способ управления нагревом металла в колпаковой печи

Формула изобретения

Способ управления нагревом металла в колпаковой печи, включающий измерение во время нагрева температуры (Т_с) греющей среды и температуры (Т_г) защитного газа, стабилизацию заданной температуры (Т_сз) в период ее подъема, осуществление нагрева металла ступенчато с заданным количеством выдержек, отличающийся тем, что стабилизацию Т_с осуществляют до достижения температурой защитного газа заданного значения (Т_гз), стабилизацию Т_г осуществляют путем изменения расхода топлива, при этом изменение расхода топлива начинают при достижении Т_с = 650 - 680^oC, одновременно рассчитывают базовое время _б подъема температуры Т_с до Т_сз по математическому выражению



где _мз - общее заданное время нагрева металла;

- суммарное заданное время выдержки при количестве выдержек от двух до четырех,

определяют оставшееся время до достижения греющей средой заданного значения _осз температуры, сравнивают его с фактически оставшимся временем _фоз и при _фез> _осз расход топлива уменьшают или оставляют при условии сохранения скорости подъема температуры греющей среды в первых трех пятиминутных циклах, причем расход топлива во время подъема температуры изменяют до тех пор, пока значение Т_г не достигнет значения Т_гз, после чего осуществляют выдержки и на каждой из них осуществляют минимизацию отклонений значения Т_г от значения Т_гз, для чего измеряют текущие значения Т_гi и Т_ci, где i - номер отсчета Т_г и Т_c, определяют фиксированные значения Т_гф и Т_сф как значения Т_г и Т_с в моменты изменения расхода топлива, анализируют характер изменений значений Т_ci по следующим неравенствам

Т_сф > Т_ci > Т_ci - 30 с,

Т_сф < Т_ci < Т_ci - 30 с,

где Т_ci - 30 с - температура греющей среды в начале 30-секундного цикла,

при выполнении одного из неравенств изменяют расход топлива, сравнивают значение Т_гi и Т_гз и в зависимости от величины и знака отклонения изменяют расход топлива, сравнивают значение Т_гi с Т_сф и в зависимости от величины и знака отклонения изменяют расход топлива.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, а именно к термообработке черных металлов, в частности к процессам управления и регулирования.

Известен способ регулирования нагрева металла в колпаковой печи, включающий установку задания по колпаковой и стендовой термопарам и нагрев металла до температуры заданной по стендовой термопаре, при этом определяющий график нагрева металла в самой быстро прогреваемой точке и при достижении металлом в этой точке температуры, заданной по стендовой термопаре, снижают задание по колпаковой термопаре до температуры на 10 - 40^oC ниже точки Ac₁ нагреваемого металла (см. авт. св. N 1407978, C 21 D 11/00, 9/663, 1988 г.).

Недостатками данного способа являются повышенный расход энергоносителей, высокий перепад температур в процессе и к концу отжига металла.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ управления нагревом рулонной автолистовой стали для особо сложной вытяжки, включающий регулирование температуры в колпаковой печи по зональной и стендовой термопарам, измеряющим температуру греющей среды и температуру защитного газа, в соответствии с заданными температурами выдержек при ступенчатом нагреве, при этом температуру по зональной (колпаковой) термопаре задают не выше 820^oC, а ее конкретные задания устанавливают на 100 - 140^oC выше заданных температур выдержек по стендовой термопаре (см. авт. св. N 1406186, C 21 D 9/48, 11/00, 1988 г.).

Недостатком данного способа является повышенный расход энергоносителей.

Это происходит из-за отсутствия рационального расхода топлива, так как система, описанная в известном способе, не обеспечивает минимальные перепады температуры нагрева по объему садки металла в период нагрева и к концу отжига.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение расхода топлива, уменьшение перепадов температуры по объему садки в период нагрева и к концу отжига, повышение однородности свойств отожженного металла, увеличение выхода металла категории особо сложной вытяжки (ОСВ).

Поставленная задача достигается тем, что в способе управления отжигом в колпаковой печи, включающем измерение во время нагрева температуры (Т_с) греющей среды и температуры (Т_г) защитного газа, стабилизацию заданной температуры (T_сз) в период ее подъема, осуществление нагрева металла ступенчато с заданным количеством выдержек, стабилизацию Т_с осуществляют до достижения температурой защитного газа заданного значения (Т_гз), стабилизацию Т_г осуществляют путем изменения расхода топлива, при этом изменение расхода топлива начинают при достижении Т_с = 650-680^oC, одновременно рассчитывают: базовое время _б подъема температуры Т_с до Т_сз по математическому выражению



где _мз общее заданное время нагрева металла,

суммарное заданное время выдержки при количестве выдержек от двух до четырех,

определяют оставшееся время до достижения греющей средой заданного значения _осз температуры, сравнивают его с фактически оставшимся временем _фcз и при _{фcз осз} расход топлива уменьшают или оставляют неизменным при условии сохранения скорости подъема температуры греющей среды в первых трех пятиминутных циклах, причем расход топлива во время подъема температуры изменяют до тех пор, пока значения Т_г не достигнет значения Т_гз, после чего осуществляют выдержки и на каждой из них осуществляют минимизацию отклонений значения T_г от значения T_г, для чего измеряют текущие значения T_гi и T_сi,

где i - номер отсчета Т_г и Т_с, определяют фиксированные значения Т_гф и Т_сф как значения T_г и Т_с в моменты изменения расхода топлива, анализируют характер изменений значений T_сi по следующим неравенствам

Т_cф > Т_сi > Т_сi -30с,

Т_сф < Т_сi < Т_сi -30с,

где Т_сi - 30с - температура греющей среды в начале 30-ти секундного цикла.

