Hазработка системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей печью скоростного нагрева - Цифровые устройства - Скачать бесплатно
[pic]1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Мировой рынок предъявляет все более высокие требования к показателям
качества опорных валков прокатных станов (твердость, глубина закаленного
слоя, распределение остаточных напряжений).
Известны следующие технологии закалки прокатных валков: в
электромасляных ваннах, токами промышленной частоты, токами высокой
частоты, регулируемым охлаждением водой, водовоздушной смесью и др.
Одним из таких процессов является дифференцированная термическая
обработка (в дальнейшем – ДТО) опорных валков прокатных станов.
Технологический процесс ДТО направлен на снижение энергозатрат при нагреве
валка до температуры закалки за счет нагрева не всего объема валка, а лишь
поверхностного (закаливаемого) слоя.
Суть ДТО заключается в следующем (схема и этапы режима ДТО приведены
на рисунке 1):
Рисунок 1.1 - Схема и этапы режима ДТО
Этап 1 – предварительный подогрев валка.
Производится в термической печи с выкатным подом с целью перевода
материала сердцевины валка в более пластичное состояние, способное
выдержать высокие растягивающие напряжения при последующем интенсивном
нагреве в печи скоростного нагрева (в дальнейшем – ПСН).
Рациональная среднемассовая температура предварительного подогрева для
всех типоразмеров валков находится в пределах Тп(500(С. При более низких
температурах велика опасность разрушения валка при быстром нагреве бочки из-
за недостаточной пластичности слабо прогретой сердцевины валка. С ростом
температуры предварительного подогрева повышаются остаточные напряжения
после ДТО и, следовательно, растет вероятность разрушения валка после
окончания режима. Требуемая равномерность температуры печи в конце
подогрева (5(С.
Этап 2 – градиентный нагрев в ПСН.
Параметры нагрева валка определяются маркой стали, требованиями по
глубине активного (закаленного) слоя, уровнем трещиностойкости металла
центральной части валка и размерами возможных дефектов металлургического
происхождения.
Оптимальная температура нагрева Тн выбирается из расчета получить
максимальную закаливаемость, т.е. максимальную твердость структуры,
образующейся в поверхностном слое валка при закалке. Оптимальный режим
нагрева состоит из максимально интенсивного нагрева поверхности бочки до
температуры Тн и выдержке при данной температуре до прогрева на заданную
глубину. Ограничить интенсивность нагрева могут либо возможности
оборудования (мощность ПСН) либо высокие растягивающие напряжения, которые
возникают в центральной зоне валка при интенсивном нагреве.
Этап 3 – выдержка для обеспечения прогрева бочки валка на заданную
глубину в ПСН.
Продолжительность выдержки при поддержании температуры бочки валка на
уровне температуры нагрева Тн зависти от желаемой глубины прогрева
поверхностного слоя. В свою очередь, оптимальная величина прогрева зависит
от прокаливаемости стали и интенсивности дальнейшего охлаждения.
Этап 4 – транспортировка валка из ПСН в спрейерную установку.
Продолжительность переноса валка из ПСН к спрейерной установке должна
быть сведена к минимуму. Это обусловлено тем, что на воздухе поверхностный
слой валка быстро теряет тепло.
Этап 5 – интенсивное водяное охлаждение в спрейерной установке.
Производится с максимально возможной плотностью орошения с целью
формирования наиболее благоприятной структуры и максимальной глубины
активного слоя.
Этап 6 – мягкое регулируемое водовоздушное охлаждение в спрейерной
установке с отогревом поверхности.
На этом этапе продолжается принудительный теплосъем с поверхности
валка теплового потока, поступающего из внутренних слоев. Продолжительность
водовоздушного охлаждения определяется по условию достижения среднемассовой
температуры валка Т0 (температуры копежа).
Этап 7 – отпуск в печи с выкатным подом.
Температура и продолжительность отпуска определяются исходя из
требований на твердость бочки валка.
Новокраматорский машиностроительный завод – лидер отечественного
машиностроения – является одним из ведущих поставщиков валков прокатных
станов как для Украины, так и в страны ближнего и дальнего зарубежья.
