СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ МЕТАЛЛА В ПЛАМЕННОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ Российский патент 1996 года по МПК C21D11/00 F27D19/00 

Изобретение относится к управлению технологическим процессом нагрева металла в пламенных металлургических агрегатах и может быть использовано при проведении различных видов термообработки или при нагреве металла перед прокаткой, в том числе в проходных нагревательных печах с разбивкой рабочего пространства печи на самостоятельные зоны регулирования.

Известен способ управления нагревом металла, при котором воздействуют на расход топлива по величине скорости изменения теплового центра металла, а при достижении максимального значения этого параметра и при отклонении его текущего значения от заданного на 5% переходят с непрерывной подачи топлива на импульсную (см. а. с. N 1470792, кл. С 21 D 11/00). При этом скважность управляющих импульсов изменяют в зависимости от степени нагрева, снижая таким образом расход топлива.

Недостатки этого способа обусловлены тем, что текущую информацию о регулируемом параметре получают по модели (от датчика-имитатора), а заданную временную программу изменения температуры устанавливают расчетным путем. Таким образом, и текущая, и заданная информация несут в себе погрешность допущений, что снижает качество регулирования, а соответственно и качество нагрева, которое определяет в свою очередь качество конечной продукции. Кроме того, необходимость имитации усложняет реализацию способа, особенно в условиях достаточно широкого ассортимента марочного состава, когда требуется иметь набор датчиков-имитаторов.

За прототип принят широко используемый метод управления, основанный на измерении рассогласования между текущим значением температуры в рабочем пространстве печи и заданным значением с формированием по результатам измерения регулирующего сигнала, которым воздействуют на расход топлива (см. например, А. М. Беленький и др. Автоматическое управление металлургических процессов, М. Металлургия, 1989 г. с. 362-364).

Основной недостаток этого метода запаздывание управляющего воздействия, обусловленное инерционностью как самой печи, так и измерительной системы, что приводит к непроизводительному расходу топлива и снижает качество нагрева.

Цель изобретения повышение эффективности процесса путем обеспечения оптимума (с точки зрения качества и экономичности нагрева) по скорости подъема температуры до требуемого значения.

Для достижения этой цели в известном способе управления нагревом металла, при котором измеряют рассогласование между текущим значением температуры в рабочем пространстве печи и требуемой температурой нагрева, а по результатам измерения формируют регулирующий сигнал, который используют при управлении подачей топлива, дополнительно определяют текущее значение расхода топлива на нагрев, сравнивают его с задающим параметром подачи и по результатам сравнения формируют управляющий сигнал, которым воздействуют на регулировочный орган в подводящем трубопроводе топлива.

Величину задающего параметра подачи по ходу процесса изменяют, сначала циклически со снижением его в предварительно установленном диапазоне значений от цикла к циклу, начало и окончание которых фиксируют по моментам достижения текущим значением температурного рассогласования заданных значений в области отрицательного разбаланса температуры, а затем суммированием последнего циклического задания с текущим значением регулирующего сигнала. При этом устанавливают контролируемую величину превышения текущим значением температуры требуемого значения и при выявлении ее достижения суммирование упомянутого текущего значения осуществляют с величиной минимально возможного по технологии расхода топлива.

Таким образом, согласно предлагаемому способу управляющим воздействием является расход топлива к горелкам (на рабочее пространство камеры или на зоны печи), а управление состоит сначала в стабилизации заданного расхода с циклическим изменением величины задания В, от большего к меньшему по предварительно установленному графику, а затем в отработке задающего воздействия, которое формируют путем алгебраического суммирования заданной постоянной величины с текущим значением B^T(t) регулирующего воздействия по отклонению температуры. В качестве постоянной составляющей используют значение последнего циклического задания B_n, а при наличии контролируемой величины (+ε_к) превышения требуемого значения температуры - значение, соответствующее минимально возможному по технологии расходу топлива (B_мин).

Графики нагрева устанавливают экспериментальным путем (для каждого сортамента и состава изделий) с выбором задающих параметров, исходя из условия получения металла заданного качества с минимально возможным расходом топлива.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, с помощью которого может быть реализован способ, а на фиг. 2 пример выполнения коммутатора этого устройства, на фиг. 3 а, б графики изменения температуры относительно требуемого значения и задающего параметра подачи топлива соответственно на примере процесса управления нагревом для отпуска рельсов Р65 в первой зоне нагревательной роликовой печи, отапливаемой газом.

