Экономичный нагрев металла

Малый С.А.

Металлургия, 1967 г.

ОПТИМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ НАГРЕВА МЕТАЛЛА В КАМЕРНЫХ И ПРОХОДНЫХ ПЕЧАХ

В этой части поставлены и теоретически решены в упрощенном биде задачи совокупной оптимизации процесса нагрева металла и его последующей обработки давлением (на стане, молоте и т. п.) по ряду технико-экономических показателей в той мере, в какой степень оптимальности процесса зависит от выбора режима нагрева.

Оптимальному управлению и комплексной автоматизации предшествует постановка вопроса об условиях оптимальности процесса. Применительно к нагревательным печам возникают следующие вопросы:

По какому графику должен нагреваться и как должен быть прогрет по сечению металл, чтобы процесс нагрева и (процесс прокатки (ковки и т. п.) в сумме проходили оптимально, т. е. чтобы при должном качестве продукции производительность возросла за счет минимизации производственных потерь, либо минимизировалась себестоимость производимой продукции.
Как наилучшим образом (в некотором определенном смысле) обеспечить требуемый оптимальный нагрев в условиях переменного темпа прокатки, смены марок сталей, изменения размеров заготовок и т. д.

Ответы на оба этих вопроса содержатся в данной части, причем ответы на второй вопрос являются менее полными, чем на первый, так как они относятся только к стационарным режимам.

Возможно, что в дальнейшем полный ответ на второй вопрос можно будет получить, основываясь на работах А. Г. Бутковского [1-4, 99].

Спецификой задач, рассмотренных здесь, является прежде всего учет окисления или обезуглероживания металла, а также ограничений, наложенных на температуру металла из технологических соображений. Отсюда характерный отпечаток, лежащий на всех полученных результатах. Стремление расширить круг учитываемых факторов, непосредственно влияющих на технико-экономические показатели процесса, привело к расширению круга рассматриваемых задач и при некоторых допущениях, нуждающихся в дополнительной проверке, позволило ставить и решать в упрощенной постановке довольно общие задачи, например задачу о максимизации «прибыли».

По мере изложения, критерии оптимальности будут последовательно усложняться. Первоначально рассматривается задача, где будет учитываться и минимизироваться лишь окисление металла, затем в последующих задачах дополнительно будет учтен расход энергии на прокатку и расход валков как функции пластичности нагретого металла, а далее также и расход топлива на нагрев, стоимость рабочего времени и т. д. Как будет показано, принципиальных препятствий, которые могли бы помешать включить в рассмотрение один за другим все основные факторы, влияющие на производительность (или экономические показатели) печей и стана (молотов и т. п.) в рассматриваемом процессе, нет. Так, собственно говоря, мы приходим к приведенным несколько ниже общим постановкам задач. Однако аналитически решаются только достаточно простые задачи.

В части первой преследуется цель именно аналитического исследования, так как по позволяет провести рассмотрение априори, выявить влияние различных факторов, накопить первоначальный опыт еще до того, так будут реализованы достаточно сложные системы, позволяющие решать более сложные задачи на основе непрерывного анализа хода производства, но выявляющие оптимальные режимы работы посредством поиска (см. часть вторую).

ОБЩАЯ ФОРМУЛИРОВКА ПРОБЛЕМЫ ЭКОНОМИЧЕСКИ ОПТИМАЛЬНОГО НАГРЕВА

Поскольку интенсификация нагрева металла в печи сопряжена с дополнительными затратами и трудностями, а выдача из печей металла, нагретого хуже (т. е. холодного или недостаточно прогретого), порождает трудности и дополнительные затраты при прокатке, для каждой марки металла, сортамента заготовок, темпа прокатки и т. д. существуют такой график температуры поверхности металла но времени, такая средняя температура по массе заготовок при выдаче из печи и такой темп процесса, при которых обеспечивается экстремум (максимум или минимум) избранного технико-экономического показателя совместной работы печи и стана. Не существует какого-то одного режима нагрева, который мог бы обеспечить оптимизацию одновременно всех возможных критериев, например дал бы одновременно и минимальное окисление металла и максимальную «прибыль» в прокатном цехе и т. д. Каждый критерий достигает желаемого экстремума при специфическом режиме нагрева (металла.

