СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОДНОРОДНОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ ИЗДЕЛИЙ В НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ, И НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ
CONTROL METHOD OF PRODUCTS TEMPERATURE UNIFORMITY IN HEATING FURNACE USED IN FERROUS METALLURGY, AND HEATING FURNACE

Настоящее изобретение относится к способу контроля однородности температуры изделий черной металлургии, в частности слябов и заготовок, в нагревательной печи, оснащенной боковыми горелками.
Нагревательные печи, используемые в черной металлургии, предназначены для доведения температуры изделий до соответствующей температуры прокатки и обеспечения соответствующей однородности температур во всех точках изделия.
Нагрев в печи обычно обеспечивается при помощи расположенных на внутренних стенках печи горелок, в которые подается воздух и минеральное топливо. Горелки различаются по мощности и форме пламени, необходимых для обеспечения различных рабочих режимов, которые зависят от конструктивных особенностей, давления, расхода топлива и окислителя топлива. Это пламя, как правило, представляет собой характерный тепловой профиль с наличием точки наибольшей активности пламени, где сконцентрирована значительная часть высвобождаемой энергии и теплового излучения. Осуществление контроля над точкой наибольшей активности пламени представляет собой сложный момент, поскольку ее положение может меняться и зависеть от режима работы горелки, который, в свою очередь, определяется требуемыми тепловыми параметрами печи.
Тепловой профиль пламени, который образуется в результате работы горелок, оказывает непосредственное влияние на распределение температуры внутренних стенок печи и расположенных рядом с ними изделий, которые воспроизводят в той или иной степени по существу такой же режим распределения температуры, зависящий от местоположения точки наибольшей активности пламени.
Разница температур в различных местах изделия будет тем больше, чем большую сфокусированность будет иметь точка наибольшей активности пламени и чем выше будет ее температура по сравнению с температурой на поверхности изделия.
Явление разницы температур на поверхности изделии может также возникнуть в случае наличия препятствия для теплового излучения между точкой наибольшей активности пламени и изделием, например, обусловленное использованием создающей теневой эффект подставки для изделий.
Изделия, если на них воздействует сильный тепловой поток, могут быть перегретыми по краям, поскольку тепловому воздействию как пламени, так и боковых стенок подвергаются не только его две основные поверхности (верхняя и нижняя), но и края. Это явление приобретает особое значение с учетом влияния, оказываемого точкой наибольшей активности пламени на боковую внутреннюю стенку печи, которая участвует в нагреве краев изделия.
Наиболее тонкие изделия, расположенные между загружаемыми толстыми изделиями и подверженные соответствующему тепловому режиму, также будут перегреты и наоборот.
Для уменьшения недостатков средств нагрева обычно стараются, чтобы на выходе из печи изделия подогревались до температуры, превосходящей на несколько десятков градусов температуру, наиболее подходящую для прокатки, для того чтобы во всех точках температура была выше этой температуры. Неоднородность температуры, в частности наличие «холодных точек», может вызывать при этом значительные нагрузки в клети прокатного стана и привести к заметным изменениям толщины или формы конечного изделия.
Уменьшение разницы температур в подогретых изделиях в печи всегда представляло собой предмет особой важности для пользователей и разработчиков печей и осуществлялось по различным направлениям, например:
- за счет оптимизации расположения горелок в печи и (или) увеличения их количества с одновременным снижением мощности каждой в отдельности;
- путем улучшения процесса управления горелками за счет изменения положения точек наибольшей активности пламени и времени, в течение которого работает горелка.
В частности, из документа FR-А-2794132 (9906725) известно, как использовать боковые горелки по принципу «все или ничего», регулировать время их эксплуатации и остановки каждой из горелок для обеспечения нужной температуры.
В соответствии с данным способом регулирование процесса нагрева изделий осуществляют путем управления положением точки наибольшей активности с использованием в отдельных местах теплового потока пламени и газообразных продуктов, образующихся в результате сжигания топлива, и с учетом особенностей и имеющихся недостатков в их распределении. Исследования по получению изделий, имеющих однородную температуру на выходе из нагревательной печи, осуществлялись в основном с учетом имеющихся недостатков в распределении температуры в пламени горелок, при этом попытки устранить данный недостаток делались при помощи средств, которые позволили бы правильно направить энергию подогрева на слои изделий.
