Konceptualna rešitev procesnega vodenja ogrevanja vložka v potisni peči Conceptual Solution of Process Control of Slabs Reheating in the Pusher Furnace T. Kolenko, Oddelek za montanistiko, FNT, Univerza v Ljubljani, Aškerčeva 20 in B. Glogovac, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, Ljubljana in D. Novak, D. Žagar, PROMIKRA, Ljubljana in B. Omejc, Železarna Jesenice, Jesenice Raziskava obravnava problem nadzora temperature plošč in porabe plina v potisni peči ter koncept tehnične rešitve procesnega vodenja. Razvili smo model ogrevanja plošč in model za analizo toplotne bilance. Oba modela sta med seboj povezana z izračunom akumulacije toplote v vložku. Glede na to je prikazan izkoristek kemijske toplote plina ob vsakem pomiku plošč, kar omogoča optimizacijo vodenja peči. The research deals with the computer control of slab temperatures and fuel consumption in the pusher furnace as well as with the concept of technical solution of the process control. The mathematical model of slab reheating and the model of heat balance analysis is developed. Both models are interconnected by the calculation of heat accumulation in slabs. The efficiency of utilisation of heat energy of fuel is shown for each push tirne interval which enables an optimization of process control. 1 Uvod Kol cilj procesnega vodenja ogrevanja vložka v industrijskih pečeh navajajo literaturni viri predvsem doseganje željene temperature in enakomernost njene porazdelitve v vložku ob minimalni porabi goriva1. Vendar dajejo nekatera dela prednost kvaliteti ogrevanja2, draga se posvečajo bolj učinkoviti uporabi energije3. V Železarni Jesenice je potrebno rešiti za ogrevanje vložka v potisni peči nadzor temperature vložka in porabe toplote ter postaviti koncept tehnične rešitve procesnega vodenja. Zato je potrebno skrbno definirati posamezne faze procesa, začetna stanja v sistemu in druge robne pogoje ter upoštevati obstoječo merilno regulacijsko opremo peči. Reševanje tega kompleksnega problema obsega postavitev modela ogrevanja plošč in modela analize toplotne bilance s pomočjo istočasnih meritev veličin posnetih na peči s sistemom za zajemanje meritvenih signalov. Drugi model je odvisen od prvega preko izračuna akumulirane toplote v vsaki plošči v odvisnosti od časa oziroma položaja v peči. Rezultat te povezave je časovna odvisnost izkoristka kemijske toplote goriva pri potovanju posamezne plošče skozi peč. Na osnovi izčrpnega računalniškega prikaza parametrov pravilnega ogrevanja je možno z nastavljanjem temperaturnega profila peči optimirati ogrevanje glede na neoporečno ogretje in minimalno porabo energije. 2 Model ogrevanja plošč Model je zasnovan tako, da je upoštevana vsaka plošča posebej v zanjo specifičnih pogojih ogrevanja, ki navadno nastopijo zaradi neenakomernih časovnih intervalov potiskanja. Model upošteva prevajanje toplote v ploščah v eni dimenziji, izmenjavo toplote med dimnimi plini, steno peči in površjem vložka ter prevajanje toplote v steni peči. Rešen je tudi problem urejanja velikega števila podatkov, ki se shranjujejo za vse plošče, ki so trenutno v peči, v trikotne matrike po shemi v sliki 1. Ko plošča peč zapusti, se vsi podatki izpišejo na datoteko ali s tiskalnikom na papir, s čimer je ohranjena zgodovina ogrevanja za vsako ploščo. Iz trikotnih matrik je možno izpisati tudi podatke o trenutnem stanju v peči. Podatki, ki jih zasledujemo so: • povprečna temperatura plošče • največja temperaturna diferenca v plošči • čas zadrževanja plošče na položajih v peči med dvema potiskanjema • temperaturni profil sten peči • temperaturna porazdelitev v plošči Na abscisi trikotne matrike v sliki 1 so navidezni odseki peči, ki jih je toliko kot je