автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Внедрение усовершенствованных режимов работы методических печей на основе развития методов и средств информационной технологии промышленного эксперимента

На правах рукописи

Найденов Роман Эдуардович

Внедрение усовершенствованных режимов работы методических печей на основе развития методов и средств информационной технологии промышленного эксперимента

("легальность 05.16.02 - «Металлургия черных металлов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

' Москва , 1997 г.

- г -

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

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

Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор Глинков Г.М. кандидат технических наук, профессор Гусовский В.Л.

Ведущее предприятие: Московский металлургический завод "Серп "и молот", г. Москва

Защита состоится "20" марта 1997 г. на заседании диссертационного совета К.053.08.01 при Московском Государственном институте стали и сплавов по адресу 117936, Москва , ГСП-1, Ленинский проспект, 4, в аудитории 436 в 15.00.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института.

Автореферат разослан " " _ 1997 г.

■ Справки по телефону 237-84-45

Ученый секретарь диссертационного совета- Курунов И. Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Совершенствование тепловой работы с целью снижения удельных энергозатрат, уменьшения угара металла и количества вредных выбросов обеспечивает повышение эффективности всего металлургического производства.

Эффективные решения по совершенствованию 'тепловой работы конкретной нагревательной печи могут быть получены после проведения комплексного теплотехнического исследования агрегата, включающего комплексный автоматизированный эксперимент и математическое моделирование, выполняемые в темпе с технологическим процессом.

Нагревательные печи прокатного производства, и в . частности методические печи, являются сложными объектами, описываемые распределенными' в пространстве и во времени взаимосвязанными' параметрами.

Необходимым элементом улучшения технико-экономических показателей их работы является совершенствование их тепловой работы.'

Для этого необходимо проведение комплексного теплотехнического исследования печи, которое позволяет установить:

1. Количественные зависимости между различными - параметрами агрегата;

2. Тепловое и температурное состояния печи и металла подвергаемого тепловой обработке, при различных режимах работы технологического комплекса, "печь-сган";

3. Наличие и величину отклонений существующих режимов работы печи1 от заданных по технологии и предотвращение возможных нарушений в их функционировании.

Методика комплексного эксперимента основана на одновременном прямом и косвенном измерении определяющих тепловую работу .печи параметров: температуры зон. температура металла (при посаде, в печи и на выдаче, в процессе движения к прокатному стану), тепловые потоки на металл, расход топлива и воздуха (общий и зональный), давление в рабочем пространстве печи, состав продуктов сгорания и анализ газовой атмосферы в печи, тепловое и температурное состояние наружных'и внутренних поверхностей рабочего пространства печи, температура подогрева воздуха, расход охлаждающей воды и некоторые другие.

Комплексное теплотехническое исследование имеет следующие особенности :

1. Длительное измерение и контроль основных параметров тепловых и температурных процессов производится непрерывно в процессе нагрева исследуемой марки металла;

2. Большой массив регистрируемой и ^обрабатываемой информации. получаемой с датчиков различных физических величин и процессов при всеу режимах работы агрегата: Сложный вычислительный эксперимент, моделирование теплотехнических и технологических задач с обработкой значительного объема полученных данных и выработкой рекомендаций по улучшению работы агрегата.

До настоящего времени комплексные теплотехнические исследования мощных высокопроизводительных методических печей проводились практически вручную, с большими трудозатратами, длительными сроками проведения, . эпизодически, чаще всего не в полном объеме, и поэтому не могут быть поставлены на промышленную основу как необходимый элемент совершенствования технологического процесса.

На кафедре "Теплофизика и теплоэнергетика металлургического производства" МИСиС был создан опытный действующий образец специализированного комплекса оперативной-диагностики тепловых агрега-.тов (КОДТАГ), представляющий собой мобильную теплотехническую лабораторию (МТЛ) на базе автофургона,, позволяющую проводить комплексное теплотехническое исследование металлургических печей в автоматическом режиме. ; .

Целью данной диссертационной работы явилось создание ■ комплексной методики автоматизированного исследования, и совершенствования эксплуатационных режимов тепловой работы нагревательных методических печей на базе развития методов и средств МТЛ.

Для достижения этой цели была разработана стратегия автоматизированного исследования нагревательной печи, разработаны новые датчики и средства-контроля, создало оригинальное программно-методическое обеспечение, автоматически адаптируемое в процессе исследования конкретного агрегата и включающее экспертную систему прогноза и выработки решения по совершенствованию режимов работы печи.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем : ' ■ 1. Выполнен анализ и классифицированы существующие методы и средства теплотехнических исследований. Впервые в металлургической практике в качестве нового.средства исследования предложена мобильная лаборатория, реализующая комплекснсе автоматизированное

теплотехническое исследование тепловых агрегатов.

2. Создана принципиально новая методика комплексного автоматизированного исследования и совершенствования тепловой работы нагревательных печей станов горячей прокатки на базе мобильной теплотехнической лаборатории.

3. Разработан алгоритм адаптации расчетных процедур комплексного автоматизированного исследования, реализующих стратегию наискорейшего нагрева при заданных ограничениях (на максимальный перепад температур между поверхностью и центром сляба, максимальную температуру поверхности сляба и локальную эффективную температуру печи по ее длине, на минимальное окалинообразование, время нагрева, количество выбросов НОх, удельный расход топлива и т. д.)

4. Создан программно-методический комплекс теплотехнического исследования нагревательной печи.

5. Получены новые данные о температурном состоянии металла и печи в процессе нагрева.

Практическая значимость работы заключается в следующем :

1. Создана мобильная теплотехническая лаборатория, обеспечивающая проведение автоматизированного исследования тепловой работы нагревательной печи листовых станов горячей прокатки.

2. Разработан и создан комплекс новых средств, включающий температурный датчик дистанционного типа, устройство для нанесения на термоэлектроды гибкие тепло- и электроизолирующего покрытия. устройство для автоматической протяжки термоэлектродов внутри печи, позволяющие получать информацию о температуре поверхности. центра сляба и локальной эффективной температуре печи' за полный цикл нагрева металла, что обеспечило возможность адаптировать в ходе эксперимента расчетные программные модули.

3: Предложены и внедрены новые энергосберегающие режимы гарантированного нагрева динамной, автолистовой , нержавеющей сталей перед горячей прокаткой.

'Эффективность методики комплексного автоматизированного теплотехнического исследования подтверждена исследованиями нагревательных печей завода "Серп и Молот" ,' Новолипецкого металлургического комбината , ПО "Кировский завод", Магнитогорского металлургического комбината.

Апробация работы. .Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции

"Научные основы создания энергосберегающей техники и технологий" (Московский энергетический институт, 1990 г.). на второй международной научно-технической конференции "Новые методы и средства экономии- энергоресурсов и экологические, проблемы энергетики" (Московский энергетический институт, 1996 г.), а также на научных семинарах кафедры теплофизики и теплоэнергетики металлургического производства МГИСиС.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.

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

Объем диссертации составляет 166 страницы машинописного текста, 37 рисунков, 3 таблицы и 9 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ МЕТОДЫ И ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕТОДИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Качество проката и производительность листовых станов горячей прокатки во многом зависит от работы нагревательных печей, служащих начальным звеном технологической линии прокатного производства.

Качество нагрева металла определяется уровнем среднемассовой температуры, наличием градиентов: продольным (перепад вдоль оси заготовки) , вертикальным (перепад между поверхностью и центром или другой поверхностью заготовки) и местным (темные пятна).

Продольный перепад чаще всего определяется технологическими причинами и может составлять 30 - 80°С. Вертикальный перепад связан с несовершенством нагрева. Наличие местных градиентов температуры ' может быть вызвано охлаждающим действием глиссажных труб или более интенсивным, теплообменом в местах направленного действия факелов горелок.

Наличие значительных градиентов температур по сечению заготовки на выдаче из печи сужает допустимый температурный интервал и увеличивается вероятность перегрева (недогрева) металла. Это приводит'к разнотолщинности при прокатке, потерям металла за счет плюсового допуска, получению неудовлетворительной структуры металла, повышенному износу валков. Перегрев металла, несимметрич-

ность нагрева способствуют изгибу сляба в печи, ухудшению работы глиссажных труб, увеличению расхода топлива, окалинообразования и т.д.' .

Под температурным режимом нагревательной печи понимают коли-* чественные значения и характер изменения температуры источника тепла (газов или кладки печи) в течение цикла нагрева и.по длине рабочего пространства печи. Нагревательные проходные печи характеризуют распределенные по длине и постоянные во времени температурные режимы,- определяёмые производительностью, сортаментом нагреваемого металла, а также теплотехнической конструкцией агрегата.

В действительности, нагревательные пзчи работают- в условиях переменной производительности" стана, изменяющихся параметрах загружаемого металла, температуры, размеров садки, характеристик теплотехнических устройств и материалов конструкций, динамически изменяющихся во времени значениями температурного режима вследствие несовершенства работы систем стабилизации и технологических операционных циклов. Задача управления процессом нагрева заготовки в нагревательных проходных печах заключается в выборе и под-, держании режима работы, обеспечивающего получение металла заданного качества с минимально возможным удельным расходом топлива в условиях переменной производительности агрегата.

