Автоматизация методической печи

     СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ

1. ВСТУПЛЕНИЕ
2. Конструкция агрегата и технологический процесс
3. методическая печь как объект автоматизации
4. общие задачи автоматизации
5. разработка и описание структурной схемы автоматизации
6. РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
7. РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ КОНТУРА КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
8. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАГРЕВА МЕТАЛЛА В МЕТОДИЧЕСКОЙ ПЕЧИ
9. Инструкция по пользованию программой

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение  А 

      Введение 

     Нагрев металла является важнейшей технологической операцией, в значительной мере определяющей экономические показатели производственного процесса в целом. Технология прокатки предъявляет жесткие требования к качеству нагрева. Распределение температур по сечению заготовки, обеспечивающее необходимую пластичность металла, должно быть достигнуто за определенное время без чрезмерного перегрева поверхности металла. Нагревательные устройства должны обеспечить кондиционный нагрев металла в условиях переменного ритма работы стана и при минимальном расходовании топлива. Качество нагрева определяется избранным графиком нагрева металла, т. е. скоростью и продолжительностью нагрева в каждой из зон печи. Каждому графику нагрева соответствуют конечная температура поверхности металла, неравномерность температур по сечению заготовки и величина угара металла. В современных методических печах кривая, характеризующая распределение температур по длине печи, круто поднимается на участке, соответствующем загрузочному концу печи, и становится пологой на участке, соответствующем высокотемпературной зоне ее.

     Соблюдение  такого графика обеспечивается высокой  температурой отходящих газов. Применение его особенно целесообразно при  нагреве толстых заготовок, так  как теплопроводность металла уменьшается с повышением его температуры. С повышением температуры в сварочной зоне трехзонных печей необходимое время выдержки в томильной зоне часто удлиняется в большей степени, чем сокращается время нагрева в методической и сварочной зонах. Поэтому оптимальное значение температуры сварочной зоны, соответствующее нагреву металла до заданных кондиций, соответствует в первую очередь, заданной неравномерности температур по сечению заготовки.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

     В прокатных цехах заканчивается  цикл металлургического производства. Процесс получения готового прокатного изделия обычно разбивается на несколько этапов: вначале слиток прокатывают на крупных обжимных и заготовительных станах до заготовки, которую затем для получения готового профиля передают на сортовые, листопрокатные или специальные (колесопрокатные, трубопрокатные и др.) станы.

     Качество  продукции и производительность прокатных станов во многом определяются работой нагревательных печей, причем в большинстве случаев ошибки, возникающие при нагреве металла, уже не могут быть исправлены. Проявляясь на последующих переделах, эти ошибки приводят к снижению выхода годной продукции.

     Нагревательные  печи прокатного производства предназначены  для нагрева слитков перед  прокаткой на обжимных станах и заготовок (слябов и блюмов) – перед листовыми и сортовыми станами.

     Являясь начальным звеном технологической  линии прокатного производства, нагревательные печи в своей работе тесно связаны  с ритмом работы прокатного оборудования, и наряду с этим сохраняют особенности, присущие всем теплотехническим агрегатам. Основное время печи работают в переходных режимах, вызванных изменением сортамента, марки нагреваемых заготовок и темпа их выдачи. В прокатном производстве для нагрева металла перед прокаткой используются в основном три вида нагревательных печей: нагревательные колодцы, методические и секционные.

     Современные нагревательные печи представляют собой  высокомеханизированные агрегаты, удовлетворяющие  технологическим и экологическим  требованиям, однако жизнь выдвигает  новые задачи развития печной техники.

     Требования  к работе нагревательных печей включают в себя:

• обеспечение заданной производительности;
• обеспечение качества нагрева, удовлетворяющего технологов по структуре и по механическим свойствам металла, по степени окалинообразования и обезуглероживания;
• эффективное использование топлива, характеристикой которого служит удельный расход энергии на единицу продукции в кг условного топлива на 1 тонну продукции;
• соответствие экологическим нормам по предельно допустимому выбросу в атмосферу пыли и вредных газов: СО, СО2, NOx, SO2, C20H12 и других углеводородов;
• механизация труда при эксплуатации и ремонте печи и автоматизация её теплового режима.

