Содержание к диссертации
Введение
ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА НАГРЕВА ПОЛОСЫ В ПРОТЯЖНЫХ ПЕЧАХ 12
2.1. Краткая характеристика протяжных печей и методика исследования их тепловой работы 12
2.2, Совершенствование системы контроля темпе ратурного режима нагрева металла в камере нагрева - необходимое условие разработки и реализации эффективных режимов тепловой работы агрегата 21
2.3, Методы и средства контроля температуры компонентов рабочего пространства печи 22
2.3.1. Методы измерения температуры движущейся полосы 23
2.3.2. Методы измерения температуры газа 28
2.3.3. Методы измерения температуры печной кладки 41
2.4. Основные цели и направления исследования 42
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В СИСТЕМЕ "ПЕЧЬ -ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ" 44
3.1, Постановка задачи, 44
3.2. Разработка математической модели и исследование теплообмена в системе "печь - пирометр излучения" ,45
3.2.1. Математическая модель системы "печь - пирометр излучения" 45
3.2.2. Расчетное исследование точностных характеристик радиационного способа измерения температуры в протяжных печах .53
2.2,1, Влияние вида излучения, воспринимаемого пирометром 54
3.2.2.2. Выбор типа пирометра для измерения температуры в камере нагрева башенной печи.
3.2.2.3. Влияние срока службы печной кладки и вида термообработки на точность контроля температуры 52
3.2.2.4. Влияние угла визирования пирометра на точность измерения температуры 64
3.2.2.5. Исследование устойчивости показаний пирометра в условиях меняющегося взаимного расположения излучающих поверхностей. 67
3.3. Разработка математической модели и исследование теплообмена в системе "печь -
конвективный термометр" 68
3.3.1. Разработка математической модели термометра для измерения температуры газа 71
3.3.2. Лабораторное исследование конвективного термометра 75
3.3.3. Разработка способа и устройства для измерения температуры газовой атмосферы печи 78
3.3.4. Исследование конвективного термометра пульсирующего типа для измерения температуры газа в промышленных условиях 82
3.4. Выводы 86
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ КАМЕРЫ НАГРЕВА БАШЕННОЙ ПЕЧИ 87
4.1. Методика эксперимента 87
4.2. Температурный и тепловой режимы работы камеры нагрева 95
4.3. Тепловой баланс камеры нагрева ЮЗ
4.4. Выводы
5. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ЭКОНОМИЧНЫХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА СТАЛЬНОЙ ПОЛОСЫ 112
5.1. Постановка задачи 112
5.2. Планирование эксперимента и методика его проведения 5
5.3. Математическая модель нагрева металла в камере нагрева 9
5.4. Разработка и реализация экономичных режимов нагрева металла 126
5.5. Выводы 133
6. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДА 133
7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 135
8. ЛИТЕРАТУРА 140
9. ПРИЛОЖЕНИЯ 151
- Краткая характеристика протяжных печей и методика исследования их тепловой работы
- Разработка математической модели и исследование теплообмена в системе "печь - пирометр излучения"
- Температурный и тепловой режимы работы камеры нагрева
- Планирование эксперимента и методика его проведения
Краткая характеристика протяжных печей и методика исследования их тепловой работы
Протяжные печи непрерывного отжига, являясь вместе с колпа-ковыми печами ключевым агрегатом четвертого передела, в значительной степени определяют объем производства стальной полосы, ее качество, эффективность использования топливЕЮ-внергетических ресурсов.
В настоящее время в нашей стране эксплуатируется около 60 агрегатов непрерывного отжига (АНО), причем 35 из них вступили в строй действующих в 60-70 г.г. [з] . В текущей пятилетке намечено построить еще 17 печей данного типа. Таким образом, очевидна тенденция к переходу от периодически действующих печных агрегатов к непрерывным.
Периодически действующие печи (колпаковые), исторически появившиеся ранее, более надежны, конструктивно проще, позволяют осуществлять более гибкий режим термообработки. В ряде случаев отжиг в кол паковых печах является до настоящего времени единственной возможностью для производства некоторых видов продукции. Например, конструкционный автомобильный лист, предназначенный для глубокой и особо сложной вытяжки, требует для необходимого роста зерна (в пределах 6-8 баллов) длительного периода нагрева, что достигается при периодическом отжиге. Вместе с тем проведение отжига в печах данного типа связано с такими специфическими недостатками, как анизотропия механических свойств из-за неравномерности нагрева и охлаждения рулонов, а также возможность сваривания витков в рулоне.
