В связи с широким применением электронно-вычислительной техники и развитием теории оптимального управления технологическими процессами появилась возможность решения задач проектирования нагревательных устройств по заданным критериям оптимальности. Математическим аппаратом может служить теория управления системами с распределенными параметрами, разработанная А.Г. Бутковским. В настоящее время известен широкий круг исследований по решению частных задач, связанных с нагревом металла в камерных печах (наискорейший нагрев, по минимуму расхода топлива, по минимуму окалинообразования и т.д.) [9 - 12].
Наибольший интерес представляют с нашей точки зрения способы тепловой обработки слитков с минимальным окислением поверхности, так как, согласно [8], тепловые режимы по минимуму расхода топлива практически не дают выигрыша по сравнению с обычным комбинированным, рассмотренным ранее. Актуальность разработки и реализации таких режимов связана с тем, что зачастую суммарные потери от угара металла значительно превышают затраты на топливо при нагреве и электроэнергию при прокатке, что в конечном итоге зависит от соотношения между ценами стали, топлива и электроэнергии. При этом необходимо учитывать и опасность появления брака при прокатке вследствие вскрытия подкорковых и сотовых пузырей при обычном нагреве полуспокойных и кипящих марок стали.
Поставленная задача решалась различными методами: в работах Э.М. Гольдфарба [10] и С.А. Малого [11] использован принцип максимума Л.С. Понтрягина; С.И. Гинкула, Е.И. Казанцева, Г.П. Выпова [12] - симплекс-метод; Ю.И. Розенгарта с соавторами [9] - методы вариационного исчисления. Основными недостатками полученных решений является сложность их реализации на практике так как они либо были получены для тел простейшей формы с большими упрощениями, либо в качестве управляющей функции выбиралась температура поверхности металла.
В работах [2, 13] нами разработан режим нагрева слитков в нагревательных колодцах с минимумом окисления металла, который может быть использован в качестве составной части компьютеризированной системы управления. В соответствии с полученными результатами нагрев должен осуществляться в несколько этапов:
нагрев при достаточно высоком значении температуры среды. Этот этап завершается при достижении поверхностью температуры начала интенсивного окалинообразования;
выдержка при постоянной температуре поверхности слитка. Температурные и временные параметры зависят от размеров слитка и характера изменения константы окалинообразования. Целью этой выдержки является уменьшение перепада температуры по сечению слитка для осуществления следующего этапа;
быстрый нагрев поверхности слитка с одновременным обеспечением заданного качества. Использование данного режима приводит к некоторому снижению производительности отделения нагревательных колодцев и может быть рекомендован для нагрева слитков из легированных и высоколегированных марок стали холодного, теплого или горячего посада при наличии резерва производительности в отделении нагревательных устройств.
Вынужденное пересиживание слитков в нагревательных колодцах, связанное с неритмичностью работы прокатного стана, также является причиной увеличения удельного расхода топлива и интенсификации окалинообразования. Снизить негативное влияние простоев при существующей схеме работы отделения нагревательных устройств возможно путем перевода ячеек в режим высокотемпературного термоса, что в настоящее время осуществляется на КГГМК "Криворожсталь" [14] и ОАО "Енакиевский металлургический завод". Сущность технологии заключается в выдержке слитков после их посада при постоянной температуре печи, равной 950-1000°С, в течении времени прогнозируемого простоя. Выбор значения этой температуры зависит от тепловой мощности ячейки и длительности простоя. Применение этой технологии позволяет уменьшить угар металла на 20-25%, расход топлива на 8-10%, а также брак готового проката.
Нагрев 8,5-тонным слитков.
При температуре посада слитков от 900 до 930°С устанавливается продолжительность первого периода нагрева с ограниченной подачей топлива согласно таблицы 1.
Таблица.1.
| Температура поверхности слитков при посаде, °С | Продолжительность нагрева с ограниченной подачей топлива (1ООО-15ОО нм3/час), мин. |
| 900 – 910915 - 930 | 2030 |
При температуре посада слитков от 935 до 960°С устанавливается время выдержки металла в нагревательном колодце без подачи топлива согласно таблицы 2.
Таблица 2.
| Температура поверхности слитков при посаде, °С | Продолжительность выдержки без подачи топлива, мин. |
| 935 – 940945 - 960 | 3045 |
Выдача слитков раньше установленного графика разрешается не более 15 мин.
Нагрев 12,5-тонных слитков.
