Способ управления импульсным нагревом металла
Изобретение относится к автоматическому управлению нагревом металла в камерных нагревательных печах периодического действия и может применяться в металлургии и машиностроении. Цель изобретения - снижение расхода топлива . Способ включает управление скоростью изменения температуры теплового центра металла по заданной программе путем изменения частоты импульсного воздействия расходом топлива. Новым в способе является определение резонансной частоты объекта управления и создание импульсного воздействия на объект на резонансной частоте. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)5 С 21 0 11/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4818594/02 (22) 05,03.90 (46) 23.03.92. Бюл. № 11 (71) Ивановский энергетический институт им. В.И.Ленина (72) С,И.Девочкина, Е,В.Захарова и А.Е.Кочетков (53) 669.012(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
¹ 1086023, кл. С 21 D 9/00, 1982.
Авторское свидетельство СССР
N 1470792, кл. С 21 D 11/00, 1987. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЪ|М НАГРЕВОМ МЕТАЛЛА
Изобретение относится к способам автоматического управления нагревом металла в камерных нагревательных печах периодического действия и может найти применение в металлургии, машиностроении, строительной промышленности.
Известен способ отопления камерных нагревательных печей, включающий подачу в рабочее пространство постоянного расхода топлива и воздуха в период подъема температуры и импульсную их подачу в период выдержки металла и сжигание топлива, с целью сокращения расхода топлива и повышения качества нагрева импульсную подачу воздуха и топлива осуществляют в период выдержки при снижении температуры до минимально допустимой и прекращают при достижении максимально допустимой температуры. Подачу или отключение топлива и воздуха в период выдержки осуществляют с запаздыванием между собой на 10-30 с.
Недостатком способа является отсутствие контроля и управления тепловым пото-:
„„5U„„1721104 А1 (57) Изобретение относится к автоматическому управлению нагревом металла в камерных нагревательных печах периодического действия и может применяться в металлургии и машиностроении.
Цель изобретения — снижение расхода топлива. Способ включает управление скоростью изменения температуры теплового центра металла по заданной программе путем изменения частоты импульсного воздействия расходом топлива. Новым в способе является определение резонансной частоты объекта управления и создание импульсного воздействия на объект на резонансной частоте. 1 з.п. ф-лы, 6 ил. ком, поглощаемым металлом. Управляющее воздействие на расход топлива (и, соответ ственно, воздуха) формируют по косвенной характеристике нагрева металла — температуре в печи, Температура в печи не.отражает динамики внешнего и внутреннего теплообмена вметалле,,поэтому не может служить представительным импульсом для управления нагревом металла.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ управления нагревом металла по заданной скорости роста температуры теплового центра металла, включающий измерение температуры теплового центра металла, определение скорости изменения температуры теплового центра и переход на импульсный нагрев при прохождении скорости изменения температуры теплового центра через ее максимальное течение, при отклонении текущей екорости изменения температуры теплового центра от заданной
1721104 на 5ь изменяют скважность импульсного воздействия, Недостаток известного способа состоит в том, что частоту импульсного воздействия определяют, исходя из действующих по условиям технологии нагрева металла ограни.чений, беэ учета резонансных свойств объекта управления. Однако из теории печей известно, что камерная нагревательная печь представляет собой замкнутую динамическую систему газ — кладка — металл.
Наличие взаимного теплообмена в замкнутой системе свидетельствует о том, что процесс усвоения тепла металлом протекает в режиме свободных колебаний. Следовательно, печь как объект управления нагревом металла может быть аппроксимирована колебательным звеном. Колебательное звено обладает резонансными свойствами, следовательно, для повышения эффективности управления нагревом металла частоту вынужденного воздействия следует выбирать, исходя из резонансных свойств объекта управления.
Целью изобретения является снижение расхода топлива на нагрев металла.