Процесс управления явлениями перегрева в отдельных местах, как это следует из документа FR-A-2794132, носит достаточно эффективный характер, но накладывает некоторые ограничения, поскольку он ведет к усложнению горелок и контрольной аппаратуры (оборудования управления работой печи) в интересах обеспечения, за счет использования алгоритма вычислительной машины, раздельного управления месторасположением точек наибольшей активности пламени горелки в зависимости от положения изделий и показателей температуры на выходе из печи.
Кроме того, несмотря на сложность контроля теплового профиля печи, отмечается, что существует остаточная неоднородность (слабая, но показательная), которая связана с повышенной разницей температуры между точкой наибольшей активности пламени и изделиями и стенками печи, а также со значительными теневыми эффектами, в частности, для каждого режима эксплуатации горелок. Такие явления неоднородности проявляются в разнице температур между краями изделия и его центральной частью, а также в наличии «холодных точек», расположенных на поверхности изделий, на уровне опор, расположенных на находящихся в печи подставках.
В документе US-А-4281984 предлагается использовать чередующийся запуск горелок, а также внести изменения в расход окислителя топлива и/или топлива, что приведет к изменениям режима эксплуатации горелок. Это оказывает не очень благоприятное влияние на коэффициент полезного действия горелок, а также на однородность температур.
Данное изобретение относится к способу, который, оставаясь в целом относительно простым и экономичным, обеспечивал бы улучшенную однородность температуры изделия, нагреваемого в используемых в черной металлургии печах, в целях ограничения возможности появления дефектов при прокате.
Изобретение относится к способу контроля однородности температуры изделий черной металлургии, в частности слябов и заготовок, в нагревательной печи, оснащенной боковыми горелками на каждой из двух противоположно расположенных сторон, параллельных направлению перемещения изделий внутри печи, а также к способу, согласно которому будут функционировать боковые горелки по принципу «все или ничего» и регулироваться время эксплуатации и остановки каждой из горелок для обеспечения желаемой температуры, которые характеризуются тем, что в качестве боковых горелок применяются горелки с рассеивающимся пламенем, которые используют в режиме, близком к максимальному, или в максимальном режиме, а порядок запуска горелок выбирают таким образом, чтобы улучшить перемешивание и циркуляцию дымовых газов для уменьшения точки наибольшей активности пламени и обеспечения более хорошей однородности температуры внутренних стенок печи и изделий.
Описание горелок с рассеивающимся пламенем, которые могли бы использоваться, дано в документе FR-A-2784449 (9812824).
Благодаря использованию горелок с рассеивающимся пламенем, функционирующих по принципу «все или ничего» и используемых в целях максимального уменьшения количества точек с наибольшей активностью пламени и дымовых газов, образующихся в камере печи, однородность температуры подогреваемых изделий улучшается. Выравнивание температуры дымовых газов и внутренних стенок печи значительно устраняет недостатки, присущие наличию точки наибольшей активности в пламени печей, изготовленных в соответствии с Обычным уровнем техники.
Положительным моментом является то, что печь предполагается оснастить, по меньшей мере, двумя горелками, которые будут установлены на каждой из боковых стенок, при этом предусматривается такой порядок запуска этих горелок, который позволил бы улучшить перемешивание и циркуляцию дымовых газов.
Как правило, регулирование циркуляции дымовых газов в камере вышеназванной печи осуществляется при помощи вычислительной машины, использующей математические алгоритмы контроля с учетом заданных тепловых параметров изделия.
При помощи вычислительной машины можно контролировать распределение тепла, в частности, продольно и/или поперечно расположенные кривые, температуру печи в зависимости от положения загрузки, ее характеристик, перемещения вдоль продольной оси печи, заданных температурных параметров и распределения температур изделия на выходе.
При помощи вычислительной машины можно контролировать порядок запуска горелок и момент, когда эти горелки воспламеняются в целях уменьшения показателей изменения давления в камере печи и в системе подачи в горелки топлива и окислителя топлива.
