Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи 8
1.1. Основные пути совершенствования тепловой работы нагревательных печей. 8
1.2. Анализ математических моделей нагрева металла в методических печах . 15
1.3. Оценка достоверности информации об основных параметрах нагрева 28
Выводы 31
1.4. Постановка задач исследования 32
2. Исследование тепловой рабощ печи при случайных возмущавдих воздействиях . 33
2.1. Статистические характеристики возмущающих воздействий 33
2.2. Оценка закономерностей изменения температуры раската . 57
Выводы 72
3. Исследование непрерывного бесконтактного метода контроля температуры поверхности металла 74
3.1. Выбор метода определения температуры поверхности металла 74
3.2. Конструкция измерителя температуры поверхности металла . 86
3.3. Настройка измерителя температуры поверхности металла. 89
3.4. Результаты промышленных испытаний измерителя температуры поверхности металла 100
Выводы. ПО
4. Математические модели нагрева металла. идентификация моделей нагрева металла 112
4.1. Модели нагрева металла в методических печах с шагающими балками 112
4.2. Исследование нагрева заготовок на моделях IZ8
4.3. Идентификация математических моделей при изменяющихся условиях нагрева 125
Выводы 134
5. Применение математических моделей дія совершенствования контроля температуры и режимов нагрева металла 136
5.1. Применение экспоненциальной модели для определения среднемассовой температуры заготовок 136
5.2. Разработка рекомендаций по совершенствованию режимов нагрева металла в методических печах с шагающими балками 144
Выводы. 152
Общие выводи 153
Литература .
- Анализ математических моделей нагрева металла в методических печах
- Оценка закономерностей изменения температуры раската
- Конструкция измерителя температуры поверхности металла
- Идентификация математических моделей при изменяющихся условиях нагрева
Введение к работе
В постановлении ХХУІ съезда КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 года" предусмотрено увеличение к 1985 году производства готового проката до П7-І20 млн. тонн [ I]. Основными, определяющими направлениями развития черной металлургии должны стать коренное улучшение качества металлопродукции и экономия топливно-энергетических ресурсов.
Поставленные задачи могут быть решены путем технического перевооружения и совершенствования систем управления металлургической промышленностью, в первую очередь, путем механизации и автоматизации производственных процессов, а также путем внедрения экономически целесообразных методов производства, совершенствования математического аппарата анализа технологических процессов, широкого использования для исследований и управления электронно-вычислительных машин (ЭВМ).
Современный уровень развития прокатных цехов металлургических заводов характеризуется из года в год возрастающими мощностью и объемом производства. В то же время существенно повышаются требования и к качеству готового проката. Известно, что объем готового проката, а также его качество в первую очередь определяются условиями нагрева металла в отделении нагревательных печей прокатного цеха [10].
Современные методические печи характеризуются большой единичной мощностью. Вместе с ростом единичной мощности нагревательных печей их конструкция все более усложняется. В последние годы появились крупные нагревательные печи с принципиально новым способом движения металла - печи с шагающими балками и шагающим подом, которые становятся наиболее массовыми нагревательными агрегатами станов горячей прокатки как в СССР, так и за рубежом. По перспективно-
му плану развития вплоть до 1990 г. средств нагрева металла Минчер-мета СССР число печей с шагающими балками и подом для нагревательных отделений станов горячей прокатки должно увеличиться на 27 %, в то время как число печей садочного типа всего на 1,5 %.
С изменением способа транспортировки металла в печах с шагающими балками и подом изменились и условия его нагрева. Так за счет расположения заготовок с зазором время их нагрева может быть значительно сокращено.
Нагреву подвергаются заготовки из разных марок стали с различными теплофизическими параметрами. Масса нагреваемых заготовок возрастает. В этих условиях недогрев даже одной заготовки становится ощутимым в общем объеме производства.
Нагрев металла в печах происходит на фоне случайных возмущений, обусловленных как изменением тепловой работы печи, так и режимбм работы прокатного стана.