Для выработки рекомендаций по совершенствованию существующих режимов работы конкретной печи необходимо проведение комплексного теплотехнического исследования и верификации улучшенных режимов в процессе проведения этой работы.

Комплексное автоматизированное исследование агрегата включает несколько этапов:

1: Сбор исходной информации о работе печи;

2. Непосредственно экспериментальное автоматизированное исследование режимов работы агрегата;

3. Автоматизированная адаптация математических моделей по результатам 'экспериментов и прогнозирование новых улучшенных режимов работы печи; ' '

4. Реализация новых усовершенствованных режимов с гарантированными показателями' качества нагрева.

Ключевой частью комплексного изучения агрегата является автоматизированное -исследование температурного режима нагрева ме-

- в -

талла, температур кладки й рабочего пространства печи. Наибольшую трудность представляет непрерывный контроль температуры движущегося в печи металла. Для метрологического обеспечения контроля температуры металла, целенаправленного выбора и применения методов измерения и устройств, реализующих данные йетоды на практике, проведена систематизация способов контроля данного параметра на основе теплотехнических закономерностей нагрева металла, описываемых общей теорией печей.

Основными критериями применимости различных методов считались точность измерения и достоверность получаемых данных. Суммарная погрешность автоматического контроля определена инструментальной ошибкой измерительного устройства и погрешностью метода в целом. Первая зависит от свойств измерительного комплекта, вторая

- от взаимодействия устройства и объекта контроля.

При измерении температуры металла пирометрами влияние многократных отражений от источника измерения, тепловых потоков от посторонник источников излучения приводит к тому, что методические погрешности могут превышать инструментальные в"десятки и сот-.ни раз (погрешность Г- 20 %).

Весьма эффективным и наиболее часто применяемым в металлургической практике методом измерения температуры металла по толщине заготовки является контактный способ, осуществляемый с помощью штыковых-или протяжных термоэлектрических термометров (гибких термопар), погрешность измерения которых не превышает 0.5 X.

В методике экспериментального изучения дополнительно применяются датчики автономного контроля температурных режимов (АКТР). принцип действия которых можно разделить на два основных вида : первые основаны на инерционных физико-химических явлениях, вторые

- на применении электронных блоков с памятью или миниатюрных регистраторов.

Основной проблемой при проведении комплексного промышленного эксперимента является большой объем регистрируемой информации от разнородных датчиков и средств измерения,. воспринимаемой в течение всего времени исследования, а также достаточно трудоемкие процедуры ввода полученных данных, их последующая обработка и адаптация математических моделей. Все это требует высокопрофесио-иального состава исследователей и больших временных и трудовых затрат. Эти проблемы могут быть решены при автоматизированном исследовании.

РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕТОДИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

Для решения задачи комплексного автоматизированного теплотехнического исследования промышленных печей была разработана концепция мобильной теплотехнической лаборатории МТЛ.

Лаборатория размещена на базе транспортного средства автобуса и в ее состав входят:

1. Нестандартные датчики и средства измерения.

2. 60-ти .канальная система сбора, и обработки информации на базе микропроцессорного контроллера и персонального компьютера.

3. Системы энергообеспечения, тестирования, жизнеобеспечения.

структура МТЛ приведена на рис.1, где приняты следующие условные обозначения:

ПК - персональный компьютер; АЦПУ - цифропечатающее устройство; Д - графический Дисплей; ГП - графопостроитель; МПК - микропроцессорный контроллер; ИП - измерительные преобразователи; ИИК - информационно измерительный комплекс;. СИ - измерительная система; ВК - выносной коммутатор; ИРУ - регистрирующие вторичные приборы; ПП - переносной потенциометр;. ПС - стационарные пирометры АЛИР-С; ЦП - цифровые переносные пирометры А1ШР-П; ГХ - газовый хроматограф; ЦТ - цифровые термометры; ВИС - выносные измерительные системы: МДТМ - мне "чзцелевой температурный датчик дистанционного типа; ПГА - переносной газоанализатор; ПТ - пятачковый термометр; ШТ - штыковой термометр; ЗТГКМ - универсальный зонд для температурных измерений; УПГА - устройство отбора про'б и подготовки газа на анализ; ПЦС-'- переносные цифровые системы оперативного контроля; УПТ - устройство для нанесения термостойких покрытий на гибкие термоэлектроды; БЗТП - бесконтактный зонд для определения тепловых потоков; ЗТ - зональная термопара; ЗП - зональный пирометр; ЗГА - зонд газоанализатора; МУПЭ - установка 'для автоматической подачи гибких термоэлектродов; КТ - конвективный термометр;- ДГ и ДВ - диафрагмы для измерения расходов газа и Еоздуха; КТП - конвективный термометр пульсирующего типа; ФР -фоторегистратср выдачи слябов; ПТР - расходомер скоросного напора; Т - преговорные устройства.

СТРУКТУРА МОБИЛЬНОЙ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Мобильная теплотехническая лаборатория ( МТЛ) позволяет проводить комплексное теплотехническое исследование нагревательной печи в автоматическом режиме. Основные цели использования МТЛ состоят в следующем: выявление недостатков тепловой работы печей; теплотехнический анализ технологических процессов; оперативная разработка и внедрение мероприятий по совершенствований_ тепловых и технологических режимов работы печей; прогноз функционирования тепловых агрегатов.

МТЛ позволяет выполнить, следующие функции :

1. Провести автоматизированный комплексный промышленный эксперимент на высокопроизводительных печных агрегатах;

2. Получить адекватные математические модели теплообменных и массообменных процессов и алгоритмов управления;

3. Определить статические и динамические характеристики печных агрегатоЕ как объекта управления (печи в целом и по отдельным каналам регулирования);

4. Разработать новые и усовершенствовать существующие методы и средства теплотехнического контроля, управления и исследования;

5. Проводить тепловую диагностику, исследование и совершенствование печей и тепловых агрегатов в сжатые сроки (5-15 дней);

6. выявлять зависимости влияния теплотехнических режимных параметров на качество выпускаемой продукции;

7. Улучшить ТЭП и повысить производительность печей на 5-10%;

8. Снизить, благодаря улучшению тепловых режимов, удельные затраты энергии на 10-20

9. Усовершенствовать конструкцию агрегата:

10. Улучшить экологические условия работы печных агрегатов, являющихся источником значительного количества вредных выбросов.

Разработанная методика для проведения комплексного автоматизированного теплотехнического исследования нагревательной печи на базе МТЛ включает следующие этапы : '

1-й этап - сбор априорной информации об объекте исследования: проектные данные агрегата, его тип, дата ввода в эксплуатацию, количество и даты ремонтов, конструктивные особенности, технико-экономические показатели за время работы, марки и сортамент нагреваемого металла , .его теплофизические свойства, режимы нагрева и т.д. Для ускорения сбора априорной информации об объекте

/разработаны специальные опросные листы, которые до начала исследования агрегата заполняются в соответствующих службах завода и цеха. Информация с опросных листов вводится в базу данных МТЛ, где анализируется и сравнивается с показателями работы аналогичных агрегатов. На этом этапе уточняются цели и структура исследования. , !

2-й этап - подготовка МТЛ к комплексному автоматизированному исследованию, агрегата :

1. Производится выбор нестандартна датчиков и средств измерения и установка их на агрегате;

2. Выполняется подключение к тепловому щиту печи для снятия данных со штатных датчиков и измерительной аппаратуры;

3. Подготавливается экспериментальный сляб или заготовка для размещения датчиков дистанционного типа.

На 3-м этапе проводится непосредственно автоматизированный эксперимент. , , -

На 4-м выполняется реализация улучшенного режима.

МТЛ обеспечивает длительность исследования от нескольких ча-.сов до нескольких суток, в зависимости от типа агрегата и объема проводимого исследования". Сбор информации осуществляется многоканальной системой автоматического сбора и обработки информации под управлением программно-методического обеспечения (ПМО) лаборатории, блочно-модульная структура которого представлена на рис. 2. Особенностью работы ПМО является одновременная адаптация различных программных модулей, осуществляемая в процессе исследования.

Адаптация модуля расчета температурного режима нагрева выполняется относительно профиля локальной эффективной температуры печи по показаниям зональных термометров. Для этого был специально разработан датчик дистанционного типа, позволяющий измерять локальную эффективную температуру печи, поверхности и центра сляба по всей длине печи в процессе нагрева. Одновременно в соответствующих точках измеряются через окна печи температуры торцов слябов штыковыми, накладными термопарами и пирометрами. На рис.3 а, б приведены конструкции и схемы установки таких датчиков.

Адаптация модулей расчета количества окалины и выбросов оксидов азота производится анализом проб окалины и содержания НОх через окна печи и на выходе из печи.

