ВСТУП
Продуктивність, економічна та безпечна робота агрегатів металургійної промисловості вимагає використання сучасних методів і засобів вимірювання величин, характеризуючи хід виробничих процесів і стан обладнання. Автоматизація контролю являється логічно першою сходинкою автоматизації. Без успішного функціонування якої неможливе створення ефективних автоматичних систем управління технологічним процесом.В історії розвитку світової техніки можна виділити три головні напрямки: створення машин двигунів які звільнили людину від тяжкої фізичної праці; створення верстатів і технічного обладнання різноманітного призначення; створення приладів контролю управління машинними двигунами.В сучасній техніці для розв’язання задач автоматичного контролю все більше застосовують напівпровідникові радіоактивні метали, електронні і обчислювальні машини.Металургійна промисловість є однією з головних галузей народного господарства. В ній зайнята велика кількість працюючих. При великій продуктивності навіть невелика помилка в управлінні агрегату може призвести до великих витрат палива, електроенергії. Таким чином збільшується вплив автоматичного контролю і управління виробничим процесом.Тепер час всі головні металургійні агрегати (доменні і мартенівські печі, конвертори, нагрівальні і термічні печі) забезпечені системами автоматичного контролю та управління, в значній мірі автоматизовані. Підраховано, що в металургійному заводі з повним циклом на 1 млн. т виплавленої сталі застосовують 1500 термоелектричних термометрів, 100 пірометрів випромінювання, 500 електричних мостів і потенціометрів, 200 вторинних реєструючих показання приладів, 1500 манометрів, 50 датчиків реєструючих паливо, 100 індикаторів рівня, 600 діафрагм, 200 ртутних термометрів, 350 регуляторів, 400 регулюючих клапанів.Головними напрями які необхідно контролювати при роботі різноманітних агрегатів є температура, витрати, тиск і склад газів рідини металу.Автоматичними пристроями вимірюється температура в робочому просторі металургійної печі, нагрітого металу вогнетривкої кладки, конструкційного регенератора і рекуператора.Економічні і безпечні роботи агрегатів включають автоматичний контроль витрат і тиску, газоподібного палива повітронагрівачів, стисненого повітря, пари, захисних атмосфер, а також газів в печах, крім цього різноманітні агрегати оснащенні пристроями для вимірювання температури, вологості густини рідини, маси речовини і металу.
1.1 Будова та робота методичної печі
Методична піч – це прохідна піч для нагріву заготівок перед обробкою тиском (див. рис. 1). В методичній печі заготівки пересуваються на зустріч руху продуктів згорання палива. Заготівки проходять послідовно три теплотехнічні зони: методичну(зону попереднього підігріву), зварювальна(зона нагріву) і томильну (зона вирівнювання температур заготівки).
Рисунок 1 – Методична піч
Методичні печі класифікують:
а) по числу зон опалювання;
б) по способу транспортування заготовок;
в) по конструктивним особливостям.
Методичні печі опалюють газоподібним або рідким паливом з пальників або форсунок.
Перевагою багато зонних печей перед двох зонними є:
а)пластичність регуляция режиму нагріву;
б)менша витрата палива при високій якості нагріваючого металу.
Недоліком є складність конструкції системи опалення.
У методичних печах нагріваються заготівки і зливки квадратного, прямокутного і круглого перетинів різних розмірів і марок сталей Заготівки квадратного перетину , які одержують від блюмінгів і називаються ніблюмами , розмірами 150 х 150 до 250 х 250 мм ; більш дрібні квадратні заготівки ( від 45 х 45 мм і вище ) , одержувані з обтискних клітей сортових станів і з безупинних заготівельних станів ;
Заготівля прямокутного чи плоского перетину , одержані зі слябінга називають слябами , вони мають розміри :
-товщину від 65 до 300 мм ,
-ширину від 350 до 1500 мм ,
-довжину від 1000 до 4500 мм .
