Автореферат

магистерской работы по теме:

"Исследование тепловых процессов в своде мартеновской печи и разработка автоматизированного устройства регулирования температуры свода"

Введение и обоснование актуальности
Цель и задачи работы
Обзор известных решений по автоматизации процесса охлаждения свода мартеновской печи
и разработка требований к устройству
Заключение, перечень основных результатов и перспектив исследования
Список использованой литературы

Введение и обоснование актуальности

      Все высокотемпературные процессы, проходящие в печи губительно влияют на эллементы футеровки, внешнего крепежа (балки, подвесы, арматура печи и т.д). Для предотвращения этого влияния необходимо охлаждение (водяного типа, испарительного либо воздушного).
      Для поддержания нормальной температуры в верхнем слое (слое графитной засыпки) мартеновской печи необходима система регулирования, которая будет оперативно считывать и обрабатывать данные о текущей температуре, будет автоматически принимать решение о необходимости охлаждения либо подогрева слоя, и автоматически принимать соответствующие меры по достижению результата. Для этого необходимо использовать компоненты системы отвечающие требованиям системы по режимам работы, времени реагирования, чувствительности, термостойкости и другим параметрам. А также быть оптимальными с экономической точки зрения.
     Кроме основной функции данной системы – функции охлаждения свода регулированием скорости (производительности) тока воды, система так же должна контролировать и регулировать смежные вопросы работы системы, таких, как: контроль верхнего и нижнего уровней воды в водосборнике, регулирование подачи воды из сети в водосборник. Так же необходима сигнализация о текущем состоянии системы охлаждения свода (температуры (максимальная, минимальная, нормальная), уровня воды (минимальный, максимальный, нормальный)).
     В ходе разработки проекта необходимо уделить большое внимание вопросам математического моделирования процесса охлаждения, чтобы иметь точные расчетные данные по температуре для разных точек свода, скорость охлаждения, градиенты температур и т.д.
     Необходимо создать аппаратную часть системы с учетом современных потребностей: с применением современных микроконтроллеров, подключение системы к ЭВМ для диагностики, регулирования программными средствами, а также для логирования и визуализации процесса работы системы.

Цели и задачи работы

Объектом исследований данной работы мартеновская печь.

Целью работы является изучение тепловых режимов свода печи и разработка рекомендаций по повышению эффективности работы системы охлаждения свода.

Задача: Разработать устройство автоматического регулирования температуры свода мартеновкой печи, а так же подсистемы снабжения водой.

Обзор известных решений по автоматизации процесса охлаждения свода мартеновской печи
и разработка требований к устройству

Но на данный момент (по моим данным) системы охлаждения свода работают в постоянном режиме (не регулируется в зависимости от изменения температуры свода). Вид укладки системы охлаждения в теплопроводном слое мартеновской печи представлен на рис.1. Нормальная температура (для толщины огнеупорного слоя приблизительно равной 460мм в теплопроводящем слое на уровне 20 мм от его внешней поверхности) должна находится в пределах от 110 градусов цельсия до 115 градусов цельсия [1].

Рисунок 1 – Система охлаждения в теплопроводном слое мартеновской печи

Функциональная схема системы охлаждения свода мартеновской печи представлена на рис.2.

Анимированный рисунок. Функциональная схема системы охлаждения свода мартеновской печи.

Рисунок 2 - Функциональная схема системы охлаждения свода мартеновской печи Параметры анимации: gif-анимация, число кадров - 6, число циклов - 5, размер 90 кБ. Для запуска анимации необходимо обновить страницу.

Из всех средств для измерения температуры необходимо выбрать те, в которых нижняя граница диапазона измерений ниже 90гр.цельсия, а верхняя выше 190 гр. цельсия, при этом он должен быть аналоговым а не дискретным, для непрерывного получения информации и наиболее дешевым. Этим параметрам отвечают термоэлектрические термометры и резистивные датчики температуры. Рассмотрим их преимущества и недостатки для выбора конкретного типа прибора проведя сравнительный анализ.
Приблизительно 50 –60% всех измерений температуры в промышленности выполняются термопарами, 30 –40%— резистивными датчиками температуры (РДТ), а остальные измерения — другими датчиками, например, термисторами или оптическими пирометрами. РДТ можно использовать для измерений высоких температур (примерно до 1000 °C), нопрактически оказывается трудно обеспечить точность измерения, если температура превышает 400 °C. Точно так же термопары могут использоваться для измерения температур вплоть до 3000 °C, но получить достоверные данные при температурах выше 1000 °C крайне трудно. РДТ и термопары работают достаточно хорошо в диапазоне температур до 400 °C [2], что можно наблюдать из графика на рис.3.

