствами Вместе с тем при фиксированной длине отапливаемых зон на все заготовки в зоне осуществляется одно управляющее воздействие (расход топлива) Следовательно, из всего набора температур зоны, рассчитанных по данным отдельных заготовок, в качестве уставки регулятора следует использовать наибольшее значение Такой подход, как показал опыт, является наиболее рациональным Если же температура поверхности какого-либо сляба в зоне достигает своего предельного уровня, то вести процесс следует по этой заготовке, обеспечивая движение по границе допустимых значений температуры поверхности металла

Существующее разбиение рабочего пространства современных отечественных методических печей на длинные фиксированные отапливаемые зоны затрудняет точную реализацию индивидуальных расчетных траекторий нагрева отдельных слябов Для оперативного изменения температурного профиля печи, а, как следствие, возможности максимально приближенной реализации индивидуальных расчетных траекторий нагрева слябовых заготовок, необходимо увеличить число коротких отапливаемых зон В диссертационной работе было предложено на примере изменения газовоздушных магистралей верхних зон печи стана 2000 ОАО «ММК» решить поставленную проблему без изменения конструкции печи Было предложено осуществить деление на короткие отапливаемые зоны, включающие 2 ряда горелок

Характер изменения температурного профиля печи при осуществлении реконструкции газовоздушных магистралей наглядно отражает расчетные уставки температур для холодного и горячего посада, приведенные на рисунках 5 и 6 При формировании садки в печи возникают ситуации, когда в горячем посаде находится несколько холодных заготовок, и тогда, при существующем разбиении на отапливаемые зоны, до 10 слябов вынуждены нагреваться по расчетной уставке холодного сляба Предлагаемое изменение длины отапливаемых зон обеспечит нахождение до 4 слябов в отапливаемой зоне, что позволит более гибко и оперативно изменять температурный профиль печи в зависимости от складывающейся производственной ситуации при прохождении холодными заготовками активных зон нагрева

1400 1200

сз

а

1000

8" §

£ 800 600

15 20 25 30 35 40 45 50 Длина печи, м

Рис 5 Расчетные уставки температур верхних зон печей стана 2000 ОАО «ММК» по длине при существующем разбиении рабочего пространства на отапливаемые зоны (расчетное время нагрева 220 мин)

......для холодного посада (¿(¿>,0) — ¿(0,0) =20°С)

... .ддя горячего посада (1(5,0) = ¿(0,0) =500°С)

холодный посад

3'

7' 9'

шодс

1400 1

1200

а

й 1000 &

а>

н

800

600

1'

холодны» посад

11' 13' 15' 1

19'

15

—I— 20

-Г-

25

30

-г~

35

-(—

40

45

50

Длина печи, м

Рис 6 Расчетные уставки температур верхних зон печей стана 2000 ОАО «ММК» по длине при предлагаемом разбиении рабочего пространства на отапливаемые зоны (расчетное время нагрева 220 мин )•

------для холодного посада (^ад = /(о,о> = 20 °с)

---- для горячего посада {1(8,0) = /(0,0) =500 °С)

Разбиение рабочего пространства на большее число отапливаемых зон, обеспечивающее более гибкое изменение температурного профиля печи, позволит максимально эффективно применять топливосберегающие режимы нагрева и даст снижение расхода условного топлива на 1,5 - 2 кг/т

В пятой главе экспериментально подтверждена эффективность топ-ливосберегающих режимов нагрева на созданном автоматизированном и компьютеризированном лабораторном стенде, реализующем нагрев с контролируемым тепловым потоком на поверхность металла и полностью физически имитирующим нагрев сляба в методической нагревательной печи

Цель эксперимента заключалась в практической отработке методики адаптации математической модели оптимального топливосберегающего режима нагрева, реальной проверке правильности функционирования программного и технического обеспечения, и выявлении возможной эффективности от использования топливосберегающих режимов Необходимо отметить, что проверка расчетных оптимальных топливосберегающих режимов нагрева по данной методике экспериментальным путем проведена впервые

Объектом исследования принят элемент бесконечной пластины, изображенный на рисунке 7, представляющий собой цилиндр из углеродистой стали длиной 125 мм, диаметром 25 мм, помещенный в изолятор Для контроля температур по длине стержня установлены 5 хромель-капелевых тер-

мопар Температура электрического нагревателя также измеряется хромель-алюмелевой термопарой

Блок усиления Персональный

сигнала

термопар компьютер

БУТ-10

А

Ремиконт Р 130 БК-21 Сеть Блок шлюза БШ-21

"Транзит"

V

Исполнительный Блок усиления

механизм ^-^ мощности

МЭО 10/63-25 ПБР-2М

Рис 7 Структурная схема компьютеризированного лабораторного стенда, имитирующего нагрев половины слябовой заготовки

Затраченная на нагрев стержня электрическая энергия измеряется электрическим счетчиком Измеряемые аналоговые информационные сигналы с термопар подаются в блок усиления сигнала термопар БУТ, откуда в виде нормированных сигналов поступают в УСО контроллера Ремиконт Р-130 Контроллер по сети «Транзит» через блок шлюза соединен с ЭВМ ЭВМ рассчитывает требуемое текущее значение температуры нагревателя и в виде задающего воздействия передает по сети «Транзит» котроллеру Р-130 Контроллер сравнивает заданное значение температуры нагревателя с действительным текущим значением, формирует сигнал рассогласования В зависимости от значения сигнала рассогласования, контроллер, в соответствии с принятым ПИ или ПИД законом регулирования, формирует управляющее воздействие в виде команд исполнительному механизму Управляющие команды контроллера усиливаются по мощности бесконтактным реверсивным пускателем типа ПБР-2М Исполнительный механизм целенаправленно изменяет положение движка автотрансформатора Это приводит к соответствующему изменению величин напряжения на первичной обмотке понижающего трансформатора Вторичная обмотка трансформатора подключена к нагревателю Структура экспериментального стенда позволяет задавать любую траекторию изменения величин подводимой электрической мощности

