CC BY
7
УДК 621.783.2:621.311.16
Качан Ю. Г.1, брофеева А. А.2
1Д-р техн. наук, професор, 3aeidyea4 кафедри електротехнпки та енергоефективноcmi ЗапорпзькоУ державноУ нженерноУ
академУУ, Запорпжжя, УкраУна
2Асистент кафедри електротехнiки та енергоефективноcmi ЗапорпзькоУ державноУ пнженерноУ академУУ,
Запорiжжя, УкраУна
1ННОВАЦ1ЙНЕ УПРАВЛ1ННЯ ПРОЦЕСОМ НАГР1ВАННЯ МЕТАЛУ У ПЕЧ1 З ВИКОРИСТАННЯМ ПРОСТОРОВОГО ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ
Актуальтсть. У po6oTi виршено актуальну задачу розробки шновацшно! системи управлшня процесом на^вання металу у камернш печi.
Мета - розробка алгоритму управлшня процесом на^вання металу з додатковим використанням у якост керуючого впливу просторового електричного поля у кaмеpi печi.
Метод. За загальновщомими методиками планування експерименту одержано регресшну модель реально! камерно! печi з врахуванням величини напруги мiж пальником i садкою металу, яка i покладена в основу алгоритму
Результати. Розроблено систему управлшня камерною шччю, у якiй за створеним алгоритмом визначаються оптимaльнi значення керуючих впливiв на кожному кpоцi циклу на^вання. Запропонована система упpaвлiння е ушверсальною, оскiльки пiсля пpоpaхункiв видае динамжу, за якою потpiбно змiнювaти величину постшно! напруги та подачу газу з кроком у час j для виконання будь-якого заданого режиму теpмiчно! обробки металу. Пpоведенi експериментальш дослiдження на pеaльнiй кaмеpнiй печi з викатним подом на ТОВ «Зaпоpiзький титaно-мaгнiевий комбшат» це тдтвердили. Анaлiз отриманих гpaфiкiв змiни температури вщпалу металу показав, що при pеaлiзaцi! оптимальних значень керуючих впливiв, одержаних за допомогою розробленого алгоритму, спостер^аеться висока piвномipнiсть й забезпечуеться краща якiсть нaгpiвaння металу. Динамжа споживання газу камерною пiччю за цикл на^вання у базовому режиму без подaчi напруги, та за умови !! використання у вщповщност до виконано! оптимiзaцi! зaсвiдчують можливють суттевого пiдвищення енеpгоефективностi розглядуваних печей.
Висновки. Вперше доказано можливiсть i ефективнiсть використання у якостi керуючого впливу просторового електричного поля в кaмеpi печ^ що пiдтвеpджуе наукову новизну отриманих результата. Практичне значення дослщжень полягае у тому, що розроблений алгоритм управлшня е ушверсальним з точки зору pежимiв теpмiчно! обробки металу та може застосовуватись у камерних печах будь-якого промислового шдприемства, при цьому за один цикл на^вання зменшуеться споживання природного газу бшьш нiж на 10%.
Ключовi слова: алгоритм упpaвлiння, матриця експерименту, полiномiaльнa модель, оптимaльнi керукта впливи.
НОМЕНКЛАТУРА
Ь^ - коефщенти моделц Т - температура металу; и - напруга мiж пальником i садкою; итах - максимальне значення напруги мiж пальником i садкою;
и тт - мiнiмальне значення напруги мiж пальником i садкою;
Ди - крок змiни напруги; 2 - обсяг подачi газу;
2тах - максимальне значення обсягу подачi газу; 2т1„ - мiнiмальне значення обсягу подачi газу;
Д2 - крок змши подачi газу; Т - час нагрiвання; / - крок за часом;
/тах- максимальне значення кроку за часом; /т;п- мiнiмальне значення кроку за часом; Тзад - задана за технолопчним режимом температура металу;
ДТв;дх - технолопчно допустиме вiдхилення температури вщ задано!;
х - ширина заготавки; хтах - максимальна ширина заготавки; хт;п - мiнiмальна ширина заготавки; У - довжина заготiвки;
© Качан Ю. Г., Срофеева А. А., 2017 БОТ 10.15588/1607-3274-2017-4-22
ymax - максимальна довжина заготавки; ymin - мшмальна довжина заготавки; z - висота заготавки; zmax - максимальна висота заготавки; zmin - мшмальна довжина заготавки.