при выполнении одного из неравенств изменяют расход топлива, сравнивают значение T_гi с Т_гз и в зависимости от величины и знака отклонения изменяют расход топлива, сравнивают значение T_гi с Т_сф и в зависимости от величины и знака отклонения изменяют расход топлива.

На чертеже представлена блок-схема системы для осуществления предлагаемого способа.

Способ управления нагревом металла в колпаковой печи реализуется системой адаптивного управления, которая состоит из стенда 1 колпаковой печи, нагревательного колпака 2, колпаковой термопары 3 для замера температуры греющей среды Т_с, стендовой термопары 4 для замера температуры защитного газа T_г. Колпаковая и стендовая термопары подключены к входу преобразователя 5 сигналов низкого уровня термопар, выход которого соединен с блоком 6 оптимизации стадии подъема температуры металла и с блоком 7 оптимизации стадии выдержки температуры. Выходы блоков 6 и 7 соединены с входом формирователя дискретных сигналов 8, выход которого соединен с входом блока 9 управления исполнительным механизмом 10. Исполнительный механизм 10 предназначен для перемещения заслонки 11 на газопроводе.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Перед началом нагрева рулонов в печи вызывают на экран дисплея карточку нагрева и в нее вводят все необходимые параметры рулонов из садки: марку стали Р - вес рулона, h - толщину полосы, b - ширину полосы, категорию вытяжки, T_с, T_г, T_сз, T_гз. Параметры Т_с - это показания колпаковой термопары 3, Т_г - стендовой 4. После ввода информации дается команда системе на нагрев металла. В период подъема до достижения заданного значения температуры Т_гз защитного газа производят стабилизацию заданной температуры Т_сз поддержанием расхода топлива на определенном (требуемом) уровне посредством открытия заслонки на трубопроводе.

Нагрев осуществляют ступенчато. Количество ступеней зависит от требований к качеству отжигаемого металла. Например, для стали марки 08Ю по ГОСТ 9045-93 требуется четыре ступени нагрева. На каждой ступени осуществляют выдержку. При достижения Т_с = 650 - 680^oC система адаптивного управления начинает одновременно рассчитывать базовое время _б подъема температуры Т_с до Т_сз, скорость подъема температуры греющей среды каждые пять минут, оставшееся время достижения греющей средой заданного значения Т_осз, сравнивает его с фактически оставшимся временем _фcз, и при _{фcз осз} система дает команду на уменьшение расхода топлива и на сохранение (соответственно знаку > или = ) его неизменным при условии поддержания скорости подъема температуры греющей среды в первых трех пятиминутных циклах на одном уровне. Изменением расхода топлива во время подъема температуры варьируют до тех пор, пока Т_г не достигнет Т_гз, после чего осуществляют выдержки и на каждой из них производят минимизацию отклонений Т_г от Т_гз. Для этого непрерывно термопарами 3 и 4 измеряют текущие значения Т_гi и Т_сi, фиксированные значения Т_гф и Т_сф, сравнивают Т_гi c T_гз, Т_гi с Т_гф, T_сi с T_сф и пропорционально знаку и величине алгебраической суммы этих отклонений система выдает команду на изменение расхода топлива.

Интервал температуры греющей среды Т_с = 650 - 680^oC выбран на основе экспериментов, которые показали, что при T_с < 650^oC качество металла не соответствовало требуемой категории, а при T_с > 680^oC наблюдался перерасход топлива.

Пример конкретного осуществления способа

Способ управления нагревом металла осуществляли в колпаковой печи с нагревательным колпаком 2, оснащенной отечественной микропроцессорной техникой. На стенд 1 устанавливают четыре рулона металла из стали 08Ю. Вес каждого рулона 23 т, ширина полосы 1250 мм, толщина полосы 2 мм. Заданные параметры нагрева следующие: категория вытяжки (ОСВ), Т_сз = 870^oC, Т_гз = 710^oC, количество ступеней нагрева - 3. Нагрев осуществляют следующим образом. Сначала по команде оператора система выдает режим нагрева на основании введенных в нее параметров, а затем дается команда на нагрев с автоматическим управлением.