plošč v peči. Na ordinato nanesemo pomike, ki jih štejemo od trenutka, ko se je plošča pomaknila s prvega odseka v drugega pa do izstopa plošče iz peči. V diagonalne elemente matrike shranjujemo trenutne vrednosti veličin, v preostalih elementih pa je zapisana zgodovina ogrevanja vsake plošče. Elemente matrike oštevilčimo od leve proti desni in od spodaj navzgor. Indeks i teče od 1 do števila navideznih odsekov (21) in j od 1 do števila pomikov, ki jim je bila plošča podvržena 2 1(1+1) 231_ 230 _229^ 228 2000 1600 2 800 ij nh r\ r p / Hm Af / r v i-- odsek peči Slika 1. Shema shranjevanja podatkov. Figure 1. Scheme of dala storing. v peči (21). Diagonalni elementih dobijo indeks ostali elementi pa ?». Ob vsakem pomiku plošč premestimo vrednosti iz stolpca matrike na levi v stolpec na desni strani, kar je v skici nakazano s puščicami. Trenutne vrednosti veličin zapisujemo v diagonalne elemente matrike. Primer zapisa zgodovine plošč in trenutnih stanj v peči ob pomiku prikazujeta tabela 1 in tabela 2. 3 Model toplotne bilance v povezavi z modelom ogrevanja Model toplotne bilance temelji na meritvenih podatkih, ki jih zajemamo z merilnih pretvornikov na peči. Bistvene so meritve porabe plina in zraka v predgrevni in ogrevni coni v zgornjem in spodnjem delu peči ter v levi in desni polovici izenačevalne cone. Poleg tega je potrebno meriti za popolno analizo toploUie bilance še temperaturo dimnih plinov, temperature sten peči in hladilne vode ter časovne intervale potiskanja. Toplotno bilanco prikažemo ob vsakem potiskanju plošč za minuli časovni interval od predhodnega potiskanja. Iz temperaturnih podatkov, ki jih izračuna model ogrevanja, izračunamo akumulacijo toplote v vseh ploščah, ki so v peči. Iz izmerjene porabe plina za obdobje prehoda izbrane plošče skozi peč, ki je prikazana z diagramom v sliki 2, je izračunana kemijska toplota porabljenega plina ob vsakokratnem pomiku plošče skozi peč in prikazana s stolpičnimi diagrami v sliki 3. Z rezultati modela ogrevanja je izračunana časovnim intervalom ustrezna akumulacija toplote v vseh ploščah in prav tako prikazana v sliki 3. To je koristna toplota. Izkoristek kemijske toplote je prikazan ob vsakem pomiku nad stolpičnim diagramom. 4 Določitev začetne temperature plošč pri toplem zalaganju V zvezi s procesnim vodenjem je bilo potrebno rešiti tudi problem določanja začetne temperaturne porazdelitve v ploščah, ki vsebujejo določeno entalpijo kot posledico predhonega procesa. Začetne temperaturne porazdelitve v peči pri zalaganju v vročem stanju direktno z meritvami ni mogoče določiti v pogojih normalnega obratovanja. Tudi bi to bilo nesmotrno, ker začetno temperaturno stanje ni enolično, ampak se spreminja odvisno od obratovalnih pogojev. Zato smo osnovali določitev začetnega temperaturnega stanja v vročih založenih ploščah, ulitih na napravi 0 20 40 60 80 1 00 120 140 1 60 180 200 220 240 260 Čas ogrevanja (min) Slika 2. Celotna poraba plina. Figure 2. Total consumption of fuel gav 1 2 3 4 5 6 7 fl 9 10 11 12 13 M 15 16 17 '8 1 9 20 21 NAVIOeZNt OOSEK flg TOPLOTA V PlOgCAH T//) PORABA TOPLOTE ] Slika 3. Izkoristek kemijske toplote plina. Figure 3. Useful heat/total heal input in percents. za kontinuirno ulivanje, na poznavanju osnovnih zakonitosti procesa kontinuirnega ulivanja plošč. Po svoji naravi je kontinuirno ulivanje jekla predvsem proces odvajanja toplote. Ta poteka v treh glavnih conah odvajanja toplote, ki so: kokila, prhe in podporni valji ter cona sevanja na okolico. Matematična formulacija bazira na osnovni enačbi prevajanja toplote v nestacionarnem temperaturnem polju, obratovalnih podatkih o hladilni vodi, empiričnih podatkih, ki opisujejo zapletene procese odvajanja toplote na površju žile v hladilnih conah in zakonu o sevanju trdnih teles. S spremembo robnih pogojev v matematičnem modelu smo določili tudi potek ohlajanja plošč pod prenosnim pokrovom do transporta plošč v peč. Za ilustracijo dobljenih rezultatov matematičnega modeliranja sta v sliki 4 prikazana diagrama ohlajanja sredine in površja plošče v napravi za kontinuirno ulivanje in pod prenosnim pokrovom. 