Совершенствование режимов нагрева металла в методических печах на основе развития экспериментальных методов исследования и информационно-теплотехнического моделирования

Металлургия относится к числу базовых отраслей промышленности России и, наряду с топливно-энергетическим комплексом, в значительной мере определяет жизнеспособность ее экономики.

Известно, что большая часть выплавляемой стали обрабатывается на прокатных станах, эффективность функционирования которых зависит от качества тепловой работы нагревательных печей. Качество термической или термохимической обработки металла определяется работой термических печей. Таким образом, дальнейшее совершенствование работы печей, улучшение их эксплуатационных показателей является существенным резервом повышения производительности и экономичности всего комплекса металлургического производства [1].

Эксплуатация печного парка отрасли в настоящее время сталкивается с рядом острых проблем, главными из которых являются: повышенная материалои энергоемкость производствазначительный износ основных производственных фондов, превышающий в целом по отрасли 50 хневысокий технический уровень производства и связанные с этим качество и конкурентоспособность продукции [2]. В связи с этим по сравнению с металлургией промышленно развитых стран российская металлургия имеет энергопотребление на 1 т проката на 30 -35 х больше [3]. Эффективность использования печей на нынешнем этапе во многом определяется возможностями совершенствования их структурно-функционального назначения в соответствии с быстро изменяющимися требованиями технического прогресса [4,5].

Указанные проблемы в определенной мере могут быть решены при развитии информационно-технологических систем двух типов :

— стационарных систем контроля и управления с включением подсистем исследований и диагностики ;

— специализированных мобильных, т. е. не сопряженных фиксированно с агрегатом, систем печной диагностики на базе проблемноориентированных по классам агрегатов развитых информационно-вычислительных комплексов (ИВК) с интеллектуальными экспертными системами принятия решений.

Оба этих направления интенсивно развиваются и внедряются в зарубежные технологии. Для нашей страны с мошной металлургической базой и развитой сетью крупных локальных металлургических центров экономически более целесообразно развитие мобильных комплексов оперативной тепловой диагностики [6,7].

Данная работа посвящена совершенствованию тепловой работы нагревательных печей на основании развития систем исследовательского и эксплуатационного контроля их работы. Предлагаемые разработки могут найти применение как в ИВК, так и в стационарных системах контроля и управления печными агрегатами. Целью работы является :

— развитие теоретической базы металлургических исследований печных технологических комплексов как основы ориентированного поиска прагматических научно-технических решений в области контроля тепловой работы и тепловой диагностики печей;

— разработка способов и средств определения температурных полей металла в проходных нагревательных печах путем математического моделирования при ограниченном использовании исходных измерительных данных и с их компьютерной обработкой;

— опытно-промышленное подтверждение эффективности предложенных и выполненных разработок при наладке и эксплуатации печей;

— совершенствование документационного обеспечения исследований путем разработки «Технологической карты тепловой диагностики металлургической печи» .

В главе 2 выполнен анализ методологии и проблем экспериментального изучения нагревательных печей. Отмечается, что температура — важнейшая теплофизическая величина, характеризующая состояние печного агрегата. Показано, что с развитием вычислительной и микропроцессорной техники появились новые возможности для определения данного параметра. Делается вывод о необходимости рационального соотношения способов получения информации о процессе нагрева заготовок в промышленном печном агрегате.

В главе 3 приведены данные промышленного исследования нагрева металла в методических печах. Для их изучения использован метод регрессионного анализа, позволяющий установить наличие взаимосвязи между температурой металла на выдаче и измеренной через окна печи температурой поверхности заготовок по ходу их движения в рабочем пространстве агрегата.

На основании промышленных экспериментов создан способ косвенного бесконтактного определения температурных полей металла в проходной нагревательной печи. сущность которого излагается в главе 4. Рассматривается вопрос о точностных характеристиках средств измерения температуры, реализующих указанный способ. Выполнено имитационное моделирование. Даны рекомендации по промышленному использованию предлагаемого способа.

Поскольку данный способ является оценочным в силу более высокой погрешности, присущей любому косвенному методу, то для его улучшения необходимо создать датчики температуры со встроенными калибраторами, что даст возможность значительно повысить точность и объективность информации об изучаемом процессе в печи. В главе 5 описаны лабораторные эксперименты, позволившие сделать вывод о достоинствах и недостатках различных конструкций таких датчиков, разработанных в данном исследовании. Наилучшей конструкцией является устройство, включающее термоэлектрический преобразователь с фиксацией разрыва его электрической цепи.