Необходимым условием для исследования являлась адаптация математической модели расчета топливосберегающего нагрева, предложенной в главе 2 для проведения расчетов на стенде Для этого необходимо учесть все тепловые потери В общем виде математическую модель тепловых потоков нагрева заготовки в сконструированном лабораторном стенде можно описать следующим образом

0*шгр О*мет О луч О-шол Йсшор ' 0

где £)нягр - энергия от нагревателя,

О.мет ' энеРгия» идущая на нагрев металла (стержня),

- потери энергии от нагревателя за счет лучистого теплообмена с окружающей средой (нагреватель не изолирован),

0,шол - потери энергии через изоляцию, в которую помещен металл,

Остор " сторонние потери, идущие на нагрев несущих конструкций Энергия от нагревателя 0,нагр является известной величиной и может быть измерена количеством затраченной электрической энергии. Потери энергии за счет лучистого теплообмена 0,луч объясняются тем, что нагреватель не заизолирован и часть лучистой энергии излучает в окружающую среду Потери энергии через изоляцию 0,тол, в которую помещена заготовка,

делятся на потери через боковую поверхность цилиндра (стержня) и его торцом

Оизол = = Обок пов О торец '

(18)

где тв - потери через боковую поверхность цилиндра (заготовки),

О* торец ' потери через торец цилиндра, помещенный в изолятор

Сторонние потери (^„щ, представляют собой энергию, затрачиваемую

на нагрев изоляционного материала и несущих конструкций установки

В зависимости от представления потерь через изоляцию, а именно пренебрежением потерь через боковую поверхность цилиндра - можно представить две модели нагрева заготовки в одномерной или трехмерной системах координат Если потерями через боковую пренебречь ( О,^ пов = 0 ), то

закон теплообмена между изолятором и центром пластины (граничное условие третьего рода) запишется следующим образом

ох Я

где £(О, т) - температура центра пластины, °К, Ьюол - температура изолятора, принимаемая постоянной величиной 293 °К, ОСиз0А - коэффициент теплоотдачи в изолятор (является неизвестной величиной), Х - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К),

Потери энергии от нагревателя за счет лучистого теплообмена с окружающей средой в математической модели необходимо учесть при расчете внешнего теплообмена Так, наиболее удобным способом учета потерь в окружающую среду является введение поправочных коэффициентов в формулу определения коэффициента теплоотдачи в системе (1) Получен следующий вид расчетной формулы

а

к1 a"F"e inn I inn'l (20)

tM-«s,r) +*2 где

£гс(г) - температура греющей среды (температура нагревателя), °К, t(S,r) - температура поверхности металла (обращенной к нагревателю), °К, Cnpug -приведенный коэффициент излучения, ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2 К)

Поправочные коэффициенты к1 и к2, так же, как и коэффициент передачи тепла между металлом и изолятором ССи30Л , определятся при сравнении расчетных данных и данных, полученных в результате эксперимента

Сторонние потери Qcmop, идущие на нагрев несущих конструкций,

для простоты принимаем равными 3-5 %, так как они малы и количественно оценить их не представляется возможным (на лабораторном стенде не осуществляется измерение температур изоляции и несущих конструкций)

Для определения неизвестных коэффициентов были проведены пробные экспериментальные нагревы, по которым был проведен расчет неизвестных величин В дальнейшем коэффициенты принимались неизменными

На адаптированной математической модели нагрева были смоделированы действующие режимы нагрева в методических печах, которые были реализованы на лабораторном стенде Время пребывания слябовой заготовки в печи (180 мин), начальное (t(S,0) = /(0,0) = 20 °С) и конечное (t(d,T) = 300 °С и /(0, Т) = 200 °С) тепловые состояния были заданы одинаковыми для всех режимов нагрева, нагревы осуществлялись при ограничении температуры нагревателя Т„ = 800 °С

На рисунке 8 приведены три смоделированных крайних режима нагрева Режим максимального быстродействия, переводящий начальное тепловое

состояние в заданное конечное за минимальное время (38 мин), и дальнейшей выдержкой на достигнутом уровне до выдачи из печи Промежуточный режим нагрева, осуществляющий достижение заданного конечного теплового состояния за 120 мин, и последующей выдержкой до выдачи из печи Топли-восберегающий режим (в данном случае энергосберегающий, так как на нагрев затрачивается электроэнергия), осуществляющий нагрев непосредственно к выдаче заготовки из печи При реализации представленных режимов нагрева осуществлялась регистрация затрат электроэнергии, которые сведены в таблице

Анализ представленных данных доказывает эффективность применения топливосберегающих режимов нагрева, рассчитанных по разработанной математической модели при наличии резерва времени общей продолжительности нагрева

Время нагрева, мин Рис 8 Экспериментальные данные изменения температурного поля нагреваемой заготовки (Тпов и Тц) и управляющего воздействия (Тн) при реализации различных режимов нагрева до заданного конечного теплового состояния (Тпов = 300 °С и Тц = 200 °С) за одинаковое время, отведенное на процесс нагрева (180 мин) с ограничением на температуру нагревателя 800 °С, где Тн — температура нагревателя, Тпов -температура поверхности нагреваемой стержня, Тц-температура центра пластины, числа в скобках обозначают продолжительность нагрева до достижения температурного поля нагреваемой заготовки заданного конечного теплового состояния

Таблица

Затраты электроэнергии по результатам эксперимента, за отведенное время на процесс равное 180 мин, по различным расчетным траекториям

Ввд нагрева Время нагрева за которое заготовка достигает заданного конечного теплового состояния Затраты электроэнергии

мин кВт*ч

Затратный 38 1833

Затратный 120 1329

Оптимальный энергосберегающий 180 790

Режим нагрева за 38 мин 38 547

Необходимо отметить, что самым топливосберегающим режимом нагрева является режим, когда время, отведенное на нагрев, совпадает с временем нагрева в режиме максимального быстродействия (38 мин см табл)