Применение непрерывного отжига металла в АНО позволило резко повысить эффективность производства. По данным [її] затраты на производство одной тонны продукции при непрерывной термообработке по сравнению с обычной технологией в периодических печах (принято за 100$) составляют: продолжительность процесса - 1$, производственные площади - 35$, численность рабочих - 27$, брак - 35$, капитальные затраты - 74$, расход электроэнергии -- 79$. При этом полоса имеет более чистую поверхность, лучший профиль, меньшую планшетность, более равномерные свойства по длине и ширине.
Протяжные печи строят горизонтального и вертикального (башенные) типа. Для обработки более тонкого металла ( Ъ = 0,18 0,85 мм) наибольшее применение получили башенные печи, характеризующиеся значительными скоростями движения полосы и, следовательно, высокой производительностью. Вместе с тем применение печей вертикального типа значительно повышает эффективность использования производственных площадей.
В табл.2.1 приведены проектные показатели работы действующих протяжных печей. В настоящее время проектируются [3] печи, предназначенные для проведения процессов закалки с отпуском или нормализации полосы толщиной от 2 до 20 мм и шириной до 2200 мм с максимальной производительностью до 200 т/ч. Данные печи будут являться составной частью агрегатов термопластической и термомеханической обработки горячекатаной полосы из углеродистых и легированных сталей стана 2500 НЛМК.
Разработка математической модели и исследование теплообмена в системе "печь - пирометр излучения"
В предыдущей главе описаны и проанализированы существующие методы контроля температуры при нагревании металла в ППНО.
Определение и анализ точностных характеристик различных реализаций радиационного способа контроля температуры наиболее эффективно проводить, используя для этого математическое описание процесса теплообмена в системе "печь - пирометр излучения".
Известные методики расчета влияния фонового излучения на точность контроля температуры в печи [74,75], не учитывают ряда существенно влияющих факторов: селективность излучения элементов, участвующих в теплообмене; неравномерность распределения температур металла и кладки, спектральных характеристик приемника излучения.
В работе [17] изложена методика оценки погрешности различных ПИ, уменьшающая влияние указанных параметров системы измерения. Особенностью методики является нахождение эквивалентной степени черноты металла как отношения плотности теплового потока, падающего на поверхность с отверстием для визирования пирометра, к плотности излучения АЧТ при температуре полосы. Для определения плотности падающего теплового потока в модели использован зональный метод расчета при селективно-серой аппроксимации излучения. Математическое моделирование позволило автору рассчитать точностные характеристики ПИ, воспринимающего падающий тепловой поток, при условии, что температура металла отличается от температуры греющих поверхностей на 20-25 К (KB протяжных печей). В этом случае такое допущение сказывается незначительно на величине поправки в показания ПИ и хорошо согласуется с экспериментал] ными результатами.
Однако, как показали исследования, область применения данной методики ограничена величиной фонового излучения и для условий КН ее использование дает недопустимо большую погрешность.
В связи с этим в настоящей работе предложена методика определения поправки в показания ПИ при измерении температуры в условиях значительного влияния фонового излучения, что, например, встречается в камерах нагрева протяжных печей.
При моделировании теплообмена в системе "печь - пирометр излучения" принимали, что ПИ воспринимает эффективный тепловой поток, и эквивалентную степень черноты рассчитывали как отношение плотности эффективного теплового потока поверхности визирования пирометра к плотности излучения АЧТ при температуре данной поверхности. Это позволило учесть реальные условия измерения: характеристику поверхности и угол визирования пирометра, и, следовательно, более точно определять величину вводимой поправки. На рис.3.1 показана структура расчетного исследования влияния различных факторов технологического процесса на точностные характеристики ПИ разных типов.
Температурный и тепловой режимы работы камеры нагрева
В результате проведения автоматизированного эксперимента по исследованию режимов нагрева полосы было выявлено следующее:
1. Температурный график нагрева в ходе отжига металла одной плавки изменяется в пределах 20-70С (максимум соответствует температуре полосы после 1-го прохода) (рис.4.5).
2. От плавки к плавке температурный режим нагрева полосы (по проходам) варьируется, как показано на рис.4.5, 4.6.
