Внедрение усовершенствованных режимов работы методических печей на основе развития методов и средств информационной технологии промышленного эксперимента

Совершенствование тепловой работы нагревательных печей является существенным резервом повышения производительности и экономичности всего комплекса металлургического производства. Повышенная материалои энергоемкость производства, значительный износ основных производственных фондов, невысокий технический уровень приводят к тому, что энергопотребление на 1 т. проката в России на 30% больше по сравнению с металлургией ведущих стран [1,2].

В связи с этим актуальным является, в частности, улучшение тепловой работы методических печей прокатного производства, под которым понимается решение следующих задач :

— снижение удельного расхода топлива;

— улучшение температурного режима нагрева металла;

— снижение угара металла;

— уменьшение выбросов М0Х.

Как показывает практика, только после проведения комплексного исследования тепловой работы методических печей можно выработать рекомендации для улучшения их работы.

На кафедре Теплофизики и теплоэнергетики металлургического производства Московского Государственного института стали и сплавов выполнен рабочий проект и создан опытный действующий образец специализированного комплекса оперативной теплотехнической диагностики металлургических агрегатов (КОДТАГ), представляющий собой мобильную теплотехническую лабораторию (МТЛ) на базе автофургона (рис. 1.1).

Функционально-целевая структура КОДТАГ обеспечивает решение многообразных задач, возникающих в ходе экспериментальных работ: наладка, диагностика и проведение теплотехнических исследований преимущественно протяжных, проходных и камерных печей, предназначенных для нагрева и термообработки металланакопление и автомаа) Внешний вид.

Щ гГСт^Г В. ^жтштть.

Ш.

ВВ -1 'Ж *.

Щ Щ -1- Ир 7 Жж чИ1.

1 1 ' ¦, Л 1.

Т 1 ж — УШк- ^ 1§-й т Ш 1.

ШШт ШЩр? у.

6) Рабочий отсек.

Рис. 1.1 газированный анализ теплотехнических параметров печейкомплексное применение инженерных методик расчетов на основе математических моделей тепловой работы агрегатовиспользование опыта последних достижений и разработок в области тепловой диагностикиавтоматизированное решение задач выбора режимов работы агрегатовавтоматизированное формулирование текстовой, табличной и графической информациирасчет показателей технико-экономической эффективности исследуемых объектов и предлагаемых решенийинформационная и программная поддержка исследований, ориентированных на конкретную специфику изучаемого объектапрогнозирование и проектирование рациональных энергои материалосберегающих режимов нагрева и термообработки в ходе наладки и исследования печного агрегатавыработка рекомендаций для операторов и проектных организаций по выбору типов и места установки датчиков для контроля параметров печи и управления процессами нагрева и термообработки [3].

Целью работы является развитие и применение методик исследования и наладки рациональных режимов работы методических печей металлургического производства с помощью мобильной теплотехнической лаборатории (МТЛ).

Решение задачи комплексного исследования включает в себя :

— анализ существующих методов исследования тепловой работы методических печей;

— разработку новых методов исследования тепловых и температурных режимов работы методических печей;

— разработку структуры МТЛ для комплексного исследования указанных печей;

— разработку соответствующего программного обеспечения;

— практическую проверку методики комплексного исследования методической печи.

Научные положения диссертационной работы практически реализованы на уровне конкретного наполнения МТЛ, использование которой для исследования методических печей позволит улучшить их тепловую работу. Это приведет к улучшению качества нагрева, снижению затрат на нагрев металла и улучшению экологической обстановки на металлургическом комбинате.

Таким образом, основное содержание работы заключается в разработке методик проведения комплексного исследования методических печей, анализа и использования его результатов.

Методика комплексного исследования основана на одновременном измерении таких параметров работы печи как: температура зон, температура металла в печи и на выдаче в процессе движения к прокатному стану, расход топлива и воздуха (общий и зональный), давление в рабочем пространстве печи, состав продуктов сгорания, анализ газовой атмосферы в печи, тепловое состояние наружной поверхности печи, температура подогрева воздуха, расход охлаждающей воды и некоторые другие параметры. Контроль основных параметров тепловых и температурных процессов производится непрерывно в процессе нагрева исследуемой марки металла.

В главе 2 приведено описание объектов исследования — методических печей, особенностей их тепловой работывыполнен анализ методологии натурного исследования температурных режимов нагрева металла и математического моделирования теплообмена в рабочих пространствах рассматриваемых агрегатов, проанализированы проблемы экспериментального изучения нагревательных печей.

Глава 3 посвящена формулировке и уточнению понятий, определений и терминов, позволяющих полнее анализировать теплотехнические исследования в металлургии как научную предметную область.

Введено понятие теплотехнической исследовательской системы металлургических печей (ТИС МП), дана классификация таких систем и сформулированы принципы их прогрессивного развития.