Графики фиг. 3 предопределяют изменения расхода топлива, обеспечивающие нагрев с оптимальным сочетанием быстрого подъема температуры с мягким переходом в режим регулирования при минимально возможных затратах топлива.

Устройство на фиг. 1 содержит датчик 1 и задатчик 2 температуры, соединенные соответственно с прямым и инвертирующим входами сумматора 3. Выходной сигнал сумматора 3 (сигнал рассогласования ε) подан на вход блока 4 (например ПИ-регулятор), формирующего корректирующий сигнал, и на входы пороговых компараторов 5 (с уставкой на нуль-органах). На схеме в соответствии с рассматриваемым примером показано три элемента 5.1, 5.2 и 5.3. Выход блока 4 через управляемый ключ 6 соединен с первым входом сумматора 7, на второй вход которого подан выход коммутатора 8. Информационные входы коммутатора 8 соединены с задатчиком 9 значений расходного параметра В. Первый управляющий вход коммутатора подключен к источнику 10 опорного напряжения, соответствующего сигналу логической единицы. Второй и третий управляющие входы соответственно через логические инверторы 11 и 12 соединены с выходами компараторов 5.1 и 5.2. Его четвертый управляющий вход связан с первым выходом компаратора 5.3, настроенным на срабатывание в области положительных значений температурного рассогласования. Второй выход этого элемента (настроенный на срабатывание в области отрицательных значений) соединен с входом установки в единичное состояние триггера 13 управления (RS-триггер) через логический инвертор 14. Входом установки в нулевое состояние триггер 13 подключен к выходу компаратора 5.1. Ключ 6 управляется триггером 13. Выход сумматора 7 соединен с инвертирующим входом сумматора 15, прямой вход которого связан с датчиком 16 расхода топлива, а выход с входом блока 17 управления.

Датчик 1 температуры представляет собой термопару, установленную в средней части контролируемой зоны, работающую в комплекте с вторичным электронным прибором. В качестве датчика 16 расхода топлива может быть использован дроссель в комплекте с электрическим дифманометром (дроссель установлен на участке перед горелками зоны). Коммутатор, показанный на фиг. 2, построен по схеме логического переключателя и состоит из четырех RS-триггеров 18.1, 18.2, 18.3 и 18.4, управляющих ключами 19.1, 19.2, 19.3, 19.4 и двух элементов 20, 21 ИЛИ.

Блок 17 управления образован регулирующим блоком (ПИ-регулятор) и исполнительным устройством (электропривод), вал которого является выходом блока управления и предназначен для сочленения с регулировочным элементом в трубопроводе топлива.

Пороговые компараторы 5, сумматоры 3, 7, 15 и задатчики 2, 9 реализуются на типовых средствах автоматики.

На фиг. 3 приняты следующие обозначения (в скобках указаны числовые значения параметров для рассматриваемого примера):
t_з время пребывания металла в зоне (24 мин);
T_з требуемая температура нагрева (500^oC);
B₁, B₂, B₃ задающая последовательность значений расходного параметра В (3000, 2400, 2110 м³/час) по циклам стабилизации подачи:
-ε₁, -ε₂, -ε₃ значения температурного рассогласования, которые определяют задающие точки A₁, A₂, A₃, A₄, фиксирующие начало и окончание циклов и соответствующие им временные интервалы τ₁, τ₂, τ₃ (в примере этим значениям соответствуют 0,6% Тшк, 0,4% Тшк, 0,1% Тшк, где Тшк шкала прибора, регистрирующего температуру в контролируемой зоне, здесь - 800^oC);
τ₄, τ₅ временные интервалы, на которых в качестве задающего воздействия используют корректируемые по B^T(t) значения B₃ и В_мин, (B_мин 1900 м³/час);
+ε_к- контролируемая величина температурного рассогласования, по которой фиксируют задающую точку A_к, определяющую момент замены B₃ на B_мин при корректировании и начало последнего временного интервала.

В рассматриваемом примере точки A₃ и A_к определяются одной и той же величиной ε (по модулю), поэтому в схеме устройства не предусмотрены отдельные элементы 5 с уставками -ε₃ и +ε_к,, а использован один элемент 5.3 с соответствующей настройкой его выходов по полярности порогового значения ± ε₃..