Рисунок 3 – Зависимость уровня выходного сигнала от температуры

Разработка аппаратной части устройства автоматизации
     Как известно, РДТ — активный датчик. Чтобы измерить его сопротивление, необходимо пропустить через него маленький электрический ток (обычно не более 1 мА) [4]. Ток заставляет платиновый элемент РДТ нагреваться выше температуры среды, в которую он помещен. Величина нагрева пропорциональна квадрату протекающего тока и коэффициенту теплопередачи между чувствительным элементом РДТ и средой. Выделение тепла на чувствительном элементе — одна из основных причин возникновения погрешности при проведении измерения температуры с помощью РДТ. Эти ошибки, называемые ошибками саморазогрева, свойственны абсолютно всем РДТ. Из-за саморазогрева РДТ не всегда будет лучшим датчиком при проведении измерений в средах с плохой теплопередачей. В этих случаях лучше использовать термопары, при условии, что другие параметры процесса позволяют использовать их. Термопара в свободном пространстве может иметь более быстрое время отклика, чем РДТ. Но когда датчики используются в изолирующем термокорпусе, время отклика в большой степени зависит от воздушного промежутка между чувствительным элементом датчика и стенкой корпуса. В этом случае. время отклика у них приблизительно равное.
     Как известно, РДТ более точны, чем термопары. Но точно откалиброванная термопара может быть столь же точна, как и РДТ. Однако РДТ держит свою калибровку лучше и дольше, чем термопара. Кроме того, РДТ может быть удален из технологического процесса и повторно откалиброван, в то время как калибровка термопары обычно не может быть произведена после ее использования [8].
     Итак из всего описанного выше можно сделать выводы, что в интересуещем нас диапазоне себя хорошо показывают и термопары и РДТ, но в нашей измерительной системе мы будем использовать закрытое исполнение корпуса чувствительного элемента, а это в свою очередь влияет на погрешност РДТ вызванную саморазогревом. Так же на погрешность РДТ существенное влияние оказывает перепады внешних температур (на соединительные провода). А вблизи мареновской печи имеют место значительные перепады температур. За счет низкой стоимости термопар по сравнению с РДТ мы можем чаще производить замену термопар, а не калибровать их. Недостатком термопар является слабое значение ЭДС, что требует коротких линий связи (до 8 метров), которые должны быть экранированы.
     Компенсация холодных концов является сложной задачей, особенно в условиях мартеновской печи. Использование для этого ванны с тающим льдом, в большинстве практических случаев неприемлемо. Использование активных термостатов, поддерживающих холодные спаи при повышенной (порядка 60°C) температуре, повышает энергопотребление измерительной аппаратуры, приводит к появлению дополнительных помех и необходимости переградуировки. Поэтому на практике обычно производится компенсация температуры холодных спаев аппаратными или программно-аппаратными средствами. В данном случае используется включение в измерительную цепь последовательно с термопарой мостовой схемы рис.3.

Рисунок 3 – Метод компенсации температур

     Устройство согласования между термопарой и микроконтроллером выполнено в виде усилителя. От термопары на вход усилителя поступает термоЭДС Е. Усилитель формирует напряжение необходимое для дальнейшей работы системы автоматического управления. Затем усиленное значение термоЭДС компенсируется напряжением разбалансировки моста, вызванной термосопротивлением R2, включенным в одно из плеч моста, и результирующее напряжение U1 подаётся на систему автоматического управления [6].
     Для последующей работы с сигналом, полученным от датчика его необходимо усилить до значения, с которым сможет работать остальная часть системы. В нашем случае это микроконтроллер ATmega16. Для работы с его АЦП необходим сигнал от 0 до 5В. Преобразуем сигнал в диапазон от 0 до 1В (для температуры от 0 до 210оС) с помощью усилителя К140УД17 [5].
     Устройство согласования микроконтроллера с приводом коллекторной задвижки построено на основе оптрона (АОУ103Б), ограничительного сопротивления, симистора (ВТА208-600) и реле-контактора. Полная схема устройства контроля процесса охлаждения свода мартеновской печи представлена на рис.4.

Рисунок 4 – Принципиальная электрическая схема

Заключение, перечень основных результатов и перспектив исследования

     Было разработано устройство автоматического регулирования температурой свода мартеновской печи. Оно удерживает температуру в заданных пределах, регулируя ток охлаждающей воды автоматической задвижкой, а также регулирует уровень воды в водосборнике в заданных пределах. Необходимо отметить достоинства и недостатки разработанного устройства.
К достоинствам относятся:
     -низкая стоимость устройства в производстве;
     -возможность гибкой настройки устройства на определенные условия срабатывания, и возможность изменения алгоритма работы без вмешательства в аппаратную часть (изменяя только программу), простая синхронизация устройства с компьютером.
     -возможность замера температуры в нескольких местах на своде одновременно.
К недостаткам я бы мог отнести только ограниченную длину линий связи (проводов) от термопар к устройству.
     Для дальнейшего усовершенствования данного устройства к нему можно было бы добавит весь спектр функций по контролю и управлению водяного охлаждения свода мартеновской печи, такие как:
     -контроль давления в системе и выдача сигнала диспетчеру (об аварии) при падении давления;
     -визуализация данного процесса на компьютере в реальном времени.
     Данное устройство, с экономической точки зрения, будет уменьшать затраты на производство продукции за счет экономии топлива, а также продления срока службы конструктивных элементов мартеновской печи (крепежи балок, подвесы свода), уменьшить сроки ремонтного простоя (ограниченной работы).
     Просуммировав ориентировочные рыночные цены на компоненты данного устройства состоянием на апрель 2009, получил общую стоимость, которая равна 2300 ± 300 грн. без учета стоимости соединительных проводов. Учитывая стоимость энергоресурсов на данное время и динамику повышения цен на них, нужно использовать все возможности по экономии топлива, что в свою очередь отразится на себестоимости, а следовательно и на конкурентоспособности продукта мартеновского производства на рынке.

Список использованой литературы

     1. Зайцев Ю.С. - Охлаждение свода и вертикальных каналов мартеновских печей. М.: Недра, 1985г.

     2. Клаассен Клаас Б. Основы измерений, электронные методы и приборы в измерительной технике. - М.:Постмаркет, 2002.

     3. ГОСТ Р 50342-92.Преобразователи термоэлектрические.

     4. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное Пособие. -М. : Энергоатомиздат, 1991.

     5. Климовицкий М.Д., Шишкинский В.И. Приборы автоматического контроля в металлургии, 1979 г.

     6. Лукас В.А. Теория автоматического управления. М.: Надра, 1990.

     7. Кулаков М.В. Измерение температуры поверхностей твердых тел. - М. : Энергия, 1969.

     8. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М. : Энергия, 1978.

Статистика