Технико-экономические показатели работы методических печей зависят как от технических возможностей, которыми располагают печи, так и от качества управления их тепловым режимом. Технические возможности методической печи определяются совокупностью ее конструктивных и теплотехнических характеристик.
При работе печей эти характеристики являются наперед заданными, поскольку они формируются при расчете, конструировании и строительстве печей. Поэтому улучшение показателей работы действующих методических печей может достигаться главным образом путем совершенствования процесса управления их тепловым режимом.
По выполняемым функциям широко применяемые системы автоматизации теплового режима аналогичны и отличаются между собой главным образом лишь в деталях. С помощью действующих систем автоматизации обычно осуществляется автоматический контроль температуры рабочего пространства печи по зонам, расхода топлива и воздуха, поступающих к горелочным устройствам отдельных зон, и давления газов в зоне, примыкающей к окну выдачи, а также автоматическое регулирование температуры по зонам путем изменения расхода топлива, автоматическое поддержание заранее заданного соотношения топливо-воздух и автоматическая стабилизация давления газов под сводом в районе окна выдачи нагретых заготовок из печи.
По мере интенсификации процессов прокатного производства и повышения требований, предъявляемых к качеству нагрева металла, выявилась необходимость видоизменения и расширения функций, возлагаемых на системы автоматизации теплового режима методических печей.
Объект исследования: процесс нагрева заготовок в методической трехзонной печи.
Цель исследования: повышение эффективности регулирования тепловым режимом методической трехзонной печи путем обоснования алгоритма и структуры аппаратуры автоматизации и разработки.
В результате был произведен анализ технологического процесса нагрева заготовок в методической трехзонной печи; обосновано и разработано схемотехническое и компоновочное решение устройства автоматизации; произведено технико-экономическое обоснование эффективности принятых в курсовом проекте технических решений.
1. Цель проектирования и требования к устройству автоматизации, который разрабатывается
Дополнительными задачами являются обеспечение малого окисления металла и полного использования топлива в печи. Управляющими воздействиями являются расход воздуха и тяга, определяемая положением шибера или направляющего аппарата дымососа.
Цель курсового проектирования: разработка устройства автоматического управления нагрева заготовок в методической трехзонной печи.
Требования к системе автоматизации: необходимость определения скорости движения металла и при ее изменении автоматически изменять температурный режим печи таким образом, чтобы обеспечить необходимый нагрев металла в каждой зоне.
Требования к устройству: поддержание температуры в зонах печи; вывод информации на цифровое табло; осуществлений прогнозирования температуры нагрева заготовок.
Методические печи, применяемые для нагрева заготовок перед листопрокатными станами, наиболее распространены в металлургическом производстве.
В печах этого типа нагревают обычно заготовки толщиной 60-400 мм, шириной 60-1850 мм и длиной от 1000 до 12000 мм, масса которых составляет от 50 до 40000 кг.
Одной из основных особенностей методических печей является противоточное движение в них газов и металла.
Нагревательный металл толкателем перемещается по водоохлаждаемым трубам. Топливо сжигается с помощью горелок, расположенных над и под поверхностью металла. Продукты сгорания двумя потоками – верхним и нижним движутся вдоль рабочего пространства печи в направлении, противоположном движению металла, т.е. противотоком. Через дымовые каналы продукты сгорания удаляются в боров и из него через рекуператор и дымовую трубу в атмосферу. Нагретый металл через окно выдачи попадает на рольганг и по нему к стану.
Тепловой и температурный режимы работы методических печей неизменны во времени. Вместе с тем температура в методиче¬ских печах значительно меняется по длине печи. Характер изменения температуры, зависящий от требуемого графика нагрева металла, определяет как количество и назначение зон печи, так и режим теплообмена в каждой из них. Холодный металл поступает в зону наиболее низких температур и, продвигаясь навстречу дымовым газам, температура которых все время повышается, постепенно (методически) нагревается.
Первая (по ходу металла) зона имеет изменяющуюся по длине температуру и называется методической зоной. Сжигания топлива в этой зоне не производится. В ней металл постепенно подогревается до поступления в отапливаемую зону высоких температур (сварочную зону).
Во избежание возникновения чрезмерных термических напряжений необходим медленный нагрев массивных тел, в интервале температур от 0 до 500° С. Постепенный нагрев металла в методической зоне обеспечивает такую скорость нагрева, при которой не возникает недопустимого перепада температур по сечению заготовки.
Вторая (по ходу металла) зона называется зоной вы¬соких температур или сварочной зоной. Назначение этой зоны — быстрый нагрев поверхности заготовки до конечной температуры, составляющей 1150 – 1250 °С. Для интенсивного нагрева поверхности металла до этих температур в сварочной зоне необходимо обеспечивать температуру на 150 – 250 °С выше.