Заводом успешно освоены перечисленные выше технологии.
Технология ДТО реализована на участке ДТО, который включает в себя две
термические печи с выкатным подом, печь скоростного нагрева, спрейерную
установку.
Автоматизированная система управления технологическим процессом ДТО
построена на базе оборудования фирмы «SIEMENS» по иерархической структуре.
1. Теоретические сведения об этапе дифференцированной
термической обработки прокатных валков - градиентном
нагреве в печи скоростного нагрева
Параметры нагрева валка определяются маркой стали, требованиями по
глубине активного слоя, уровнем трещиностойкости металла центральной части
валка и размерами возможных дефектов металлургического происхождения.
Рассмотрим более подробно факторы, влияющие на выбор параметров нагрева.
Оптимальная температура нагрева ТН выбирается из расчета получить
максимальную закаливаемость, т.е. максимальную твердость структуры
мартенсита и остаточного аустенита, образующейся в поверхностном слое валка
при закалке. С ростом температуры нагрева ТН в легированных валковых сталях
увеличивается степень растворения карбидов и, как следствие, повышается
прокаливаемость стали и твердость мартенситной матрицы. Но при этом
одновременно увеличивается содержание остаточного аустенита в закаленной
структуре, что ведет к снижению твердости. Действие этих двух
противоположно направленных факторов приводит к появлению максимума на
кривой зависимости твердости закаленной структуры стали заданного состава
от температуры нагрева.
Дополнительным фактором, который ограничивает ТН сверху, является
отрицательное влияние перегрева на рост зерна аустенита и, следовательно,
огрубление структуры мартенсита после закалки. Кроме того, повышение
температуры нагрева увеличивает уровень максимальных растягивающих
остаточных напряжений. Для стали 90ХФ оптимальной температурой нагрева при
ДТО является ТН(920(С, для стали 75ХМ ТН(950(С.
Оптимальный режим нагрева состоит из максимально интенсивного нагрева
поверхности бочки до температуры ТН и выдержке при данной температуре до
прогрева на заданную глубину выше температуры аустенизации АС3.
Ограничивать интенсивность нагрева могут либо возможности оборудования
(мощность печи скоростного нагрева - ПСН), либо высокие растягивающие
напряжения, которые возникают в центральной зоне валка при интенсивном
нагреве.
KOBE STEEL (предприятие-разработчик теории дифференцированной
термической обработки прокатных валков - ДТО) рекомендует следующий режим
нагрева: до 960(С по металлу за 3ч и выдержка в течение 1ч при температуре
поверхности валка 960(С. скорость нагрева (менее 140(С/ч) довольно мала и
ограничивается, по-видимому, возможностями применяемой системы отопления с
радиационными горелками. При таком нагреве возникающие максимальные
растягивающие напряжения, которые формируются в конце выдержки, очень малы
(в пределах 180 МПа для всех диаметров). Таким образом, с точки зрения
безопасности режим градиентного нагрева существенно менее напряжен, чем
режим предварительного подогрева. При заданном режиме поверхностный слой
валков разных диаметров прогревается на 140-160 мм.
Проектируемая ПСН, оборудованная скоростными горелками, по данным
базового варианта может обеспечить скорость подъема температуры поверхности
бочки валка вплоть до 300(С/ч (по металлу). Для определения рационального
диапазона параметров нагрева разработчиками базового варианта (фирма
«Термосталь» г. Санкт-Петербург) выполнен цикл расчетов нагрева валков из
стали 75ХМФ до 950(С по поверхности бочки с варьированием диаметра валков
D=1200, 1600, 2000 мм, температуры предварительного подогрева ТП=400, 450,
500(С и скорости нагрева по металлу VН=100, 200, 300(С/ч. При этом
фиксировался критический размер дефекта для всех режимов.
Результаты расчетов приведены на рисунке 1.2, где хорошо видно влияние
масштабного фактора: с ростом диаметра форма зависимости критического
дефекта от скорости нагрева меняется на противоположную. Если для диаметра
1200 мм ДКР уменьшается при увеличении скорости нагрева, для диаметра 1600
мм зависимость немонотонна, то для диаметра 2000 мм размер критического
дефекта увеличивается с ростом VН.