Отделение нагревательных печей сложное энергоемкое хозяйство, потребляющее основную массу топлива в общем объеме затрат на передел. При нагреве металла происходит значительная потеря металла в окалину. Вместе с тем выдача из печи металла, имеющего не оптимальную с точки зрения затрат на прокатку температуру, влечет за собой повышение стоимости готовой продукции.
Таким образом, дальнейшее совершенствование работы печей, улучшение их эксплуатационных параметров является существенным резервом повышения производительности, экономичности и качества продукции всего комплекса производства проката.
Основным методом совершенствования технологии нагрева металла в методических печах является поиск оптимальных тепловых режимов путем проведения теплотехнических исследований, в частности балансовых испытаний. Это сложный и трудный путь, возможности которого ограничены наличием имеющейся информации о процессе, а выводы,
сделанные на основании полученных результатов, не всегда дают верное представление о реальной картине процесса, С другой стороны, такой вид исследований пригоден только для конкретного агрегата и весь цикл экспериментов необходимо повторять для любой другой печи. В связи с этим требуются более эффективные пути совершенствования режимов работы печей, основанные на получении четких обобщающих количественных представлений о тепловой работе за счет применения более точных средств контроля и регулирования процесса, широкого использования математических моделей для анализа и исследования процесса нагрева металла, оснащения агрегатов автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУ ТП).
Одним из основных параметров технологического процесса нагрева, протекающего в печах, является температура металла. Наличие объективной информации о температуре нагреваемого металла определяет успех технологического процесса нагрева. Повышение точности контроля температуры металла позволит получить, учитывая масштабы прокатного производства, значительный экономический эффект даже при небольшом в процентном отношении снижении расхода топлива и угара металла. Этот факт является экономической предпосылкой разработки новых и совершенствования ранее известных методов непрерывного контроля температуры металла в процессе его нагрева в различных нагревательных печах прокатного производства.
Использование для разработки мер по совершенствованию нагрева металла в методических печах расчетов на ЭВМ, а также внедрение АСУ ТП нагрева требует наличия адекватных математических моделей, позволяющих определять тепловое состояние металла в темпе с процессом нагрева.
Адекватность модели реальному процессу осуществляется методами идентификации. В этом случае информация о температуре металла является источником оценки качества модели и разработки простых и
надежных алгоритмов идентификации.
Настоящая диссертационная работа посвящена совершенствованию тепловой работы печей с шагающими балками на основе непрерывного определения температуры нагреваемого в печи металла с применением комплексных исследований технологических, теплотехнических и конст-рективных особенностей методических печей с шагающими балками при широком использовании математических моделей нагрева и ЭВМ для расчетов.
Анализ математических моделей нагрева металла в методических печах
Теоретической основой математического моделирования нагрева металла в нагревательных и, в частности, методических печах являются методы расчета внутреннего теплообмена теплопроводностью в твердых телах и внешнего теплообмена излучением.
Методам расчета внутреннего теплообмена теплопроводностью в твердых телах посвящено большое количество работ. Подробное описание аналитических методов решения задач теплопроводности содержится в известных монографиях А.В.Лыкова [9,38], Г.Карслоу и Д.Егера [III], А.Н.Тихонова и А.А.Самарского [93,40]. Вопросы теплообмена излучением в замкнутом пространстве в настоящее время также хорошо изучены. Наиболее широко известны работы А.С.Невского [112], Д.В.Будрина [ПО], М.А.Глинкова [43,51].
Методам расчета и экспериментальным исследованиям нагрева металла в печах посвящены работы Г.П.Иванцова [9], Н.Ю.Тайца [27,49], В.Ф.Коштова [ИЗ], А.В.Кавадерова [87], Э.М.Гольдфарба [109], Л.А.Бровкина [108].