В 6-ой главе приведены результаты внедрения новых температурных режимов на методических нагревательных печах, предложенных при использовании комплекса энергосберегающих мероприятий, в том числе и способа косвенного определения температурных полей металла. Создана методика структурной адаптации отделения нагревательных печей, заключающаяся в переходе на нагрев с разным количеством печей при изменении производства и обеспечивающая соответствие плановых и реализуемых удельных затрат топлива без снижения качества нагрева.

Автор защищает :

1. Определение научных исследований промышленных печей как структурной составляющей техносферы, иными словами как предметной области изучения. Эта предметная область состоит из: объектов исследования (печей), искусственных (измерительные приборы) и естественных (органы чувств исследователя) сенсоров, основных инструментальных и дополнительных биосенсорных каналов взаимодействия исследователя с объектом, искусственного разума (компьютер) и естественного интеллекта (исследователь).

2. Расширенное и углубленное смысловое содержание понятия «температура, как информационный фактор технологического процесса». Усовершенствованную классификацию методов измерения температуры как физического параметра и как информационного фактора технологического процесса.

3. Методику определения пространственных границ сохранения отображения конфигурационных особенностей и аномалий температурного поля слитков, как объектов с тепловой памятью, в проходной печи и на выдаче из нее.

Указанная методика основана на определении конфигурации температурного поля слитка в печи по регистрации поля теплового излучения поверхности слитка на рольганге выдачи и излучения торца слитка в томильной зоне печи.

4. Концепцию о системо-организующем и системо-определяющем статусе технологической информации, в соответствии с которым технологический комплекс, например, методическая печь, является завершенным материало-энерго-информационным элементом техносферы в ее металлургической области.

5. Данные промышленных исследований печей, которые в обработанном виде пополняют объем знаний в области печной теплотехники.

6. Изобретение датчика температуры металла в печи со встроенным калибратором, фиксирующим разрыв термоэлектрической цепи.

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на всесоюзном научно-техническом семинаре «Прогрессивная технология и оборудование для нагрева заготовок под ковку, штамповку, термообработку. Автоматизация и механизация средств нагрева» (ЦНИИ информации и технико-экономических исследований черной металлургии, 22−24 мая 1990 г.) и 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.

— 10.

2 — ИНФОРМАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ.

7. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Уточнен ряд понятий, определений и терминов, позволяющих полнее и точнее анализировать теплотехнические исследования в металлургии как научную предметную область. Предметная область научного исследования состоит из объектов (печей), измерительных приборов, искусственного разума (компьютеров) и естественного интеллекта (исследователи) — основного инструментального и дополнительных биосенсорных каналов взаимодействия исследователя с объектом.

Предназначенная для получения комплексного знания о тепловом агрегате совокупность объекта исследования, средств и методик исследования и исследователя представляется в виде информационно-теплотехнической метасистемы, позволяющей организовать сбор, преобразование, хранение исследовательской информации, и дальнейшее использование этой информации для анализа, моделирования и прогнозирования тепловой работы печей.

2. При исследованиях использована современная концепция теплотехнического прикладного промышленного исследования нагревательных печей, требующая рационального сочетания эмпирико-дедуктив-ных методов изучения производственного процесса с помощью компьютеризированных средств сбора, обработки и образного представления информации пользователю.

3. Технологической информации при нагреве металла в металлургических печах, включая информацию о температурных и тепловых режимах, придан системо-организуадий статус, в соответствии с которым технологический комплекс, например, функционирующая методическая печь, является завершенным, имеющим целевую установку материа-ло-энерго-информационным элементом техносферы в ее металлургической области.

— 155.

4. Для эффективного функционирования нагревательных печей целесообразна организация непрерывного распределенного контроля температуры металла в них. Трудности практического использования решающих эту задачу устройств делают целесообразным дальнейшее развитие средств и методов экспериментальных исследований.

5. Проведены пирометрические исследования температурных режимов нагрева металла в методических печах. Экспериментально установлена значительная неравномерность температурного состояния различных частей садки нагреваемого металла, на выдаче температура металла вследствие этого варьируется в пределах 40 °C. Выявлена неравномерность нагрева слябов по длине, составляющая 20−25 °С.

Оценено охлаждающее действие глиссажных труб. Температура поверхности металла над глиссажной трубой на 40−60 °С ниже температуры поверхности между трубами.

6. Установлена коррелируемость величин температуры металла, нагревающегося в различных зонах проходной печи, а также коррелируемость показаний пирометра, установленного после черновых клетей прокатного стана, и температурой металла на выдаче.

7. Классифицированы нарушения ритмичности работы печей и установлены закономерности влияния каждого класса нарушений на удельный расход топлива в печи. Получены алгоритмы расчета гарантированного удельного расхода топлива для каждого вида нарушений.

