Курсовая работа: Автоматизация методической печи

В соответствии с уравнением энергетического баланса существует три уровня потребления энергии. Первый уровень характеризуется эффективным поглощением тепла слябом в процессе нагрева, и составляет 60 % общей энергии. Во втором уровне нагрев происходит за счет сгорания топлива, составляя 20 - 30 %. Во время третьего уровня, тепло поглощается за счет излучения поверхности и других утечек энергии, обусловленных структурой печи. Таким образом, температура уходящих продуктов сгорания является переменной, контролирующей расход энергии.

Существуют два вида потерь энергии, причиной которых является уходящие продукты сгорания топлива и потери тепла, связанные с неполным сгоранием топлива. Следовательно, схема исследования сохранения энергии включает уменьшение температуры уходящих продуктов сгорания и повышение эффективности сгорания топлива.

Таким образом, нагревательные печи металлургии и машиностроения сегодня и в ближайшем будущем должны обеспечивать:

-  высокую равномерность и стандартность нагрева изделий на основе управления процессами движения газов и сжигания топлива;

-  глубокую утилизацию теплоты уходящих газов на уровне КИТ = 85- 90%, в частности с применением малогабаритных регенераторов для нагрева воздуха и, в случае необходимости, газообразного топлива с соблюдением экологических требований;

-  минимальные потери теплоты на разогрев футеровки и через элементы конструкции печей в окружающую среду путем использования огнеупорных и теплоизоляционных волокнистых изделий;

-  малоокислительный режим нагрева со снижением потерь металла в окалину до 0,5% массы нагреваемых изделий.

Актуальным научным направлением развития нагревательных печей является разработка новых горелочных устройств для объемного сжигания топлива с высокотемпературным воздухом, а также систем отопления нагревательных и термических печей с малогабаритными регенераторами.

2.  Конструкция агрегата и технологический процесс

Методическая печь — это агрегат непрерывного действия для нагрева металла перед его прокаткой или ковкой. В данном проекте рассматривается методическая печь стана 3000 комбината имени Ильича.

Нагрев слябов производится в нагревательных семизонных печах с шагающими балками, с двухсторонним нагревом, с торцевым посадом и выдачей.

Печь имеет 7 технологических зон, в том числе, первая зона объединяет верхние и нижние горелки у торца загрузки перед дымоходом. Далее по ходу металла расположены 3 зоны сверху (3,5,7) и 3 зоны снизу (2,4,6).

Печь по длине имеет 4 участка. Первый со стороны загрузки – методическая зона имеет одну зону подачи топлива. Далее по ходу металла участок форсированного нагрева слябов имеет две зоны подачи топлива – верхняя (зона 3) и нижняя (зона 2). Третий участок нагрева слябов до конечной температуры поверхности имеет верхнюю (зона 5) и нижнюю (зона 4) – зоны подачи топлива. Последняя, четвертая, ближе к стороне выдачи – томильный участок, имеет верхнюю (зону 7) и нижнюю (зону 6) подачи топлива.

Рассмотрим назначение зон. Методическая зона (первая по ходу металла) – характеризуется изменяющейся по длине температурой. В этой зоне металл постепенно подогревается до поступления в зону высоких температур (сварочную) во избежание возникновения чрезмерных термических напряжений. Тут осуществляется медленный нагрев металла в интервале температур от 0 до 500ºC, что особенно важно для высококачественных легированных сталей. Вместе с тем методическая зона представляет собой противоточный теплообменник. Находящиеся в состоянии теплообмена дымовые газы и металл движутся навстречу друг другу. Металл нагревается дымовыми газами, т.е. утилизирует тепло дымовых газов, отходящих из зон высоких температур. Общее падение температуры дымовых газов в методической зоне весьма значительно. Обычно в зоне высоких температур методических печей температура газов держится на уровне 1300-1400ºC, в конце же методической зоны она находится в пределах 850-1100ºC. Методическая зона значительно увеличивает коэффициент использования топлива, который достигает 40-45%.

Следующие по ходу металла – сварочные зоны или зоны высоких температур. В этих зонах осуществляется быстрый нагрев поверхности заготовки до конечной температуры. Для интенсивного нагрева поверхности металла в сварочных зонах необходимо обеспечивать температуру на 150-250ºC выше, чем температура металла на выход из печи.

Томильная зона (зона выдержки) – последняя по ходу металла. Она служит для выравнивания температур по сечению металла. В сварочных зонах до высоких температур нагревается только поверхность металла. В результате создается большой перепад температур по сечению металла, недопустимый по технологическим требованиям. Температуру в томильной зоне поддерживают всего на 30-50ºC выше необходимой температуры нагрева металла. Поэтому температура поверхности металла в томильной зоне не меняется, а происходит только выравнивание температур по толщине заготовки.