Основные характеристики процесса нагрева металла в печах-теплообменниках были сформулированы в работах М.А.Глинкова [44,50], в которых получено основное уравнение работы таких печей: / с им. т. (I.I) где @-т.н тепловая нагрузка от сжигания топлива, Вт; &.ЛГш- коэффициент полезного теплоиспользования; л J - технологически необходимое удельное потребление тепла материалом, подвергающимся тепловой обработке, Дж/кг; Р - производительность печи, кг/ч; @yj )- функция, характеризующая тепло уходящих газов, Дж; ( ) - химическое и физическое тепло, вносимое продуктами технологических процессов, Дж; Тм - изменение средней температуры по массе материала во времени, К; Q (с) - суммарный эффект экзо— эндотермических реакций в материале, Дж/кг; с - теплоемкость материала, Дж/кг.К. Рассматривая вопросы теплотехники, М.А.Глинков предложил, основываясь на идее оптимизации коэффициента теплоиспользования, определять аналитическую зависимость для теплоотдачи в виде функции: 2„ {& Т Тн !=м)т ( 1.3 ) где d - коэффициент лучистого теплообмена, Вт/м .К ; ос - коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(иг.Ю; 7Ц - эффективная температура излучающей среды, К; Тм - температура поверхности металла, К; F„ - площадь поверхности нагрева, иг. Таким образом, уравнение (I.I) можно представить в виде причем значения функции 7 ММ вытекают из технологического задания, а функция Тп№ регулируется изменением тепловой нагрузки при заданных параметрах процесса сжигания топлива: тя М f [атм м], (1.5) где TnfcJ определяется из расчета теплового баланса печи.
Разработанный принцип доведен до промышленного применения, создана система контроля теплового состояния металла и управления нагревом в рекуперативных нагревательных колодцах [50,I05j. Количество тепла, усвоенное металлом, определяется по мгновенному обратному тепловому балансу.
Качественно новый подход к вопросам моделирования нагрева металла в методических печах неметился в связи с развитием средств вычислительной техники. Интерес ки проблемам математического моделирования объясняется ел едущими причинами: - возможностью использования результатов математического моделирования в исследовательских целях; - возможностью использования результатов моделирования непосредственно для выбора оптимального режима управления процессом нагрева с точки зрения различных критериев.
Математическая модель должна удовлетворять следующим условиям: - давать непрерывную информацию о температуре металла с достаточной степенью точности; - сравнительно просто реализовываться не только на ЭВМ, но и на относительно простых специализированных вычислительных устройствах; - надежно и просто адаптироваться, т.к. в процессе нагрева происходит изменение параметров нагрева, в связи с чем необходимо производить и соответствующее изменение коэффициентов модели; - учитывать.лишь те параметры нагрева, которые изменяются в процессе нагрева.
К моделям, используемым в АСУ ТП, к тому же предъявляются специфические требования, связанные с реальным масштабом времени работы. Модель по своей сложности должна быть такова, чтобы время расчета температуры нагреваемой заготовки было меньше времени протекания процесса нагрева, при этом точность модели должна отвечать заданным требованиям.
В общем случае все существующие в настоящее время модели нагрева, используемые для непрерывного контроля теплового состояния металла в печи, можно разделить на две основные группы: - модели, которые с той или иной степенью точности описывают физические законы теплоперенооа (балансовые модели, модели на основе уравнения теплопроводности); - модели, построенные экспериментально-статистическим методом и отражающие статистическую зависимость между температурой металла и основными параметрами нагрева.
Оценка закономерностей изменения температуры раската
Чтобы оценить степень влияния на конечное тепловое состояние заготовок рассмотренных выше случайных возмущающих факторов, необходимо прежде всего выбрать критерий оценки конечной температуры заготовки. Из анализа работы [7,41,42,61] видно, что большинство авторов в качестве параметра, характеризующего конечное тепловое состояние заготовки, используют на непрерывных листовых станах температуру раската, измеряемую за черновой группой клетей. ZlSl .j Выбор температуры раската в качестве параметра, оценивающего конечное тепловое состояние заготовок, продиктовано рядом причин, основной из которых является то, что в определенной степени эта температура соответствует средней по массе температуре заготовок. Кроме того, после трех-четырех обжатий в черновой группе клетей заготовки практически свободны от окалины, дающей, как известно, основную погрешность при бесконтактном измерении температуры металла [13,24,36]. Не менее важным фактором, определяющим выбор температуры раската в качестве параметра оценки теплового состояния заготовок, является и то, что в последнее время появился ряд работ [54,68,80], в которых предлагается использовать величину температуры раската в качестве параметра, по которому идентифицируются математические модели нагрева металла по всей длине печи. Пирометр, установленный за черновой группой клетей и измеряющий температуру раската, сейчас практически единственный источник информации, по которому судят о правильности нагрева металла. Кроме того, импульс о температуре раската используется в качестве корректирующего сигнала при автоматическом управлении режимом нагрева в методических печах.