Расчет новых режимов с гарантированным качеством нагрева

СТГУКТУРЛ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И ДИАГНОСТИКИ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

Рис. 2

СХЕМА КОНСТРУКЦИИ Ц УСТАНОВКИ МНОГОЦЕЛЕВОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО

ДАТЧИКА

1 - термоэлектроды; 2 - пятачковый термоэлектрический термометр, измеряющий температуру поверхности металла; 3 - термочувствительный элемент термометра, измеряющего температуру печи; 4 - кварцевый защитный колпачок; 5 - керамические экраны; 6 - сляб; 7-зопдовый термоэлектрический термометр, измеряющий температуру внутри заготовки; 8 - калибратор температуры.

а)

СХЕМА ИЗМЕРЕНИЙ НАКЛАДНОЙ И ШТЫКОВОЙ ТЕРМОПАРАМИ

термопара; 5 - штыковая термопара; 6 - рещсгрирующий прибор.

б) ' Рис. 3

осуществляется ПМО по специальному итерационному алгоритму, обеспечивающему наискорейший нагрев при заданных ограничениях на: максимальный перепад температуры между поверхностью и центром сляба, определяемый в ходе нагрева; максимальную температуру поверхности металла и максимальную эффективную температуру печи; максимальное количество окалины и вредных выбросов оксидов азота; время нагрева; максимальный заданный удельный расход топлива.

На рис.4 представлены схемы адаптации расчетных модулей и расчета температурного режима нагрева металла.

Математическая модель расчета температурного поля нагреваемого металла представляет собой феноменологическое нестационарное. квазилинейное дифференциальное уравнение теплопроводности :

с<т> ' Р • f = +ibtb<T>-§] ; (i)

с граничным условием

• 1U - а ■ <тэф - W : " <2)

при начальных условиях Т(х,у, z, 0) = Тн , (3)

где С(Т) - удельная теплоемкость, зависящая от температуры Т.

Дж/кг К; р - плотность, кг/м ;

Х(Т) - коэффициент теплопроводности, Вт/м К; Т - текущее значение температуры, °С; Тн -• начальное значение температуры металла. °С;

ТЭф - локальная эффективная температура печи. °С;

Тпов~ значение температуры поверхности металла, °С;

о

а - коэффициент теплоотдачи от Тэф к Тдов, Вт/(мь-К); х, у. z - координаты, м.

Для решения дифференциального уравнения (1) применен метод конечных разностей с явной разностной схемой и равномерным шагом сетки. Коэффициент теплоотдачи вычисляется на основе экспериментальных данных получаемых с датчика дистанционного типа:

Ц- -Т, -3- Т2+1.5-Т3 - 4 -т4"

а = -ЦН---2—— (4)

-^■(Тзф-Т.)

РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ ТЕПЛОВОЙ ДИАГНОСТИКИ МЕТОДИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

Рис. 4

где Т4 - температура поверхности-заготовки,0С;

Т,ф - локальная эффективная температура печи,0С;

T2.T3.T4 - расчетные температуры соответственно во 2-м, 3-м. 4-м узлах сетки. °С;

X, - теплопроводность металла, Вт/(м-К).

Расчет ограничений на перепад температур между поверхностью и центром нагреваемой заготовки осуществляется по формуле:

ДТЛ0П = 1.5 • (1-У) • б /(В • Е). (5) где АТдОП - допустимый перепад температур между поверхностью и центром нагреваемой заготовки,0С; V - отношение Пуассона; б - временное сопротивление на разрыв. Па; В - коэффициент линейного расширения, 1/К; Е - модуль упругости. Па.

Ограничения по температуре поверхности металла и температуре печи в каждой зоне печи задаются из технологической инструкции.

Расчет установок зональных температур, обеспечивающих расчетный режим нагрева металла :

ТН=ТП1+ <ТС-ТП1>' <6)

Тц - новое значение температуры зональной термопары,0 С;

Т^' расчетная температура печи в том месте, где расположена зональная термопара,0 С; ,

Тду экспериментальная температура печи в месте расположения зональной термопары,°С;

Тд- старое значение температуры зональной термопары,0С.

Расчетная формула для определения окалинообразования:

ДР - Г • /кГе0-т ,. (7)

К = 0.288 • е"с/т , где

ДР - количество окалины на тонну металла кг/т; Г - площадь нагреваемой заготовки, м2; т - время интенсивного окалинообразования, с; Т - усредненная температура на участке окисления. К; КГео ~ постоянная окисления, кг^/См^с);

С - коэффициент адаптации, К.

Значения коэффициента адаптации "С" для конкретной печй и режима работы "определяются в процессе эксперимента.

' Содержание N0 в отходящих газах определяется по эмпирической формуле:

N0 = К„0 ■ (А • Тк - В) • Тп/1400 , где (8)

■, Тк - температура горения. °С;

Т„ - температура печи, °С;

Кно, А, В - эмпирические коэффициенты адаптации, зависящие от типа применяемой горелки и температуры горения. .

Разработана методика создания экспертной системы для теплотехнического исследования печей, включающая следующие этапы: целенаправленное извлечение знаний эксперта о предметной области путем опроса: формализация экспертных знаний в виде логических правил с применением четкой или нечеткой логики и перенесение их в компьютерную систему; отладка экспертной системы с привлечением эксперта путем сравнения поведения эксперта и программы при моделировании процесса экспертизы.

По данной методике разработана экспертная система по диаг-. ностике нарушений тепловой работы методической печи, состоящая из базы знаний и машины вывода. Задачей экспертной системы является в процессе диалога с пользователем определить наиболее вероятные нарушения работы методической печи.

Результаты работы ПМО оформляются в виде протоколов, таблиц и графиков , 'удобных для представления.

Рассчитанный улучшенный режим нагрева реализуется на агрегате на 4-м этапе и также исследуется с помощью МТЛ. При этом происходит новая адаптация расчетных модулей. Если экспериментальное и расчетное исследование подтверждает эффективность нового режима, то он предлагается для внесения в технологическую инструкцию. В противном случае 3 и 4 этапы повторяются до получения требуемо- . го результата.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ, ДИАГНОСТИКА И УЛУЧШЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ПЕЧЕЙ

Разработанная методика автоматизированного исследования с использованием МТЛ опробована в ходе промышленных испытаний на методических печах Московского завода "Серп и Молот" (СиМ),

г.Москва и Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК). г. Липецк. Элементы, методики применялись для исследования печей на ПО "Кировский Завод", г.Санкт-Петербург и Магнитогорском металлургическом комбинате (ММК). г.Магнитогорск.

На НЛМК МТЛ применялась для исследования и совершенствования тепловой работа методических печей стана 2000. Изучался процесс нагрева слябов динамной, автолистовой и других марок стали при различных режимах работы стана. Задачей исследования являлось создание новых режимов с гарантированным сокращением удельного расхода топлива, снижением угара металла, повышением выхода высших марок металла.

В результате исследования было установлено^ что длительная выдержка слябов динамной стали при высокой неконтролируемой температуре металла порядка 1250 - 1350 "С приводила к росту зерна, нежелательным ликвационным процессам в граничной области зерен и выделении кремния, в результате которых увеличивались ваттные потери в готовой продукции.

На рис.5 а и б приведены экспериментальные графики старого и усовершенствованного режимов нагрева динамной стали.,в последнем снижены задания температуры в11-й сварочной зоне на 20%. Повторное исследование нового реализованного режима подтвердило правильность расчета и он был рекомендован к внесению в технологическую инструкциига._ Внедрение нового режима привело к снижению удельного расхода топлива на 12%, количества угара металла на 15%, количества выбросов NOx на 4 %. повышению марочности более чем в 2 раза. .• -

На металлургическом производстве ПО " Кировский Завод" исс- -ледовались режимы нагрева слитков марки 12ХН10Т б методической печи стана 900/680. Слитки толщиной 500 мм являлись нетрадиционной садкой для методической пени.

Эксперименты проводились с целью уменьшения количества окалины, повышения качества нагрева, снижения удельного расхода топлива. -

На рис.6.а приведены результаты изучения температурного режима работы печи. Анализ работы агрегата за несколько лет эксплуатации позволил выявить ряд недостатков, которые также были подтверждены экспериментальным исследованием :

1. Шлак из прибыльной части слитка при высокой температуре

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ НАГРЕВА СЛЯБА ДИНАМВОЙ СТАЛИ

1 - температура печи; 2 - температура поверхности сляба; 3 - температура центра сляба; Тз - температура зоны ( по ЗТТ )

а)

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ РЕЖИМ НАГРЕВА ДИНАМНОЙ СТАЛИ

1 - температура печи; 2 - температура поверхности сляба; 3 - температура } центра сляба; Тз - температура зоны ( по ЗТТ )

6) Рис.5

/

ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР В СЛИТКЕ ПОДЛИНЕ ПЕЧИ

I - температура печи; 2 - темперлтура поверхности металла; 3 - емпература центра слитка; Тз - температура зоны ( по ЗТТ )

а)

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ РЕЖИМ НАГРЕВА

1 - температура печи; 2 - температура поверыюсти металла; 3 - температура центра слитка; Тз - температура зоны'( по ЗТТ.)