При выборе оптимального сочетания ТП и VН предварительно можно
руководствоваться формальным ограничением на уровень допустимых дефектов по
ОСТ 24.023.33-86 «Ультразвуковой контроль ВХП», который допускает для
валков диаметром свыше 1200 мм одиночные несплошности с эквивалентным
диаметром до 200 мм. Принимая это ограничение, можно видеть из рисунка 1.2,
что применение максимально возможной интенсивности нагрева (300(С/ч по
металлу) допустимо при ТП=480(С, 450(С и 400(С для валков диаметром
соответственно 1200, 1600 и 2000 мм.
Рисунок 1.2 – Распределение температуры в поверхностном слое валков
диаметром 1200, 1600 и 2000 мм из стали типа 75ХМФ в конце градиентного
нагрева.
Следует подчеркнуть, что реальное проектирование режима нагрева
возможно только после определения реально возможной максимальной
интенсивности нагрева в ходе теплотехнических испытаний ПСН, а также
реальной трещиностойкости металла в сердцевине валков из разных марок
стали, подвергнутых улучшению.
Продолжительность выдержки при поддержании температуры бочки валка на
уровне температуры нагрева ТН зависит от желаемой глубины прогрева
поверхностного слоя до температуры аустенизации АС3. В свою очередь,
оптимальная величина прогрева зависит от прокаливаемости стали и
интенсивности охлаждения. Суть процесса заключается в следующем.
При увеличении глубины аустенизированного слоя растет и глубина
закаленного слоя, но только до определенной величины, ограниченной
возможностями стали (прокаливаемостью) и спрейерной установки (максимальной
интенсивностью охлаждения).
Рост глубины прогрева свыше этого оптимального значения приводит к
накоплению излишнего тепла в валке, что начинает снижать скорость
охлаждения на границе закаленного слоя, повышает температуру на оси валка и
приводит к росту остаточных напряжений. Вкратце этот принцип следует
охарактеризовать так: не следует прогревать валок больше необходимого.
В качестве иллюстрации на рисунке 1.3 для валка диаметром 1200 мм
показаны зависимости глубины аустенизированного слоя LА и закаленного слоя
LЗ (закаленным слоем условно принят слой с твердостью выше 45HS, что
соответствует наличию в структуре не менее 50% бейнитно-мартенситной смеси)
от продолжительности нагрева при температуре поверхности ТН=950(С (сталь
75ХМФ) и ТН=920(С (сталь 90ХФ). Нагрев до температуры ТН проводился со
скоростью 300(С/ч по металлу, охлаждение – с максимально возможной для
данной спрейерной установки, которая допускает проводить охлаждение с
максимальной плотностью орошения от 1.14 кг/м2(с (валок диаметром 2000 мм)
до 1.9 кг/м2(с (валок диаметром 1200 мм).
Рисунок 1.3 – Зависимость глубины аустенизированного слоя LЗ (а) и
температуры центра ТЦ (б) от продолжительности прогрева при градиентном
нагреве валка диаметром 1200 мм.
Из рисунка 1.3 видно, что увеличение продолжительности прогрева свыше
1 ч практически не увеличивает глубину закаленного слоя для валка из стали
75ХМФ и 90ХФ. При этом прогрев свыше 1.5 ч даже снижает глубину закаленного
слоя в валке из стали 90ХФ. Дополнительным аргументом в пользу ограничения
продолжительности нагрева служит тот факт, что при выдержке температура
центра растет довольно интенсивно, что будет сопровождаться увеличением
остаточных напряжений.
При выборе оптимальной продолжительности прогрева следует учитывать,
что с ростом выдержки при температуре аустенизации увеличиваются остаточные
напряжения в валке после закалки, поэтому этот параметр надо выбирать с
учетом ограничений на уровень остаточных напряжений.
В свою очередь, уровень остаточных напряжений можно определить, только
выбрав режим охлаждения, который зависит от режима нагрева. Таким образом,
параметры нагрева и охлаждения оказываются взаимозависимыми. Это означает
необходимость многовариантных (многопараметрических) расчетов на стадии
проектирования режима для определения оптимальных значений параметров ДТО.