В то же время необходимо весьма осторожно подходить к вопросу использования температуры раската как характеристики теплового состояния заготовок и как к параметру, по которому идентифипируют-ся математические модели, поскольку на ее величину оказывают влияние случайные возмущающие факторы. В связи с этим необходимо выяснить степень их влияния на температуру раската.
Поэтому необходимо выяснить закономерности изменения температуры раската для условий работы методической печи № 5 стана 2000 НЛМК. На основании диаграмм со вторичного прибора, фиксирующего температуру раската заготовок, в течение нескольких суток считы-вались показания. На рис. 2.19 представлена часть диаграммы вторичного прибора, на которой фиксируется температура раската заготовок, измеренной за пятой черновой клетью с помощью фотоэлектрического пирометра ФЭП-4, установленного на высоте 2 м над полосой.
Как видно из рисунка, температура по длине раската имеет большое число максимумов и минимумов, представляющих собой результат охлаждающего действия водоохлаждаемых балок. Перепад температур имеет величину порядка 30-50 С. Из диаграммы выбирались слябы, нагретые на печи № 5. На рис. 2.19 это слябы № I и В 5. Интересно отметить, что по виду диаграммы (по расположению максимумов и минимумов) можно определить принадлежность слябов к той или иной печи. Из рисунка отчетливо видно, что слябы № I и № 5 принадлежат одной лечи, а слябы № 2 и № 6 - другой.
Для исключения неоднозначности было проведено усреднение величины температуры раската для каждого сляба. Часть результатов усредненных значений температур для числа слябов п = 230 приведена в табл. I Приложения I. По результатам, приведенным в таблице, построена зависимость температуры раската tp от номера заготовки tp sf(N/ , отрезок которой дан на рис. 2.20. Колебания и в этом случае имеют довольно значительную величину, несмотря на то, что значения температур усреднялись и измерения проводились за пятой черновой клетью.
Статистические характеристики функции tp s/fM) для числа слябов п = 438 имеют следующие величины: математическое ожидание температуры раската Mtp - 1058,4 С, величина дисперсии @tp -401,86 С, а среднеквадратичное отклонение составилоet =20,09 С.
На рис 2.21 представлена правая ветвь нормированной автокорреляционной функции РХХ(Д)Ь температуры раската в предположении, что эту температуру можно рассматривать как стационарную эргоди-ческую функцию от М . Автокорреляционная функция, изображенная на рис. 2.21, имеет вид затухающих колебаний. В первом приближении функцию Рз1х.(к\ можно представить в виде
Интервал корреляции для автокорреляционной функции температуры раската примерно равен числу нагреваемых в печи заготовок и составляет около 28. Следует отметить, что форма кривой автокорреляционной функции температуре раската определяется условиями прокатки, условиями нагрева и характером случайных функций B f(N) и %afM ( В - ширина заготовки; % - время нагрева). На рис. 2.22 представлены часть реализаций основных возмущающих факторов: время нагрева в печи и в каждой из зон и наблюдающиеся при этом колебания температуры tfi для тех же заготовок. На рис. 2.23 представлена зависимость температуры раската заготовок от их ширины, Из рисунка можно сделать следующий вывод: температурные условия нагрева заготовок в методических печах с шагающими балками зависят не только от толщины нагреваемых заготовок, но и от их ширины. Поэтому при моделировании нагрева заготовок в методических печах с шагающими балками необходимо учитывать распределение температуры не только по толщине заготовки, но и по ее ширине.
Количественные показатели зависимости температуры раската от времени нагрева в соответствующих зонах печи определялись методами регрессионного анализа. Расчеты при проведении регрессионного анализа проводились по стандартной программе на машине EC-I030.