В главе 4 приведено описание структуры МТЛ, предназначенной для изучения тепловой работы методических печей, дано описание разработанных в данном исследовании датчиков для изучения температурных режимов и программного обеспечения теплотехнической лаборатории.

Глава 5 содержит результаты проверки истинности предложенных теоретических и практических разработок на методических печах опытным путем. Приводятся данные по экономическому эффекту от внедрения топливосберегающих мероприятий. Выработаны рекомендации по диагностике проходных нагревательных печей прокатного производства.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Сформулированы обоснованные дополнения и уточнения в понятийно-терминологическом поле изучаемой предметной области, например, такие как: теплотехническая исследовательская система (ТИС), рациональный режим нагрева металланулевое, частичное или полное параметрическое отображение объекта в сопряженную сенсорно-интеллектуальную структуру, локальная эффективная температура рабочего пространства печи.

Выдвинут принцип комплексного исследования тепловой работы металлургической печи с помощью системы автоматизированного сбора и обработки информации.

2. Созданы способы исследования температурного режима нагрева металла в методической печи с помощью протяжных термопар и автономного средства.

Предложен и разработан способ контроля температурного режима нагрева металла в методической печи с помощью закрепляемого на заготовке блока термопар, позволяющих синхронно и непрерывно по всей длине печи регистрировать температуру в массе и на поверхности заготовки, а также в прилегающей к ней окрестности рабочего пространства печи, т. е. локальную эффективную температуру рабочего пространства печи.

3. С использованием вышеуказанных способов контроля температурного режима нагрева заготовок разработана методика дуальной адаптации двухцелевой математической модели теплообмена в печи, позволяющая: а) существенно расширить возможности диагностики технологического режима нагрева металла и теплового состояния агрегатаб) выбирать рациональный режим нагрева заданного металла путем перебора профиля локальной эффективной температуры по длине печи при заданных ограничениях и критерии рациональностив) реализовать рациональный режим на основе информации штатных датчиков о зональной температуре печи.

Дуальность адаптации состоит в том, что по измерениям локальной эффективной температуры печи определяется коэффициент теплоотдачи к металлу непрерывно по длине печи, чтобы при последующем варьировании профиля локальной эффективной температуры рассчитывать рациональный режим нагрева, и одновременно определяется коэффициент теплоотдачи к металлу при использовании информации о зональной температуре печи в целях поддержания рационального режима штатными датчиками и регуляторами. Таким образом, математическая модель является двухцелевой, а ее адаптация — дуальной.

4. Разработаны фрагменты информационной технологии комплексного теплотехнического исследования методической печи с использованием МТЛ, включающие алгоритмическое и программное сопровожде.

— и ние.

5. Разработаны математические модели прогноза окалинообразо-вания и выбросов К0Х при изменении температурного режима нагрева металла.

Результаты диссертационной работы были проверены на методических печах стана 2000 АО «НЛМК» .стана 900/680 ПО «Кировский завод», стана 1450 АО «ММК», в сортопрокатном цехе завода «Серп и молот». Верификация результатов позволила получить достаточно большое количество экспериментальных данных, подтверждающих эффективность методик, предложенных в диссертационной работе.

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции «Научные основы создания энергосберегающей техники и технологий» (Московский энергетический институт, 27−29 ноября 1990 г.), а также на научных семинарах кафедры Теплофизики и теплоэнергетики металлургического производства МГИСиС (ТУ) и технических совещаниях вышеуказанных предприятий.

— 12.

— 141 -6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Сформулирована концепция комплексного автоматизированного исследования тепловой работы печи, базирующаяся на системе автоматизированного сбора и обработки информации, использующей разра-ботаный алгоритм диагностики для отработки рациональной гарантированной теплотехнологии.

2. С целью оснащения мобильной теплотехнической лаборатории первичными измерительными преобразователями созданы новые устройства для исследования температурных режимов работы методических печей, в том числе многоцелевой датчик дистанционного типа, устройство АКТР, датчик экстремальной температуры нагрева.

3. Выполнена отработка методики измерения температуры металла проходными термоэлектрическими преобразователями. Верификация методики показала возможность и эффективность применения гибких автоматически протягиваемых электроизолированных термоэлектродов на методических печах.

4. Разработана модель нагрева металла, позволяющая рассчитать эффективный температурный режим нагрева металла и необходимый для его реализации профиль локальной эффективной температуры по длине методической печи.

Создана и апробирована методика адаптации указанной модели с помощью многоцелевого температурного датчика дистанционного типа. Создана методика прогнозирования рационального гарантированного режима нагрева металла и выработки рекомендаций для осуществления этого режима по информации, поступающей со штатных средств регулирования температуры в зонах печи.

5. Предложена и разработана экспертная система для теплотехнического исследования печей, обеспечивающая диагностику наруше.

