Способ управления импульсным нагревом металла

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 51)5 С 21 О 11/00 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ тический инсти ова и А.Е.Ко ах СССР982.СССР1987.Я ИМПУЛЬС ьство/00,ьство1/00 4) СПОСОБ УПРАВЛЕН ЪМ НАГРЕВОМ МЕТАЛЛ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетелМ 1086023, кл. С 21 О 9Авторское свидетелМ 1470792, кл, С 21 О 1 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 потоаю.2.0. п 1) 1 72 1 1 04 А 1(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, соответственно, воздуха) формируют по косвенной характеристике нагрева металла - температуре в печи, Температура в печи не.отражает динамики внешнего и внутреннего теплообмена в металле, поэтому не может служит 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 заданной5 10 50 55 на 5 ь 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 являетсяснижение расхода топлива на нагрев металла.Согласно способу управления нагревом металла, включающему измерениескорости 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 Врез - / - 1С, Рад/с,1Ла 1 --где= -- . - индуктивность, характеризуОЦклющая отношение разности температуркладки и металла к единице скорости изменения теплового потока, падающего накладку, м К с/Вт;ЧмС=См - теплоемкость металла,Рм.эфотнесенная к 1 м эффективной поверхности металла п 2 ои изменении ее температурына 1 С,Дж/м К;Чм - объем металла, м;з.См - теплоемкость металла, Дж/м к;зОЙ"- термическое сопротивление металла, м 2 К/Вт; д -- расчетный геометрическийЧмЕм.эфразмер нагреваемого металла, м;Л - теплопроводность металла, Вт/м К. Период импульсного воздействия определяют по формуле2 лЙрезУправление импульсным нагревом металла на резонансной частоте осуществляют следующим образом. Определяют температурные поля металла Т (В, т)мет, Т (О, т)мет, кладки Т(й, т)кл, скорость изменения теплового центра (д Т(О,г)/(д т)зэд, теп лопоглощение металла цм(т), тепловойпоток, поступающий на кладку окл(7), определяют резонансную частоту объекта управления, врез и длительность периода Т и выдают Т в блок времени УВМ, принимают 20 длительность паузы Тп равной времени отклонения текущей скорости изменения температуры теплового центра от заданной на 5%, при смене знака ошибки с "-" на "+" увеличивают подачу топлива, при переходе дТ(О, т)/дг через задание (д Т(От)/(д г)зэд, 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 Т+т. Импульсную подачу топлива на резонансной частоте объекта управления осуществляют до достижения заданного перепада температур по сечению металла.При разработке способа футеровку печии нагреваемый металл рассматривают как единую термодинамическую систему, находящуюся во взаимном теплообмене. Это позволяет использовать электрический ЫС-контур как аналог процесса нагрева металла.Приняты следующие уравнения и обозначения;45 Оэх =- тепловое напряжениеВтЩ,Ем,эф Оппечи, К(1);Вт - расход топлива на печь, мз/ч;Гм,эф - эфективная поверхность нагрева металла, м;ап - приведенный коэффициент тепло- отдачи печи, Вт/м К;Оэмк - Т 7 - "= тепловое напряжение мечмЬВталла, К(2);ЬТкгде= дц-"- индуктивность, характериющая изменения разности температурчто после подстановки приводит к выражению 1 Мрез= - = - , В С йС 16) Подставляя в формулу (6) тепловые аналоги электрических величин по формулам (1-5), можно определить резонансную частоту процесса нагрева металла по каналуВ 0" цм.эфСа Ь ВмАмплитудно-частотная характеристика электрическогоВС-контура А(в) -1при подста(1 - 1 С) + ЙСновке вМражений (1) - (5) позволяет получить частотную характеристику канала регулирования (фиг,2). Использование резонансной частоты (фиг.2) врез для импульсного нагрева металла позволяет увеличить кладки и металла на единицу скорости изменения теплового потока от металла на кладку, м Кс/Вт,(3);дВ =- термическое сопротивление металла, мг К/Вт(4);Чм С= См - тепловая емкость металГм.эф ла, отнесенная к 1 м эффективной поверх-. ности металла, при изменении ее температуры на 1 С,Дж/м К,(5); Уравнение объекта имеет вид(РОаых + ВС с 10 аых + ц ИЭлектрический контур, содержащий емкость, индуктивность и омическое сопротивление, является типичным примером колебательного звена, описываемого в общем виде уравнением Т - +Т 1 - +у =Ь дгу фд 7 где =( 1 - коэффициент демпфироТ 12 Тг вания колебаний.Амплитудно-частотная характеристика колебательного звена 4(") -; ю, т,в.