При помощи вычислительной машины можно контролировать распределение температуры в печи в зависимости от промышленной программы загрузки и программы проката на выходе в интересах оптимизации параметров подогрева изделий.
Регулировка распределения мощности, подаваемой в камеру печи, осуществляется с учетом необходимости рекуперации энергии во входной зоне печи.
Распределение выделяемой теплоты сгорания топлива, в продольном или поперечном направлении печи, может быть учтено при ее задействовании в процессе проката.
Тепловые свойства печи и продольный температурный профиль изделия, производимого в печи, могут автоматически рассчитываться при помощи вычислительной машины, использующей математические модели, системы расплывчатой логики или алгоритмы нейропредикативного типа и др.
Изобретение также относится к нагревательной печи для изделий черной металлургии, в частности слябов и заготовок, оборудованной боковыми горелками и включающей средства управления, обеспечивающие функционирование боковых горелок по принципу «все или ничего», а также регулировку времени эксплуатации и остановки каждой из горелок для получения заданной температуры, которая характеризуется тем, что боковые горелки представляют собой горелки с рассеивающимся пламенем, которые управляются таким образом, чтобы обеспечить их эксплуатацию в режиме, близком к максимальному, или в максимальном режиме, при этом порядок воспламенения горелок выбран таким образом, чтобы улучшить перемешивание и циркуляцию дымовых газов в целях уменьшения точки наибольшей активности пламени, колебаний давления в печи, а также системы питания горелок и обеспечения более высокой однородности температуры внутренних стенок печи и изделий.
Изобретение включает, кроме изложенных выше устройств, целый ряд других устройств, вопрос о которых будет рассматриваться более конкретно, когда речь пойдет о примерах использования, детально описанных со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежей, но которые ни в коей мере не являются ограничивающими. На этих фигурах:
- фиг.1 изображает вертикальную проекцию нагревательной печи для изделий черной металлургии в соответствии с изобретением;
- фиг.2 - схематический вид горелки с рассеивающимся пламенем;
- фиг.3 изображает диаграмму со схематическим изображением распределения, в зависимости от режимов функционирования, тепловых потоков горелки с рассеивающимся пламенем 5 в поперечной плоскости печи; при этом изменения теплового потока изображены на оси ординат, на оси абсцисс представлено расстояние от боковой стенки печи, на которой установлена горелка;
- фиг.4 - вид в разрезе, в схематическом и частичном плане, печи в соответствии с изобретением с парами горелок, расположенными на каждой боковой стенке;
- фиг.5 - диаграмму, иллюстрирующую пример запуска горелок печи в общем цикле запуска;
- фиг.6, 7 и 8 - диаграммы, которые иллюстрируют, аналогично диаграмме, изображенной на фиг.5, другие примеры порядка запуска горелок.
На фиг.1 изображен схематический вид нагревательной печи, состоящей из изолированной камеры 1; изделия черной металлургии 2, предназначенные для нагрева, располагают внутри печи на подставке 3 и перемещают посредством механизма 4 справа налево по фиг. Горелки с рассеивающимся пламенем 5 располагаются на внутренних боковых стенках печи, выше и ниже ряда изделий 2.
На фиг.2 схематично представлена горелка с рассеивающимся пламенем, которая снабжена каналом 6 сгорания, имеющим расширяющуюся форму с длиной (L), равной, по меньшей мере, 1,3 высоты (Н), и отверстиями 8, 7 впрыска топлива и окислителя топлива, расположенными симметрично по отношению к основной оси симметрии трубки PS, а также параллельно плоскости Р изделий, находящихся в печи. Направленность отверстий впрыска топлива и окислителя топлива выбирается таким образом, чтобы создать разницу распределения продуктов сгорания и вторичных дымовых газов с целью получить рассеивающееся пламя, которое обеспечивает равномерное распределение теплового потока.