— 142 ний тепловой работы методической печи, состоящая из базы знаний и машины вывода и позволяющая в процессе диалога с пользователем определить наиболее вероятные причины нарушения работы агрегата.

Для изучения таких сложных систем, как металлургические печи, представлена методика использования компьютерных экспертных систем, основанные на базе знаний, создаваемой высококвалифицированными экспертами в области прикладной и научной теплотехники.

6. Создано программное обеспечение теплотехнических исследований металлургической печи с помощью мобильной теплотехнической лаборатории, написанное на алгоритмических языках Qwick Basic 4.0 и Turbo Pascal 5. О и работающее в диалоговым режиме. Программные продукты отвечают современным требованиям, удобны в пользовании, представляют из себя серию подключенных друг к другу меню, позволяющих запускать расчетные и сервисные программы.

7. С помощью МТЛ проведено комплексное теплотехнологическое изучение тепловой работы проходных нагревательных печей ЛПЦ-3 НЛМК, ЛПЦ-1 ММК, сортопрокатного цеха ПО «Кировский Завод» с целью изучения особенностей теплового, аэродинамического и температурного режимов. Установлены нарушения распределения статического давления, условий смешения топлива и воздуха, наличие большого избытка кислорода, несоответствие стратегии управления в условиях частых задержек производства, плохая управляемость температурным и тепловым режимом, участки рабочего пространства с неэффективным теплообменом, несоблюдение технологического режима персоналом, обслуживающим методические печи.

8. Экспериментально установлены колебания темпа нагрева заготовок, связанные с охлаждающим влиянием воздуха, попадающего в печь через окна методической зоны и неплотности футеровки, пережима между методической и сварочной зонамиболее интенсивным.

— 143 теплообменом в местах направленного действия факелов горелок.

9. Разработаны математические модели прогноза окалинообразо-вания и выбросов N0X при изменении температурного режима нагрева металла и методика их адаптации по данным исследования, проводимого с помощью МТЛ.

10. Проводилось исследование температурных режимов нагрева на методических печах стана 2000 Новолипецкого металлургического комбината с помощью МТЛ. В результате исследования были выявлены недостатки существующих режимов нагрева и был предложен новый режим, при котором снижены задания температуры в 1-й сварочной зоне на 20%. Повторное исследование нового реализованного режима подтвердило правильность расчета и он был рекомендован к внесению в технологическую инструкциию. Внедрение нового режима привело к снижению удельного расхода топлива на 12%, количества угара металла на 15%, количества выбросов NOx на 4%, повышению марочнос-ти более чем в 2 раза.

И. Проведено комплексное исследование тепловой работы методических печей стана 900/680 ПО «Кировский Завод» в процессе которого был предложен ряд мероприятий, в результате внедрения которых на 20% был снижен расход топлива на печь, на 40% уменьшено количество окалины и шлака, ликвидирован недопустимый перепад температуры между поверхностью и центром слитка, повышен в 2 раза межремонтный срок работы печи, снижено охлаждение слитка в пережиме между сварочной и томильной зонами со 100 — 150 °C до 30 °C.

12. На методической печи ЛПЦ-1 АО «ММК» проведен комплексный теплотехнологический эксперимент с целью изучения особенностей теплового, аэродинамического и температурного режимов. Установлена неудовлетворительная работа изоляции глиссажных труб и неравномерность нагрева сляба по толщине. По результатам исследования.

— 144 предложен и внедрен комплекс энергосберегающих мероприятий: установка аэродинамической стенки в нижней сварочной зоненанесение интенсивно излучающего герметизирующего покрытия на внутреннюю поверхность кладки и аэродинамическую стенкуустановка навесной теплоизоляции опорной системы труб и покрытие глиссажных труб принципиально новым радиационно-отражающим покрытием с применением технологии электродуговой металлизациивведение режимов ограничения максимальных тепловых нагрузок в период прокатки и при «холостом» ходе печиперевод на работу с 3-х печей вместо 5-ти. После внедрения указанных мероприятий неравномерность нагрева по длине и толщине слябов на выдаче из печи не превышала 10−30°С, удельный расход топлива снизился на 12%- угар металла на уменьшился на 5%.

13. Проведенная с помощью МТЛ тепловая диагностика методических печей свидетельствует о правильности принятой концепции. Все основные измерительные средства, алгоритмы, расчетные и сервисные программы, информационная и вычислительная техника показали свою надежность и эффективность применительно к совершенствованию режимов работы методических печей. Установлена целесообразность их комплексного использования при проведении теплотехнических исследований, наладке рациональных режимов и совершенствовании тепловой работы и конструкции печных агрегатов, что обеспечивает значительное повышение эффективности их работы, экономию энергоресурсов, улучшение качества металла и рост производительности.