5 Koncept tehnične rešitve Za uvedbo računalniškega vodenja ogrevanja plošč v potisni peči v Železarni Jesenice so v podjetju "PROMIKRA" zastavili naslednji koncept tehnične rešitve. Sedaj vodijo Tabela 1. Zapis podatkov zgodovine ogrevanja plošče. 24. interval oz. slab; odsek č asovni -S X C temperaturni profil v plose i interval P P min 3 °c K W/mK J/kgK °c °C 1 11 0 89 245 15. 0 484 850 55 40 37 48 84 157 282 2 8 30 137 287 15. 7 508 850 77 65 70 95 147 232 352 3 8 30 182 303 16. 4 528 850 108 99 109 143 201 288 402 4 10 0 232 304 17. 0 545 850 151 144 158 195 256 340 447 5 9 10 276 292 17 . 7 554 850 196 189 204 241 300 381 481 6 11 50 339 249 18. 5 563 850 295 270 273 302 355 428 519 7 10 10 487 405 20. 5 577 1150 503 416 382 402 474 603 787 8 11 0 634 329 22. 2 599 1150 687 589 544 553 616 725 873 9 8 10 749 248 24. 0 615 1150 870 745 678 669 712 798 916 10 9 40 864 201 25. 2 639 1150 998 887 819 797 819 880 971 11 8 0 971 208 26. 4 674 1280 1105 994 922 897 920 990 1103 12 10 50 1071 145 27. 8 716 1280 1163 1086 1036 1018 1035 1086 1162 13 8 10 1123 108 28. 7 740 1280 1192 1135 1097 1084 1097 1135 1192 14 8 0 1169 106 29. ,2 762 1320 1214 1171 1143 1135 1149 1185 1241 15 9 0 1205 83 29. 5 781 1320 1233 1203 1184 1180 1193 1222 1263 16 12 0 1238 59 29. , 8 793 1320 1252 1233 1223 1222 1232 1253 1281 17 10 40 1243 31 29. , 9 795 1280 1234 1234 1235 1239 1245 1254 1265 18 8 0 1247 31 29 .9 796 1280 1236 1237 1239 1244 1250 1258 1267 19 8 0 1250 29 29. , 9 797 1280 1240 1241 1243 1247 1253 1260 1269 20 8 40 1253 26 30 .0 798 1280 1243 1244 1247 1251 1256 1262 1270 21 10 0 1256 24 30, ,0 799 1280 1247 1248 1250 1254 1259 1264 1271 Tabela 2. Zapis trenutnih podatkov o ploščah v peči ob pomiku. 24. interval oz. slab; odsek trajanje 5 \ c -9- temperaturni profil v ploSčah ogrevanja p p min s °C K W/mK J/kgK °C °C 1 10 0 83 237 15 .0 481 850 53 38 34 43 76 146 270 2 18 40 133 286 15 . 7 50 6 850 75 63 67 91 142 226 349 3 26 40 177 304 16 . 3 525 850 104 94 104 136 194 281 398 4 34 40 215 304 16 . 8 541 850 136 128 141 177 237 322 432 5 45 20 265 292 17 . 5 552 850 186 179 193 230 289 370 471 6 57 20 330 254 18 . 4 562 850 285 259 263 293 347 421 514 7 66 20 473 420 20 . 3 576 1150 490 399 364 384 459 592 784 8 74 20 594 356 21 , . 7 593 1150 653 545 496 506 574 692 852 9 82 30 720 266 23. 7 610 1150 855 720 645 632 677 769 898 10 93 20 835 219 24. . 9 632 1150 980 860 786 761 786 852 953 11 101 20 967 214 26 . 3 67 3 12 80 1104 989 915 890 915 988 1103 12 111 0 1060 153 27 . 6 711 12 80 1157 1076 1023 1005 1023 1076 1157 13 119 10 1120 111 28. 7 7 38 1280 1190 1132 1093 1079 1093 1131 1190 14 130 10 1172 105 29 . . 2 764 13 20 1216 1173 1146 1139 1153 1190 1244 15 140 20 1208 80 29. 5 782 1320 1235 1206 1188 1184 1197 1225 1265 16 152 10 1237 60 29 . . 8 793 1 320 1251 1232 1222 1221 1231 1252 1281 17 161 20 1239 34 29 . 8 794 1280 1229 1230 1231 1234 1241 1251 1263 18 171 20 1245 32 29 . 9 796 1280 12 34 1235 1237 1242 1248 1256 1266 19 179 50 1249 29 29 . 9 797 1280 1239 1240 1242 1247 1252 1260 1268 20 188 20 1255 25 30 . 0 799 1280 1246 1247 1249 1253 1258 1264 1271 21 199 20 1256 24 30 . 