2. Назначение, структура и состав АСУ ПСН
1.2.1 Назначение
ПСН предназначена для скоростного нагрева бочки валка (предварительно
подогретого в печи с выкатным подом до температуры 400-550(С) с постоянной
скоростью 100-300(С/ч (по металлу) до температуры закалки 920-970(С и
последующей выдержкой в течение 45-60 мин. В результате нагрева в ПСН в
валке формируется градиентное распределение температуры с прогревом
поверхностного слоя на заданную глубину.
Спрейер предназначен для регулируемого охлаждения бочки валка, при
этом на первом этапе используется интенсивное водяное охлаждение с
максимальным расходом воды в течение 30-60 мин. На втором этапе применяется
мягкое водо-воздушное охлаждение с регулируемым расходом воды в течение 75-
145 мин.
Оборудование системы управления (СУ) ПСН предназначено для управления
тепловым режимом печи скоростного нагрева в ручном и автоматизированном
режиме.
Оборудование СУ спрейера предназначено для управления режимом
охлаждения на спрейерной установке в ручном и автоматизированном режиме.
Оборудование системы управления предназначено для работы в следующих
условиях:
- номинальное значение климатических факторов внешней среды по ГОСТ 15150-
69, ГОСТ 15543-70 для климатического исполнения У;
- температура окружающей среды от +5(С до +50(С, окружающая среда не
взрывоопасная, с содержанием коррозионно-активных агентов в атмосфере
типов I и II по ГОСТ 15150-69, верхняя концентрация инертной пыли (в т.ч.
токопроводящей) в воздухе не более 10 мг/м(;
- питание осуществляется от трехфазной сети переменного тока;
- колебания напряжения питания относительно номинального в пределах 0,85 –
1,1;
- по способу обслуживания шкафов и пультов с размещенными в них
техническими средствами АСУ выполнены одностороннего обслуживания с
доступом спереди;
- для защиты персонала от поражения электрическим током при прикосновении
к электрооборудованию и для уменьшения помех в цепях управления применена
система шин для заземления и выравнивания потенциала PE, заземление
экранов кабелей и проводов.
1.2.2 Структура и состав АСУ
Работа автоматизированных систем управления СУ ПСН и СУ спрейера
основана на принципах управления технологическими процессами с
использованием одного микропроцессорного контроллера, осуществляющего
одновременное управление обеими установками в реальном масштабе времени.
Для связи между отдельными электронными устройствами системы управления
(контроллер, децентрализованная периферия, панель оператора и промышленный
компьютер) организованы локальные сети управления MPI и Profibus DP
(Европейский стандарт EN 50 170).
Архитектура системы управления построена по двухуровневой схеме:
- нижний уровень управления;
- средний уровень управления.
Нижний уровень управления (НУУ) включает в себя модули
микропроцессорного контроллера SIMATIC S7 - 315 DP с цифровыми и
аналоговыми входами-выходами и его децентрализованную периферию (удаленные
входы-выходы), объединенную сетью PROFIBUS DP. Оборудование НУУ
осуществляет сбор информации с пультов, шкафов и датчиков, ее
предварительную обработку и передачу на средний уровень управления, а также
выдачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы установки в
зависимости от алгоритма управления.
Средний уровень управления (СУУ) представляет собой промышленный
компьютер SIMATIC RI25P, панель оператора ОР7 и микропроцессорный
контроллер SIMATIC S7-315DP объединенные сетью MPI. Оборудование СУУ
предназначено для ввода параметров технологического процесса, программного
управления, контроля, диагностики и протоколирования хода технологического
процесса .
В состав системы управления входят:
- шкаф контроллера;
- шкаф электрооборудования, КИП и А;
- шкаф компьютерный;
- пульт управления;
- датчики технологических параметров и электрооборудование на
механизмах ПСН и спрейерной установки.