Полученный стенд представляет собой готовую законченную систему, в которой рассчитываются и реализуются траектории оптимального энергосберегающего нагрева отдельной слябовой заготовки в зависимости от заложенных начальных условий Созданное программное и техническое обеспечение реализации оптимальных энергосберегающих режимов нагрева может быть использовано для практического применения в дествующих печах

Заключение. Основные выводы и результаты

1 Существующая концепция распределения тепловых нагрузок по длине методических печей, ориентированная на достижение максимальной производительности печи и предусматривающая наличие зон выдержки, не способствует эффективному использованию топливосберегающих режимов нагрева заготовок

2 Для эффективного использования топливосберегающего режима нагрева необходимо по длине отапливаемой части печи иметь большее число (в пределах одного ряда сводовых горелок) равноценных по генерируемой тепловой мощности отапливаемых зон

3 Предложен малозатратный способ изменения распределения тепловой мощности по длине рабочего пространства современных методических нагревательных печей, необходимый для возможности максимально полно реализовать топливосберегающие режимы нагрева

4 Разработано и практически реализовано алгоритмическое, техническое и программное обеспечение системы оптимального топливосберегающего режима нагрева заготовок, обеспечивающее требуемую эффективность

управления нагревом металла, которое доказало свою практическую работоспособность

5 Впервые экспериментально на созданном автоматизированном и компьютеризированном лабораторном стенде доказана достоверность и высокая эффективность теоретических оптимальных топливосберегающих режимов нагрева заготовок в методических печах в условиях, близких к реальным, и с учетом накладываемых на процесс технологических ограничений

6 Результаты частичного использования топливосберегающих режимов нагрева на действующих печах стана 2000 ОАО «ММК», достигнутые за счет смещения основных тепловых нагрузок в последние по ходу металла зоны и увеличения доли горячего посада, снизили расход условного топлива на 3 кг/т (причем 1-1,5 кг/т за счет смещения тепловых нагрузок и 1,5-2 кг/т за счет горячего посада) Показатель расхода условного топлива достиг 56,1 кг/т. Дальнейшее снижение расхода топлива невозможно без использования предложенных в работе мероприятий по реконструкции отопления печи и внедрения соответствующего информационного и программного обеспечения

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях

1 Жадинский, Д.Ю. Экспериментальная проверка эффективности энергосберегающих режимов нагрева при резерве времени на нагрев [Текст] // Автоматизация технологических и производственных процессов в металлургии межвуз сб науч трудов / под редакцией Б H Парсункина - Магнитогорск МГТУ, 2004 - С 214-221

2 Жадинский, Д.Ю. Совершенствование конструкции рабочего пространства методических печей для реализации энергосберегающих режимов нагрева [Текст] / Б H Парсункин, С M Андреев, Д Ю Жадинский И Современная металлургия начала нового тысячелетия сб науч тр всероссийской научно-технической конференции в 3 ч / Липецкий гос техн ун-т - Липецк ЛГТУ, 2001 -4 3 -С 84-86

3 Жадинский, Д.Ю. Реконструкция рабочего пространства проходных нагревательных печей для реализации энергосберегающих режимов нагрева [Текст] / Б H Парсункин, С M Андреев, Д Ю Жадинский // Черная металлургия, бюлл НТИ - 2002 - вып 3 - С 24-25

4 Жадинский, Д.Ю. Реконструкция рабочего пространства проходных нагревательных печей для реализации энергосберегающих режимов нагрева [Текст] / Б H Парсункин, С M Андреев, Д Ю Жадинский // Труды четвертого конгресса прокатчиков (Магнитогорск, 16-19 октября 2001г) в 2 т - M АО Черметинформация, 2002 - т 1 - С 85-86

5 Жадинский, Д.Ю. Обоснование требований к проектированию рабочего пространства проходных нагревательных печей широкополосных станов для реализации энергосберегающих режимов нагрева слябовых заготовок [Текст] / Б H Парсункин, Д Ю Жадинский // Материалы 62-ой научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2002-2003 годы сб докладов в 2 т. / Под ред Г С Гуна - Магнитогорск МГТУ, 2003 - т 2 - С60-62

6 Жадинский, Д.Ю. Информационное обеспечение энергосберегающих режимов нагрева непрерывнолитых заготовок перед прокаткой [Текст] / Б H Парсункин, С M Андреев, Д Ю Жадинский // Металлург -2005 -9 -С 94-97

7 Жадинский, Д.Ю. О реализации энергосберегающих режимов нагрева непрерывнолитых заготовок перед прокаткой [Текст] / Б H Парсункин, С M Андреев, ДЮ Жадинский [и др ]//Сталь -2005 -12 -С 44-46

8 Жадинский, Д.Ю. Комплекс программ для расчета распределения тепловой мощности в методической печи vi 0 [Электронный ресурс] / Б H Парсункин, С M Андреев, Д Ю Жадинский // Свидетельство об отраслевой регистрации разработки / ГКЦИТ Отраслевой фонд алгоритмов и программ выдано 17 05 2005 - № 4779 , Извещение о государственной регистрации разработки, предъявленной в отраслевой фонд алгоритмов и программ / Национальный информационный фонд неопубликованных документов дата регистрации 27 05 2005 - № ГР 50200500728

( '

Подписано в печать 20 03 07 Формат 60x84 1/16 Бумага тип №1

Плоская печать Услпечл1,0 Тираж 100 экз Заказ 127

455000, Магнитогорск, пр Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ МИНИМИЗАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ГОРЯЧЕКАТАННОГО ЛИСТОВОГО ПРОКАТА.

1.1. Существующие способы производства полосы для переката.

1.2. Организационные мероприятия, снижающие затраты на производство горячекатаного листового проката.

1.3. Стратегия и критерии оптимальных режимов нагрева металла.