Поэтому (приходится последовательно перебирать возможные критерии оптимальности и для каждого из них решать задачу о выборе соответствующего оптимального режима нагрева.

§ 1. Проблема выбора оптимального режима нагрева металла

Начнем с беглого качественного анализа процессов нагрева и прокатки. Как уже упоминалось, «интересы» собственно нагрева и собственно прокатки антагонистичны. Чем хуже прогрет металл, чем 'ниже его средняя температура и выше сопротивление деформации, тем большие нагрузки приходятся на клети прокатного стана, тем большие расходы электроэнергии требуются на прокатку одной заготовки и тем больше риск¹ производственного брака и поломок на стане. Повышение температуры .металла в достаточно широких пределах приводит \к улучшению производственных показателей прокатки.

Обратимся к процессу нагрева. В процессе монотонного нагрева² температура поверхности, конечно, выше, чем средняя температура заготовки. При повышении температуры поверхности с целью ускорения нагрева возрастает количество окалины на поверхности заготовок. Начинается оплавление и сваривание заготовок в печи. Вследствие этого возрастает количество металла, который, будучи нагрет, идет не ,на прокат, а в отходы, брак или возврат. Одновременно резко возрастает количество сварочного шлака, т. е. увеличиваются простои печи и затраты труда на ее обслуживание. Перегрев металла также нежелателен с точки зрения его структуры. Ускоренный нагрев металла в печи от фиксированного начального состояния до определенной средней температуры на выдаче при увеличении темпа прокатки либо повышение средней температуры металла на выдаче при фиксированном темпе прокатки достигаются повышением температур в рабочем пространстве печи и на поверхности металла на все большем промежутке времени (в камерной печи) или на все большей длине по тракту проходной печи К С этим сопряжены возрастающие потери металла вследствие обезуглероживания, пережога и т. д. и увеличивающиеся потери тепла. Кроме того, чем выше температура поверхности металла, тем больше риск сваривания заготовок и их оплавления, особенно при внезапном снижении темпа прокатки, что часто бывает на практике.

В фиксированных условиях данному установившемуся режиму нагрева соответствуют определенный график повышения температуры поверхности металла и определенная средняя температура по сечению металла при выдаче из печи, т. е. соответствует определенный уход металла в окалину, определенный риск сваривания заготовок между собой и т. д. Распределение температур по сечению (средняя по массе температура заготовки с учетом ограничений) в свою очередь определяет при фиксированных условиях прокатки расход электроэнергии на прокатку, расход валков, а также риск брака и прочих дополнительных производственных потерь (затрат) при прокатке.

Для каждого фиксированного набора параметров процесса — марки металла, профиля проката, темпа прокатки и т, д. — при фиксированных параметрах печи, стана и прочего оборудования существует единственный оптимальный график нагрева металла в печи, а каждому переходу от одной марки к другой, от одного профиля к другому, от одного темпа прокатки к другому, по-видимому, соответствует единственный оптимальный переход во времени от одного графика нагрева металла к другому. Оптимизации, как говорилось, подлежит совокупный процесс нагрева и прокатки с точки зрения либо производительности, либо себестоимости и т. п. Во всех случаях тепловым режимом печей должны учитываться конкретные условия работы, т. е. темн прокатки, размеры и температура посада заготовок, профиль проката, стоимость металла, топлива, электроэнергии, валков, рабочего времени и т. д., что обеспечит оптимальное значение избранного экономического показателя процесса.

В результате подбора режима нагрева, соответствующего минимальному значению суммы риска брака при нагреве и риска брака при прокатке, минимизируется производственный брак, что позволяет увеличить производительность по годной продукции до возможного в данных условиях максимума.

Подбирая режим нагрева, соответствующий минимальному (в стоимостном выражении) значению суммы риска брака при прокатке, риска брака при нагреве, риска дополнительных производственных потерь при прокатке, риска перерасхода топлива на нагрев, риска перерасхода электроэнергии и валков на прокатку, получим минимальную «себестоимость» продукции.