б) Рис. 6

образует с окалиной соединение, аналогичное металлокерамике, которое достаточно быртро скапливалось в нижней сварочной зоне, изменяя в худшую сторону аэродинамические характеристики печи (нарушение режимов давления). Удаление этого шлака из нижних сварочных зон требовало очень больших трудовых и финансовых затрат.

2. В случае прекращения выдачи металла в связи с остановкой стана по какой либо-причине, слитки, находящиеся под пережимом между сварочной и томильной зоной, остывали на 100 - 150 "С. При возобновлении работы стана , они не успевали прогреться в томильной зоне. Поэтому, чтобы не допустить выдачу непрогретого металла, создавался. температурный режим, (¡беспечивавший перегрев слитков в сварочных зонах на 150 °С, чтобы при остывании в пережиме иметь на выдаче требуемую температуру 1250 °С.

3. Повышенные.температуры в верхних сварочных зонах приводили к превышению в начале нагрева допустимого перепада температур между поверхностью и центром слитка (для данной марки стали равном зоо °С) и. как следствие к их растрескиванию.

В процессе диагностики были предложены следущие мероприятия по улучшению работы печи :

- реконструкция свода печи в районе пережима между сварочной и томильной зонами;

- отключение горелок 1-й сварочной зоны;

- перераспределение топлива по горелкам и между в сварочными и томильной зонами;

- уменьшение тепловой нагрузки на сварочную и томильную зоны. снижением уставск заданий температур на 60 и 30 °С соответственно.

Реализация указанных мероприятий привела к новому улучшенному режиму нагрева, исследование которого приведено на рис. 6,6. В результате внедрения нового режима :

- на 20 % был снижен расход топлива на печь;

- уменьшено количество окалины и шлака на 40 %:

- ликвидирован недопустимый перепад температуры между поверхностью и центром слитка;

- уменьшен износ футеровки;

- повышен в 2 раза межремонтный срок работы печи;

- снижено охлаждение слитка в пережиме между сварочной и томильной зонами со 100 - 150 0 С до 30 0 С. 1

На Магнитогорском металлургическом комбинате проводилось исследование работы, методических печей ЛПЦ-1 стана 1450 с целью экономии топлива и улучшения равномерности нагрева слябов. Неравномерность нагрева приводила к изгибу сляба в печи, к разнотол-щинности при прокатке и аварийным остановкам стана. Температурные режимы нагрева металла изучались с помощью Датчиков дистанционного типа. На рис.7,а приведены данные о влиянии глиссажных труб на нагрев сляба. Установлено, что при входе в томильную зону температура нижней поверхности сляба над глиссажной трубой отстает от темпертуры поверхности сляба между трубами на 180°С, а. несимметричность нагрева по толщине ^ длине сляба составляет 80 - 150 "С.

Выявленные нарушения режима нагрева свидетельствуют о неудовлетворительной работе изоляции Глиссажных труб и значительной несимметричности тепловой работы верхних и нижних сварочных зон печи.

По результатам исследования предложен и внедрен комплекс энергосберегающих мероприятий:

- установка аэродинамической стенки в нижней сварочной' зоне для приближения факела к металлу с целью снижения асимметричности нагрева сляба по толщине и улучшения режима давления (уменьшение подсосов);

- нанесение интенсивно излучающего герметизирующего покрытия на внутреннюю поверхность кладки и аэродинамическую стенку;

- установка навесной теплоизоляции опорной системы труб и покрытие глиссажных труб принципиально новым радиационно-отражаю-щим покрытием;

- введение режимов ограничения максимальных тепловых нагрузок в период прокатки и при "холостом" ходе печи;

- перевод стана на работу с 3-х печей вместо 5-ти.

На рис. 7,б представлен сравнительный анализ результатов внедрения мероприятий на методических печах стана 1450 ММК. После внедрения указанных мероприятий :

- неравномерность нагрева по длине и толщине слябов на выдаче из печи не превышала 50 "С;

- удельный расход топлива снизился на 12%;

- угар металла уменьшился на 5%.

ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СЛЯБА ПО

30

45

60

75

90

105 I, мин

1 - температура верхней поверхности сляба; 2 - температура нижней поверхности сляба между глиссажными трубами; 3 - температура нижней поверхности сляба над глиссажион трубой , -

а)

ИССЛЕДОВАННЫЕ РЕЖИМЫ ку.т./т 200

УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД ТОПЛИВА

НОВЫЙ РЕЖИМ

150 100 50

170

130

юг

з

печи

4

печи

5

пней

125

1110 5 печсА

3 печи 4 печи

к.у.т7т 200. 150 100 50

83 ,Я 77

К"?«?«

Количество печей

Видрежима

Без енпжепня нагрузки

Снижение нагружн при простое

При автоматическом снижении нагрузка

РАСХОД ТОПЛИВА ПО ЗОНАМ ч ПРОКАТКА I ПРОСТОЙ ^

2500 2000 1500 1000 500

поя

1825

1400

1173

ВС ПС

3400

А

1000 ВС

2500 2000 1500, 1000 500

ПРОКАТКА | ПРОСТОЙ

ВС

Зоны печи ВС - верхняя сварочная зона НС - нижняя сварочная зона

1200

нс

1200

ВС

НС

Зоны печи

Т-томильная зова

б) Рис.7

ВЫВОДЫ

1. Сформулирована концепция комплексного автоматизированного исследования тепловой работы печи, базирующаяся на системе автоматизированного сбора и обработки информации, использующей разра-ботаный алгоритм диагностики для адаптации и внедрения рациональной гарантированной теплотехнологии нагрева. ■

2. С целью оснащения мобильной теплотехнической лаборатории первичными измерительными преобразователями созданы новые устройства для исследования температурных режимов работы методических -печей, в том числе многоцелевой датчик дистанционного тип...

3. Выполнена отработка методики измерения температуры металла проходными термоэлектрическими преобразователями. Верификация методики показала возможность и эффективность применения гибких автоматически протягиваемых электроизолированных термоэлектродов на методических печах.

4. Разработана модель нагрева металла, позволявшая рассчитать улучшенный температурный режим нагрева металла и необходимый для его реализации профиль локальной эффективной температуры по длине методической печи. Создана и апробирована методика адаптации указанной модели с помощью многоцелевого температурного датчика дистанционного типа. Используя данную методику можно выявить рациональный режим нагрева металла, и выработать рекомендации для осуществления этого режима штатными средствами регулирования температуры.

5. Предложена экспертная система для теплотехнического иссле- , дования печей, обеспечивающая диагностику нарушений тепловой работы методической печи, и состоящая из базы знаний и машины вывода, и позволяющая, в процессе диалога с пользователем, определить наиболее вероятные причины нарушения работы агрегата.

Для изучения сложных систем, какими являются металлургические печи, .возможно использование компьютерных экспертных систем на базе знаний высококвалифицированных экспертов в области теплотехники. «

6. Создано программное обеспечение теплотехнических исследований металлургической печи на базе мобильной теплотехнической лаборатории, написанное на .алгоритмических языках Qviick Basic 4.0 и Turbo Pascal 5.О и работающее в диалоговым режиме в темпе с

процессом (режим "on-line"). Программные продукты отвечают современным требованиям, удобны в пользовании, представляя из себя серию подключенных друг к другу меню', позволяющих запускать расчетные to' сервисные программы.

7. С помощью МТЛ проведено комплексное теплотехнологическое изучение тепловой работы проходных нагревательных печей сортопрокатного цеха СиМ, ЛПЦ-З НЛМК. ЛПЦ-1 ММК, сортопрокатного цеха ПО "Кировский Завод" с целью изучения особенностей теплового, аэродинамического и температурного режимов. Установлены нарушения распределения статического.давления, условий смешения топлива и воздуха, наличие большого избытка кислорода, несоответствие стратегии управления в условиях частых задержек производства, плохая управляемость температурным и тепловым режимом, участки рабочего пространства с неэффективным теплообменом, несоблюдение технологического режима персоналом, обслуживающим методические печи.

8. Экспериментально установлены величины колебаний темпа нагрева заготовок, связанные с охлаждающим влиянием воздуха, попадающего в печь через окна и неплотности футеровки; наличием пережима между методической и сварочной зонами; более интенсивным теплообменом в местах направленного действия факелов- горелок.

9. Проведенные с помощью'МТЛ исследования методических печей свидетельствуют о правильности принятой концепции. Все основные измерительные средства,, алгоритмы, расчетные и сервисные программы, информационная и вычислительная техника, разработанная методика автоматизированного исследования подтвердили целесообразность их комплексного использования при проведении теплотехнической диагностики, наладке рациональных режимов и совершенствовании тепловой работы и конструкции печных агрегатов, что обеспечивает значительное повышение эффективности их работы, экономию энергоресурсов, улучшение качества металла и рост производительности.