1.4. Технологические особенности оптимального режима нагрева металла.

1.5. Совершенствование конструкций методических печей.

1.6. Постановка задачи достижения минимально возможных затрат при подогреве слябовых заготовок перед прокаткой.

Глава 2. ТОПЛИВОСБЕРЕГАЮЩИЙ РЕЖИМ НАГРЕВА СЛЯБОВЫХ ЗАГОТОВОК.

2.1. Математическая модель процесса нагрева металла в проходной нагревательной печи.

2.2. Расчет оптимального топливосберегающего режима нагрева заготовок.

2.3. Учет влияння технологических ограничений на процесс управления нагрева металла.

Глава 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВРЕМЕНИ НАГРЕВА СЛЯБОВЫХ ЗАГОТОВОК В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ МЕТОДИЧЕСКОЙ

ПЕЧИ.

Глава 4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ ПО ДЛИНЕ МЕТОДИЧЕСКИХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ.

4.1. Препятствия реализации топливосберегающих режимов нагрева

4.2. Пути дальнейшего улучшения отопления методических печей на примере печей стана 2000 ОАО «ММК».

4.2.1. Существующее распределение тепловой мощности.

4.2.2. Расчет уставок температуры в зонах методической нагревательной печи.

4.2.3. Исследование реализации топливосберегающих режимов нагрева в печах стана 2000 ОАО «ММК».

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАСЧЕТНЫХ ТОПЛИВОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА.

5.1. Постановка задачи эксперимента.

5.2. Описание экспериментальной установки.

5.3. Исследование влияния ограничений на процесс топлнвосберегающего нагрева.

5.4. Адаптация модели расчета функции оптимального управления нагревом для разработанного лабораторного стенда.

5.5. Реализация расчетных режимов нагрева.

Нагрев металла перед прокаткой является неотъемлемой и важнейшей стадией технологического процесса для большинства металлургических предприятий во всем мире, определяющей качество и себестоимость продукции. Энергетические затраты на производство горячекатаного листа, составляющие до 30% себестоимости на отечественных широкополосных станах, в 1,2 - 1,3 раза, при прочих равных условиях, превышают показатели лучших зарубежных аналогичных агрегатов [1, 2]. Таким образом, существующий разрыв в энергоемкости производства проката в России и за рубежом является актуальной и до сих пор неразрешенной проблемой. Сокращение энергетических затрат при нагреве металла является основным направлением экономии природного топлива и снижения себестоимости готового проката.

Расходы условного топлива при нагреве металла холодного посада в печах отечественных станов составили: на стане 2000 ОАО «ММК» - 1963 МДж/т (67 кг у.т./т) [2], на стане ЧерМК - 1758 МДж/т (60 кг у.т./т) [1, 3]. При подогреве слябов в печах зарубежных станов расход топлива составляет: на стане 1850 Домнаверт, Швеция - 1333 МДж/т (45,5 кг у.т./т), на стане 1800 Бохум, Германия - 1298 МДж/т (44,3 кг у.т./т), на стане 2185 Фернфилд, США - 1308 МДж/т (44,5 кг у.т./т), на стане 1520 Куре, Япония - 1163 МДж/т (39,7 кг у.т./т), на стане 2030 Серманж, Франция - 1151 МДж/т (39,3 кг у.т./т) [1]. Разница в вышеуказанных показателях объясняется наиболее благоприятными условиями эксплуатации, состоянием и характеристиками печей за рубежом, различной организацией технологического процесса по температуре посада металла, а также различными характеристиками нагреваемого металла. Однако достигнутые результаты свидетельствуют о непрерывной работе технического персонала по улучшению характеристик и режимов ведения печей в зарубежный странах, доведения показателей печей до максимально возможных по критерию экономии топлива [4-9].

Решение обозначенной технической проблемы снижение разрыва показателей затрат топлива на нагрев металла перед прокаткой на отечественных широкополосных станах возможно при улучшении существующей технологии нагрева металла в печах подобных станов, а именно: применении обоснованной конструкции нагревательных печей и энергосберегающих режимов нагрева металла в данных технологических агрегатах.

Используемые в настоящее время режимы управления нагревом на большинстве отечественных станов оказываются слишком дорогостоящими в современных условиях. Это объясняется тем, что данные режимы разрабатывались для стратегии максимального быстродействия, в которой нагревательные печи должны обеспечивать максимально возможную производительность технологического процесса. При наличии резерва во времени соблюдение существующих режимов неизбежно приводило к перерасходу топлива.

Улучшение информационной обеспеченности процесса нагрева, внедрение новых технологий получения информации, а также увеличение времени нахождения заготовки в печи позволяют реализовывать энергосберегающие режимы нагрева.

На сегодняшний день реализация энергосберегающих режимов нагрева с использованием микропроцессорной техники, позволяющая без значительных материальных затрат получить существенную экономию топливных ресурсов, принимает все более распространенный характер [1,4-13].

Необходимо отметить, что энергосберегающие технологии и мероприятия, широко применяемые за рубежом, на отечественных широкополосных станах внедряются крайне медленно. Если за рубежом пиком активности внедрения данных технологий можно считать нефтяной кризис 1973 года [1, 12], то в нашей стране лишь последнее десятилетие. Следовательно, для реализации программ по энергосбережению на отечественных печах широкополосных станов необходимо использовать опыт зарубежных предприятий.

Предприятия, внедряющие энергосберегающие режимы нагрева, столкнулись с трудностями реализации этих режимов на действующих нагревательных печах широкополосных станов, связанными с технологическими особенностями тепловых агрегатов и существующим информационным обеспечением.

Энергосберегающие режимы подразумевают интенсификацию нагрева на заключительных стадиях процесса, что увеличивает опасность выдачи недогре-того металла и связанных с этим негативных последствий [10, 11, 14]. Этот риск должен быть сокращен до нуля в результате значительного улучшения информационного обеспечения режима нагрева.