Согласно способу управления нагревом металла, включающему измерение скорости изменения температуры теплового центра металла, сравнение ее с заданной и воздействие на расход топлива и воздуха в период подъема температуры металла и переход на импульсную подачу топлива и воздуха в период выдержки металла, подачу воздуха осуществляют с запаздыванием по отношению к подаче топлива, импульсное воздействие осуществляют на резонансной частоте объекта управления. при этом резонансную частоту определяют по формуле жреэ! = R С, рад/с, 1
Ла 1 —— где L = — — — "" - — индуктивность, характеризу Цкл
О! ющая отношение разности температур кладки и металла к единице скорости изменения теплового потока, падающего на кладку, м К с/Вт;
VM
С=См — теплоемкость металла, FM.ýô отнесенная к 1 м эффективной поверхности металла при изменении ее температуры на1 С,Дж/м К;
VM — объем металла, м; з.
CM — теплоемкость металла, Джlм к; з д
R - g — термическое сопротивление металла, м К/Вт;
10 д — — расчетный геометрический
VM гм.эф размер нагреваемого металла, м;
Л вЂ” теплопроводность металла, Вт/м К.
Период импульсного воздействия определяют по формуле
2л е3!
Управление импульсным нагревом металла на резонансной частоте осуществляОэх = — тепловое напряжение
Вт Щ, гм,эф «и печи, К(1);
Вт — расход топлива на печь, м /ч; гм,эф — эффективная поверхность нагрева металла, м; аи — приведенный коэффициент теплоотдачи печи, Вт/м К;
UeMx — — ТЕПЛОВОЕ НаПРЯжЕНИЕ МЕчм
1,7К талла, К (2);
ЛТк ! Ae L = q — индуктивность, характериющая изменения разности температур
55 ют следующим образом. Определяют температурные поля металла Т (R, т)мет, Т (О, т)мет, кладки T(R, т )кл, скорость изменения теплового центра (д Т(О,r)/(ä т)ээд, теп15 лопоглощение металла цм(т), тепловой поток, поступающий на кладку q 20 длительность паузы Ти равной времени отклонения текущей скорости изменения температуры теплового центра от заданной на 57, при смене знака ошибки с "-" на "+" увеличивают подачу топлива, при переходе дТ(О, т)/Bt через задание (д T(Ot)l(ä г)ээд, расход топлива оставляют неизменным до поступления сигнала из блока счета времени об окон .ании периода Т!, при поступлении сигнала из блока счета времени расход топлива уменьшают и переходят на новую длительность цикла Тн- . Импульсную подачу топлива на резонансной частоте объекта управления осуществляют до достижения заданного перепада температур по сечению металла. При разработке способа футеровку печи и нагреваемый металл рассматривают как единую термодинамическую систему, находящуюся во взаимном теплообмене. Это позволяет использовать электрический LRC-контур как аналог процесса нагрева металла. Приняты следующие уравнения и обозначения; 1721104 кладки и металла на единицу скорости изменения теплового потока от металла на кладку, м .К с/Вт, (3); д R = g — термическое сопротивление металла, м ° К/Вт (4); /м С= См — тепловая емкость металFM.Ýô ла, отнесенная к 1 м эффективной поверхности металла, при изменении ее температуры на 1 С, Дж/м К, (5); Уравнение объекта имеет вид CFUBblx + RC dUBbIx + Ц И ых ах Электрический контур, содержащий емкость, индуктивность и омическое сопротивление, является типичным примером колебательного звена, описываемого в общем виде уравнением Т вЂ” + Т1 — + У = lO< сг у с}у ct T где = < 1 — коэффициент демпфироТ1 2Т2 вания колебаний. Амплитудно-частотная характеристика колебательного звена *) ) К ную от подкоренного вы ражения и приравняв ее к нулю ((1 ЙР Т + м T)) = = — 4й} Т3(1 - йР Т ) +2 Т в = О, получают формулу резонансной частоты 1 ареэ = Т, 1,Т1,2 что после подстановки Т2 = ЯС, Т1 = RC приводит к выражению Q)pe e = —.—. RC 1 (6) аС 1 2Е Подставляя в формулу (6) тепловые аналоги электрических величин по формулам (1-5), можно определить резонансную частоту процесса нагрева металла по каналу Ва, qM FM.