     Интегральным  экономическим показателем технологии нагрева и конструкции печи является себестоимость нагрева и срок окупаемости капиталовложений в строительство или реконструкцию печи при гарантированном качестве продукции и соответствии экологическим нормам.

     В настоящее время производительность печи является варьируемым фактором. Одну и ту же производительность можно обеспечить при работе одной или нескольких печей. Существует понятие оптимальной производительности печи, соответствующей минимуму расхода энергии на нагрев металла, либо минимуму себестоимости нагрева.

     На  передний план выдвигается требование эффективного использования топлива и других ресурсов, т.е. проблема энерго- и ресурсосбережения. В связи с этим меняется актуальность научных проблем. Например, утратила своё значение задача интенсификации теплообмена в печах, как средство повышения скорости нагрева, а, значит, и производительности нагревательных печей. Скоростной нагрев и высокая производительность сегодня не являются самоцелью, поскольку промышленной практике нужны не рекорды, а экономическая целесообразность.

     Из  анализа теплового баланса печи, записанного в форме, предложенной И.Д.Семикиным, следует вывод о том, что возможны три направления энергосбережения:

• уменьшение теплового дефицита металла Дi, т.е. количества теплоты, которое должен поглотить 1 кг металла в печи, чтобы нагреться от начальной до конечной температуры;
• уменьшение потерь теплоты из рабочего пространства печи через футеровку и окна в окружающую среду, а также на разогрев футеровки до рабочей температуры;
• повышение коэффициента использования теплоты топлива (КИТ), т.е. доли теплоты сгорания топлива, которую удается использовать в пределах рабочего пространства печи. Расход топлива на печь обратно пропорционален величине КИТ.

     Рассмотрим  конкретные способы реализации каждого из трёх направлений энергосбережения в современных печах металлургии и машиностроения.

     1 способ. Уменьшение Дi достигается  на практике путем повышения  начальной температуры металла  при посаде его в печь. Так  называемый "горячий посад"  возможен при сохранении в  металле теплоты, полученной им в предыдущем переделе, в том числе теплоты кристаллизации слитков. Применяемая на комбинате "Запорожсталь" технология посада в нагревательные колодцы слитков с незатвердевшей сердцевиной обеспечивает, по свидетельству комбината, сокращение удельного расхода топлива на 40%, с 51,7 до 30,7 кг условного топлива на тонну слитков. Подобные результаты получены на комбинате "Криворожсталь". Согласно расчетам, в момент посада слитков в колодцы примерно 30% их объема занимает жидкая сердцевина.

     Необходимо  как можно меньше охлаждать заготовки, полученные на МНЛЗ, перед посадом в нагревательные печи для последующей прокатки. Примером осуществления такой энергосберегающей технологии являются литейно-прокатные модули.

     В ряде случаев удаётся вообще исключить  промежуточный нагрев металла между двумя последовательными прокатными станами, т.е. довести тепловой дефицит до нуля благодаря уменьшению потерь теплоты раскатами при транспортировке от одного стана к другому. На комбинатах "Запорожсталь" и им. Ильича внедрена технология "транзитной" прокатки слябов на непрерывных листовых станах, при которой 95% слябов прокатываются без промежуточного нагрева в методических печах. В данном случае удельный расход условного топлива в методических печах сокращен с 85 до 15 кг/т.

     Уменьшить Дi можно также путем снижения температуры нагрева металла в печи. Однако надо учитывать, что это повлечет за собой не только уменьшение расхода топлива, угара и обезуглероживания металла, но и увеличит расход электроэнергии на прокатку и, вероятно, сократит срок службы прокатных валков. Таким образом, выбор температуры нагрева заготовок представляет собой задачу оптимизации по минимуму всех затрат на процессы нагрева и прокатки.