Основополагающим параметром для минимизации затрат топлива на нагрев является достоверное прогнозирование продолжительности нахождения отдельной заготовки в печи [14, 15]. Следовательно, обязательным условием при реализации энергосберегающего режима нагрева будет наличие оперативного прогноза общего промежутка времени нахождения каждой заготовки в рабочем пространстве печи (с точностью не менее 1,5 - 2,0 %) с момента посада в печь с учетом всех запланированных и случайных простоев стана [14].

Следующим определяющим условием эффективной реализации оптимальных энергосберегающих режимов является формирование объективной (независимой от функционирования используемой математической модели процесса), оперативной и достоверной информации о температурном состоянии нагреваемого металла на выходе из печи [16,17, 18].

Конструкционные особенности действующих нагревательных печей не позволяют в полной мере реализовать рекомендуемые энергосберегающие режимы нагрева. В работе [19] подчеркивается, что система реализации энергосберегающих режимов сразу же выявляет конструкционные недостатки печи, которые не позволяют максимально снизить затраты топлива на нагрев. Реализация нагрева металла по оптимальной энергосберегающей траектории требует определенного распределения тепловой мощности по длине рабочего пространства проходных нагревательных печей, позволяющей в полной мере реализовать расчетные режимы нагрева. Существующие печные агрегаты конструировались для осуществления нагрева по режиму максимального быстродействия, следовательно, распределение тепловой мощности по длине печи разрабатывалось для реализации заданного критерия управления. Изменение стратегии управления на энергосберегающие режимы нагрева требует кардинального изменения существующего распределения тепловой мощности [20,21, 22].

Реализуемые оптимальные энергосберегающие режимы нагрева металла в проходных нагревательных печах основаны на расчетных данных. Для кардинального пересмотра распределения тепловой мощности по длине проходных нагревательных печей результаты, полученные на математических моделях нагрева металла, не являются для технологов убедительным доказательством. Появляется необходимость в экспериментальной проверке расчетных энергосберегающих режимов нагрева, наглядно показывающих величину изменения управляющего воздействия, а именно тепловых потоков на поверхность металла во времени (и, как следствие, по длине рабочего пространства печи), возможность реализации которых должна стать основной целью при проектировании рабочего пространства нового печного агрегата.

Настоящая работа посвящена разработке методики расчета распределения тепловой мощности по длине рабочего пространства проходных нагревательных печей при кардинальном изменении стратегии управления от режимов максимального быстродействия на энергосберегающие режимы нагрева и экспериментальном доказательстве правомерности ее применения.

Разрабатываемая методика расчета обоснованного распределения тепловой мощности по длине нагревательной печи может быть использована при конструировании новых тепловых агрегатов проходного типа, а также реконструкции действующих нагревательных печей, в которых ставится задача максимально возможно реализовывать энергосберегающие режимы нагрева.

Выводы по главе:

1. Экспериментально доказано, что оптимальная траектория нагрева металла с точки зрения экономии топлива должна интенсифицировать нагрев на заключительной стадии процесса.

2. Экспериментально доказано влияние технологических ограничений на процесс нагрева металла в печи.

3. Экспериментально подтверждена точность математической модели расчета оптимальной траектории нагрева по методу Понтрягина, которая позволяет определить оптимальную траекторию изменения температур металла по сечению в процессе энергосберегающего нагрева. Также подчеркнута необходимость обеспечения полученной траектории изменения температур металла в процессе нагрева в промышленных тепловых печах, следствием которой становится достижение полученной траектории в предварительных расчетах при проектировании рабочего пространства нагревательных печей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен новый способ методики расчета оптимального энергосберегающего нагрева слябовой заготовки в проходной нагревательной печи с использованием принципа максимума Понтрягина, который является продолжением работы, проводимой на кафедре ПК и СУ Магнитогорского технического университета. Предлагаемый способ позволяет сократить расчет энергосберегающего нагрева с учетом технологических и конструкционных ограничений с двух стадий (расчет без ограничений и пересчет полученных траекторий с учетом влияния ограничений) до одной стадии путем внесения ограничений в математическую модель принципа максимума Понтрягина.

2. Предложена методика определения необходимой производительности печного участка проходных нагревательных печей широкополосных станов горячей прокатки и каждой печи в отдельности. В основу представленной методики положена ключевая задача современного проектирования, а именно: участок нагревательных печей не должен становиться узким местом в технологической цепи печи - широкополосный стан горячей прокатки в процессе эксплуатации.

3. Доказана необходимость увеличения тепловых нагрузок в томильных зонах методических нагревательных печей широкополосных станов горячей прокатки, превращением их в зоны интенсивного нагрева при реализации энергосберегающих режимов нагрева.

4. Доказана необходимость деления рабочего пространства методических нагревательных печей на большое количество маленьких зон, имеющих индивидуальные контура управления для точной и эффективной реализации минимизирующих затраты топлива режимов нагрева. А также предложен мало затратный способ изменения распределения тепловой мощности по длине рабочего пространства методических нагревательных печей, необходимый для максимально возможного получения энергосберегающего эффекта.

5. Впервые экспериментально доказана эффективность применения энергосберегающих режимов нагрева металла, предусматривающего интенсификацию нагрева на заключительном интервале заданного времени нагрева и доказана целесообразность изменений конструкции рабочего пространства, позволяющая эффективно реализовать оптимальные энергосберегающие режимы нагрева.

6. Предложена и впервые экспериментально проверена методика адаптации математической модели теплообмена в рабочем пространстве методической печи к реальным производственным условиям на компьютеризированном лабораторном стенде, полностью имитирующем реальную систему энергосберегающего режима нагрева.

7. Даже частичное использование рационального режима нагрева металла, рекомендованного в работе, на действующих печах стана 2000 ОАО «ММК» позволит обеспечить снижение удельного расхода топлива на 1,5-2 кг у.т./т [67], что приведет к экономическому эффекту в 7,4 млн. руб. в год [Приложние

5].

