CC BY
40
УДК 621.783.2-52
Симкин А.И., Потемкин В.В.
МЕТОДИКА НАСТРОЙКИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НАГРЕВА МЕТАЛЛА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ (АСУ ТП) ПРОХОДНОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ ПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Процессы, протекающие в рабочем пространстве нагревательной печи, характеризуются совокупностью таких сложных явленной, как излучение и конвекция, массообмен и горение топлива, аэродинамика газовых потоков и теплопроводность. Строгое решение задачи, которое учитывало бы в полной мере все эти явления, в настоящее время не представляется возможным. В связи с этим анализу подвергаются процессы, существенно влияющие на работу нагревательной печи. Влияние остальных параметров не рассматривается или заменяется упрощенным описанием.
Информационная модель нагрева металла позволяет компенсировать отсутствие методов непрерывного измерения температуры металла в садке и является основой для расчета управляющих воздействий на нагревательную печь. На сложность модели накладываются ограничения по времени, так как по ходу технологического процесса необходимо производить перерасчет температуры слябов в печи с достаточно небольшим (1-г2 минуты) интервалом. Из-за вышеизложенных ограничений модель нагрева металла делается упрощенной. Поэтому в нее вводятся настроечные коэффициенты, с помощью которых модель нагрева металла постоянно адаптируется в соответствии с изменением основных параметров агрегата и технологического процесса. К таким параметрам относят: конструкцию нагревательной печи, изменение геометрических размеров нагреваемых слябов, изменения параметров печи по ходу кампании (ухудшение состояния термоизоляции, футеровки печи и др.), колебания параметров топлива и воздуха, подаваемых в нагревательную печь. Модель нагрева металла обычно включает узел адаптации, с помощью которого автоматически корректируются коэффициенты модели. Так как влияние вышеуказанных факторов существенно, то периодически один или два раза в год, необходимо адаптировать модель в соответствии с текущим техническим состоянием печи.
О целью уточнения оценки тепловой работы нагревательных печей и получения тепло-обменных характеристик для корректировки расчетных моделей АСУ ТП в настоящее время проводятся опытные нагревы слябов с измерением их характерных температур в процессе перемещения садки по печи. Для проведения экспериментов в сляб зачеканиваются термоэлектрические термометры, при этом используются различные варианты их расположения в опытном слябе. Предпочтительной является схема, в которой горячие спаи термоэлектрических термометров устанавливаются в среднем сечении слябов через их переднюю (по ходу металла) грань вдоль предполагаемых изотерм [1]. Это позволяет устранить погрешность измерения, связанную с притоком (стоком) тепла по электродам самих термопар к их рабочему спаю (или от него).
Во время экспериментальных нагревов опытного сляба необходимо фиксировать кроме действительной температуры металла параметры температурно-теплового режима нагревательной печи - показания термопар по зонам печи, расход, давление и температуру топлива и воздуха по зонам, давление в рабочем пространстве печи и параметры пара в системе охлажде-
ния подовых балок. Наряду с этим должна также фиксироваться температура металла, рассчитанная моделью оценки теплового состояния сляба, действующей в рамках АСУ 111
Основной формулой для расчета удельных тепловых потоков на поверхность металла остается формула Тимофеева, дополненная конвективным слагаемым [2].
q = С«р
где Спр - приведенный коэффициент теплоотдачи излучением для верхней или нижней I зоны соответственно, Вт / (м2 • °С4);
а - приведенный коэффициент теплоотдачи конвекцией для верхней или нижней зоны
соответственно, Вт/ (м2 • °С4); t, - текущие температуры верхней или нижней зоны, °С; t„ - температуры верхней или нижней поверхностей сляба, °С.
Значения приведенных коэффициентов теплоотдачи излучением Спр и конвекцией а,
вообще говоря, зависят от типа печи, геометрических размеров печи, типа горелок и являются, по (ути дела, настроечными коэффициентами. В связи с тем, что верхние и нижние сварочные зоны, а в некоторых печах и остальные зоны, изолированы друг от друга садкой, и каждая имеет свой температурный режим, то в моделях АСУ ТП, построенных на принципах одностороннего нагрева, настроечным коэффициентом также является коэффициент несимметричности.