Заготівки круглого перетину від 85 до 300 мм у діаметрі призначаються для прошивних станів.
З метою збільшення продуктивності прокатних станів останнім часом застосовуються заготівки збільшеної довжини: 5 – 6 м замість 1,5 – 2 м , а також 10 – 12 м.
Дрібні зливки квадратного перетину ( від 127 х 127 до 380 х 380 мм ) також нагріваються в методичних печах.
На листових станах прокачуються зливки прямокутного перетину різних розмірів і ваги : на середньо листових станах розважування зливків масою від 900 кг , на тонколистових станах прокочуються зливки масою від 700 до 5000кг.
Слід зазначити, що за формою поперечного перерізу заготівки відрізняються від зливків: останні мають закруглені ребра і змінюють розміри по висоті поперечного перерізу. Ця особливість форми зливків повинна враховуватися при визначенні режиму нагрівання. Зливки круглого перетину нагріваються в методичних печах з похилим подом, а останнім часом - у кільцевих печах з обертовим подом . Зливки ці бувають діаметром від 270 до 850 мм і за формою наближаються до усіченого конусу . Більш рідко в методичних печах нагріваються заготівки багатогранного перетину ( для виробництва ) , сутанки й іншого .
Під продуктивністю методичної печі розуміється кількість металу, що нагрівається в печі на протязі якогось часу.
Останні роки характеризуються значним ростом продуктивності прокатних станів і методичних печей .
Продуктивність сучасних методичних печей , як правило , складається не менше 30 – 40 т\ч і в ряді випадків досягає 200 –250 т\ч. Для забезпечення заданої продуктивності печі метал , що нагрівається , повинен одержати в одиницю часу необхідну кількість тепла . Це визначається , з одного боку , умовами зовнішнього і внутрішнього теплообміну , а з іншого боку - тепловим балансом , що зв'язує перехід і витрату тепла в печі .
Зміни тепломісткості металу , що нагрівається , пов’язані головним чином зміною температури посаду металу . При температурі посаду 500- 700°С тепломісткість зменшується на 30-50 %. При цьому відповідно збільшується продуктивність печі , хоча ріст продуктивності не знаходиться в прямій пропорційній залежності від зменшення тепломісткості металу . Це пов’язано зі зміною теплового режиму нагрівання і необхідності визначеного часу перебування металу на монополітному поду , тривалість якого мало залежить від температури посаду. Симетричність нагрівання металу значно впливає на продуктивність печі.
У випадках при однобірному нагріванні на монополітному поді і систематичному двохсторонньому нагрівальні коефіцієнти змінюються від 1 до 0,5 . Перехід з однобічного нагрівання на двобічне здійснювався при модернізації старих методичних печей з метою підвищення продуктивності печі. Однак двостороннє нагрівання металу не забезпечує подвоєної продуктивності печі в порівнянні з однобічним , а в деяких випадках є недоцільним .
Першу зону, у межах якої температура по її довжині змінюється , називаються методичною. У ній метал поступово нагрівається до надходження в зону високих температур (зварювальну зону ) . Як вже вказувалося , щоб уникнути черезмірних термічних напруг у металі часто буває необхідним повільне нагрівання його в інтервалі температур від 0 до 500 С . Поступове нагрівання металу в методичній зоні, що являє собою противоточний теплообмінник , забезпечує безпечний режим нагрівання . Димові гази, що рухаються назустріч пересуванню металу , віддають йому тепло. В кінці методичної зони температуру печі підтримують у межах 750 – 1000 С . Наявність методичної зони значно підвищує коефіцієнт використання палива.