Третья (по ходу металла) томильная зона (зона вы¬держки) служит для выравнивания температуры по сечению металла и ликвидации холодных пятен на нижней поверхности заготовок. В сварочной зоне до высоких температур нагревается только поверхность металла; температура средних слоев металла, естественно, значительно меньше температуры поверхности, т.е. создается перепад температур по сечению металла, недопустимый по техно¬логическим требованиям. В томильную зону металл поступает с этим перепадом температур по толщине. Температуру в томильной зоне поддерживают всего на 50 – 70°С выше необходимой конечной температуры нагрева металла. Поэтому температура поверхности металла в томильной зоне практически не меняется и поддерживается на достигнутом в сварочной зоне уровне; происходит только выравнивание температуры по толщине металла в условиях равномерно распределенного радиационного режима внешнего теплообмена.
При регулировании тепловым режимом методической печи температуру заготовок на выходе из печи выбирают с учетом ее влияния на условия нагрева металла, на прокатку и качество проката: чем выше температура на выходе из печи, тем, как правило, больше пластичность металла, меньше усилие и расход электроэнергии, затрачиваемые на его деформацию при прокатке, меньше износ и риск повреждения прокатного оборудования, т.е. с ростом температуры на выходе из печи условия прокатки становятся более благоприятными. Требуемая по условиям прокатки температура на выходе тем выше, чем ниже мощность привода клетей прокатного стана, больше расстояние от методической печи до стана и больше необходимое обжатие.
Обычно желательно, чтобы температура заднего конца заготовки превышала температуру переднего конца, так как задний конец в течение большего времени находится в прокатке и, следовательно, в большей степени охлаждается до окончания прокатки. Требуемое распределение температуры по длине заготовки зависит от скорости прокатки. Так, для прокатных станов старой конструкции было желательно, чтобы темпе¬ратура заднего конца сляба на 30 С превышала температуру переднего конца. На современных станах, работающих с большми скоростями прокатки, достаточен меньший перепад.
Тепловой режим печи зависит от производительности, скорости перемещения металла вдоль печи, так как методическая печь работает в одной поточной линии с прокатным станом и скорость перемещения металла зависит от темпа прокатки, который в течение коротких отрезков времени может колебаться в широких пределах вплоть до остановок стана, когда скорость перемещения металла становится равной нулю.
Колебания скорости движения металла приводят к изменению времени, за которое заготовки проходят тот или иной участок печи, а сле-довательно, и к изменению количества тепла, полученного ими на этом участке, если температура в зоне остается постоянной. При замедлении темпа прокатки и особенно при остановках стана это приводит к перегреву металла вплоть до сваривания заготовок, к увеличению угара и расхода топлива, а при увеличении темпа - к недогреву металла, к остановкам стана в связи с отсутствием нагретого металла.
Таким образом, при переменной производительности методической печи автоматическая стабилизация температуры в зонах не обеспечивает требуемый нагрев металла. В этом случае система управления должна определятъ скорость продвижения металла и при ее изменении автоматически изменять температурный режим печи таким образом, чтобы обеспечить требуемый нагрев металла в каждой зоне. Системы, реали-зующие такое управление, сравнительно просты, и их целесообразно использовать на всех методических печах.
Требуемый температурный режим в методической печи зависит от скорости продвижения металла. В связи с этим были созданы каскадные системы автоматического управления температурным режимом методических печей. Каждая такая система включает локальные САР температуры в зона отопления и управляющее устройство, которое определяет скорость продвижения металла и при ее изменени автоматически изменяет (корректирует) задания локальным регуляторам температуры таким образом, чтобы обеспечить требуемый нагрев металла в каждой зоне. Эти системы различаются главным образом тем, какой параметр использован в них в качестве меры скорости продвижения металла или темпа прокатки.
Первоначально в качестве такого параметра выбирали температуру в методической зоне печи или температуру отходящих газов, так как увеличение скорости родвижения металла приводит к снижению этих температур, а уменьшение скорости – к их росту. Однако от этого информационного сигнала пришлось отказаться, так как указанная зависимость имеет место только при постоянном температурном режиме в зонах отопления. Если же температуры в зонах изменяют, например, в связи с изменением темпа прокатки, то эта зависимость становится неоднозначной и существенно различной при переходном и установившемся режимах.
Более контролируемым параметром является температура поверхности металла, измеряемая радиационным пирометром примерно в середине методической зоны. Между этой температурой и скоростью продвижения металла также существует обратная зависимость, которая более устойчива. В этих системах сигнал выходного датчика потенциометра, работающего в комплекте с радиационным пирометром, преобразуется и поступает на вход регуляторов температуры сварочных зон, изменяя задание на требуемую величину.