Конструкция измерителя температуры поверхности металла
Таким образом, наличие в выражении (3.5) величины я.(Та).позволяет в первом приближении учесть и влияние печной среды, которое характеризуется суммарной мощностью дополнительного излучения среды, если в (3.6) вместо /7 гг.; подставить , определяемые экспериментально для конкретной печи и выбранных мест установки пирометра и термопар.
В условиях работы участка методических печей стана 2000 НЯМК возможно такое положение (при прокатке на толстые листы), когда в первую сварочную зону печи, а частично и во вторую, может войти недогретый металл (что вполне возможно для печей с шагающими балками) [69/.
Частичный учет зависимости сд (определенной ранее из эксперимента) недостаточен для учета изменения излучения среды, так как в этом случае расходы топлива и воздуха достигают своего макси- . мального значения, увеличивается температура печи Та и действительные значения зависимости nfrn) могут стать больше значений j(Ta), определенной ранее из эксперимента для нормальных условий работы печи. Составляющая выходного сигнала пирометра, соответствующая приращению излучения среды, также увеличивается, в то время как полезный сигнал VH (Тм) уменьшается. Ввиду существенной нелинейности градуировочной характеристики пирометра это может привести к значительному росту погрешности измерения.
Переходя к выходным сигналам пирометров данной конструкции, используя зависимость 6М ffi - / и учитывая зависимость cf от Тн , после преобразований получаем rM- .M№h №)m)-r.] (3.7, Переход к выходным сигналам пирометра дает возможность учесть характеристики оптики и получить рабочие значения 6Н . Значение е„ находится делением выходного сигнала пирометра данного типа, визированное на данное изделие, на выходной сигнал этого же пирометра, визированного на модель а.ч.т., имеющего ту же температуру.
Основным уравнением, решаемым в вычислительном устройстве для определения температурв поверхности металла, является уравнение (3.6) или, что то же самое, уравнение (3.7). Перепишем уравнение (3.7), опуская зависимость всех его членов от соответствующих температур: к -{ :-г ) (з.8)
Из выражения (3.Q) можно выделить следующие элементарные функции, которые должны быть реализованы соответствующими блоками вычислительного устройства: 1Л Масштабирование ]/п - г 1/п т 2. Масштабирование Т -0 Т 3. Нелинейное преобразование г / (Jn) 4. Нелинейное преобразование у0 = \fg (Тп) 7 5. Перемножение . // т 6. Вычитание йVs А 1/пп Кг і 7. Деление д У = А У /б м 7 8. Вычитание / = еа І/П -А У , 9. Нелинейное преобразование Тн = Л ( п) і 10. Нелинейное преобразование с5 г/,/ Уг 11. Сглаживание j - /L fj уг
Введение операций масштабирования вызвано необходимостью согласования уровня выходных сигналов датчиков измерителя ( /п - пирометра и Тп - термопары) с уровнем входных сигналов вычислительного блока. Сглаживание может потребоваться при наличии зазоров между слябами и нецелесообразности подавать нас регулятор ступенчатый сигнал, при очередном "шаге" балок при отключении питания измерителя температуры поверхности металла и т.п. Зависимости (3.4) и (3.5), имеющие один общий аргумент, возможно реализовать в одном блоке в виде общей функции: Уп-.Г(т„), (3-9) гле y.fa IP - градуировочная характеристика используемого пирометра, полученная на модели а.ч.т.; / - учитывает зависимость „ от Тп , определяемую экспериментально. Функция Lpf определяется непосредственно на объекте в процессе наладки измерителя. Для каждого набора одновременно измеренных Т » I/ » 7L вычисляется: и ставится в соответствие с Тн , измеренной, например, поверхностной термопарой.