Задающие параметры (В и ε) для всех зон управления одни и те же по величине.

Устройство работает следующим образом.

Перед обработкой партии изделий выставляются уставки температуры T_з на задатчике 2 и значений B₁, B₂, B₃, B_мин на задатчике 9. На нуль-органах компараторов 5.1, 5.2, 5.3 устанавливают пороги срабатывания, соответствующие значениям -ε₁, -ε₂, -ε₃ и +ε_к..

При загрузке холодной садки в нагретую печь температура в зоне падает и на выходе сумматора 3 появляется разностный сигнал отрицательной полярности, который при превышении пороговых уставок -ε₁, -ε₂, -ε₃ вызывает последовательное срабатывание компараторов 5.3, 5.2, 5.1. Выходные сигналы компараторов поступают на входы элементов 11, 12, 14, которые инвертируя эти сигналы, выполняют функцию запрета прохождения их на второй и третий управляющие входы коммутатора 8 и на S-вход триггера 13. Последний сигналом с выхода компаратора 5.1 устанавливается в нулевое состояние, снимая сигнал с управляющего входа ключа 6 и размыкая цепь 4-7. При этом на коммутаторе 8 задействован первый управляющий вход, связанный с источником 10, и на выход коммутатора подан сигнал задания B₁, соответствующий максимально допустимому расходу газа на зону. Задающий сигнал через сумматор 7 (на втором входе его нулевой сигнал) поступает на инвертирующий вход сумматора 15, где сравнивается с сигналом датчика 16 расхода топлива. Сигнал рассогласования поступает на вход блока 17 управления, который вырабатывает управляющее воздействие, необходимое для стабилизации расхода на заданном уровне. Подача газа с максимальным уровнем расхода B₁ осуществляется до тех пор, пока не сработает на отключение компаратор 5.1 при уменьшении сигнала рассогласования с выхода блока 3 до значения -ε₁ (точка A₂ на кривой подъема фиг. 3а). На этом заканчивается первый цикл управления подачей топлива (интервал τ₁), который позволяет быстрее, чем при регулировании по отклонению температуры, остановить процесс падения температуры в зоне и обеспечить ее подъем с максимально возможной скоростью (участок A₁A₂ кривой фиг. 3а).

Появление нулевого сигнала на первом выходе компаратора 5.1 приводит к появлению на втором управляющем входе коммутатора 8 логической единицы с выхода инвертора 11. По этому сигналу коммутатор передает на вход сумматора 15 (через сумматор 7, на другом входе которого нулевой сигнал) новое, уменьшенное, задание B₂. Блок 17 компенсирует возмущение, связанное с изменением задания, и поддерживает подачу газа на постоянном уровне B₂ на временном интервале τ₂, ограниченном достижением уменьшающимся сигналом рассогласования с выхода блока 3 значения -ε₂ (точка A₃ на фиг. 3а). При этом компаратор 5.2 через инвертор 12 переключит выход коммутатора 8 на задание B₃. Дальше процесс происходит аналогично предыдущему циклу управления, обеспечивая постоянный уровень расхода B₃ до момента достижения выходным сигналом сумматора 3 порогового значения -ε₁ (точка A₄, интервал τ₃ на фиг. 3). На этом заканчивается последний цикл управления с постоянным уровнем подачи газа.

Таким образом, на временных интервалах, фиксируемых по срабатыванию компараторов 5.1, 5.2, 5.3 на отключение, достигается целенаправленное снижение скорости подъема температуры и обеспечивается плавный выход (на участках A₁-A₃, A₃-A₄ кривой фиг. 3а) в область значений, близких к заданной температуре T_з.