По этой команде система вырабатывает сигнал управления "открыть", который поступает через блоки формирования дискретных сигналов 8 и управления 9 на исполнительный механизм 10, который перемещает газовую заслойку 11 в положение "открыто". После розжига горелок нагревательного колпака начинают стадию подъема температуры нагреваемого металла. При этом значения температуры греющей среды Т_с по показаниям колпаковой термопары и защитного газа Т_г по показаниям стендовой термопары после их преобразования в блоке преобразования сигналов низкого уровня 5 поступают в блоки 6 и 7 с периодичностью 1 мин, где обрабатываются алгоритмами оптимизации. На стадии подъема температуры до первой выдержки по показаниям стендов термопары и между выдержками регистрирующий температуру защитного газа Т_г блок оптимизация стадии выдержки 7 не работает.

При достижении греющей средой температуры 650-680^oC начинают изменять расход топлива, при этом блок 6 оптимизация стадии подъема рассчитывает базовое время _б подъема температуры греющей среды Т_с до заданного значения Т_сз как разность где _мз - общее заданное время нагрева металла; - суммарное заданное время выдержек от двух до четырех.

Затем блок 6 с цикличностью 5 мин рассчитывает скорость V_ci подъема температуры греющей среды Т_c.

V_сi = (Т_с5 - Т_сi5)/5, град/мин,

где T_с5- температура греющей среды в конце пятиминутного цикла;

Т_сi-5 - температура греющей среды в начале пятиминутного цикла.

Затем блок 6 рассчитывает оставшееся время достижения _осз греющей средой заданного Т_сз, сравнивает его с фактически оставшимся временем _фcз и при _фcз> _осз уменьшает расход топлива с помощью формирователя дискретных сигналов 8 блока 9 управления исполнительным механизмом 10 и газовой заслонкой 11 на газопроводе путем прикрытия ее на 1 с или оставляет расход топлива неизменным при _фcз= _осз, и условия сохранения скорости подъема температуры греющей среды Т_с в первых трех пятиминутных циклах.

После выдачи сигнала управления процедуру оптимизация расхода топлива с положения регулирующей заслонки на газопроводе повторяют каждые 5 мин.

Таким образом, не изменяя базового времени _б подъема температуры греющей среды Т_с, система постоянно оптимизирует положение регулирующей заслонки на газопроводе с целью экономии топлива в процессе достижения температуры защитным газом Т_г заданной первой, второй и т.д. выдержек Т_гз.

При достижении заданной температуры выдержки Т_гз система отключает блок 6 оптимизации стадии подъема температуры и включает блок 7 оптимизации стадии выдержки температуры металла, работа которого заключается в минимизации отклонений Т_г от Т_гз, для чего непрерывно измеряют текущие значения Т_гi и T_сi, фиксированные (в момент выдачи управляющих воздействий на реализующую заслонку на газопроводе) Т_гф и Т_сф, сравнивают Т_гi с T_гз, Т_гi с Т_гф, Т_сi с Т_сф и пропорционально знаку и величине алгебраической суммы этих отклонений изменяют расход топлива.

Это происходит следующим образом. В момент, когда Т_гi достигнет значения Т_гз 1 град, блок оптимизации выдержки 7 выдает управляющее воздействие на прикрытие регулирующей заслонки на газопроводе длительностью 8 с, фиксирует Т_сф и Т_гф и устанавливает заданную цикличность работы, а именно цикличность реакций на отклонения Т_сi от Т_сф, Т_гi от Т_гф, Т_гi от Т_гз и осуществляет их с цикличностью соответственно 1 мин, 2 мин, 4 мин.

По окончании первого цикла блок 7 оптимизации выдержки анализирует характер изменений Т_ci по следующим неравенствам:

Т_сф > T_ci > T_сi - 30с;

либо Т_сф < T_сi < T_сi - 30с

При выполнении одного из неравенств блок 7 вырабатывает управляющее воздействие соответствующего знака и величины. Если ни одно из неравенств не выполнилось, управляющее воздействие не формируется и производят сдвиг фазы цикла на 30 с. Через 30 с анализ повторяется. Затем блок 7 анализирует величину и знак отклонения Т_гi от Т_гфи в зависимости от его значения вырабатывает управляющее воздействие соответствующей длительности и знака. Если отклонение не превысило одного градуса, управляющее воздействие не вырабатывается и производится сдвиг фазы цикла на 30 с. После этого блок 7 анализирует величину отклонения Т_гф от Т_гз, и если эта величина превысила 4 град, блок 7 вырабатывает управляющее воздействие соответствующей длительности и знака. По результатам этого же анализа происходит коррекция Т_сф на величину 10 град.

Результаты промышленного эксперимента сведены в таблицу.

Таким образом осуществляют непрерывный поиск оптимального значения Т_сф на протяжения всего цикла нагрева, начиная с температуры 650-680^oC и минимизируют отклонения Т_гi от Т_гз.

Преимущество заявляемого способа перед известным заключается в снижении расхода топлива на 15-16%, в уменьшении перепадов температуры по объему садки к концу нагрева в пределах 30^oC, в повышении однородности свойств, что ведет к увеличению выхода металла категории особо сложной вытяжки на 2 - 3%.