КР РБ РЕ Р Д ную от подкоренного выражения и приравняв ее к нулю= - 4 в Т 3(1 - йР Т) +2 Тв = О, получают формулу резонансной частоты теплопоглощение металла вАмакс азраз, или соответственно, уменьЖрабшить расход топлива,5 В процессе нагрева металла изменяются динамические характеристики объектауправления Тг =1 С=тф);,Т 1 = ВС- гг(г ),где т - время нагрева металла, поэтому вкаждом периоде импульсного воздействия10 следует выполнять параметрическую идентификацию объекта и определять врезПри управлении нагревом металла позаданной программой скорости изменениятемпературы теплового центра металла с"5 использованием резонансных свойств объекта управления приходят к системе с амплитудно-импульсной модуляцией,воздействуя на импульсную подачу топливав зависимости от частоты врез и ошибкиф Т 0 Е фТО,) - ., 5,уТаким образом, определяют резонансную частоту объекта управления врез через электрическую аналогию процесса25 нагрева, исходя из представления печи какзамкнутой динамической системы теплообмена гаэ - кладка - металл, определяют пе 2 дриады импульсного воздействия Т -Юрезисходя из резонансных свой тв объекта управления, использование резонансныхсвойств объекта при управлении по заданат о,ной программой (3 зад скорости из 35 менения температуры теплового центраприводит к уменьшению расхода топлива,изменяют амплитуду импульсного воздействия (расход топлива) в зависимости от резонансной частоты врез и ошибки40 измерения скорости изменения температуры теплового центра е.На фиг.1 приведена схема, поясняющаяпредлагаемый способ; на фиг,2 - амплитудно-частотная характеристика объекта управления А(в) и величина врез, на фиг.З -зависимость изменения расхода топлива Втот времени нагрева х (Тп - период паузы -уменьшения подачи топлива; Т, - периодимпульса - увеличение подачи топлива иподдержание его постоянным; Т - периодимпульсного воздействия); на фиг,4 - зависимость теплопоглощения металла цм(г) впериод нагрева и скорости изменения тем 55ат о,тпературы теплового центрав период импульсного нагрева; на фиг.5 -временная диаграмма работы исполнительного механизма; на фиг,6- графики изменеЛТм,кон=90 С - заданный перепад температуры по сечению металла; Хвв 1,22 Ч - ВрЕМя ВЫдЕржКИ, Определяют резонансную частоту объекта.управления в начале периода выдерж ки В = / Б 2 Сс г где = - М КСапч-к 2949 - Н; -- индуктив- та ность, характеризующая отношение разности температур кладки и металла к единицескорости изменения теплового потока, поступающего от металла на кладку 15С = См = 1103 Дж/м К - тепловаяЧм 2т м.эфемкость металла при изменении его температуры на 1 С,д г 20й == 0,00756 м К/Вт - термическоесопротивление металла,тогда врез - 0,00555 рад/с, период импульсного воздействия2 уХ 25Т = = 18,8 мин,ЙрезТ = То+ Тп,где То - время импульсной подачи топлива;Тп - время прекращения подачи топлива, 30Расчетным путем определяют графикизменения скорости температуры тепловодТО,хГО цЕНтра зад = т(Х), КОтОрЫй ПрИНИдХмают в качестве задания в способе 35управления нагревом металла. Для реализации способа применяют УВМ, которая управляет процессом нагрева по заданнойпрограмме. Устанавливают первоначальный расход топлива на печь 12 м /ч, Текущее значение температуры тепловогоцЕНтра МЕтаЛЛа Т(ОтХ) ИЗМЕряЮт С ПОМОЩЬЮдатчика - тепломера, представляющего собой физическую модель нагрева металла, вцентре образца, выполненного из того же 45металла, что и нагреваемый, устанавливаюттермопару, формируют сигнал по скоростиизменения температуры теплового центрадТО,хметалла дек = ф), сравнивают с задХданным и формируют управляющее воздействие на расход топлива.Переключение на импульсную подачутоплива и воздуха осуществляют при прохождении скорости изменения температуры теплового центра металла черездТ О,хмаксимальное значениеХмакс = 280К/ч. При прохождении сигнала дТ О,хек 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 Т(К, х)м, Т(О, Х)м,. Цкл( Х), Чм(Х ) УВМ раССЧИтЫВаЕт РЕЗО- нансную частотувхлрез = й С= 0,0055 рад/с1ЧГС 1 2и длительность периода импульсного воздействия Т = 18,8 мин и выдает длительность периода в блок счета времени, Подто,хрезультатам опросаУВМ отслежиХвает момент прохождения скорости изменения температуры теплового центра через задание и при смене знака ошибкиа атно,т а 1 то,т 1д х ек - х задс - на + выдает сигнал в систему управления горелочными устройствами на увеличение подачи топлива (фиг.З). Увеличение подачи топлива происходит до момента перехода а т о,тчерез задание и далее расход тол.атлива 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 Т+1. 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 подаема 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 скважность1721104 ескид едактор И.Шул аказ 929 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035. Москва, Ж. Раушская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбин тент", г, Ужгород, ул.Гагарина,ат "Па дТГО дс Составитель Е.АнисимовТехред М,Моргентал Коррект