ВСТУП
Проблема тдвищення енергоефективносп камерних печей - це багатопланова задача, найбшьш перспектив-ним виршенням яко! на даний час е ефективне управль ння !х тепловим режимом. З ще! позицп камерш печ1 вщносяться до класу об'екпв перюдично! дп. Управлшня нагр1ванням зводиться до визначення i реал1зацп у чаи ращональних теплових i температурних режишв, що за-безпечують технолопчно необх1дну динам1ку нагр1ван-ня металу [1, 2].
Об'ектом дослщження е процес нагр1вання металу у камернш печг
Анал1з сучасного стану роботи камерних печей св1дчить про !х невщповщшсть технолопчним вимогам до якост нагр1вання металу. В наявних наукових дослщ-женнях, присвячених управлшню процесом терм1чно! обробки останнього, у якост керуючого впливу викори-стовують тшьки витрату природного газу
Предметом досл1дження е енергозбершаюча система управлшня процесом нагр1вання металу у камернш печг Метою дано! роботи було створення алгоритму уп -равлшня процесом нагр1вання металу у печ1 з додатко-
вим використанням у якостi керуючого впливу просто-рового електричного поля в И камер^
1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ1
Нехай Тзад - задана температура металу, а т - час його на^вання за температурно-часовим режимом. Останш жорстко регламентоваш технолопею за усiма фазами процесу термообробки задля досягнення необх-iдних теплофiзичних перетворень. Тодi задача оптишзацп полягае у розрахунку значень керуючих впливiв для досягнення задано! динамки температурних змiн з мшмальною витратою природного газу, для чого i не-обхiдно розробити в^повщний алгоритм.
У якостi керуючих впливiв запропоновано викорис-тати напругу мiж пальником i садкою и у деякому дiапа-зонi и е[иш1п;итах] та обсяг подачi газу Q е[тт; бтах] на кожному кроцi за часом
' е[/'т]п;,/тах]. Шсля прорахункiв оптимальних спiввiдношень керуючих впливiв за створеним алгоритмом система управлшня повинна реалiзувати по-слiдовнiсть змiни витрати природного газу та електрич-но! напруги для виконання заданого технологiчного режиму на^вання.
2 О1ЛЯД Л1ТЕРАТУРИ
В робота [3] математично сформульована задача конструктивно! оптишзацп камерно! печi та на основi методу динамiчного програмування створено алгоритм оптимального керування подачею газу на тч впродовж всього часу розiгрiву металевих виробiв. Однак наведений алгоритм е досить громiздким щодо практичного використання через складнiсть розроблено! модел^ Тому бiльш цiкавими у даному сенсi е технiчно менш склад-ний в реалiзацi! новий спошб управлiння процесом на-^вання металу.
У статтi [4] вперше доказано, що створення теплових бар'ерiв у камер них печах за допомогою просторового електричного поля може сприяти тдвищенню !х енерго-ефективностi. Для цього використано комплекс програм, що дозволяють прогнозувати з урахуванням турбулент-носи потоюв рух пiчних газiв у печ^ проведено !х мате-матичне моделювання у камерi печi [5-10]. В результата одержано картину полiв швидкостей газiв в робочому об'емi та проведено аналiз щодо ефективност !х використання у зош розташування металевих виробiв, що на-грiваються. Встановлено, що основна частина теплоти нагрiвае верхню частину печi i лише потiм опускаеться вниз камери, де гази незначно! щшьносп контактують з металом, при цьому бiльша !х кiлькiсть просто видаляеть-ся через димовi вiкна, не вщдавши теплоти. Останне при-зводить до перевитрати первинного енергоресурсу та зменшення енергетично! ефективностi печi у цшому. Запропоновано створити тепловий бар'ер шляхом направ-лення деяко! кшькосл останнiх перпендикулярно тiй !х частит, що видаляються з печ1 Доказано, що реалiзувати тепловий бар'ер найпростше шляхом створення просторового електричного поля у камерi печi мiж пальником i садкою металу. Тому дослщницький iнтерес i викликае розробка iнновацiйного алгоритму управлiння на^ван-
ням металу у камерних печах, де у якосп додаткового керуючого впливу буде використовуватись напруга мiж пальником i садкою металу, що на^ваеться.