     2 способ. Потери теплоты из рабочего  пространства имеют место в  любых печах, но они особенно существенны в нагревательных и термических печах циклического действия, когда в цикл термообработки входит охлаждение печи до низкой температуры или когда такое охлаждение обусловлено длительными промежутками между циклами нагрева садки. Футеровка таких печей, выполненная из шамотного кирпича, поглощает примерно в 3 раза больше теплоты, чем садка металла. Уменьшение количества теплоты на разогрев футеровки достигается путем замены шамотных огнеупоров муллитокремнеземистыми волокнистыми плитами, производство которых налажено на Украине и в России.

     В проходных печах с шагающими  балками благодаря применению волокнистых  материалов для тепловой изоляции стен и водоохлаждаемых балок в  сочетании с бетонной оболочкой  потери теплоты из рабочего пространства сокращают до 3-5% от тепловой мощности печи.

     3 способ. Для повышения КИТ применяют следующие мероприятия:

• снижение температуры уходящих газов в методических и кольцевых печах путем теплообмена с металлом в неотапливаемой зоне;
• уменьшение объема продуктов сгорания на единицу топлива с помощью обогащения воздуха кислородом, путем повышения теплоты сгорания топлива, а также путем полного сжигания топлива при минимальном избытке воздуха;
• уплотнение рабочего пространства и регулирование давления газов в печи с целью устранения подсосов атмосферного воздуха.

     Однако  наиболее эффективным средством  повышения КИТ и экономии топлива  является утилизация теплоты уходящих из печи газов, в частности, путем  нагрева воздуха и газообразного  топлива в рекуператорах или регенераторах.

     В рекуператорах доля теплоты, передаваемой воздуху по отношению к теплоте  уходящих дымовых газов, составляет 30-40%. Остальная часть теплоты выносится в атмосферу.

     На  печах большой мощности устанавливают  энергетические котлы-утилизаторы. Однако присущая нагревательным печам работа с переменной производительностью создает ненормальные условия для эксплуатации дорогостоящих котлов-утилизаторов.

     Причины низкой эффективности существующих рекуператоров таковы:

• температура дымовых газов перед металлическим рекуператором не может быть выше 900-1000°С по условиям его долговечности;
• фактически температура дыма на входе в рекуператор значительно ниже в результате подсоса холодного воздуха в дымовой канал за печью, поэтому температура подогрева воздуха (либо газа) не превышает 300-400°С;
• керамические рекуператоры способны подогреть воздух до более высокой температуры, однако они громоздки и негерметичны. Утечки воздуха через неплотности достигают 50%, в результате чего снижается тепловая мощность печи и нарушается регулирование горения.

     Перспективным направлением развития конструкций  нагревательных печей в XXI веке является применение для утилизации теплоты  печных газов малогабаритных, в частности, шариковых регенераторов. Регенеративные печи нового типа получают распространение в мире по мере накопления опыта их эксплуатации. Насадка малогабаритных регенераторов, применяемых в промышленных нагревательных печах, состоит из корундовых окатышей диаметром 20-25 мм, содержащих 98% Al2O3. Поверхность нагрева 1 м3 такой насадки в 10-15 раз больше, чем кирпичной насадки типа Сименс. Поэтому шариковый регенератор имеет небольшие габариты и может устанавливаться в стенах печи или в так называемой регенеративной горелке. Чтобы возвратить в печь с нагретым воздухом и, при необходимости, с газом как можно больше теплоты, уносимой дымом, насадка регенератора не должна прогреться по всей высоте, поэтому через 1-3 минуты делают перекидку клапанов – дымовоздушных и газовых, при этом температура дыма на выходе из регенератора не превышает 150-200°С.

     Шариковые регенераторы возвращают в печь 85-90% теплоты уходящих из печи газов. Температура  подогрева воздуха примерно на 100°С ниже температуры дыма на выходе из печи. Расход топлива на печь сокращается  в 1,5-2,0 раза. Наибольший эффект относится к печам, не имевшим рекуператоров. Перевод действующих печей на регенеративное отопление требует установки дымососа для преодоления аэродинамического сопротивления шариковой насадки.