СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ МЕТАЛЛА В КОЛПАКОВОЙ ПЕЧИ Российский патент 2000 года по МПК C21D11/00 F27B11/00 

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 τ_б подъема температуры Т_с до Т_сз по математическому выражению

где τ_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 τ_осз температуры, сравнивают его с фактически оставшимся временем τ_фcз и при τ_фcз≥ τ_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 τ_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 τ_фcз, и при τ_фcз≥ τ_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 τ_б подъема температуры греющей среды Т_с до заданного значения Т_сз как разность где τ_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 τ_осз греющей средой заданного Т_сз, сравнивает его с фактически оставшимся временем τ_фcз и при τ_фcз> τ_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 τ_фcз= τ_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 τ_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%.

Изобретение относится к металлургии, в частности к термообработке черных металлов, а именно к процессам управления и регулирования, и может быть использовано в производстве широкополосной стали, предназначенной для холодного деформирования. Технический результат - снижение расхода топлива, уменьшение перепадов температуры по объему садки, увеличение выхода годного металла категории особой сложной вытяжки. Способ включает ступенчатый нагрев соответствующим количеством выдержек, при этом расход топлива начинают изменять при достижении температуры греющей средой Т_c, равной 650-680°С, одновременно рассчитывают: базовое время τ_б подъема температуры Т_с до заданного значения температуры Т_сз как

где τ_мз - общее заданное время нагрева металла, суммарное заданное время выдержек от двух до четырех, скорость подъема температуры греющей среды каждые пять минут, оставшееся время достижения греющей средой заданного значения τ_осз. Сравнивают τ_оcз с фактически оставшимся временем τ_фсз и при τ_фcз> τ_осз и расход топлива уменьшают или оставляют неизменным при условии сохранения скорости подъема температуры греющей среды в первых трех пятиминутных циклах. Изменением расхода топлива варьируют до тех пор, пока температура защитного газа под муфелем колпаковой печи Т_г не достигнет заданного значения Т_гз, после чего осуществляют выдержки и в процессе каждой из них производят минимизацию отклонений Т_ri от Т_гз, для чего непрерывно измеряют текущие значения Т_ri и Т_ci, фиксированные Т_гф и Т_сф, сравнивают Т_ri с Т_гз, Т_ri с Т_гф, Т_ci с Т_сф и пропорционально знаку и величине алгебраической суммы этих отклонений изменяют расход топлива. 1 табл., 1 ил.

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 τ_б подъема температуры Т_с до Т_сз по математическому выражению

где τ_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 τ_осз температуры, сравнивают его с фактически оставшимся временем τ_фоз и при τ_фез> τ_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.