1. Спивак Э.И., Аносов В.И., Гусовский B.JI. и др. Расход топлива перед прокаткой на широкополосные станы // Бюлл. НТИ. Черная металлургия. 1993. -№6.-С. 3-12.

2. Михайловский В.Н., Носов С.К., Пирожков А.Н. и др. Освоение нагревательных печей стана горячей прокатки 2000 // Сталь. 1998. - №2. - С. 27-30.

3. Беняковский М.А., Ананьевский М.Г.и др. Автоматизированные широкополосные станы, управляемые ЭВМ М., Металлургия, 1984.

4. Климовицкий М.Д. Системы автоматического управления нагревательными печами за рубежом // Бюлл. НТИ. Черная металлургия. 1982. - №8. - С. 3037.

5. Климовицкий М.Д. Выбор оптимального графика нагрева слябов в методических печах // Сталь. 1975. - №6. - С. 563-565.

6. Шупе В., Талер Г. Обзор современного состояния управления печами с помощью вычислительной техники // Пер. с нем. Черные металлы. 1987. -№20.-С. 9-14.

7. Райншрсубер Ф., Якоб Г., ХиришанТ. и др. Управление нагревательными печами при помощи микропроцессоров на примере проволочного и мелкосортного станов // Пер. с нем. Черные металлы. 1986. - №4. - С. 3-9.

8. Кёстер Ф., ВикХ-Й, ФунгиниА. и др. Автоматизированное задание температур зон печи с шагающими балками при помощи ПЭВМ // Пер. с нем. Черные металлы. 1991. - № 11. - С. 15-22.

9. Брод X., Риман Г., Фогт X., и др. Оптимизация печей повторного нагрева широкополосного стана горячей прокатки фирмы Крупп шталь // Пер. с нем. Черные металлы. -1992. №8. - С. 6-13.

10. Мюнх Ф.Т. Повышение производительности и экономия энергии при производстве горячекатаных полос // Черные металлы, октябрь 1997. С. 38-45.

11. Кламмер X, Шупе В., Шпеер В. Обзор энергетического хозяйства и оптимизации процессов в печных агрегатах // Пер. с нем. Черные металлы. 1985. -№3.-С. 12-22.

12. Парсункин E.H., Бушманова М.В., Фомичев A.B. Прогнозирование времени нагрева заготовок в методических печах // Межвуз. сб. науч. тр. «Автоматизация технологических и производственных процессов в металлургии» -Магнитогорск: МГТУ, 2001. С. 7-16.

13. Парсункин Б.Н., Обухов Г.Ф., Леднов A.B., и др. Контроль положения нагреваемых заготовок в методических нагревательных печах // Автоматическое управление металлургическими процессами: Межвуз.сб.науч.тр. -Магнитогорск, МГМИ, 1990. - С. 60-68.

14. Панферов В.И. Инструментально-расчетный контроль температуры металла АСУ ТП методических печей // Изв. вузов. Черная металлургия. 1996. -№8.-С. 63-66.

15. Панферов В.И. Методы контроля температуры металла в АСУ ТП методических печей // Изв. вузов. Черная металлургия. 2002. - №10. - С. 57-61.

16. Кламмер Г., Хайдемюллер X., Циммерман Б., Махман Г. Горячая загрузка балочных заготовок в методическую печь толкательного типа на комбинированном прокатном стане // Пер. с нем. Черные металлы. 1998. - №4. - С.42-48.

17. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Жадинский Д.Ю. Совершенствование конструкции печей проходного типа. Доклад на 61 научно-технической конференции для студентов. МГТУ, Магнитогорск, 2002.

18. Симон Р.В., Зенк Д., Меллерс К., Легран Ю., ВандевильЛ. и др. Прямое литье полосы на опытно промышленной установке «MYOSOTIS» // Пер. с нем. Черные металлы. - 1997. - №10.

19. Бальд В., Кнеппе Г., Розенталъ Д., Зудау П. Новейшая технология производства горячекатаной полосы. // Чернее металлы. Февраль 2000. С. 36-44.

20. Розенталъ Д., Кнеппе Г. Оптимизированные этапы процесса экономического производства полосы // Пер. с нем. Черные металлы. 2001. - №4.

21. Светличный A.B., Кукуй К.А., Сульников C.B., Вахранев С.Н. Автоматизированная система управления нагревом слитков в нагревательных колодцах обжимного стана // М., Современные технологии автоматизации. - 2001. -№3.

22. Гуров А.С., Маркелова Т.А. Нагревательные печи и термическое оборудование в линиях совмещенной разливки и горячей прокатки // Обзор, информ. ин-т «Черметинформация». М., - 1990. - С. 159.

23. Девятое Д.Х., Дубинин В.М., Рябков В.М., Бушманова М.В., Белявский А.Б. Оптимальное управление нагревом металла в камерных нагревательных печах: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2000. 241 с.

24. Глинков М.А., Качанов В.Ю., Чирмазь И,, Сарка Т. Аэродинамический режим нагревательных колодцев, отапливаемых верхней горелкой // Изв. вузов Черная металлургия. 1972. - №9. - С. 147-150.

25. Официальный сайт ОАО «Северсталь» www.severstal.ru.

26. Климовщкий МД. Автоматизация управлением нагрева металла за рубежом // Бюлл. НТИ. Черная металлургия. 1980. - № 7. - С. 18-31.

27. Автоматизация методических печей / Буглак Л.И., Вольфман И.Б., Ефрой-мович С.Ю. и др. М.: Металлургия, 1981.- 196 с.

28. Ъ А. Андреев С.М., Прозоров В.В. Оптимизация управления нагревом металла // Информационные и кибернетические системы управления и их элементы: Тезисы доклада. Всероссийская молодежная научно-техническая конференция. Уфа, 1997. - С. 247.