Другу по ходу металу зону називають зоною високих температур, або зварювальною зоною. Призначення цієї зони полягає у швидкому нагріві поверхні заготівок до кінцевої температури . Нагрів металу в методичних печах звичайно доводять до температури 1150 – 1250 С . Для інтенсивного нагріву поверхні металу до цих температур у зварювальній зоні необхідно забезпечити температуру на 150 – 250 С вище нагріву метала , тобто підтримувати її на рівні 1300-1400 С . Третя по ходу метала - томильна зона (зона витримки ) служить для вирівнювання температури по перерізу металу. У зварювальній зоні до високої температури нагрівається тільки поверхня металу , температура ж середини металу значно відстає від температур поверхні , внаслідок чого створюється великий перепад температур по перерізу металу, неприпустимий по технологічним розумінням. З таким значним перепадом температур по товщині метал поступає в томильну зону, де температуру підтримують всього на 50 – 70 С вище необхідної температури метала. Тому в томильній зоні температура поверхні метала незмінна та підтримується на досягнутому в зварювальній зоні рівні . В цій зоні печі проходить тільки вирівнювання температури по товщині металу.
Подібний триступневий режим нагріву необхідний у тих випадках, коли нагрівають заготівки , у яких може виникнути значний перепад температури по товщині ( більш 200 С на 1 м товщини метала.
При нижньому обігріві уздовж печі прокладають спеціальні глісажні ( водоохолоджувальні ) сурми, по яких переміщується метал . У зв'язку з охолоджувальною дією глісажних труб у нижню частину зварювальної зони печі необхідно подавати більше тепла , ніж у верхнє .Звичайно усе тепло, яке постачається трьохзонну методичну піч з нижнім обігрівом , розподіляють по зонах наступним чином:
Нижня частина зварювальної зони 55-60%
Верхня частина зварювальної зони 30 – 40%
Томильна зона 10 – 15 %
У томильній зоні глісажні сурми не встановлюють , тому що в місцях дотику заготівки з водоохолодженими трубами метал нагрівається гірше, а на його поверхні утворюються темні плями . В трьохзонних печах з нижнім обігрівом , томильна зона призначена не тільки для вирівнювання температури товщини металу , але і для ліквідації на нижній поверхні заготівки темних плям.У двохзонних печах з нижнім обігрівом частина зварювальної зони виконується без нижнього обігріву з метою ліквідації темних плям , які утворюються в результаті охолоджуючої дії глісажних труб.
1.2 Опис стану автоматизації методичної печі з крокуючим подом
Робота печі оцінюється за наступними основними параметрами: температура нагрівання металу, економічність спалювання палива, атмосфера в печі, тиск у робочому просторі, температура підігріву газу і повітря, рівномірність прогріву заготівки, що оцінюється побічно по зусиллях, які виникають при прокатці. Процес керування нагріванням відбувається в умовах, що змінюються: продуктивність печі, подача палива і повітря, калорійність палива, теплофізичні параметри заготівок (температури посаду, розмірів, теплопровідності), підсмоктувань і вибивань повітря чи газів через вікна і нещільності печі й інше.
Основні керуючі впливи в печах наступні: температура в зонах, що забезпечується витратою палива; витрата повітря до пальників на зону; зміна тяги чи димаря ексгаустера.
На рисунку1 приведені експериментальні статичні характеристики
методичних печей (див. рис.2).
Рисунок 2 - Статичні характеристики методичних печей
У- вхідна величина, х- вихідна величина:а- х - температура у верхній зварювальній зоні; у- витрата палива; б- х- температура в нижній зварювальній зоні; у- витрата палива (1- продуктивність 100%; 2- теж, 70%; 3- те ж, 0%): в- х- температура в зоні; у- коефіцієнт витрати повітря; х- тиск на поду печі (1- витрата палива 100%, 2- теж, 20%), відкриття димового шибера; д- х- температура металу наприкінці методичної зони, у- продуктивність печі; е -х- температура металунаприкінціметодичноїзони; у- час простою.Продуктивність печі істотно залежить від температури посаду металу. Температури в зонах печі при різних рівнях продуктивності практично лінійно змінюється зі зміною витрати палива. Такий же характер має залежність температури металу в методичній зоні при холодному посаді при зміні продуктивності печі. По каналу “температура горіння - коефіцієнт витрати повітря” залежність екстремальна. Аналогічний характер має і залежність температури від тиску в печі. Тиск у печі лінійно залежить від ступеня відкриття димового шибера, а рівень його визначається витратою палива .