Основной задачей является получение металла с заданной температурой поверхности и допустимым по условиям прокатки перепадом температур по сечению. Выполнить это при поcтоянной производительности печи и одинаковых параметрах загружаемого металла нетрудно. Для этого достаточно стабилизировать температуру в зонах.
Однако методические печи работают в условиях, далеких от установившихся: меняется производительность печи, определяемая работой прокатного стана и соседних печей, изменяется темепартура, размеры, марка загружаемого металла. Поэтому основной задачей управления процессом нагрева является выработка такого температурного режима печи, чтобы все время получать заданное качество нагрева в условиях переменной производительности агрегата с учетом других возмущений. Управляющим воздействием является расход топлива на зону, определяющий температуру в ней.
3. Алгоритмизация системы автоматизации
Для лучшего понимания работы разрабатываемой системы автоматизации необходимо привести блок – схему алгоритма его работы. При этом для переработки аналоговых сигналов на входе устройства на логические сигналы, которые поступают в блок индикации необходимо привести идентификацию входных и выходных сигналов
Система автоматического регулирования нагрева заготовок в трехзонной методической печи включает следующие узлы автоматического регулирования:
- температура в зоне;
- соотношение расходов топлива и воздуха на зону;
- скорость движения заготовок;
- давления в рабочем пространстве.
Рисунок 1. – Аннимированная обобщенная блок – схема алгоритма работы системы управления
4. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО СИСТЕМЕ АВТОМАТИЗАЦИИ
Структурная схема системы автоматизации
На основе поставленных задач к разрабатываемому блоку контроля и сигнализации технологических параметров разработаем структурную схему этого устройства. При этом нужно иметь в виду уже наличие блока питания, который обеспечивает необходимые уровни и качество питающего напряжения.
Структурная схема представлена на рис. 1.
Рисунок 2. – Структурная схема системы автоматизации методической трехзонной печи
В схеме приняты следующие обозначения:
УТР – устройство управления температурным режимом;
БП – блок питания;
БАД – блок аналолговых датчиков;
БДД – блок дискретных датчиков;
БМК – микроконтроллер;
БВДИ – блок ввода дискретной информации;
БВУИ – блок вывода управляющих команд;
АПД – адаптер передачи данных;
БИ – блок индикации устройства УТР;
ИУ – исполнительное устройство;
Т – табло индикации оператора печи.
В систему автоматизации входят два вида датчиков: аналоговые и дискретные. К аналоговым датчикам относятся: температура, давление и расход. К дискретным датчикам относится скорость. От дискретного датчика информация поступает на блок ввода дискретной информации БВДИ. Далее на микроконтроллер. От БМК на БВУИ и на исполнительное устройство ИУ. От адаптера передачи данных АПД на ЭВМ. От блока индикации устройства УТР на табло Т индикации оператора печи.
5.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
Автоматизация производства – это серьезное технико-экономическое мероприятие, стоящее в одном ряду с модернизацией и реконструкцией производственного оборудования. Объем и форма автоматизации должны быть выбраны и установлены на основании соответствующего анализа. Важнейшим критерием при оценке эффективности автоматизации, как и всякого производственного усовершенствования, является окупаемость затрат на автоматизацию, получавшаяся за счет снижения себестоимости и улучшения качества продукции, а также уменьшения производственных затрат и потерь.
Очевидно, что при прочих равных условиях окупаемость принятой автоматизации тем больше, чем значительнее снижение себестоимости продукции, получаемое за счет автоматизации, и чем больший прирост выхода годного продукта дает автоматизация.
Окупаемость можно вычислить после завершения работ по автоматизации данного участка производства, но весьма трудно сделать это на стадии выбора эффективного направления автоматизации. Поэтому целесообразнее оперировать ожидаемыми изменениями себестоимости продукции и производительности процесса.
Практика показывает, что любое подразделение металлургического производства характеризуется оптимальной экономичностью при максимуме долговременной производительности. При этом имеется в виду максимальная производительность, опирающаяся на ритмичность работы без превышения пределов параметров, определяющих межремонтный период работы агрегатов и годность продукции.
Установлено, что наилучшие условия окупаемости автоматизации создаются в непрерывном процессе, в котором всякого рода непроизводительные потери на холостые и вспомогательные операции, несовмещаемые с рабочим временем, минимальны.
В прерывистом (цикличном) производстве, определяющим параметром является ритмичность работы всех элементов производственной цепи. Это объясняется, по крайней мере, двумя причинами.
Первая состоит в инерционности процессов, протекающих в ряде производственных элементов. В переходном режиме обычно снижается качество продукции, производительность процесса и, следовательно, его экономичность.