ýô.ап 17йм Амплитудно-частотная характеристика электрического LRC-контура А(в)— 1 при подста(1 — LC) + RC) новке выражений (1) — (5) г}озволяет получить частотную характеристику канала регулирования (фиг.2). Использование резонансной частоты (фиг.2) Npes для импульсного нагрева металла позволяет увеличить На фиг.1 приведена схема, поясняющая предлагаемый способ; на фиг,2 — амплитудно-частотная характеристика объекта управления А(в) и величина в еа, на фиг.3— зависимость изменения расхода топлива Вт от времени нагрева z (Та — период паузы— уменьшения подачи топлива; T> — период импульса — увеличение подачи топлива и поддержание его постоянным; Tl — период импульсного воздействия); на фиг.4 — зависимость теплопоглощения металла цм(г) в период нагрева и скорости изменения тем55 ат о,r пературы теплового центра в период импульсного нагрева; на фиг.5— временная диаграмма работы исполнительного механизма; на фиг.6- графики измене5 40 теплопоглощение металла в Амакс eel раз, или соответственно, уменьгфаб} шить расход топлива. В процессе нагрева металла изменяются динамические характеристики объекта управления Тг = LC= f1(r);,T1 = RC- 2(г ), где т — время нагрева металла, поэтому в каждом периоде импульсного воздействия следует выполнять параметрическую идентификацию объекта и определять в еэ} . При управлении нагревом металла по заданной программой скорости изменения температуры теплового центра металла с использованием резонансных свойств объекта управления приходят к системе с амплитудно-импульсной модуляцией, воздействуя на импульсную подачу топлива в зависимости от частоты в еа и ошибки ф Тф }}, ) Т О,т}} — .)- 5 / Таким образом, определяют резонансную частоту объекта управления о}рез} через электрическую аналогию процесса нагрева, исходя из представления печи как замкнутой динамической системы теплообмена гаэ — кладка — металл, определяют пе2л риады импульсного воздействия Т}— Юрез! исходя из резонансных свой тв объекта управления, использование резонансных свойств объекта при управлении по задандТ О,т ной программой ()эад скорости изменения температуры теплового центра приводит к уменьшению расхода топлива, изменяют амплитуду импульсного воздействия (расход топлива) в зависимости от резонансной частоты ереа и ошибки измерения скорости изменения температуры теплового центра е. 1721104 ния температур поверхности T(R, т) и теплового центра Т(О,т ) металла во времени. Способ реализуется автоматической системой управления, выполненной на базе управляющей вычислительной машины (УВЫ), работающей в реальном времени в .режиме непосредственного цифрового управления. В УВМ оперативно вводят следующую информацию: марка стали, геометрические размеры заготовок, теплофизические параметры металла; временная программа изменения температуры поверхности металла T(R, t)M«, временная программа изменения температуры теплового центра металла T(0, t)M«, временная программа скорости изменения температуры теплового центра металла . — 1(Т} . дТ О,т BT УВМ получает с обьекта текущую информацию с датчиков температуры и тепломеров. В каждом периоде импульсного воздействия УВМ рассчитывает термическое сопротивление металла R (r) =О/Л(х) тепловую емкость металла С(т) = См(i)1/м/FM.