29. Бутковский AT., Малый С.А., Андреев Ю.Н. Управление нагревом металла -М.: Металлургия, 1981. 272 с.

30. Малый С.А. Экономичный нагрев металла. М.: Металлургия, 1967. - 192 с.

31. Бутковский А.Г., Малый С.А., Андреев Ю.Н. Оптимальное управление нагревом металла. М.: Металлургия, 1972. - 440 с.

32. Глинков М.А., Глинков Г.М. Общая теория тепловой работы печей. М.: Металлургия, 1990.231 с.

33. Рябков В.М. Оптимальное управление и контроль нагрева металла: Авт. дис. на с.уч.ст.д.т.н. / МГМА. Магнитогорск, 1995 - 43 с.

34. Панферов В.И. Об оптимальном управлении нагревом окисляющихся массивных тел при теплообмене со средой через поверхностный слой окалины // Изв. Вузов Черная металлургия. 1984. - №2. - С. 87-90.

35. Панферов В.И Об оптимальном управлении нагревом металла // Изв. Вузов Черная металлургия. 1981. - №8. - С. 117-119.

36. Панферов В.И., Рябков В.М., Парсункин Б.Н. Об одной задаче оптимального управлением нагрева металла. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1981. -№6. -С. 105-108.

37. Спивак Э.И. Методы ускоренных расчетов нагревательных печей. М. Металлургия, 1988.

38. Тащ Н.Ю. Технология нагрева стали. М.:Металлургиздат, 1962. - 568 с.

39. Горячая прокатка полос на стане 2000 горячей прокатки // Технологическая инструкция. ТИ 101 -П-ГЛ10-374-90. Магнитогорск, ММК, 1999.

40. Терегулов ИГ. Сопротивление материалов и основы теории упругости и пластичности. Учебник для ВУЗов. М.: Высшая школа, 1984. - 472 с.

41. Бердышев В.Ф., Шатохин КС. и др. Исследование методических печей Магнитогорского металлургического комбината с целью выработки энергосберегающих мероприятий // Изв. вузов. Черная металлургия. 1995. - №11. -С. 59-65.

42. Прозоров В.В. Оптимизация теплового и температурного режима в проходных нагревательных печах широкополосных прокатных станов: Авт. дис. на с.уч.ст.к.т.н. Магнитогорск, МГТУ, 2000. - 28 с.

43. Гусовский В.Л., Калинова Т.В. и др. Современное состояние и совершенствование конструкций методических печей // Сталь. 2001. - №1. - С. 46-50.

44. Бровкин Л.А., Соколов А.К. О режиме нагрева в промышленных печах стали с минимальным окислением // Изв. вузов. Черная металлургия. 1972. - №7. -С. 161-164.

45. Ващенко А.И., Копелович А.П. и др. Динамика высокотемпературного окисления стали при неполном сжигании топлива // Изв. вузов. Черная металлургия.-1972.-№7.-С. 157-160.

46. Калон М., Дим Б. и др. Экономия топлива и улучшение качества металла регулированием состава продуктов горения в нагревательных печах // Черные металлы.-2001.-№11.-С. 82-88.

47. Парсункин Б.Н. Оптимизация процесса сжигания топлива с целью снижения его удельных расходов // Изв. вузов. Черная металлургия. 1993. - №3. -С. 71-75.

48. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Прозоров В.В. Оптимизация управления процессом сжигания топлива в рабочем пространстве нагревательных печей // Сталь. 2000. - №5. - С. 48-52.

49. Парсункин Б.Н., Шестеркин А.Г., Обухов Г.Ф., Леднов A.B., Дегтярев В.В. Самонастраивающаяся система для управления тепловым режимом печей // Сталь. 1987.-№11 - С. 102-104

50. Парсункин Б.Н., Хусид С.Е., Ковалев Г.А. и др. Самонастраивающаяся система для управления тепловым режимом методических печей // Бюлл. ЦНИИЧМ. 1970 - №4. - С. 39-41.

51. Арутюнов В.А., Егоров A.B., А.Я. Стомахин. Дожигание горючих компонентов атмосферы в рабочих камерах промышленных печей // Изв. вузов. Черная металлургия. 2003. - № 3. - С. 46-55.

52. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Прозоров В.В. Контроль качества сжигания топлива в методических печах // Вопросы прикладной химии: Сб. науч. тр. Магнитогорск, МГТУ, 1999. С. 224-228.

53. Троянкин Ю.В., Струнин O.A. Методика расчета эффекта от модернизации методической печи // Сталь. 2001. - №5. - С. 39-41.

54. Шулъц Л.А. По следам разработки и внедрения печей со стадийным сжиганием топлива и перспективы их развития в металлургии // Изв. вузов. Черная металлургия. 2005. - № 10. - С. 62-69.

55. Лисенко В.Г., Волков В.В., Маликов Ю.К. Улучшение топливоиспользования и управление теплообменом в металлургических печах. М.:Металлургия, 1988.-231 с.

56. Ковылов В.М., Томилин Ю.И. Применение волокнистых материалов и изделий в тепловых ограждениях печей // Бюлл. НТИ. Черная металлургия. -2001.-№9.

57. Материалы и элементы металлургических печей. Учебное пособие / В.Г. Лисиенко, С.Н. Гущин, Г.В. Воронов, В.Б. Кутьин; Под ред. В.Г. Лисиенко. Свердловск: Издательство Урал, ун-та, 1989. 304 с.

58. Соколов А.К. Оптимизация режимных и конструктивных параметров и совершенствование методов расчета газовых нагревательных печей // Авт. дис. на с.уч.ст.д.т.н. Иваново, ИГЭУ, 2003.

59. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Жадинский Д.Ю. и др. О реализации энергосберегающих режимов нагрева непрерывнолитых заготовок перед прокаткой // Сталь. 2005. - 12. - С. 44-46.