10. Внедрение усовершенствованных режимов тепловой работы позволило- на методических печах ЛПЦ-З НЛМК снизить удельный расхода топлива на 1255. количество угара металла на 15%, количество выбросов NOx на 4 повысить марочность динамной стали более чем. в 2 раза; на методических печах ПО "Кировский Завод" снизить на 20 % расход топлива, на 40 % количество окалины и шлака; на методических печах ЛПЦ-1 ММК уменьшить удельный расход топлива на 12%. угар металла на 5%.

11. Внедрение полученных результатов осуществлено во вновь созданной МИСиС и МЭИ и приобретенной Новолипецким металлургическим комбинатом в 1996 г. МТЛ для диагностики и наладки печей и энергетического оборудования листопрокатного производства.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в работах :

1. Бердышев В.Ф., Улитин Е.Е., Авдеева В.Г., Амирханов Е.А.. Ефимова Л.Л., Найденов Р.Э. Информационно-вычислительная система и программное обеспечение комплекса оперативной диагностики / Всесоюзная конференция "Научные основы создания энергосберегающей техники и технологий." - Москва: Моск. энергетический ин-т. -1990. -С.299-301.

2. Найденов Р.Э., Бердышев В.Ф.. Блинов О.М. Экспертная система для теплотехнической диагностики / Всесоюзная конференция "Научные основы создания энергосберегающей техники и технологий." -Москва: Моск. энергетический ин-т.-1990.-С.305-307.

3. Бердышев В.Ф., Герасименко С.А.. Найденов Р.Э., Соболев В.М., Шатохин К. С. Создание новых методов и средств повышения эффективности функционирования печей прокатного производства / Вторая международная научно-техническая конференция "Новые метода и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики" - Москва: Моск. энергетический ин-т. - 1995,- С. 107-110.

4. Бердышев В.Ф., Найденов Р.Э., Шатохин К.С. К вопросу адаптации математической модели нагрева металла и тепловой работы методической печи//Изв. вузов. Черная металлургия:-1996. - №1- С. 73-74.

5. Беленький A.M., Бердышев В.Ф., Герасименко С.А. .Найденов Р.Э.. Соболев В.М., Шатохин К.с: Создание новых методов и средств повышения эффективности функционирования металлургических печей / Международная конференция "Экология и Теплотехника - 1996" -Днепропетровск : Государственная Металлургическая Академия Украины. - 1996. - С. 157.

6. Бердышев В.Ф., Найденов Р.Э., Л.И. Франценюк, К.С.Шатохин Концепция прикладного промышленного исследования металлургических печей // Изв. вузов. Черная металлургия: -1996. - №7- С. 78-82.

Подписано в печать Ус. издат. листов № заказа 43_Тираж 100_

Московский институт стали и сплавов 117936, Москва, Ленинский проспект, 4

Типография МИСиС, ул. Орджоникидзе 8/9

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. МЕТОДЫ И ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕТОДИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

2.1. Методические печи и особенности их тепловой работы

2.2. Проблемы контроля температурных режимов нагрева металла в проходных печах

2.3. Проблемы математического моделирования теплообмена в рабочих пространствах нагревательных печей. Цели и результаты моделирования тепловой работы печей

2.4. Выводы.

3. РАЗВИТИЕ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРОХОДНЫХ ПЕЧЕЙ

3.1. Развитие основных понятий, определений, терминов в области теплотехнических исследований печей. Классификация теплотехнических исследовательских систем.

3. 2. Принципы прогрессивного развития теплотехнических исследовательских систем

3.3. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕТОДИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

4.1. Описание мобильной теплотехнической лаборатории

4.2. Разработка способов и устройств для контроля теплового режима нагрева металла и температуры печи

4.3. Развитие математических методов исследования нагревательной печи.

4.4. Программное обеспечение теплотехнических исследований методической печи.

4.5. Выводы.

5. РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ДИАГНОСТИКА И УЛУЧШЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ

РАБОТЫ ПЕЧЕЙ

5.1. Совершенствование тепловой работы методических печей стана 2000 Новолипецкого металлургического комбината.

5.2. Совершенствование тепловой работы методических печей стана 900/680 производственного объединения "Кировский Завод"

5.3. Совершенствование тепловой работы методических печей стана 1450 Магнитогорского металлургического комбината.

5.4. Выводы.

Совершенствование тепловой работы нагревательных печей является существенным резервом повышения производительности и экономичности всего комплекса металлургического производства. Повышенная материало- и энергоемкость производства, значительный износ основных производственных фондов, невысокий технический уровень приводят к тому, что энергопотребление на 1 т. проката в России на 30 % больше по сравнению с металлургией ведущих стран [1,2].

В связи с этим актуальным является, в частности, улучшение тепловой работы методических печей прокатного производства, под которым понимается решение следующих задач :

- снижение удельного расхода топлива;

- улучшение температурного режима нагрева металла;

- снижение угара металла;

- уменьшение выбросов М0Х.

Как показывает практика, только после проведения комплексного исследования тепловой работы методических печей можно выработать рекомендации для улучшения их работы.

На кафедре Теплофизики и теплоэнергетики металлургического производства Московского Государственного института стали и сплавов выполнен рабочий проект и создан опытный действующий образец специализированного комплекса оперативной теплотехнической диагностики металлургических агрегатов (КОДТАГ), представляющий собой мобильную теплотехническую лабораторию (МТЛ) на базе автофургона (рис. 1.1).

Функционально-целевая структура КОДТАГ обеспечивает решение многообразных задач, возникающих в ходе экспериментальных работ : наладка, диагностика и проведение теплотехнических исследований преимущественно протяжных, проходных и камерных печей, предназначенных для нагрева и термообработки металла; накопление и автомаа) Внешний вид

Щ гГСт^Г В . ^жтштть

Ш

ВВ -1 'Ж *

Щ Щ -1; Ир 7 Жж чИ1

1 1 ' ■ , Л 1

Т 1 ж - УШк; ^ 1§й т \ Ш 1

ШШт ШЩр? у \

6) Рабочий отсек

Рис. 1.1 газированный анализ теплотехнических параметров печей; комплексное применение инженерных методик расчетов на основе математических моделей тепловой работы агрегатов; использование опыта последних достижений и разработок в области тепловой диагностики; автоматизированное решение задач выбора режимов работы агрегатов; автоматизированное формулирование текстовой, табличной и графической информации; расчет показателей технико-экономической эффективности исследуемых объектов и предлагаемых решений; информационная и программная поддержка исследований, ориентированных на конкретную специфику изучаемого объекта; прогнозирование и проектирование рациональных энерго- и материалосберегающих режимов нагрева и термообработки в ходе наладки и исследования печного агрегата; выработка рекомендаций для операторов и проектных организаций по выбору типов и места установки датчиков для контроля параметров печи и управления процессами нагрева и термообработки [3].

Целью работы является развитие и применение методик исследования и наладки рациональных режимов работы методических печей металлургического производства с помощью мобильной теплотехнической лаборатории (МТЛ).

Решение задачи комплексного исследования включает в себя :

- анализ существующих методов исследования тепловой работы методических печей;

- разработку новых методов исследования тепловых и температурных режимов работы методических печей;

- разработку структуры МТЛ для комплексного исследования указанных печей;

- разработку соответствующего программного обеспечения;

- практическую проверку методики комплексного исследования методической печи.

Научные положения диссертационной работы практически реализованы на уровне конкретного наполнения МТЛ, использование которой для исследования методических печей позволит улучшить их тепловую работу. Это приведет к улучшению качества нагрева, снижению затрат на нагрев металла и улучшению экологической обстановки на металлургическом комбинате.

Таким образом, основное содержание работы заключается в разработке методик проведения комплексного исследования методических печей, анализа и использования его результатов.

Методика комплексного исследования основана на одновременном измерении таких параметров работы печи как : температура зон, температура металла в печи и на выдаче в процессе движения к прокатному стану, расход топлива и воздуха (общий и зональный), давление в рабочем пространстве печи, состав продуктов сгорания, анализ газовой атмосферы в печи, тепловое состояние наружной поверхности печи, температура подогрева воздуха, расход охлаждающей воды и некоторые другие параметры. Контроль основных параметров тепловых и температурных процессов производится непрерывно в процессе нагрева исследуемой марки металла.

В главе 2 приведено описание объектов исследования - методических печей, особенностей их тепловой работы; выполнен анализ методологии натурного исследования температурных режимов нагрева металла и математического моделирования теплообмена в рабочих пространствах рассматриваемых агрегатов, проанализированы проблемы экспериментального изучения нагревательных печей.

Глава 3 посвящена формулировке и уточнению понятий, определений и терминов, позволяющих полнее анализировать теплотехнические исследования в металлургии как научную предметную область.