Дослідження динамічних характеристик показує, що по каналу “температура в зоні - витрата палива” даний об’єкт може бути апроксимірован двома послідовно з’єднаними ланками: інерційною ланкою першого порядку і ланкою чистого запізнення, а по каналу “співвідношення паливо - повітря – витрата повітря” – однією інерційною ланкою першого порядку.
Для методичних печей характерно велика зміна коефіцієнта передачі об’єкту Кобу системі регулювання температури (від 1,2 до 4 разів) при зміні продуктивності. Для тиску цей вплив невеликий, а коефіцієнти передач для окремих зон горіння також можуть змінюватися більше чим у два рази. Динамічні характеристики виміру залежать від типу датчика: найменшу інерційність має термопара в порцеляновому чохлі, а найбільшу-термопара в подвійному захисному чохлі.
Відношення для всіх вузлів регулювання практично у всьому діапазоні зміни продуктивності більше 0.2, що дозволяє застосовувати регулятори безупинної дії.
Методичні печі значною мірою оснащені вузлами автоматичного контролю з установкою вторинних приладів,що реєструють на тепловому щиті, розташованому в спеціальному приміщенні в районі видачі заготівель на прийомній рольганг стану.
Вимір температури в зонах печі здійснюється платинородий-платиновими термометрами (ТПП) у захисній арматурі (порцеляновий і карборундовий чохли). При температурах вище 1300- 13500С замість ТПП установлюють пірометри, візовані на дно карборундового склянки та занурені на 20-50 мм у робочий простір. Датчики температури в томильній і верхньої зварювальної зонах установлюють на склепіння, а в нижній зварювальній зоні у бічній стінці. У широких печах по ширині зони встановлюють кілька термометрів, включених на один багатоточечний реєструючий потенціометр. Передбачається світлова сигналізація перевищення температури в зонах заданого чи значення обриву термопари.
Як датчики використовуються: пірометри випромінювання(ПВ), візовані або на дно карбофраксової склянки, або на метал або на опорний стовпчик; зональні термоелектричні термометри (ТТ), встановлені в склепінні, у причілку; датчики тепломірного типу; контактні термометри .
Вимір температури диму в лежні після печі, до і після рекуператора, нагрітого повітря і газу в залежності від рівня температури вимірюються хромель-алюмелевими чи хромель-копелевими термопарами. Як вторинні прилади застосовують показуючи та реєструючи мілівольтметри з перемикачами або багатоточечні.
Витрати палива (газу) і повітря на зону визначають за допомогою стандартних комплектів вимірювальної апаратури, що включають вимірювальну діафрагму, дифманометр і вторинний прилад, що реєструє.
Витрати мазуту вимірюють поршневим мазутоміром. На печах з інжекційними пальниками контролюється тільки витрата газу, тому що повітря для горіння надходить з атмосфери. Реєстратори газу на зону мають інтегратори для обліку кількості палива, витраченого на нагрівання металу за зміну чи добу. Звичайно встановлюється також лічильник кількості газу, споживаного в цілому піччю чи всіма печами.
Тиск газу і повітря, що подаються на піч, вимірюється датчиками і реєструється вторинними самописними приладами. Розрідження в лежні в декількох точках димового тракту і перед трубою вимірює мембранними тягомірами, що показують. У ряді випадків за допомогою гнучкої хромель-алюмелевої термопари, привареної до трубки металевого рекуператора,
здійснюється контроль температури перших рядів труб, що працюють в особливо важких умовах.
Економічність спалювання палива може бути оцінена за даними аналізів продуктів згорання в лежні печі на вміст у них кисню, проведеного за допомогою магнітного газоаналізатора.