ýô. индуктивность процесса нагрева L (Г) = ДTk/(ä×êë/äã), резонансную частоту процесса нагрева 1 шрез I 2L период импульсного воздействия Т, — 2 Щез! В каждом периоде импульсного воздействия УВМ осуществляет непосредственное цифровое управление скоростью изменения температуры теплового центра металла, Система работает следующим образом. дТО,r При прохождении сигнала M«чет рез максимальное значение УВМ выдает сигнал в систему управления горелочными устройствами на уменьшение подачи топлива и, соответственно, воздуха и начинает отсчет длительности цикла. Одновременно по результатам опроса датчиков T(R, т)мет, Т(0, т)мет, цм(т), чкл(7) УВМ рассчитывает грези длительность периода импульсного 2л воздействия Ti — и выдает Т в блок Npeai счета времени. д ТО,r По результатам опроса УВМ отт слеживает момент прохождения сигнала через задание и при смене знака ошибки д Тф,т} д т Оф с - на+ выдает сигнал в систему управления горелочными устройствами на увеличение подачи топлива (фиг.3 и 4), Увеличение подачи топлива происходит до момента перехо5 дТОт да через задание и далее расход дT топлива остается постоянным до поступления сигнала из блока счета времени на окончание периода импульсного воздействия, 10 При этом УВМ выдает сигнал на уменьшение подачи топлива и далее операции повторяются в новом периоде Тн-). Пример. Способ осуществляют в камерной нагревательной печи периодиче15 ского действия со следующими параметрами: производительность печи 450 кг/ч, вид термообработки — нагрев под закалку, начальная температура металла Те = 20OC, конечная температура металла T(R, т) = 850 С, 20 марка стали 45Х, конечный перепад температур по сечению заготовки Дтм.«H = 90 С: размеры стальной заготовки bxlxh = 450х570х450 топливоприродный газ Qp" = 35.5 МДжlм . 25 В результате технико-экономического расчета получают кривые изменения во времени температуры поверхности металла T(R, т)м, температуры теплового центра металла T(0, t)M, температуры внутренней по30 верхности кладки T(R, т)кд, тепловой поток от металла на кладку qM-xn (т), тепловой поток, усвоенный металлом (теплопоглощение металла), qM(r), Теплофизические характеристики ме35 талла принимают средними в пределах возможного изменения температур Вт. Q = 32 коэффициент теплопроводноM.ê Дж 40 сти; См = 4560 — объемная теплоемMM3. K кость; aM =. О, l12.10 — — коэффициент -5 M температуропроводности. В ходе расчета определены FM.ýô. = 0,952 — эффективная поверхность металла, м; Чм = 0,23 — объем нагреваемого металла, 2. мз д = 0,242 — расчетный размер нагреваемого тела, м. Исходные данные для расчета 50 периода выдержки металла ДТк = T(R, 7 )кл — T(R, Т)м = 50, Д Тм = T(R, t)M - T(O,à )м = 321 С— температурный перепад по сечению металла в начале периода выдержки; Qn = 140 Вт/м К вЂ” коэффициент кон2 вективной теплоотдачи печи; qM „= 15855 Вт/м — тепловой поток от 2 металла на кладку в начале выдержки; qM-к = 8410 Вт/м — тепловой поток от 2 металла на кладку в конце выдержки; 1721104 ЛТр.кон=90 С вЂ” заданный перепад температуры по сечению металла;. г= 1,22 ч — время выдержки, Определяют резонансную частоту объекта.управления в начале периода выдерж- 5 ки 1 /. ЯC С 2L где = M КС =,уц, К -29,49 — Н-,— — индуктив- 1Q ность, характеризующая отношение разности температур кладки и металла к единице скорости изменения теплового потока, поступающего от металла на кладку 15 С = См = 1103 Дж/м К вЂ” тепловая /и 2 FM.эф емкость металла при изменении его температуры на 1ОС, д г 20 R = = 0,00756 м К/Вт — термическое сопротивление металла, тогда вреэ - 0,00555 рад/с. период импульсного воздействия 2х 25 Ti= =188мин, ©рез! Т = Т + Тп, где T> — время импульсной подачи топлива; Tn — время прекращения подачи топлива, 30 Расчетным путем определяют график изменения скорости температуры тепловодТОz го центра э,д = f(t), который приниBz мают в качестве задания в способе 35 управления нагревом металла. Для реализации способа применяют УВМ, которая управляет процессом нагрева по заданной программе. Устанавливают первоначальный расход топлива на печь 12 м /ч. Теку- 40 щее значение температуры теплового центра металла Т(О,т) измеряют с помощью датчика — тепломера, представляющего собой физическую модель нагрева металла, в центре