Появление нулевого сигнала на втором выходе компаратора 5.3 вызывает через инвертор 14 и триггер 13 замыкание ключа 6. С этого момента (и на все время нахождения металла садки в контролируемой зоне) выход регулятора 4 соединен с первым входом сумматора 7 и последний выполняет алгебраическое суммирование сигнала задания (с выхода коммутатора 8) с выходным сигналом B^т(t) регулятора 4, корректируя таким образом величину задания B₃ в зависимости от величины температурного рассогласования. Непрерывный суммарный сигнал, несущий в себе переменную составляющую B^т(t), сравнивается в сумматоре 15 с информацией датчика 16 о фактическом текущем расходе газа, а результат сравнения непрерывно отрабатывается блоком 17, приводя подачу топлива на горелки зоны в соответствие с изменившейся величиной задания (временной интервал τ₄). При этом если блок 5.3 не фиксирует переход сигнала ε(t) через точку A_к (превышение контрольного значения +ε_к не имеет места), то переходной процесс регулирования продолжается по задающему воздействию B₃±B_т(t) до достижения требуемой температуры нагрева и выхода металла из контролируемой зоны, а интервал τ₄ определяется промежутком времени τ_з-(τ₁+τ₂+τ₃)..

На фиг. 3 приведен вариант управления в ситуации выявления превышения контрольного значения +ε_к.. Единичный сигнал со второго выхода блока 5.3 (фиксирующий наличие превышения) поступает на четвертый управляющий вход коммутатора 8 и переключает его выход на задание В_мин. В результате дальнейший процесс управления (на интервале τ₅) протекает по задающему сигналу B_мин±B_т(t).

Процесс управления заканчивается с перемещением металла во вторую зону, где вступает в работу схема идентичного устройства управления нагревом, и процесс реализуется аналогично описанному выше, но с соответствующим (в зависимости от входного возмущения, вызванного взаимным влиянием зон и другими факторами) выбором начального задающего параметра, например это может быть значение B₂.

Использование контролируемой величины превышения требуемого значения T_з с введением при этом в качестве постоянной составляющей задающего сигнала минимальной величины расхода топлива повышает чувствительность схемы к величине ε(t), что в условиях отстройки от влияния изменений в газопроводе гарантирует переходный режим без перерегулирования.

Использование предлагаемого способа при отпуске рельсов в пятизонной нагревательной печи (вместо управления расходом топлива по отклонению температуры) обеспечило сокращение расхода газа на обработку каждой партии не менее, чем на 5% и позволило улучшить качество обработки по результатам испытаний рельсов на остаточные напряжения установлено повышение характеристик не менее, чем на 13% а по твердости стабильное соответствие требованиям ГОСТа. ЫЫЫ2

Изобретение может быть использовано при проведении различных видов термообработки или при нагреве перед прокаткой. Существо изобретения заключается в том, что расходом топлива управляют по изменяемому в соответствии с предварительно установленным графиком задающему параметру расхода (ЗП). Величину ЗП по ходу процесса изменяют сначала циклически - от большего значения к меньшему, от цикла к циклу, а затем, корректируя значение последнего циклического задания путем суммирования с текущим значением сигнала регулирующего воздействия, формируемого по рассогласованию между текущими значениями температуры и требуемым значением. Временные интервалы, определяющие продолжительность циклов, фиксируют по достижению текущим значениям температурного рассогласования заданных значений в области отрицательного разбаланса. При этом устанавливают контролируемую величину превышения требуемого значения температуры и при выявлении ее достижения в качестве постоянной составляющей упомянутого суммарного сигнала используют значение, соответствующее минимально возможной по технологии величине расхода топлива. В результате обеспечивается оптимум по скорости подъема температуры и мягкий переходный режим с гарантированным ограничением выбега температуры установленным пределом. 3 ил.

Способ управления нагревом металла в пламенной нагревательной печи, при котором измеряют рассогласование между текущим значением температуры в рабочем пространстве печи и требуемой температурой нагрева, а по результатам измерения формируют регулирующий сигнал, который используют при управлении подачей топлива в горелки, отличающийся тем, что дополнительно определяют текущее значение расхода топлива на нагрев, сравнивают его с задающим параметром подачи и по результатам сравнения формируют управляющий сигнал, которым воздействуют на регулировочный орган в подводящем трубопроводе топлива, причем величину задающего параметра подачи по ходу процесса изменяют сначала циклически со снижением его в предварительно установленном диапазоне значений от цикла к циклу, начало и окончание которых фиксируют по моментам достижения текущим значением температурного рассогласования заданных значений в области отрицательного разбаланса температуры, а затем суммированием последнего циклического задания с текущим значением регулирующего сигнала, при этом устанавливают контролируемую величину превышения текущим значением температуры требуемого значения и при выявлении ее достижения суммирование текущего значения упомянутого сигнала осуществляют с величиной минимально возможного по технологии расхода топлива.