1.2.3 Управление тепловым режимом ПСН с помощью системы управления
на базе микропроцессорного контроллера
Система управления тепловым режимом ПСН реализована на принципах
управления технологическим процессом в режиме реального времени на базе
микропроцессорного контроллера и предназначена для решения следующих задач:
- подготовки и задания переменных технологического процесса и
настройки параметров регулирования;
- управления автоматикой безопасности печи;
- управления розжигом горелок;
- регулирования температуры поверхности бочки прокатного валка или
температуры печи;
- регулирования соотношения «газ-воздух»;
- регулирования давления в рабочем пространстве печи;
- визуализации, контроля, диагностики и протоколирования хода
технологического процесса.
В состав системы управления функционально входят следующие подсистемы:
- подсистема измерения технологических параметров;
- подсистема визуализации, контроля, диагностики и протоколирования;
- подсистема автоматического регулирования;
- подсистема автоматики безопасности.
-
1.2.4 Подсистема измерения технологических параметров
Подсистема измерения технологических параметров предназначена для
сбора и обработки информации от аналоговых и дискретных датчиков
технологического процесса.
К контролируемым аналоговым параметрам относятся:
- температура газовой среды в трех точках рабочего пространства печи
(около торцевых стенок и посередине печи);
- температура поверхности нагреваемого металла;
- температура отходящих газов перед дымовым клапаном;
- температура отходящих дымовых газов после воздушного клапана на
дымопроводе;
- давление в рабочем пространстве печи:
- расход газа на печь;
- расход воздуха на печь;
- положение заслонок газа, воздуха и дымоудаления.
Контроль температуры в рабочем пространстве печи осуществляется с
помощью термопар типа ТПР-1788.
Контроль температуры нагреваемого металла производится автоматическим
оптическим пирометром ARDOCELL PZ20 фирмы Siemens.
Контроль температуры отходящих газов осуществляется с использованием
термопар ТХА-2388.
Давление в печи измеряется измерительным преобразователем «Сапфир-22М-
ДИВ»
Расход газа и воздуха измеряется перед регулирующими органами
комплектом приборов, состоящих из зондов измерения расхода SDF фирмы SKI и
измерительных преобразователей SITRANS P фирмы Siemens, размещенных по
месту на трубопроводах газа и воздуха. Применение зондов обусловлено
необходимостью минимизации потерь давления по воздушному тракту печи и
существенно более широким в сравнении с измерительными диафрагмами
диапазоном измерения. Программой контроллера предусматривается
демпфирование мгновенных (текущих) измерений значений расхода газа и
воздуха для сглаживания пульсации результатов.
Положения заслонок газа, воздуха и дымоудаления, связанных через тяги
с исполнительными механизмами контролируется блоками БСПТ-10 встроенными в
МЭО.
К контролируемым дискретным параметрам относятся информационные
сигналы:
- положение и состояние вспомогательных механизмов печи;
- минимальное и максимальное открытие МЭО;
- наличие срабатывания электромагнитных клапанов горелок;
- наличие контроля факела горелок и сигналов с датчиков автоматики
безопасности;
- текущее состояние кнопок управления.
Информация о положении и состоянии вспомогательных механизмов печи
поступает на входы контроллера с сухих контактов промежуточных реле и
служит для целей диагностики.
Сигналы о минимальном и максимальном открытии МЭО поступают при
срабатывании их встроенных конечных выключателей и служат для ограничения
хода исполнительных механизмов.
Наличие срабатывания электромагнитных клапанов фирмы Kromschroeder
контролируется встроенными указателями положения.
Наличие пламени факела горелок контролируется приборами Ф34.3.
Текущее состояние каждой кнопки управления постоянно отслеживается
контроллером и при его изменении производятся действия в соответствие с
функциональным назначением соответствующей кнопки.
1.2.5 Подсистема визуализации, контроля, диагностики и
протоколирования
Подсистема визуализации, контроля, диагностики и протоколирования
предназначена для организации доступа в диалоговом режиме оператора-
технолога и мастера КИП и А печи к выполнению операций предусмотренных
технологией при работе ПСН. В состав подсистемы функционально входят
промышленный компьютер SIMATIC RI 25P (компьютер) и панель оператора
SIMATIC OP7 (панель оператора ОР7), работающие под управлением контроллера
SIMATIС S7-315 DP (контроллер), все оборудование фирмы Siemens.