60. Фомичев A.B. Совершенствование энергосберегающего режима нагрева заготовок металла в методических печах широкополосных станов: Авт. дис. на с.уч.ст. к. т. н. Магнитогорск, МГТУ, 1998 - 21 с.

61. Андреев СМ. Оптимизация нагрева металла в методических печах. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Магнитогорск, МГТУ, 2001.-21 с.

62. Парсункин Б.Н., Андреев С.М. Энергосберегающие режимы нагрева при учете технологических ограничений // Энергосбережение на промышленных предприятиях: Сб. трудов второй Международной научно-технической конференции. Магнитогорск. - 2000. С. 103-107.

63. Арутюнов В.А., Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей. М.¡Металлургия, 1990. -239 с.

64. Крупенников С.А. Тепломассообмен. //Курс лекций. -М., МИСиС, 2001.

65. Маковский В.А., Лаврентик И.И. Алгоритмы управления нагревательными печами. М.:Металлургия, 1977. - 184 с.

66. Парсункин Б.Н., Прозоров В.В., Андреев С.М. Оптимальное управление нагревом металла с целью минимизации затрат топлива. // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. Вып.З Магнитогорск, МГТУ, 1998.-С. 163-168.

67. Девятое Д.Х., Рябков В.М. Оптимальное управление нагревом слитков с незавершенным процессом затвердевания // Изв. вузов. Черная металлургия. -1972.-№6.-С.

68. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1969. - 455 с.

69. Рябков В.М., Дубинин В.М. Принцип максимума для систем с распределенными параметрами в случае линейных граничных условий. // Теплотехника процессов выплавки стали и сплавов: Межвуз.сб.науч.тр. Вып.З Магнитогорск. 1973.-С. 193-201.

70. Бутковский А.Г., Голдъфарб Э.М., Гескин Э.С. Применение принципа максимума для оптимизации температурного режима печей // Изв. вузов. Черная металлургия. 1967. №3. С. 173-177.

71. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Жадинский Д.Ю. Комплекс программ расчета распределения тепловой мощности в методической печи VI.0. // ОФАП. Свидетельство о регистрации № 4779, от 17.05.2005.

72. Парсункин Б.Н., Прозоров B.B. Энергосберегающая технология нагрева металла. // Энергосберегающие технологии на промышленных предприятиях. МДП.- 1997.-С. 52-57.

73. Трубицын Г.В., Сотников Г.В. Численное решение задачи оптимального нагрева металла в камерных печах с минимальным расходом топлива // Изв. вузов. Черная металлургия. 1983. -№12. - С. 103-107.

74. Парсункин Б.Н., Андреев С.М. Прогнозирование продолжительности времени нагрева непрерывнолитой заготовки в методической печи с шагающими балками // Сталь. 2003. - №1. - С. 71-74.

75. Парсункин Б.Н., Фомичев A.B., Катасонов C.B. Определение скорости продвижения металла в методической печи // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. №3. Магнитогорск, МГТУ, 1998. - С. 156-163.

76. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Жадинский Д.Ю. Реконструкция рабочего пространства проходных нагревательных печей для реализации энергосберегающих режимов нагрева // Бюл. Черная металлургия. 2002. - №3. - С. 2425.

77. Панферов В.И. Расчет уставок регуляторов температуры в зонах методической печи // Изв. вузов. Черная металлургия. 1997. - №6. - С. 20-24.

78. Панферов В.И. Теплотехнические основы методов контроля и оптимизации нагрева метла.: Авт. дис. на с.уч.ст. д.т.н./МГМА. Магнитогорск, 1995 - 43 с.

79. Шупе В. Опыт ведения процесса нагрева при помощи УВМ для различных типов печей и геометрических параметров загружаемых заготовок // Пер. с нем. Черные металлы. 1992. - №8. - С. 14-20.

80. Парсункин Б.Н., Шнайдер Г.Ф., Обухов Г.Ф., Дегтярев В.В., Леднов A.B. Определение качества нагрева металла в нагревательных печах // Сталь. -1989.-№11.-С. 104-107.

81. Панферов В.И. О некоторых свойствах и об алгоритме косвенного контроля температурных полей массивных тел в период выдержки при постояннойтемпературе печи // Изв. вузов. Черная металлургия. 1985. - №6. - С. 114116.

82. Панферов В.И. К контролю и анализу температурных полей массивных тел в период выравнивания при нулевом тепловом потоке через поверхность // Изв. вузов. Черная металлургия. 1986. -№3. - С. 123-126.

83. Панферов В.И. Об алгоритме косвенного контроля и особенностях температурных полей массивных тел в период выдержки при постоянной температуре поверхности // Изв. вузов. Черная металлургия. 1985. - №4. - С. 93-97.

84. Парсункин Б.Н., Панферов В.И. Контроль прогрева металла // Изв. вузов. Черная металлургия. 1981. - №10. - С.127-129.

85. Панферов В.И. Настройка алгоритмов контроля качества нагрева металла в печах // Изв. вузов. Черная металлургия. 1989. - №2. - С.139-142.

86. Панферов В.И. Алгоритмизация контроля качества нагрева металла в печах // Изв. вузов. Черная металлургия. 1989. - №4. - С. 140-144.

87. Контроль качества нагрева заготовок на выходе из методической печи // Отчет о НИР. / МГТУ, Руководитель работы Б.Н. Парсункин. №ГР01200509427, Магнитогорск. 2005. - 148 с.

88. Концепция конструирования нагревательных печей для реализации оптимальной энергосберегающей технологии // Отчет о НИР/ МГТУ, Руководитель Б.Н. Парсункин. №ГР01200509427, РФ Т02-05.7-143.

89. Банды Б. Методы оптимизации. Вводный курс. М.: Радио и связь. - 1988. -76 с.

90. Беленький A.M., Дубинин М.Ю., Партии В.Н. Проблемы измерения температуры в металлургии // Печетрубостроение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология: Материалы международного конгресса. -М.: Теплотехника 2004. - С. 78-85.