Введено понятие теплотехнической исследовательской системы металлургических печей (ТИС МП), дана классификация таких систем и сформулированы принципы их прогрессивного развития.

В главе 4 приведено описание структуры МТЛ, предназначенной для изучения тепловой работы методических печей, дано описание разработанных в данном исследовании датчиков для изучения температурных режимов и программного обеспечения теплотехнической лаборатории.

Глава 5 содержит результаты проверки истинности предложенных теоретических и практических разработок на методических печах опытным путем. Приводятся данные по экономическому эффекту от внедрения топливосберегающих мероприятий. Выработаны рекомендации по диагностике проходных нагревательных печей прокатного производства.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Сформулированы обоснованные дополнения и уточнения в понятийно-терминологическом поле изучаемой предметной области, например, такие как: теплотехническая исследовательская система (ТИС), рациональный режим нагрева металла; нулевое, частичное или полное параметрическое отображение объекта в сопряженную сенсорно-интеллектуальную структуру, локальная эффективная температура рабочего пространства печи.

Выдвинут принцип комплексного исследования тепловой работы металлургической печи с помощью системы автоматизированного сбора и обработки информации.

2. Созданы способы исследования температурного режима нагрева металла в методической печи с помощью протяжных термопар и автономного средства.

Предложен и разработан способ контроля температурного режима нагрева металла в методической печи с помощью закрепляемого на заготовке блока термопар, позволяющих синхронно и непрерывно по всей длине печи регистрировать температуру в массе и на поверхности заготовки, а также в прилегающей к ней окрестности рабочего пространства печи, т.е. локальную эффективную температуру рабочего пространства печи.

3. С использованием вышеуказанных способов контроля температурного режима нагрева заготовок разработана методика дуальной адаптации двухцелевой математической модели теплообмена в печи, позволяющая: а) существенно расширить возможности диагностики технологического режима нагрева металла и теплового состояния агрегата; б) выбирать рациональный режим нагрева заданного металла путем перебора профиля локальной эффективной температуры по длине печи при заданных ограничениях и критерии рациональности; в) реализовать рациональный режим на основе информации штатных датчиков о зональной температуре печи.

Дуальность адаптации состоит в том, что по измерениям локальной эффективной температуры печи определяется коэффициент теплоотдачи к металлу непрерывно по длине печи, чтобы при последующем варьировании профиля локальной эффективной температуры рассчитывать рациональный режим нагрева, и одновременно определяется коэффициент теплоотдачи к металлу при использовании информации о зональной температуре печи в целях поддержания рационального режима штатными датчиками и регуляторами. Таким образом, математическая модель является двухцелевой, а ее адаптация - дуальной.

4. Разработаны фрагменты информационной технологии комплексного теплотехнического исследования методической печи с использованием МТЛ, включающие алгоритмическое и программное сопровожде

- и ние.

5. Разработаны математические модели прогноза окалинообразо-вания и выбросов К0Х при изменении температурного режима нагрева металла.

Результаты диссертационной работы были проверены на методических печах стана 2000 АО "НЛМК" .стана 900/680 ПО "Кировский завод", стана 1450 АО "ММК", в сортопрокатном цехе завода "Серп и молот". Верификация результатов позволила получить достаточно большое количество экспериментальных данных, подтверждающих эффективность методик, предложенных в диссертационной работе.

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции "Научные основы создания энергосберегающей техники и технологий" ( Московский энергетический институт, 27-29 ноября 1990 г.), а также на научных семинарах кафедры Теплофизики и теплоэнергетики металлургического производства МГИСиС (ТУ) и технических совещаниях вышеуказанных предприятий.

- 12

- 141 -6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Сформулирована концепция комплексного автоматизированного исследования тепловой работы печи, базирующаяся на системе автоматизированного сбора и обработки информации, использующей разра-ботаный алгоритм диагностики для отработки рациональной гарантированной теплотехнологии.

2. С целью оснащения мобильной теплотехнической лаборатории первичными измерительными преобразователями созданы новые устройства для исследования температурных режимов работы методических печей, в том числе многоцелевой датчик дистанционного типа, устройство АКТР, датчик экстремальной температуры нагрева.

3. Выполнена отработка методики измерения температуры металла проходными термоэлектрическими преобразователями. Верификация методики показала возможность и эффективность применения гибких автоматически протягиваемых электроизолированных термоэлектродов на методических печах.

4. Разработана модель нагрева металла, позволяющая рассчитать эффективный температурный режим нагрева металла и необходимый для его реализации профиль локальной эффективной температуры по длине методической печи.

Создана и апробирована методика адаптации указанной модели с помощью многоцелевого температурного датчика дистанционного типа. Создана методика прогнозирования рационального гарантированного режима нагрева металла и выработки рекомендаций для осуществления этого режима по информации, поступающей со штатных средств регулирования температуры в зонах печи.

5. Предложена и разработана экспертная система для теплотехнического исследования печей, обеспечивающая диагностику наруше

- 142 ний тепловой работы методической печи, состоящая из базы знаний и машины вывода и позволяющая в процессе диалога с пользователем определить наиболее вероятные причины нарушения работы агрегата.

Для изучения таких сложных систем, как металлургические печи, представлена методика использования компьютерных экспертных систем, основанные на базе знаний, создаваемой высококвалифицированными экспертами в области прикладной и научной теплотехники.

6. Создано программное обеспечение теплотехнических исследований металлургической печи с помощью мобильной теплотехнической лаборатории, написанное на алгоритмических языках Qwick Basic 4.0 и Turbo Pascal 5. О и работающее в диалоговым режиме. Программные продукты отвечают современным требованиям, удобны в пользовании, представляют из себя серию подключенных друг к другу меню, позволяющих запускать расчетные и сервисные программы.

7. С помощью МТЛ проведено комплексное теплотехнологическое изучение тепловой работы проходных нагревательных печей ЛПЦ-3 НЛМК, ЛПЦ-1 ММК, сортопрокатного цеха ПО "Кировский Завод" с целью изучения особенностей теплового, аэродинамического и температурного режимов. Установлены нарушения распределения статического давления, условий смешения топлива и воздуха, наличие большого избытка кислорода, несоответствие стратегии управления в условиях частых задержек производства, плохая управляемость температурным и тепловым режимом, участки рабочего пространства с неэффективным теплообменом, несоблюдение технологического режима персоналом, обслуживающим методические печи.

8. Экспериментально установлены колебания темпа нагрева заготовок, связанные с охлаждающим влиянием воздуха, попадающего в печь через окна методической зоны и неплотности футеровки, пережима между методической и сварочной зонами; более интенсивным

- 143 теплообменом в местах направленного действия факелов горелок.

9. Разработаны математические модели прогноза окалинообразо-вания и выбросов N0X при изменении температурного режима нагрева металла и методика их адаптации по данным исследования, проводимого с помощью МТЛ.

10. Проводилось исследование температурных режимов нагрева на методических печах стана 2000 Новолипецкого металлургического комбината с помощью МТЛ. В результате исследования были выявлены недостатки существующих режимов нагрева и был предложен новый режим, при котором снижены задания температуры в 1-й сварочной зоне на 20%. Повторное исследование нового реализованного режима подтвердило правильность расчета и он был рекомендован к внесению в технологическую инструкциию. Внедрение нового режима привело к снижению удельного расхода топлива на 12%, количества угара металла на 15%, количества выбросов NOx на 4 %, повышению марочнос-ти более чем в 2 раза.

И. Проведено комплексное исследование тепловой работы методических печей стана 900/680 ПО "Кировский Завод" в процессе которого был предложен ряд мероприятий , в результате внедрения которых на 20 % был снижен расход топлива на печь, на 40% уменьшено количество окалины и шлака, ликвидирован недопустимый перепад температуры между поверхностью и центром слитка, повышен в 2 раза межремонтный срок работы печи, снижено охлаждение слитка в пережиме между сварочной и томильной зонами со 100 - 150 °С до 30 °С.

12. На методической печи ЛПЦ-1 АО "ММК" проведен комплексный теплотехнологический эксперимент с целью изучения особенностей теплового, аэродинамического и температурного режимов. Установлена неудовлетворительная работа изоляции глиссажных труб и неравномерность нагрева сляба по толщине. По результатам исследования

- 144 предложен и внедрен комплекс энергосберегающих мероприятий: установка аэродинамической стенки в нижней сварочной зоне; нанесение интенсивно излучающего герметизирующего покрытия на внутреннюю поверхность кладки и аэродинамическую стенку; установка навесной теплоизоляции опорной системы труб и покрытие глиссажных труб принципиально новым радиационно-отражающим покрытием с применением технологии электродуговой металлизации; введение режимов ограничения максимальных тепловых нагрузок в период прокатки и при "холостом" ходе печи; перевод на работу с 3-х печей вместо 5-ти. После внедрения указанных мероприятий неравномерность нагрева по длине и толщине слябов на выдаче из печи не превышала 10-30°С, удельный расход топлива снизился на 12%; угар металла на уменьшился на 5%.