На фиг.4 можно увидеть схематический вид печи в соответствии с изобретением, представленной в плане и в разрезе. В данной печи 1 показаны четыре горелки с рассеивающимся пламенем В1-В4. Изделия черной металлургии 2, предназначенные для нагрева, располагают на опоре и перемещают слева направо. С каждой стороны печи, на внутренних боковых сторонах, предусмотрено наличие, по меньшей мере, четырех горелок В1, В2, В3 и В4, расположенных выше и ниже плоскости Р изделий. Горелки В1 и В3 расположены соответственно выше горелок В2 и В4 в соответствии с направлением перемещения изделий в печи. Горелки В1 и В3, а также горелки В2 и В4 расположены напротив друг друга.
Разъяснения по поводу таких горелок с рассеивающимся пламенем даны в документе FR-A-2784449, описание которых включено в качестве ссылок в настоящее описание.
Горелка с рассеивающимся пламенем, с конструктивной точки зрения, предназначена для создания рассеивающегося пламени во всех рабочих режимах, но в условиях, которые могут изменяться.
На фиг.3 показано, например для горелки 5, изображенной в плоскости поперечного сечения, распределение энергии или тепловых потоков (в кВт), представленное на оси ординат, в зависимости от удаленности от боковой внутренней стенки печи 1, в которой установлена данная горелка, изображенной на оси абсцисс. Кривые С1, С2 и С3 показывают распределение теплового потока этой горелки на различных рабочих режимах; кривая С1 - параметры функционирования горелки на малых режимах; кривая С2 - на промежуточных режимах и кривая С3 - на максимальном режиме или в режиме полного огня.
Отмечается, что в зависимости от рабочего режима рассеивание пламени с учетом ширины печи 5 лучше всего достигается, согласно кривой С3, на режимах, близких к максимальным. На фиг.3 изображено, что на малом режиме точка наибольшей активности горелки находится рядом с внутренней стенкой печи, которая будет подогреваться, что влечет за собой перегрев краев изделий на выходе из печи, а также получение теплового профиля изделия, в котором температура по краям выше, чем в центре.
В соответствии с изобретением предполагается использовать горелки с рассеивающимся пламенем В1-В4 в режиме, близком к максимальному, или в максимальном режиме, по принципу «все или ничего», с соблюдением порядка чистого запуска для обеспечения перемешивания и циркуляции домовых газов с целью уменьшения точки наибольшей активности пламени и достижения большей однородности температуры внутренних стенок и изделий.
Это позволяет улучшить распределение тепловой энергии. Оптимизация эксплуатации горелки в режиме эксплуатации, близком к максимальному, позволяет сократить выброс загрязняющих веществ в возникающие газообразные продукты горения.
Функционирование горелок на полной мощности с характерной для этого значительной скоростью газа в горелке позволяет лучше распределить тепловую энергию по всей поверхности пламени, перемешать и обеспечить циркуляцию дымовых газов в камере печи. Основным результатом этого является дополнительное уменьшение точки наибольшей активности пламени и улучшение распределения тепловой энергии на внутренних стенках и на поверхности изделия.
Уменьшение размеров точки наибольшей активности пламени, перемешивание и циркуляция дымовых газов в печи, обусловленных использованием рабочего цикла горелок по принципу «все или ничего», позволяют добиться гомогенизации выделения дымовых газов при условиях, ведущих к равномерному теплообмену между внутренними стенками печи и изделием. Теневой эффект, обусловленный, например, использованием подставок 3 под нижнюю поверхность изделий 2, также значительно уменьшается благодаря устранению температурного перепада между дымовыми газами и внутренними стенками печи, выравнивание теплопередачи на поверхность изделий, а также и на подставки, имеющие на всей их поверхности температурные показатели внутренних стенок. Результатом этого является более высокий уровень однородности температур извлекаемого из печи изделия, позволяющий добиться лучшего качества проката при более низкой температуре проката и изготовление окончательного изделия с лучшими характеристиками металла и размерными параметрами.
На фиг.5 представлен первый пример порядка последовательного запуска горелок В1 и В4. Для каждой горелки на оси абсцисс показаны показатели времени, а на оси ординат - состояние работы, соответствующее не нулевому уровню ординаты, и состояние остановки, соответствующее нулевому уровню ординаты. Таким образом режим функционирования соответствует интервалу, в котором осуществляется режим, близкий к максимальному; нерабочий режим или режим остановки соответствуют нулевому диапазону ординаты. Время «Т» цикла запуска горелок, продолжительность «t» функционирования каждой горелки являются величинами, характеризующими, в каждый конкретный момент, часть общей мощности, созданной в зоне печи и необходимой для подогрева имеющейся в этой зоне загрузки. Как следует из фиг.5, продолжительность функционирования каждой горелки является одинаковой.