Одним из способов уменьшения возникающей ошибки при поступлении холодного металла является изменение функции /z . При этом можно использовать значение Тп вместо Т3 . Для выбора соответствующего вида функции / , обеспечивающей минимальную ошибку измерения, в рабочих пределах изменения температур поверхности металла и зоны последовательным перебором всех реальных сочетаний Тп , Ту и м определены м{Тн) Ис (Тп) обеспечивающие минимум ошибки, возникающей за счет отличия Г„ от Т5
Конструкция измерителя температуры поверхности металла
В соответствии с принятым набором функций, реализуемых в измерителе, блок-схема измерителя с учетом обработки сигналов датчиков, передачи рассчитанных значений в систему контроля и регулиро вания представлена на рис. 3.1. Приборная реализация функций, используемых в измерителе температуры поверхности нагреваемого ме-талла, осуществлена на базе аппаратуры агрегатированого комплекса электрических систем регулирования (АКЭСР) [66]. Выбор аппаратуры АКЭСР продиктован следующими соображениями: - АКЭСР сейчас самый полный комплекс, позволяющий решать уравнение (3.6) с различными условиями; - возможность стыковки комплекса из блоков АКЭОВ с другими блоками и уздами, которыми оборудованы печи стана 2000 НЯМК; - блоки AK3QP находят широкое применение при автоматизации металлургического производства, что гарантирует их длительный серийный выпуск.
Идентификация математических моделей при изменяющихся условиях нагрева
Анализ литературных источников позволил сделать предположение о возможности использования модели экспоненциального типа (1.10) не только для определения температуры заготовок за одной из черновых клетей прокатного стана, но и для оперативного контроля сред-немасовой температуры заготовки в печи.
Так, по данным, приведенным в работе [41], экспоненциальная модель типа (1.10) использовалась для прогноза температуры слябов для толкательной печи стана 2000 НЛМК. Среднеквадратичная погрешность расчета среднемассовой температуры заготовок по указанной модели составила на выходе из первой сварочной зоны, входе в томильную зону и выходе из печи 70, 55 и 26 С соответственно.
Однако использование экспоненциальной модели для оперативного контроля температуры заготовок в печах с шагающими балками требует проведения дополнительных исследований по экспериментальной проверке работоспособности этой модели с учетом особенностей конструкции и тепловой работы печей подобного типа, в частности, при наличии зазоров между заготовками.
Для таких исследований удобно воспользоваться методом имитационного моделирования на ЭВМ. Эта более точная модель построена на основании двумерного уравнения теплопроводности при подборе коэффициентов по результатам прогонки сляба через печь.
Сравнением данных о среднемассовой температуре заготовок в печи, полученных по имитационной и экспоненциальной моделям, проверяется адекватность упрощенной модели.
Если экспоненциальная модель позволяет с достаточной степенью точности, относительно имитационной, описать температуру заготовки в данном сечении печи, то такую модель можно использовать для оперативного контроля температуры металла внутри печи. Методом имитационного моделирования были проведены следующие исследования: во-первых, для различной величины зазора между заготовками были произведены расчеты среднемассовой температуры заготовок с использованием точной модели нагрева на основе уравнения теплопроводности; во-вторых, для тех же условий были произведены расчеты средне-массовой температуры заготовок с использованием экспоненциальной модели нагрева; в-третьих, производилось сравнение результатов расчета среднемассовой температуры по обеим моделям.
Для методической печи $ 5 стана 2000 НЯМК при разбиении печи на я участков (например, по количеству зон в печи) экспоненциальную модель можно представить в виде: где -г;- - время пребывания заготовки на /-том участке печи, мин; м. V " средняя температура заготовки на выходе из -ого участка, С; 4-. - температура печи на -/-том участке за время -, С; ju. - постоянная времени нагрева на і -том участке (коэффициент модели),мин. Имитационная модель построена на допущении, по которому теплопередача к торцевым поверхностям заготовок не учитывается.
Это допущение основано на том, что весь металл, нагреваемый в методических печах стана 2000 НЛМК, представляет собой заготовки прямоугольного сечения большой длины, которая много больше зазоров между заготовками, т.е. р
В то же время для печей с шагающими балками при зазорах между заготовками потоки тепла через боковые поверхности оказывают существенное влияние на процесс нагрева металла. Поэтому в качестве имитационной точной модели нагрева целесообразно использование двумерного уравнения теплопроводности
Похожие диссертации на Исследование и совершенствование режима нагрева заготовок в методической печи на основе непрерывного контроля температуры металла