8. Впервые разработана методика и установлены пространственные границы сохранения отображения конфигурационных особенностей и аномалий температурного поля нагреваемых в печи заготовок, как объектов с тепловой памятью, в методической и сварочной зонах проходной печи и на выдаче вне печи. Алгоритм методики основан на определении конфигурации темпера трного паля в слитках по регистрации теплового излучения температуры поверхности путем сканирования поверхности заготовки вдоль оси на рольганге и замера тем.

— 156 пературы торца слитка в томильной зоне печи с помощью пирометра. Расчетным методом с использованием коэффициентов тепловой памяти определяются температурные поля металла в печи. Предложенный способ позволяет прогнозировать температурные нарушения в режиме нагрева последующих слябов и проводить управление проходной нагревательной печью с целью их исключения.

9. Разработана методика информационно-теплотехнического имитационного моделирования температурных полей металла в проходной нагревательной печи, позволяющая анализировать погрешности средств измерения температуры металла, оценить возможности способа определения полей температуры и выработать рекомендации по его применению. Проведено имитационное моделирование на ЭВМ с целью оценки влияния точностных характеристик средств измерения температуры на расчет температурных полей металла, полученные зависимости номографированы.

10. Создано программное обеспечение, позволяющее получать объемные изображения температурных полей на экранах терминалов компьютеров, что облегчает выявление персоналом нарушений температурного режима нагрева при использовании методики.

Для промышленной реализации методики предложена система из двух спаренных пирометров, измеряющих температуру заготовки в печи (через окно) и на рольганге после черновых клетей прокатного стана.

11. Дня повышения точности разработанного способа предложено использовать датчики температуры со встроенными калибраторами: в условиях каждой конкретной печи необходимо проводить опытный нагрев специальной заготовки, температура которой измеряется зачека-ненным в нее датчиком со встроенным калибратором температуры.

12. Сконструированы и изготовлены калибраторы температуры различных конструкций. Проведено лабораторное изучение устройств для.

— 157 калибровки в процессе измерения температуры заготовки.

Одна из предложенных конструкций датчиков со встроенным калибратором для исследования температурного поля металла внутри рабочего пространства печи признана изобретением. Относительная погрешность измерения температуры с использованием предлагаемого калибратора составляет 0,3 х в диапазоне температур 327−1083 °С.

13. Предложенные в данном диссертационном труде разработки опробированы в промышленных условиях. Выполненные комплексные промышленные исследования и анализ теплового состояния печей позволили разработать организационно-технические меры по повышению эффективности работы печей, включающие упреждаоде-запаздыв аицее снижение тепловой нагрузки в каждой зоне оператором при запланированных простояхиспользование тепловых режимов с гарантированным топливоиспользованием и автоматическое снижение тепловых нагрузок при непредвиденных нарушениях ритмичности работы печи. Проверены гарантирующие топливосбережение на 3−5х режимы с ограничением максимального расхода топлива в «горячий» час и при планируемых простоях печи, и режимы снижения расходов топлива при простоях, обеспечивание сокращение удельного расхода топлива при этом до 15%.

14. Промышленное опробование методики косвенного определения температурных полей металла показало ее применимость для корректировки теплового и температурного режима сварочной и томильной зон методических печей при максимальной погрешности ± 20 °C.

15. Созданы, опробованы и внедрены энергосберегающие мероприятия: аэродинамическая стенка нижней сварочной зоны, интенсивно излучающее покрытие внутренней поверхности кладки, навесная теплоизоляция опорной системы труб с радиационно-отражающим покрытием поверхности трубы, режимы ограничения максимальных тепловых нагрузок при прокатке и режиме планируемого простоя, переход на работу с меньшим количеством печей.

— 158.

Внедрение комплекса мероприятий на методической печи позволило получить новые температурные режимы нагрева металла и, тем самым, сократить расход топлива на 12−15*, улучшить качество нагрева.

16. Предложена методика структурной адаптации отделения нагревательных печей при резком изменении уровня производства, заключающаяся в переходе на нагрев с разным количеством печей при соответствующем изменении производства. При этом достигается гаранти-ванное соответствие плановых и реализуемых удельных затрат топлива без снижения уровня качества нагрева. Для возможности практического использования полученные зависимости представлении в виде номограмм для выбора числа печей, удельного расхода топлива при работе с различной производительностью и в зависимости от времени простоев.

17. Составлена «Технологическая карта тепловой дианостики проходной нагревательной печи», позволяющая оценить состояние теплового агрегата, идентифицировать вызывающие это состояние причины и выработать рекомендации по коррекции текущего состояния.