Порядок функционирования (см. фиг.5) горелок в течение одного цикла следующий: В1, В4, В2, В3. В случае использования изображенной на фиг.4 схемы расположения одновременное или последовательное функционирование горелок В1 и В4 вызывает перемещение дымовых газов по часовой стрелке; в последующем одновременное или последовательное функционирование горелок В2 и В4 приводит к перемещению дымовых газов против часовой стрелки.
Чередующийся запуск горелок В1 и В2, а затем В3 и В4 позволяет чередовать направление циркуляции дымовых газов внутри печи в соответствующей зоне.
2
1
На фиг.6 показан другой пример порядка и продолжительности запуска горелок В1 и В4 печи, изображенной на фиг.4. Горелки В1 и В3 работают одновременно, так же как и горелки В2 и В4. Эти две пары горелок функционируют поочередно. Кроме того, горелки В2 и В4 работают в течение времени «t», которое по продолжительности превышает время «t» функционирования горелок В1 и В4, что позволяет осуществлять нагнетание в печь большего количества тепловой энергии (в зоне горелок В2 и В4) в целях приведения уровня подаваемого теплового потока в соответствие с объемом размещенной в этой части печи загрузки.
3
4
5
6
s
r
s
r
На фиг.7 изображен другой пример порядка и продолжительности запуска горелок, в котором каждая горелка работает в течение определенного времени (В1, t), (В2, t), (В3, t)и (В4, t), соответствующего запрашиваемым тепловым параметрам в определенной части печи в зависимости от каждой из горелок. На данной фигуре видно, что в момент, обозначенный «t», функционируют три горелки, а в момент «t» ни одна из горелок не работает. Становится ясно, что функционирование печи по данному варианту приведет к существенным колебаниям давления в печи и в системе подачи топлива и окислителя топлива в горелки во временном интервале t-t, т.е. во время запуска и выключения горелок.
3
6
На фиг.8 изображен различный порядок запуска горелок В1 и В4 на период соответственно t и t, аналогичный работе печи, показанной на фиг.7. На данной фигуре видно, что одновременно запускаются максимально две горелки и в один момент они все гаснут. Понятно, что в данном случае колебания давления в печи и системе подачи топлива и окислителя топлива будут менее значительными, чем в случае работы горелок, изображенном на фиг.7.
Ясно также, что можно использовать различные способы запуска в целях модификации перемешивания дымовых газов в печи и/или распределения тепловой мощности в печи, и/или ограничения колебаний давления в печи, и/или давления в системе подачи в горелки топлива и окислителя топлива. Этот принцип применим для печей, имеющих значительные размеры и оснащенных большим количеством горелок, чем это приведено в качестве примера. Принципы запуска горелок могут также быть применены и к горелкам, расположенным выше и ниже плоскости Р изделий.
Такой же принцип регулировки продолжительности работы каждой горелки с учетом места их установки в печи позволяет контролировать температурный профиль печи в зависимости от характеристик места размещения загрузки в печи или тепловых свойств изделия, которое извлекается из печи.
В частности, регулировка распределения мощности, подаваемой в камеру печи, осуществляется с учетом рекуперации энергии во входной зоне печи путем запуска в первую очередь горелок, расположенных на выходе печи, с целью увеличения таким образом зоны рекуперации тепла на входе в печь.
Контроль температурного профиля и распределения тепловой мощности в печи позволяет продолжить подогрев отдельного изделия или всех изделий, размещенных в печи, в течение всего периода времени их нахождения в печи.
Комбинированная работа всех горелок печи в течение определенного времени с учетом энергетических потребностей изделий (вычислительная машина и регуляторы) способствует распределению соответствующим образом тепла в печи путем использования технологии горелок с рассеивающимся пламенем, применяющих принцип «все или ничего», и перемешиванию газообразных продуктов горения, образующихся в результате осуществления контроля над порядком запуска этих горелок.