13. Проведенная с помощью МТЛ тепловая диагностика методических печей свидетельствует о правильности принятой концепции. Все основные измерительные средства, алгоритмы, расчетные и сервисные программы, информационная и вычислительная техника показали свою надежность и эффективность применительно к совершенствованию режимов работы методических печей. Установлена целесообразность их комплексного использования при проведении теплотехнических исследований, наладке рациональных режимов и совершенствовании тепловой работы и конструкции печных агрегатов, что обеспечивает значительное повышение эффективности их работы, экономию энергоресурсов, улучшение качества металла и рост производительности.

1. Сосковец О.Н. Техническое перевооружение и развитие металлургии России//Сталь.-1993.- No- 6. С. 1-7.

2. Мастрюков B.C. Энерго-экологический факультет Московского государственного института стали и сплавов // Изв. вузов. Черная металлургия.-1994.-No- 9,- С. 73-75.

3. Бердышев В.Ф. Оперативная тепловая диагностика печных агрегатов металлургического производства//Система анализа, оптимизации и рационализации энергопотребления на базе мобильных диагностических лабораторий. Труды МЭИ. -1990. Вып. 648. -С. 47-62.

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

5. Автоматизация металлургических печей/ В.Ю.Каганов,О.М.Блинов, Г.М.Глинков,В.А.Морозов.-М.:Металлургия,1975.-376 с.

6. Тайц Н. Ю.,Розенгарт Ю.И. Методические нагревательные печи. -М.:Металлургиздат,1964. -408 с.

7. Металлургическая теплотехника. В 2-х томах. Т.2. Конструкция и работа печей/В.А.Кривандин,И. Н. Неведомская, В.В.Кобахидзе и др.-М.:Металлургия, 1986.-592 с.

8. Нагрев слябов//Доклады конференции (июнь 1972 г.).- М.:Металлургия, 1977.-245 с.

9. Meinhard S.,Rolf-Dieter К.Dietrich S. Einsatz Von Hochemis-sions-Coating an Innenwannden Von Warmofen// Stahl und Eisen. -1990.-110.-No- 3.-C. 99-104,171.

10. И. Low cost investment for baffled furnace users//Heat ib on : DOE Suppl.-1988.-No- 2.-C. 33.

11. Выбор режимов нагрева металла/В. В.Быков,И.В.Франце-нюк, Б. М.Хилков,Г.А.Щапов.-М.:Металлургия, 1980.-168 с.

12. Автоматическое управление металлургическими процессами / А.М. Беленький,В.Ф.Бердышев,0.М.Блинов, В. Ю.Каганов. -М.: Металлургия, 1989.-384 с.

13. Глинков М.А. Основы общей теории печей.-М.:Металлургиздат, 1962.-575 с.

14. Автоматизация методических печей / Л.И.Булгак, И.Б.Вольфман, С.Ю.Ефроймович и др. -М.:Металлургия,1981.-196 с.

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

16. Приборы автоматического контроля в металлургии: Справочник/ М. Д. Климовицкий,В.И.Шишкинский-М.: Металлургия, 1979.-296 с.

17. Крамарухин Ю.Е. Приборы для измерения температуры.-М.:Машиностроение,1990.-208 с.

18. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. -М.: Наука,1982.-296 с.

19. Кулаков М.В.Макаров Б.И. Измерение температуры поверхности твердых тел.-М.:Энергия,1978.-142 с.

20. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник/Под общ. ред. чл.-корр. АН СССР В.А.Григорьева, В.М.Зорина.-М.:Энергоатомиздат, 1988. -560 с.

21. Амброк А.С. Метод определения термической инерции некоторых типов измерителей температуры поверхности//Теплофизика высоких температур.-1963.-Т. 1.-No- З.-С. 460-462.

22. Саченко А.А.,Мильченко В.Ю.Кочан В.В. Измерение температуры датчиками со встроенными калибраторами. -М.:Энергоатомиздат, 1986.-96 с.

23. Линевег Ф. Измерение температур в технике. М.:Металлургия, 1980.-543 с.

24. Каплан В.Г. Наладка и эксплуатация печей для нагрева металла. М.:Металлургия, 1965.-400 с.

25. Шапов Г.А.,Наумкин В.А.Макашов В.В. Тепловая работа пяти-зонных методических печей для нагрева литых сля-бов//Сталь.-1972. -No- 10.-С. 957-958.

26. Улучшение работы четырехзонных методических печей/В.П.Чуви-лек, В.М.Оршин,А.Е.Прихоженко и др.// Черная металлургия.-1974,- No- 4.-С.35-37.

27. Хартман Т., Хильдебрандт В. Эффективность конструкции и работы толкательных печей для широкополосных станов// Нагрев слябов. -М.:Металлургия,1977.-С. 85-97.

28. Экспериментальные исследования методической печи с шагающим подом и сводовым отоплением/А.Н.Минаев,Ю.С.Борцов,И.Г.Оль- 148 шанский и др.//Бюллетень научно-технической информации. Черная металлургия.-1980.-No- 4.-С. 49-62.

29. Антонов В.В. Исследование нагрева металла в пятизонных методических печах//Сталь.-1970. -No- 1.-С. 81-84.

30. Филатов А.Д. Влияние неравномерности нагрева слябов качество поверхности листов//Сталь.-1971.-No- 5.-С. 468-470.

31. Бердышев В.Ф.Зотов П.В.,Любимов H.H. Погрешности измерения температуры протяжными термопарами//Изв.вузов. Черная металлургия. -1988. -No- З.-С. 142.

32. Ефимов Л.Н.- Дисс. к.т.н. специальности 05.16.02 "Металлургия черных металлов"; научный рук. проф., д. т.н. Блинов О.М. -М.: 1987.

33. Абрамович Б.Г.,Картавцев В.Ф.Цветовые индикаторы температуры. -М.:Энергия,1978.-216 с.

34. Ильина С.А.,Парасюк С.И.,Голубев И.Ф. Индикаторы температуры. -М.:НИИТЭХИМ,1981.-31 с.

35. Инструкция по применению термоиндикаторов "ТХИ" и "ТИК"-М.: МХТИ им. Д.И.Менделеева, 1982, -6 с.

36. Васильев В.И. Распознающие системы: Справочник/Васильев В.И. -Киев: Наукова думка, 1983.-422 с.

37. A.c. 1580185 СССР. Способ определения режима нагрева образца при термообработке /О.М.Блинов, В.Ф.Бердышев, Л.Н.Ефимов (СССР). -Опубл. 23.07.90, Бюл. No- 27.

38. Пихлер Р.,Лангер Р. Концепция автоматизации управления печами прокатных станов//Металлургическое производство и технология металлургических процессов.- М.:Металлургия,1990.-С. 90-97.

39. Карбышев В. Т., Курбатов Ю. JI., Носаченко 0. В.//Сталь.-1980.-No- 5.- С. 439-440.

40. А. с. 773450 (СССР), МКИ3 G 01 К 7/00. /В.И.Чепков,Б.М.Хил-ков, И.Л. Бублевский и др. (СССР). Заявлено 9.04.79; Опубл. 23.10.80.

41. Emscherman H.H.,Fuhrman В.,Huhnke D.//Stahl und Eisen.-1976.- 96,- No- 25-26.-C. 1290-1293.

42. Emscherman H.H.,Fuhrman B.,Huhnke D.//Draht.-1980.-31.-No-6. C. 411-413.

43. Карбышев В.Т.,Курбатов Ю.Л., Волкова 0. Г. Методика расчета тепловой защиты прибора, перемещающегося в печи // Изв.вузов. Черная металлургия.- 1986.-No- 1.-С. 143-146.

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

45. Лисиенко В.Г.,Волков В.В.,Маликов Ю.К. Улучшение топливоис-пользования и управления теплообменом в металлургических печах. -М.:Металлургия,1988. -232с.

46. Лоз У.Р. Требования к конструкциям печей и направления развития печей для нагрева слябов // Нагрев слябов. -М.: Металлургия, 1977.-С. 5-22.

47. Моисеев H.H. Математические задачи системного анализа. М. : Наука, 1981. - 487 с.

48. Моделирование теплообмена в методических печах / Ю.А.Самой-лович, М.М.Гордон,К.М.Пахалуев и др.// Нагрев и охлаждение стали. Теплотехника слоевых процессов. Сб. научн. трудов ВНИИМТ. -М.: Металлургия, 1970,- No- 23,- С. 5-22.- 150

49. Арутюнов В.А., Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Моделирование тепловой работы промышленных печей.- М.: Металлургия, 1990. -240 с.

50. Костик А.Д. Математическое моделирование нагрева слябов в печах толкательного типа // Нагрев слябов. -М.: Металлургия, 1977. -С. 147-159.

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

52. Бутковский А.Г. Методы управление системами с распределенными параметрами.- М.:Наука,1975.-568 с.