При температуре посада слитков от 9ОО до 930°С устанавливается продолжительность первого периода нагрева с ограниченной подачей топлива согласно таблицы 3.
Таблица 3
| Температураслитков, °С | Продолжительность нагрева,час. мин. | Температура°С | |
| с ограниченной подачей топлива.1OOO-l5ООнм3 /час | общая | ||
| 900-915920-925930 | 0-300-450-45 | по ТИпо ТИ5-00 | По ТИПо ТИПо ТИ |
При температуре посада слитков от 900 до 930°С и выше устанавливается время выдержки металла в нагревательном колодце без подачи топлива согласно таблицы 4.
Таблицы 4
| Температура поверхностипосаде, °С | Продолжительность выдержки без подачи топлива час. мин. | Темпера-туратомле-ния. °С | Продолжительность нагрева, час. мин. | |
| после включения газа | общая | |||
| 935 | О-45 | 1300 | 4-15 | 5-00 |
| 940-945 | 1-00 | 128O | 3-ЗО | 4-ЗО |
| 950-955 | 1-ЗО | 126О-128О | 2-ЗО | 4-ОО |
| 960-965 | 2-00 | 126О-128О | 2-00 | 4-ОО |
| 97О-985 | 2-30 | 1260-1280 | 1-4О | 4-10 |
| 99О и выше | 2-45 | 1260-1280 | 1-45 | 4-30 |
Выдача слитков раньше чем через 4 часа 50 мин. после конца разливки запрещается.
Стрипперование слитков производится через 30 минут от конца разливки. Начало нагрева слитков 75 минут от конца разливки (температура посада 940°С согласно заводской инструкции по определению температуры посада). Температура колодца в конце посада 790°С. Время выдержки без подачи топлива - 3 часа (180 минут). Расход газа после выдержки - 2000 мэ/ч. Общее время нагрева 3 часа 45 минут (225 минут). Температура томления 1270-1280°С. Для сравнения результаты расчетных и экспериментальных данных приведены в таблице 1.
Из таблицы 1 видно, что расчетная температура печи удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными, в течение первых двух часов выдержки без подачи газа (время нагрева 0 - 120 минут). Максимальное отклонение расчетной температуры печи от фактической к концу выдержки (180 минута нагрева) составило 34°С. В последующие 25 минут (180-205 минут нагрева) расхождение в расчете температуры печи объясняется тем, что в экспериментальном нагреве после истечения времени выдержки был установлен постоянный расход газа 2000 м3/ч. После истечения, периода выдержки программой предусмотрена установка максимальной тепловой мощности (максимального расхода газа), до достижения контрольной температуры томления с последующим сокращением расхода топлива для обеспечения поддержания постоянной температуры печи.
Удельный расход условного топлива за нагрев по показаниям стационарного прибора на щите КИПиА составил 2,43 кгут/т, по расчетным данным 2,32 кгут/т, что является удовлетворительной точностью для расчетов. Анализ температурного поля слитков показал, что в момент выдачи в прокат (время нагрева 3 часа 45 минут (225 мин)) в донной части слитка была небольшая зона металла с температурой 1138°С при средней по массе температуре 1265 °С.
Расчетный угар металла в момент выдачи составил 0,9% от массы слитка (112,5кг).
Изменение температуры торцов раската на ножницах показало, что температура головной части всех 12 слитков была в пределах 1235 - 1260 °С (по технологической инструкции 1200™ 1230 °С), донной части - 1210 - 1235 °С (по технологической инструкции 1160 - 1190 °С).
Температура внутри слитка должна быть не менее 1150 - 1160 °С. Поэтому время нагрева данной садки должно составлять 4 часа, т.е. на 15 минут больше.
На основе численных исследований разработана технология нагрева слитков с различным содержанием жидкой сердцевины в момент посада с учетом технологического состояния нагревательного колодца.
Суть технологии, уже применяемой на комбинате и других предприятиях, состоит в том, что после посада слитков в нагревательный колодец делается выдержка их без подачи топлива (кроме того газа, который подается через байпас), длительность, которой зависит от содержания жидкой сердцевины в слитках. Затем по истечении времени выдержки, слитки нагревают либо по стандартной технологии (включается максимальный расход газа в I периоде и задается контрольная температура в ячейке во II периоде нагрева), либо ограниченным расходом топлива в I периоде, составляющим 0,2 - 0,5 от максимального расхода до заданной контрольной температуры во II периоде.