Комбинированная работа всей совокупности горелок печи в течение определенного времени с учетом энергетических потребностей изделий и запуск этих горелок в определенной последовательности (вычислительная машина и регуляторы) позволяют уменьшить колебания давления в печи и в системе подачи в горелки топлива и окислителя топлива.
Печь 1 снабжена, как правило, вычислительной машиной, применяющей математические алгоритмы контроля в зависимости от определенных тепловых параметров на поверхности изделия для управления порядком и продолжительностью запуска каждой горелки и обеспечения модификации циркуляционных процессов дымовых газов в камере вышеназванной печи.
Установленные в печи 1 датчики дают вычислительной машине информацию, позволяющую ей контролировать распределение тепла, в частности продольную и/или поперечную температурную кривую печи, которое определяется местоположением загрузки изделий, их характеристиками, перемещением вдоль продольной оси печи, а также заданными температурными параметрами и распределением температур на выходе данного изделия.
Вычислительная машина содержит устройства ввода данных, позволяющих осуществлять контроль над тепловым распределением температуры в печи в зависимости от промышленной программы загрузки и программы проката на выходе для оптимизации параметров подогрева изделий.
Такая информация, как температура или распределение температуры в изделии, а также конечная продукция проката может быть введена в базу данных системной вычислительной машины печи для определения уровня распределения тепловой мощности, которую предполагается подавать в зависимости от продольных и поперечных механизмов управления печи в целях повышения однородности температуры изделий, извлекаемых из печи.
Вычислительная машина может использовать математические модели, системы расплывчатой логики или алгоритмы нейропредикативного типа для выполнения расчетов (определения) тепловых свойств печи и продольного теплового профиля изделия, изготавливаемого в печи.
Изобретение предоставляет следующие преимущества.
x
2
Горелки работают в определенном режиме, что позволяет добиться оптимального распределения тепловой энергии по всей поверхности так называемого «рассеивающегося» пламени и лучшего перемешивания дымовых газов в печи. Образуемое пламя не имеет больше точек наибольшей активности, или такая точка наибольшей активности не носит ярко выраженного характера, в результате чего удается избежать концентрированного излучения, вызывающего разницу температур на внутренних стенках печи и на изделиях, а также теневого эффекта на изделиях. Фиксированный режим также обеспечивает оптимальный выброс загрязняющих веществ (например, NO, CO, CO), процентное содержание кислорода в печи, а также снижение степени окисления поверхности изделий и «потери огня».
Перемешивание горючей смеси в печи влечет за собой уменьшение разницы температуры между дымовыми газами, внутренними стенками, подставками под изделия и находящимися в печи изделиями, что позволяет получить более однородное в температурном отношении изделие.
Уменьшение точки наибольшей активности пламени и выравнивание температур дымовых газов и внутренних стенок позволяют ограничить влияние теневого эффекта подставок под изделия, а также уравнять температуру этих подставок (ликвидировать эффект «горячая поверхность/холодная поверхность»), в результате чего значительно сокращаются черные полосы на изделиях.
Выравнивание температуры дымовых газов в печи позволяет уменьшить перегрев стенок печи, оказываемое этими стенками влияние на края изделий и, как следствие, эффект «горячие голова и хвост», что характерно для современных печей.
Равномерное распределение тепловых потоков в печи уменьшает напряженность в размещении изделий в печи. В связи с этим загрузка печи может иметь более свободный порядок, например, только с учетом механических усилий, оказываемых на подставки.
Уменьшение колебаний давления в печи препятствует поступлению побочного воздуха, что влечет за собой уменьшение степени окисления поверхности изделий, а также «потерю огня».
Улучшенная однородность изделий позволяет уменьшить уровень безопасного перегрева, используемого часто в классических печах, где учитывается неоднородность температур изделий. В соответствии с изобретением также сокращено потребление энергии в печи.
Оптимизация продолжительности активного горячего периода печи, т.е. периода, в течение которого функционируют горелки, позволяет увеличить длину зоны рекуперации и сократить потребление теплоты в печи.