Транспортирование слябов в печи осуществляется шагающим подом. Дымоудаление производится через свод между первой и третьей зонами дымососом.

Режим работы – непрерывный. Заготовки к печам подаются загрузочным рольгангом и фиксируются в определенном положении перед печью, а затем сталкивателем сдвигаются на неподвижные балки печи. Нагретые слябы выдаются с помощью машины безударной выдачи с нижним приводом.

Данная печь обеспечивает нагрев металла до температуры 1050-1120ºC для сталей типа 06-14 Г2САФБ, 1150-1250ºC для конструкционных сталей типа сталь 15-40.

Путем изменения расходов топлива и воздуха на группу горелочных устройств обеспечивается возможность управления мощностью и режимом сжигания топлива в каждой отапливаемой зоне печи. Отопление печей осуществляется природным газом с помощью двухпроводных горелок типа ДВБ с принудительной подачей газа и воздуха.

Давление газа перед печью составляет 10 кПа, перед горелками – 3 кПа. Давление воздуха соответственно 4 и 2 кПа.

Максимальный расход газа на печь – 17000 м3/час. Максимальный расход воздуха для сжигания топлива – 190000 м3/час.

Воздух в печь подается при помощи вентиляторов холодного дутья через металлический рекуператор, где он подогревается до 350-400ºС.

Продукты сгорания удаляются из рабочего пространства через расположенный над печью котел-утилизатор со встроенным в него рекуператором, и далее через дымососы на дымовую трубу.

Участок печей должен обеспечить нагрев металла (слябов) перед прокаткой от исходного холодного состояния до температур, обусловленных технологическими требованиями процесса прокатки, и поштучную выдачу слябов на стан в моменты времени, определяемые темпом работы прокатного оборудования. В методической печи нагреваются слябы из различных сталей и разных размеров. Размеры слябов приведены в таблицах 2.1 и 2.2.

На нагрев слябы поступают холодными. Температура нагрева слябов перед выдачей из печи составляет 1050-1100ºС.

Перепад температур по сечению нагретого металла 20ºС.

Тепловой режим печей регулируется в соответствии с темпом прокатки и обеспечивает равномерный прогрев металла без оплавления окалины.

Давление в печном пространстве весь период нагрева металла поддерживается положительным в пределах 4-5 Па.

Таблица 2.1 – Размеры непрерывно-литых слябов

Измерение	Линейный размер, мм	Предельные отклонения размера, мм
Толщина	200-315	2.5
Ширина	1250-1900	-5...+10
Длина	2500-2800	0...+20

Таблица 2.2 – Размеры катаных слябов

Измерение	Линейный размер, мм	Предельные отклонения размера, мм
Толщина	100-145 150-240	4 5
Ширина	1100-1550	10
Длина	2500-2800	50...-30

3.  методическая печь как объект автоматизации

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 методических 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 высоких 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 и выше.

Третья (по ходу металла) томильная зона (зона выдержки) 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 технологическим 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 температура 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 следовательно, 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, реализующие 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 зонах отопления и управляющее устройство, которое определяет скорость продвижения металла и при ее изменении 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 продвижения 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 постоянной 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 температура, 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.

4.  общие задачи автоматизации

Температура рабочего пространства

Основным направленно изменяемым параметром при управлении нагревом металла является температура рабочего пространства. Именно она в первую очередь определяет теплоотдачу металлу, распределение температур в его массе, интенсивность окалинообразования, износ конструкций печи и другие важнейшие параметры, характеризующие процесс тепловой обработки металла и работу агрегата. Измеренная температура является главным источником информации о тепловом состоянии отдельных зон и всей печи в целом. На основе этой информации составляют инструкции по нагреву, выполняют тепловой расчет зон, рассчитывают нагрев металла, задают температурный профиль печи, осуществляют управление тепловым и температурным режимами. Достоверность результатов решения перечисленных задач в первую очередь зависит от того, какая величина принята в качестве температуры рабочего пространства, где и как она измерена.

Методическая печь, как и любая её зона, является объектами с распределёнными параметрами. При этом каждой точке печного пространства присуща своя температура, которая и определяет тепловой поток из этой точки на выбранный элемент поверхности металла. Подвод тепла к этой поверхности осуществляется вследствие излучения факела, продуктов горения, стен и свода, а также конвекции. Конвективная составляющая существенна лишь в методической зоне при высоких скоростях продуктов горения, обеспечиваемых многократной принудительной рециркуляцией, создаваемой специально установленными вентиляторами. Для высокотемпературных зон можно с достаточной точностью считать, что металл получает тепло только путём излучения.

Задачей локальной системы является обеспечение заданной температуры рабочего пространства в зоне отопления путём соответствующего изменения ее тепловой нагрузки.

Страницы: 1, 2, 3, 4