МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОУ ВПО ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт информационных технологий

Кафедра автоматизации и систем управления

Расчет и моделирование систем локальной автоматики нагревательных печей

Учебно-методическое пособие

по выполнению курсовых и дипломных работ

Специальность: 220301- автоматизация технологических процессов и производств

Череповец

2009

Рассмотрено на заседании кафедры АиСУ, протокол № от

Одобрено редакционной комиссией Института информационных технологий ГОУ ВПО ЧГУ, протокол № от .

С о с т а в и т е л и : В.Н. Мочалин - канд. техн. наук, доцент; А.Л. Смыслова - доцент

Р е ц е н з е н т ы: Н.В. Кочнев - канд. техн. наук, доцент; П.Г. Леонов - канд. техн. наук, доцент

©ГОУ ВПО Череповецкий государственный университет, 2009

Введение

Процесс термообработки металла (нагрев перед горячей прокаткой, отжиг, нормализация и т.д.) в значительной степени определяет качество продукции, энергоемкость производства и его производительность. Печи различных конструкций используются в металлурги­ческом производстве очень широко. Они применяются для нагрева металла пе­ред прокаткой или его последующей термообработки. К ним относятся на­гревательные колодцы, методические печи, колпаковые печи и т.д. В каждом из этих агрегатов используются системы автоматического регулирования (САР) температуры, расхода, давления и других параметров. На примере нагреватель­ного колодца рассматриваются общие подходы к разработке математических моделей нагревательных печей по различным каналам управления.

Предлагаемые способы расчета и моделирования могут быть использованы для печей других конструкций и принципов работы.

Нагревательные печи проходного типа, в частности методические, могут рассматриваться в виде совокупности нескольких относительно независимых зон нагрева, через которые перемещаются заготовки. В печах садочного типа (колодцах, колпаковых печах) необходимый режим термообработки осуществляется последовательным изменением заданной температуры печи, а в методических печах – последовательным переходом заготовки через зоны с разной температурой.

АСУ ТП нагрева обычно строятся по двухуровневому принципу. На верхнем уровне рассчитываются уставки температуры и выдаются в качестве заданий на локальные регуляторы. На нижнем эти задания отрабатываются локальной автоматикой. Для расчета заданий, которые зависят от марки стали, размеров заготовки, режима нагрева и т.д., используются достаточно сложные математические модели. В задачи данного пособия не входит рассмотрение этих вопросов. Локальные САР реализуются в настоящее время на базе программируемых контроллеров различных типов.

Локальная автоматика

Перед прокаткой на обжимных станах (блюмингах и слябингах) в нагрева­тельных колодцах производится нагрев слитков до температуры прокатки при равномерном прогреве по сечению. Аналогичная процедура необходима и при горячей прокатке слябов на листовых станах. Процесс нагрева производится в методических печах, состоящих из нескольких зон нагрева, управление которыми принципиально не отличается от управления печами садочного типа.

Нагревательные колодцы являются печами садочного типа с распределен­ными по времени температурным и тепловым режимами. Цикл нагрева делится на два этапа:

- во время первого периода при максимальной подаче топлива происходит нагрев поверхности слитка до заданной температуры;

- во время второго (томление) повышается температура всей массы слит­ка при снижении расхода топлива.

Наибольшее распространение получили рекуперативные нагревательные колодцы с одной горелкой. Концепция автоматизации, представленная на рис. 1, является общей для нагревательных колодцев и других конструкций. На схеме показаны следующие узлы автоматического контроля: температуры рабочего пространства ячейки; давления в колодце; расхода газа и воздуха. Кроме того, может контролироваться температура дыма в различных точках дымового тракта и содержание кислорода в продуктах сгорания.

Измерение температуры в ячейке осуществляется пирометрами излучения, визированными на дно защитных керамических стаканов, находящихся в рабо­чем пространстве ячейки. Пирометры устанавливаются на высоте верхней части слитка и не подвергаются прямому воздействию пламени.

Расходы газа и воздуха, их давления и температуры измеряются с помощью стандартных комплектов измерительной аппаратуры.

Схема автоматизации нагревательных колодцев включает в себя следую­щие локальные системы автоматического регулирования: температуры, давле­ния, соотношения "газ-воздух". Задачей управления нагревом в колодце являет­ся получение необходимой температуры поверхности и заданного распределения температур по сечению слитков.

Q

Р

tº

tº

Q

Р

Q

Q_г

Рис. 1

Регулирование температуры рабочего пространства в пределах 1200-1300 °С происходит через изменение расхода топлива. Изменение расхода топ­лива осуществляется ПИ-регулятором с помощью исполнительного механизма при газовом регулировочном вентиле ячейки.

В период нагрева металла, когда его температура и температура ячейки ниже заданной, в колодец подается максимально допустимое количество топли­ва.

В период выдержки регулятор обеспечивает необходимую температуру, изменяя расход газа; по мере прогрева металла тепловая нагрузка в ячейке сни­жается.

Для регулирования давления в колодцах применяют И-регулятор, который с помощью исполнительного механизма изменяет положение клапана в дымо­вом борове.

Коэффициент расхода воздуха поддерживается на заданном уровне И-регулятором соотношения расходов воздуха и топлива. Если процесс горения сопровождается малым избытком воздуха, то на слитках образуется тонкий трудноудаляемый слой твердой окалины. При содержании в отходящем газе 1-2 % О₂ формируется мягкая окалина, уменьшающая тепловые потери слитка на пути к прокатной клети.

Автоматическая коррекция заданного соотношения расходов газа и воздуха по содержанию кислорода в продуктах сгорания обеспечивает оптимальный тепловой режим нагревательного колодца.

Безопасная работа обеспечивается системой автоматической сигнализации и устройством аварийного отключения (УАО) при падении давления воздуха, отключении электрического питания, открывании крышки колодца. В качестве приводов аварийного отключения используются быстродействующие приводы.