0 799 1280 1247 1248 1250 1254 1259 1264 1271 1600 1500 K00 g 1300 o 1200 | 1100 | 1000 £ 900 800 700 600 ■v, i i ■ \ r\ V SREDINA \ ~\P0V RŠJE \ v - \ i 'II! ii:' lil! 1 l l i 1 1 1 ' 1.1) TISKALNIK PROCES: - digitalni vhodi - dig.izhodi - analogni vhodi 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Čas (s) Slika 4. Ohlajanje plošč. Figure 4. Cooling of slabs. ogrevanje regulatorji Honeywell UDC 5000. Ti regulirajo delovanje plinskih gorilnikov v skladu z željeno vrednostjo in trenutno merjeno vrednostjo temperatur v peči. Željene vrednosti posameznih temperatur se nastavljajo ročno neposredno na regulatorjih. Nastavitve so odvisne od vrste jekla in trenutnega stanja na vseh transportnih linijah. Z uvedbo računalniškega nadzora potisne peči bo mogoče: • spreminjati trenutne in nastavljene vrednosti posameznih veličin na grafičnem zaslonu in nadzirati tolerančne meje, • arhivirati vse dogodke za kasnejše analize, • kreirati željene temperaturne poteke za posamezne vrste jekel • programsko nastavljati željene vrednosti na regulatorjih v odvisnosti od vrste jekla, • optimalno voditi ogrevanje s pomočjo modela na osnovi prenosa toplote in bilance toplotnih tokov. Uvedba nadzornega računalnika omogoča boljši pregled nad dogajanjem v peči, arhiviranje vseh podatkov, odpravo morebitnih napak operaterja in integriranje potisne peči v računalniški nadzor celotne valjarne in železarne. 5.1 Konfiguracija sistema Za nadzor ogrevanja v potisni peči je predviden računalnik tipa PC/AT 386 v industrijski izvedbi. Na nadzorni računalnik je priključen preko serijskega kanala industrijski krmilnik npr. SI MATIC 115U, na katerega so priključeni vsi senzorji, ki niso že prikjučeni na regulatorje. Krmilnik je opremljen z. moduli za priključitev 24 analognih vhodov tipa 4. . . 20 mA in 32 digitalnih vhodnih ter 32 digitalnih izhodnih signalov 24 VDC. Bločna shema povezav nadzornega računalnika je prikazana na sliki 5. Obstoječi regulatorji bodo z dodatkom komunikacijskih vmesnikov priključeni na napravo GATEWAY 500, la pa na serijski port nadzornega računalnika. Ohrani se obstoječi način regulacije, Slika 5. Koncept tehnične rešitve. Figure S. Concept of technical solution. ki deluje tudi v primeru izpada računalnika. Računalnik direktno ne izvaja regulacije, temveč samo pošlje vsem regulatorjem željene vrednosti v skladu z določeno vrsto jekla, vstopno temperaturo plošč in zastoji na transportnih linijah. Matrični tiskalnik formata A4, ki je priključen na paralelni port računalnika služi za protokoliranje. Predvidena je tudi serijska povezava na nadrejeni računalnik. Na nadzornem računalniku teče programski paket FIX DMACS za spremljanje in nadzor procesa. Osnovna značilnost paketa je, da je odprt in omogoča istočasno delovanje dodatnih programov, ki rešujejo specifične probleme nadzora ogrevanja kot npr. nadzor temperature plošč in porabe toplote. 6 Sklep Konceptualno je rešen problem nadzora ogrevanja in porabe energije v potisni peči ter postavljen koncept tehnične rešitve. Zato je bilo potrebno postaviti več algoritmov delnih procesov prenosa toplote v peči in urejanja podatkov. Za primer zalaganja plošč v vročem stanju je rešen problem določitve začetne temperature plošč. 7 Seznani simbolov cp specifična toplota A toplotna prevodnost i) povprečna temperatura plošče A i) največja temperaturna diferenca v plošči 0f temperatura peči 8 Literatura 1 Hollander. F. in R.L. Huisman. Computer Controlled Re-heating Furnaces Optimize Hot Strip Mili Performance. Iron and Steel Engineer, sept. 1972, 43-56 2 Koinis. F.J. in R.W. Meyer. Improved Thermal Efficiencv in Reheat Furnaces through Heat Transfer Analvsis and Correlation, Iron and Steel Engineer, Feb. 1982. 43-46 1 Kuck A., R. Klima in D. Sucker. Ein Programmsystem zur Prozesssteuerung von Durchlauf-Warmofen. Stalil u. Eisen. 102, 18. 1982. 867-872