образца, выполненного из того же 45 металла, что и нагреваемый, устанавливают термопару, формируют сигнал по скорости изменения температуры теплового центра дТО,z металла д eK = f(z), сравнивают с за- 50 дг данным и формируют управляющее воздействие на расход топлива. Переключение на импульсную подачу топлива и воздуха осуществляют при прохождении скорости изменения температу- 55 ры теплового центра металла через дТ О,z максимальное значение т мэко = 280 К/ч. При прохождении сигнала дТ О,z ек через максимум УВМ выдает сигнал в систему управления горелочными устройствами на уменьшение подачи топлива и, соответственно, воздуха и начинает отсчет длительности цикла. Одновременно по результатам опроса датчиков T(R, z)M, Т(О, z}M,. q„(z), qM(z ) УВМ рассчитывает резонансную частоту Npea = R C= 0,0055 рад/c 1 чу " 2 и длительность периода импульсного воздействия Т = 18,8 мин и выдает длительность периода в блок счета времени, По ато,z результатам опроса УВМ отслежих вает момент прохождения скорости изменения температуры теплового центра через задание и при смене знака ошибки а т от) у 1то,т ек — .— эааа с — на + выдает сигнал в систему управления горелочными устройствами на увеличение подачи топлива (фиг.3). Увеличение подачи топлива происходит до момента перехода рто,т через задание и далее расход толдт лива остается неизменным до поступления сигнала из блока счета времени на окончание периода импульсного воздействия Т =18,8 мин. При этом УВМ выдает сигнал на уменьшение топлива и далее операции повторяются в новом периоде T +>. Длительности импульсов и пауз изменяются в зависимости от степени прогрева металла по сечению (подача и прекращение подачи топлива и воздуха осуществляются аналогично известному). Скорость изменения температуры теплового центра металла в начале импульсной подачи топлива и воздуха 280 К/ч, через 30 мин 200 К/ч, через 60 мин 120 К/ч, через 90 мин 65 К/ч. Резонансная частота объекта управления в начале импульсного воздействия 15,9 мин. Формула изобретения 1. Способ управления импульсным нагревом металла, включающий измерение скорости изменения температуры теплового центра металла, сравнение ее с заданной и воздействие на расход топлива и воздуха в период подъема температуры поверхности металла и переход на импульсную подачу топлива и воздуха при прохождении скорости изменения температуры теплового центра через ее максимальное значение, при отклонении е текущей скорости изменения температуры теплового центра от заданной на 5 изменяют скважность 1721104 12 импульсного воздействия, о т л и ч а ю щ ий с я тем. что, с целью снижения расхода топлива, управление импульсным нагревом металла осуществляют на резонансной частот е а аз, по которой определяют период импульсного воздействия Ti -2к/а ез и при увеличении подачи топлива при изменении знака атох ато разности е —, e« — мд расход топлива поддерживают постоянным до достижения Т . 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что резонансную частоту объекта управления определяют по формуле терез R С ЬТ rye L = -@ — — индуктивность, характеризующая отношение разности температур 5 кладки и металла на единицу скорости изменения теплового потока, поступающего на кладку(м - к с)/Вт; С = См (/мет!Ем.эф.) — теплоемкость металла, отнесенная к 1 м эффективной по2 10 верхности металла при изменении ее температуры не 1 С, дж/(м Кр VM — объем металла, м; C — теплоемкость металла, Дж/(м К); Я =д/1 в термическое сопротивление 15 металла, (м К)/Вт; д= ахмет/ м.эф. — расчетный геометрический размер нагреваемого металла, м; А- теплопроводность металла, Вт/(м.К), 1721104 Редактор И.Шулла Заказ 929 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 8Tfot) dt Составитель Е.Анисимов Техред М,Моргентал Корректор Л.Бескид