Значения температуры зон печи по показаниям термопар не отражают действительного теплообмена для каждого сляба, В связи с этим при настройке модели исходят из локальных лучистых температур [3], настроечными коэффициентами являются коэффициенты перехода от температуры зоны к локальной лучистой температуре.
Экспериментальный сляб с зачеканенными термопарами нагревается в потоке металла, одновременно с этим производится периодическое измерение температур сляба в контрольных точках по его сечению, которые отображают действительное изменение температурного поля опытного сляба по ходу методической печи. После этого строятся совмещенные графики нагрева экспериментального сляба по модели АСУ ТП и действительным температурам, полученным по ходу продвижения сляба в печи (рис. 1).
Обработка результатов экспериментов заключается в получении значений настроечных коэффициентов. Возможны два варианта обработки:
1) методом подбора; сущность метода заключается в определении значений настроечных коэффициентов математическими методами таким образом, чтобы результаты расчета модели сходились с опытными данными;
2) путем решения обратной задачи теплопроводности (ОЗТ).
Недостатком метода подбора является невозможность определения действительных значений настроечных коэффициентов, поэтому он может применяться только для устойчиво работающих печей с постоянными характеристиками садки. Второй метод более предпочтительный, так как воссоздается точная картина внешнего теплообмена в нагревательной печи.
Используя результаты решения ОЗТ, получают графики изменения коэффициентов теплообмена, несимметричности и коэффициентов приведения к локальной лучистой температуре по длине печи [1].
Ъ+273' 100
V ( т+ПЪ\
У 1 100 J
+ a(t3-tn),
ы 00 ш
л Т верхних зон печи —•-Т ср. масс, (эксп.) -о—Т ер. масс (по модели АСУ ТП)
время, мин.
Т нижних зон -печи ■Т центра сляба (эксп.) -Т центра сляба (по модели АСУ ТП)
Т верха сляба (эксп.) верха сляба (по модели АСУ ТП)
Рис. 1- Совмещенный график нагрева экспериментального сляба.
10 15 , 20 25
Расстояние от торца загрузки, м —1 —расчет а соответствии с лонаяьной лучистой температурой —° ' расчет а соответствии с гмхаянияни зонных термопар
Рис. 2-Графих и» (енения коэффициента теплоотдачи сверху по длине печи
томильная жив
УП/\Я |
15 20 25 л X 35
Расстояние от торца загрузки, м
Рис. 3 -Г рафикраспределения коэффициента несимметричности нагрева по длине
методической печи стана 3000.
40 35 30 25 20 координата сляба, н
—• - подобранный опытный путем при настройке нодали АСУ 711 —•—■полученный с помощью решения обратной задачи теплопровод ности
Рис. 4-График зависимости коэффициента коррекции к измеренной температуре
зовы по длине печи
На рисунках 2, 3, 4 приведены результаты решения обратной задачи теплопроводности при настройке модели АСУ ТП нагрева металла в методических печах листопрокатного цеха стана 3000 ММК им. «Ильича».
ВЫВОДЫ
В связи с изменениями конструкций нагревательных печей, условий теплообмена, параметров энергоносителей необходимо осуществить настройку модели оценки теплового состояния садки с целью приведения ее настроечных коэффициентов к постоянно меняющимся параметрам печи. Поэтому в отличие от упрощенной модели, действующей в рамках АСУ ТП, необходимо иметь полную модель, которая решает одновременно и прямую, и обратную задачи теплопроводности.
Перечень ссылок
1. Шмачков П. Л., Снмкин А. И. Экспериментально-расчетное исследование температурных
полей в печи с шагающими балками стана 3000 // Сталь,-1993. - № 6. - С. 89-90.
2. Самойлович Ю. А., Тимошполъский В. И. Нагрев стали: Справочное пособие.-Минск: Вы-
шэйшая школа, 1990. - 314 с.
3. Ключников А. Д., Кузъмик В. Н., Попов С. К. Теплообмен и тепловые режимы в промышлен-
ных печах. -М.: Энершатомиздат, 1990.-176 с.