В табл.4.2 приведены значения величины среднеквадратичного отклонения различных параметров в зависимости от режимов работы КН.
Лттлсия температуры полосы на входе в КБ составляет минимальное значение 3,5 4,9С. В случае ручного управления отжигом эта величина возрастает до 4,9 - 6,9 С.
Тепловой и температурный режимы работы КН для исследованного (45 - 85 м/мин) диапазона скоростей представлены на рис.4.7. Для данных режимов удельные затраты электроэнергии на нагрев изменяются от 575 до 840 кДж/кг. Следует отметить и тот факт, что зональные ТТ практически не отражают характер изменения температуры металла по длине КН. Так, например, показания ТТ в зонах 4,5 одинаковы, хотя температура полосы повышается в них с 650 до 720С (см.рис.4.7, режим I), и с 675 до 755С (режим 2).
Результаты исследования показали, что 65% времени агрегат работает при скорости транспортировки полосы 54-55 м/мин и температурном режиме нагрева металла, показанном на рис.4.5 (кривая а Поэтому дальнейшее изучение тепловой работы проведено именно для этого наиболее представительного режима, причем для него было выполнено более детальное изучение температурных полей в рабочем пространстве печи.
На рис.4.8 представлены полученные данные распределенного контроля температуры по длине КН. Как видно из приведенных графических зависимостей, по высоте проходов камеры существуют неравномерные температурные поля, нерегистрируемые зональными ТТ. После 2-го прохода наблюдается провал по температуре газа(порядка 200С), что объясняется влиянием холодного газа, подаваемого в КН внизу этого прохода. Вследствие этого, несколько уменьшается скорость нагрева металла в этом проходе.
Планирование эксперимента и методика его проведения
Проведенное комплексное экспериментальное изучение режимов нагрева полосы показало, что параметры тепловой работы КН далеко не оптимальны. Пути реализации температурного графика нагре-:ва металла могут быть различны.
Необходимо выбрать такой режим работы, чтобы затраты тепла на нагрев были минимальны, т.е. обеспечить наилучшее использование тепла и, следовательно, максимально возможный тепловой КПД камеры нагрева(минимум удельных затрат электроэнергии на нагрев).
Характерная черта задач, связанных с улучшением тепловой работы печных агрегатов, заключается в том, что они должны быть решены при неполном знании механизма изучаемых явлений, в условиях сложного влияния на величину функции цели одновременно большого числа независимых переменных. Поэтому провести аналитическое изучение и совершенствование теплового и температурного режимов работы таких печей за достаточно короткий период трудно.
Кроме того, рабочие характеристики предположительно одинаковых агрегатов, отличаются друт от друга вследствие влияния многих факторов, например, таких как разное состояние поверхности и толщины печной кладки, различная газоплотность и характер движения защитной атмосферы и т.д. Поэтому распространить результаты аналитического моделирования на большой класс таких печей практически не удается.
Отсутствие объективной информации о действительном температурном графике нагрева металла в КН наряду с вышеизложенным является причиной того, что несмотря на большое число работ [Ї8, III, 112] , до настоящего времени практически не создано модели нагрева, которая обеспечила бы принятие оптимальных решений в условиях действующего агрегата.
Подобные задачи с практической точки зрения наиболее эффективно решаются с применением статистических моделей [lI3j , построение которых основано на получении и обработке результатов натурного эксперимента.
Традиционные методы исследований тепловой работы печных агрегатов связаны с экспериментом, который требует больших затрат сил и средств, т.к. основывается на поочередном варьировании отдельных независимых переменных в условиях, когда остальные стремятся сохранить неизменными. При этом отсутствует реальная возможность достаточного полного изучения значительного числа агрегатов данного типа.
Все это заставляет искать пути повышения эффективности исследований, обеспечивающие принятие решений, близких к оптимальным на основе исходных данных, полученных с минимальными затратами сил и средств на проведение опытов в условиях действующего агрегата. Один из таких путей связан с использованием математических методов планирования и анализа эксперимента.
Планирование эксперимента (ПЭ) - это процедура выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью. При этом весьма существенны следующие операции: стремление к минимизации общего числа опытов; одновременное варьирование всех показателей влияющих факторов по специальным алгоритмам; использование математического аппарата, формализующего многие действия по проведению эксперимента; выбор четкой стратегии, позволяющей принимать обоснованные решения после каждой серии экспериментов [lI4] .