Вторая заключается в огромной роли транспортных средств, которые могут обеспечить подачу необходимого сырья, отвод продукции только при ритмичной работе всех агрегатов, участков цеха.
Полагают, что оценивать эффективность автоматизации можно, исходя из трех условий:
а) улучшения условий труда, высвобождения рабочего времени и повышения внимания персонала, если это позволяет без ущерба для производства сократить штаты либо перевести людей на те участки, где они более необходимы;
б) увеличение объема и ускорения получения, передачи и переработки информации, если это позволяет оптимизировать работу производственных элементов.
Рассматривая в качестве показателя технико-экономической эффективности течения процесса себестоимость переработки в отдельном производственном элементе, мы обнаруживаем, что при отклонении от оптимального процесса, которому соответствует некоторая себестоимость С0, возникают дополнительные составляющие себестоимости переработки:
а) стоимость дополнительного сырья и энергии Сс;
б) стоимость потерь исходного сырья Сп;
в) стоимость рабочей силы, амортизационных отчислений, цеховых и общезаводских расходов Ст;
г) стоимость дополнительных затрат в последующих технологических звеньях, связанных с изменением кондиций продукции данного звена, а также снижение стоимости готовой продукции за счет ухудшения качества Су.
Изменяется средняя величина дополнительных затрат на нагрев металла в печи при длительности простоя печи час, если началу простоя соответствуют различные температуры печи t. Поскольку материал получается в результате статической обработки, каждому значению температуры соответствует некоторое математическое ожидание кривой плотности дополнительных затрат на нагрев.
Это математическое ожидание дополнительных затрат является мерой риска при отклонении процесса от оптимального режима, и зависимость этой величины от характеристического параметра процесса может быть названа частной функцией риска.
Пути снижения себестоимости нагрева металла.
В процессе подготовки металла к прокатке каждый из параметров состояния слитков вносит свои изменения в величину себестоимости нагрева стали. Температура посада, распределение температур по сечению в начале нагрева, марка стали и прочее – все это сказывается на приведенных затратах на нагрев.
Аналогичное влияние оказывает и тепловая, и организационная работа методических печей. Длительность отдельных периодов, температура подогрева газа и воздуха, коэффициент расхода воздуха и целый ряд других параметров сказываются на себестоимости нагрева слитков и их качестве.
В ходе курсового проекта был произведен анализ технологического процесса нагрева заготовок в методической трехзонной печи как объекта автоматизации, сформулирована цель курсового проектирования и выработаны требования к системе автоматизации процесса. Сделан критический обзор известных технических решений по автоматизации технологического процесса нагрева заготовок, обосновано дальнейшее направление автоматизации исследуемого процесса и сформулированы функции разрабатываемого устройства автоматизации. Произведена алгоритмизация системы автоматизации, при этом выделены блоки, подвергшиеся изменениям в результате данной разработки. Произведено обоснование и разработка схемотехнического решения устройства автоматизации, а именно проанализирована структурная схема системы автоматизации технологического процесса, разработаны структурная схема блока регулирования скорости подачи, а также разработана и принципиальная электрическая схема разрабатываемого блока. Произведены необходимые расчеты элементной базы устройства, разработано программное обеспечение для управления устройством с помощью микроконтроллера, а также произведен расчет надежности данной схемы. Произведена разработка компоновочных решений устройства автоматизации, разработана печатная плата созданного блока, а также проанализировано размещение данного блока на аппаратуре автоматизации. Разработаны мероприятия по безопасной и безаварийной эксплуатации разработанного технического решения, произведено технико-экономическое обоснование эффективности принятых технических решений.
Таким образом, разработанная система автоматизации методической трехзонной печи удовлетворяет заданным техническим и технологическим требованиям. Вместе с тем, разработанный блок имеет не окончательный вариант и будет дорабатываться в магистерской работе.
1. Буглак Л.И., Вольфман И.Б., Ефроймович С.Ю. Автоматизация методических печей, М: Металлургия, 1981г.-195с
2. Гусовский В.А., Оркин Л.Г., Тымчак В.М. Методические печи. М: Металл, 1970г.-430с
3. Тайц Н.Ю. Розенгарт Ю.И. Методические нагревательные печи. М: Металл, 1964г.-408с
4. Н.Н. Евтихиев, Я.А. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скугоров Измерение электрических и неэлектрических величин. Москва: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.
5. М.Д. Климовицкий Автоматизация методических печей. Москва: Металлургия, 1981. - 196с.
6. К.Б. Клаассен Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. Москва: Постмаркет, 2000. - 352 с.
7. Н.И. Чистяков Справочная книга радио-любителя-конструктора. М: Радио и связь, 1990.-624 с.