53. Маковский В.А., Лаврентик И.И. Алгоритмы управления нагревательными печами.- М.:Металлургия,1977.-568 с.

54. Кривандин В.А.,Егоров A.B. Тепловая работа и конструкции печей черной металлургии.-М.:Металлургия, 1989.-462 с.

55. Пуговкин А.У. Рециркуляционные пламенные печи. Л.:Машиностроение, 1987. -197 с.

56. Кошляков Н.С.,Глипер Э.Б.Смирнов М.М. Основные дифференциальные уравнения математической физики.-М.:Физматгиз,1962.-767 с.

57. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.:Высшая школа,1967. - 599 с.

58. Гольдфарб Э.М. Теплотехника металлургических процессов. М.: Металлургия,1967.-439 с.

59. Карлсроу Г.,Егер Д. Теплопроводность твердых тел. -М.: Наука, 1964.-487 с.

60. Никитенко Н.И. Исследование процессов тепло- и массообмена методом сеток,- Киев: Наукова думка, 1978. 212 с.

61. Лисиенко В.Г., Волков В.В., Гончаров А.Л. Математическое моделирование теплообмена в печах и агрегатах.-Киев:Науковадумка, 1984.-232 с.

62. Моисеев H.H. Неформальные процедуры и автоматизация проекти-рования//Новое в жизни, науке, технике. Математика, кибернетика. -1979.-No- 3.-64 с.

63. Скурихин В.И.,Дубровский В.В.,Шифрин В.Б. АСУТП. Предпроект-ная разработка алгоритмов управления. Киев: Наукова думка, 1980. - 296 с.

64. Бердышев В.Ф.Блинов О.М.Соболев В.М.Моделирование температурного режима отжига полосы в протяжной печи// Изв. вузов. Черная металлургия.-1983.-No- П. С. 168-169.

65. Изучение влияния точности измерения температуры в протяжной печи на качество автолистовой стали/ А.М.Беленький,В.Ф.Бердышев, 0.М.Блинов,В.М.Соболев.//Изв. вузов. Черная металлургия,- 1986.-NO- 5,- С. 125-129.

66. Бердышев В.Ф.Блинов О.М.Соболев В.М. Разработка и адаптация вероятностных информационно-технологических моделей плавильных процессов.//Изв. вузов. Черная металлургия. -1984. -No- 1,- С. 123-128.

67. Экономия топлива в нагревательных печах на сталелитейных заводах фирмы "Сумимото-метэлз"/Е. Вада,X. Такасима,Ю. Судзуки и др.// Сумимото-киндзоку. -1982. -Т. 34. -No- 3. -С. 546-566.

68. Razvoj programske opreme za procesno vodenje protlsne ре 1 z vidika energetscega optimiranja/T. Kolenko.F. Pavlin, B.

69. Sic- herí,В. Glogovac// 43 Posvet. met. in kov. grad., Portoroz, 7-9 okt., 1992. Kov., zlit., tehnol.-1993.- 27.1. No- 1-2.- C. 119-121.

70. Имитационное моделирование проведения активного и пассивного экспериментов при исследованиях металлургических печей / Л. В.Зубкова,0.М.Блинов,В.Ф.Бердышев, А.М.Беленький.// Изв. вузов. Черная металлургия,- 1987. No- 5.- С. 138-142.

71. Гифтопулос Е., Дибартола В. Экономия энергии и повышение производительности на сталеплавильных заводах // Энергосбережение- глобальная энергетическая стратегия.Материалы сов.-амер. симпозиума по энергосбережению. М.,1988. - Т.З. - С.93-113.

72. Рапопорт Э.Я. Оптимальные режимы нагрева металла с учетом технологических ограничителей // Изв. вузов. Черная металлургия,- 1986. No- 2 - С. 41-47.

73. Устройство для автоматического управления температурным режимом методической печи с шагающими балками / А.М. Сединкин, М.Д. Климовицкий, Л.И. Буглак и др.// Сталь.- 1987. No-3.- С. 97-99.

74. Управление нагревательными печами при помощи микропроцессоров на примере проволочного и мелкосортного станов / Ф. Рай-ницхубер, Г. Якоб, Г. Хиршман, Д. Ронер // Черные металлы.-1986. No- 4.- С. 63-70.

75. Климовицкий М.Д. АСУ ТП нагревательных печей прокатных станов //Черная металлургия.-1988.-N0- 8,- С. 23-32.

76. Определение качества нагрева металла в нагревательных печах/ Б.Н. Парсункин, Г.Ф, Шнайдер, Г.Ф. Обухов и др.//Сталь.-1989. N0- П. - С. 104-107.

77. Панферов В.И. Об алгоритмах вычисления некоторых показателей качества нагрева массивных тел// Изв. вузов. Черная металлургия,- 1988. N0- 5,- С. 116-118.

78. Метод оценки неравномерности нагрева металла / И.Н. Эльке, Ю. Б. Палей, О.И. Тишин, М.А. Смирнов.// Изв. вузов. Черная металлургия.- 1988. Мо- 6,- С. 112-115.

79. Режимы нагрева слитков и литых заготовок при передержках сверх графика / В.Д.Дмитриев, Г.В.Ощеровский, А.В.Левицкий, Ю.И. Кацин//Черная металлургия. -1989. N0- 1,- С. 72-73.

80. Прядкин Л.Л. Автоматизация проходных нагревательных печей прокатного производства// Сталь.- 1986. N0- 2,- С. 103-106.

81. Усовершенствование тепловой работы и конструкции печи с шагающим подом/ М.А. Денисов, В.С, Емченко, Г.А. Михалев и др.// Сталь. -1987,- N0- 2,- С. 98-102.

82. Повышение эффективности работы нагревательных печей с шагающим подом/ Е. Я. Иоффе, А.М, Серова, Б. В. Крохин и др.//Сталь. 1987,- N0- 3.- С. 100-107.

83. Парсункин Б.Н., Шестеркин А.Г., Обухов Г.Ф. Самонастраивающаяся система для управления тепловым режимом печей // Сталь, 1987. - N0- 11,- С. 102-104.

84. Сединкин А.М., Скольник А.Г., Картшевский А.Г. Система автоматического управления температурой раската// Сталь.- 1986. N0- П. - С. 94-97.

85. Асланов Г.И.,Бычек П.Е.,Яралиев. Совершенствование режимов нагрева металла в нагревательных печах прокатного цеха// Черная металлургия.-1987. -No- 13.- С. 61.

86. Улучшение тепловой работы методической нагревательной печи Верх-Исетского металлургического завода/В.К. Пулькин, Л.И. Бублевский, А.Ю. Утюмов и др.//Черная металлургия.-1989.-No-4,- С. 76-77.

87. Хейес-Рот Ф., Уотерман Д., Ленат Д. Построение экспертных систем. М. :Мир, 1987. - 276 с.

88. Экспертные системы Принципы работы и примеры/ Под ред. Р.Форсайта. М.:Радио и связь,1987. - 406 с.

89. Экспертные системы: состояние и перспективы/ Под ред. Д.А.Поспелова.-М.:Наука, 1989. 296 с.

90. Поспелов Г.С. Искусственный интеллект основа новой информационной технологии.-М.:Наука, 1988. - 279 с.

91. Металлургическая теплотехника. В 2-х томах. Т. 1. Теоретические основы/ В.А.Кривандин, В.А.Арутюнов,Б.С.Мастрюков и др. М.: Металлургия, 1986. - 424 с.

92. Оперативная диагностика металлургических тепловых агрегатов / В.А.Григорьев,А.М.Беленький,В.Ф.Бердышев и др.//Тезисы междунар. конф. "Чер. металлургия России и стран СНГ в 21 в."(Москва,1994).-М.:1994.-Т. 2.-С. 40-41.

93. Тарбеев Ю. В., Харитонов И.А., Игнатьев В.И. Метрология и на- 155 учно-технический прогресс//Измерительная техника.-1981.- No-5. С. 67-70.

94. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. В 2-х томах. Т. 2. Мастрюков Б.С. Расчеты металлургических печей. М.: Металлургия, 1986. - 376 с.

95. A.c. 1165668 (СССР). Состав покрытия футеровки печных агрегатов/Р.И.Меньшиков, Н. П. Кузнецова др. No- 9680816/29-33; Заявлено 9.11.83; Опубл. в 1985, Бюл-No- 25.

96. Разработка радиационных покрытий для футеровки печей/В. А. Кривандин, Н. П. Кузнецова, Р. И. Меньшиков и др.//.Изв. вузов. Черная металлургия.-1985.-No- 9.-С.137-140.

97. Высокотемпературные покрытия // Труды семинара по жаростойким покрытиям. M-J1. : Наука, 1967.

98. Спивак Э.И. Методы ускоренных расчетов нагревательных печей. -М.:Металлургия,1988. -141 с.

99. Шульц Л.А. Элементы безотходной технологии в металлургии. -М.: Металлургия, 1991.-174 с.