Компьютер и панель оператора ОР7 выполняют функцию отображения
переменных технологического процесса (температура, давление и т.д.), ввода
технологии, параметров (задания регуляторам, настроечные коэффициенты и
т.д.) и служат как средство для выдачи управляющих команд на контроллер под
управлением оператора-технолога.
Для мастера КИП и А предусмотрена возможность изменения настройки
параметров регуляторов, параметров вентиляции, розжига и т.д., а также
изменения конфигурации компьютера и панели оператора ОР7 (работа с
аварийными сообщениями, изменение паролей, установка времени и т.д).
При работе ПСН система диагностики контроллера осуществляет
непрерывной контроль за состоянием механизмов и параметров технологического
процесса и управляет выдачей текстовых сообщений на монитор компьютера и
панель оператора ОР7, а также световой и звуковой сигнализацией.
После запуска режима печи по температурно-временному графику
производиться протоколирование хода технологического процесса с записью на
жесткий диск памяти промышленного компьютера.
1.2.6 Подсистема автоматического регулирования
Подсистема автоматического регулирования предназначена для управления
тепловым режимом печи и включает в себя три контура регулирования:
- контур регулирования температуры печи,
- контур регулирования соотношения «газ-воздух»;
- контур регулирования давления в печи.
Регулирование температуры в печи осуществляется путем воздействия на
исполнительный механизм, связанный регулируемой тягой с заслонкой на
газопроводе, в функции изменения температуры печи по температурно-
временному графику нагрева. Задание регулятору формируется в контроллере по
алгоритму управления в виде единичных значений в зависимости от заданной
технологии (изменение задания температуры по скорости или во времени).
Регулирование соотношения “газ – воздух” осуществляется путем
воздействия на исполнительный механизм, связанный регулируемой тягой с
заслонкой на воздушном трубопроводе, в функции каскадной схемы
регулирования соотношения газовоздушной смеси. По этой схеме ведущий
регулятор (температуры) работает в функции изменения температуры печи по
температурно - временному графику нагрева и при этом формирует текущее
задание ведомому (соотношения “газ-воздух”) по графику соотношения расходов
газа и воздуха, а ведомый регулятор в свою очередь формирует управляющее
воздействие на исполнительный механизм.
Регулирование давления в рабочем пространстве печи осуществляется в
функции поддержания постоянным заданного давления в печи, путем
воздействием на исполнительный механизм связанный регулируемой тягой с
заслонкой дымоудаления.
Элементы подсистемы автоматического регулирования унифицированы и
состоят из бесконтактных тиристорных реверсивных пускателей ПБР и
исполнительных электрических механизмов МЭО. Контроль положения
исполнительного органа ведется через токовый датчик обратной связи и
индицируется на соответствующем экране компьютера или панели оператора ОР7.
Управление исполнительными механизмами возможно и при отключенных
регуляторах - в ручном режиме, дистанционно, с технологической клавиатуры
панели оператора ОР-7 или с клавиатуры компьютера.
1.2.7 Подсистема автоматики безопасности
Подсистема автоматики безопасности предназначена для эксплуатации в
составе оборудования печи скоростного нагрева. Функционально аппаратная
часть автоматики безопасности работает автономно от контроллера и управляет
электромагнитом, устанавливаемым на предохранительно-запорном клапане на
вводе газа к печи.
Схема безопасности реализована на базе контроллера “LOGO!” фирмы
Siemens . Контроллер “LOGO! “ представляет собой логическое устройство с 12
дискретными входами (24В),8 релейными выходами и реализует алгоритм
управления отсечным газовым клапаном печи и аварийной звуковой и световой
сигнализацией.
Включение электромагнита отсечного газового клапана осуществляется
кнопкой «Отсечной клапан. Включить». Включение отсечного клапана возможно в
том случае, если не выполняются условия отсечки газа.
Отсечка газа осуществляется в следующих случаях:
- при понижении давления газа после регулятора давления ниже
допустимого предела;
- при повышении давления газа после регулятора давления выше
допустимого предела;
- при понижении давления воздуха в воздухопроводе печи ниже
допустимого предела;
|