3 МАТЕР1АЛИ I МЕТОДИ
Для створення зазначеного алгоритму на першому етапi були проведенi експериментальш дослiдження на камернiй печi промислового тдприемства задля вста-новлення взаемозв'язку мiж !! параметрами та температурою металевих виробiв, що на^ваються. Для досягнення максимально! точносл прогнозування за мшмаль-но! кшькоста виконаних операцiй, а також збереження статистично! достовiрностi результатiв експерименту, було здшснено його планування за загальнов^омими методиками [11].
Для розробки матриц експерименту типу 25 було обрано кшька факторiв, якi можуть впливати на розподiл температури всерединi печ^ а саме: витрата природного газу ( Q ), м3/год.; напруга мiж пальником i заголвкою ( и), В; габарити заготавки (х, у, 2), м [12]. Матрицю дiа-пазону значень дослiджуваних параметрiв, що врахову-вались у математичнiй моделi наведено у табл. 1.
За результатами спланованого таким чином експе-рименту в^пов^но до складено! задля цього матрищ одержано шукану жшжмальну модель у виглядп
Т = /(и&,х,у,2) = Ьо + ъх и + ¿2 • Q + Ьз • х + ¿4 • у + + Ь5. • 2 + Ь6 • (и • Q) + Ь7 • (и • х) + +¿8 • (и • у) + Ь9 • (и • 2) + Ьш • (2 • х) + + Ьп • (2 • у) + Ь12 • (2 • 2) + Ь13 • (х • у) + +Ь14 • (х • 2) + Ь15 • (у • 2) + Ь16 • (и • 2 • 2) + +Ьп • (и • 2 • у) + Ь18 • (и • 2 • 2) + +Ь19 • (и • х • у) + Ь20 • (и • х • 2) + Ь21 • (и • у • 2) + + Ь22 • (2 • х • у) + Ь23 • (2 • х • 2) + +Ь24 • (2 • у • 2) + Ь25 • (х• у • 2) + Ь26 • (и • 2 • х• у) +, + Ь27 • (и • 2 • х • 2) + Ь28 • (и • 2 • у • 2) +
+Ь29 •(и •х • у •2) + Ьзо ••х • у •2) + Ь31 •(и •2 •х • у •2). (1)
На рис. 1 наведено схему запропоновано! системи управлшня камерною тччю, яка включае в себе таю основш блоки як розрахунку оптимальних керуючих впливiв за цикл на^вання, регулятори газу i напруги мiж пальником та заголвкою та блок визначення вдаи-лень температури вiд задано! за технолопчним режимом.
Таблиця 1 - Д1апазон значень фактор1в, врахованих у математичнш модел1
Фактор Максимальне значения М1шмальне значення
2 , м3/год. йпах йшп
и , В и тах и тт
х , м х лтах х ■
у, м утах утт
2 , м 2 тах 2тт
Рисунок 1 - Блок-схема системи управлшня камерною шччю
Функщонування запропоновано! системи управлшня вщбуваеться наступним чином: у розрахунковий блок 2 вводяться вхщш дат алгоритму з обмеженнями. Розра-хунки для визначення оптимальних значень величини на-пруги та витрати природного газу на кожному крощ вико-нуються у блощ 2 за розробленим алгоритмом (рис. 2).
Шсля визначення сшввщношень керуючих вплив1в, яю забезпечують досягнення задано! температури на кожному крощ, встановлюеться оптимальна по-слщовшсть змши витрати газу та напруги за цикл, яка забезпечить виконання температурного режиму на-гр1вання з мшмальною витратою природного газу Потам у вщпов^ност до отримано! посл1довност1 регуляторами 3 i 4 зм1нюеться величина напруги м1ж пальником i садкою металу та подача газу, яю й забезпечують вико-нання заданого графiку нагрiвання. У разi вiдповiдностi температури заданiй, регулятори продовжують реалiзо-вувати видану алгоритмом послдавшсть на наступно-му крощ. Якщо температура виходить за межi технолог-iчно допустимого вiдхилення, процес реалiзацi! зупи-няеться i проводиться визначення нових значень керуючих впливiв за цим же алгоритмом на подальшi кроки. Запропонована система управлiння е ушверсаль-ною, оскiльки пiсля розрахунюв видае динамiку, за якою потрiбно змiнювати величину постiйно! напруги та подачу газу на кожному часовому iнтервалi для виконання заданого технолопчного режиму нагрiвання.
4ЕКСПЕРИМЕНТИ
Експериментальш дослiдження були проведенi на реальнш камернiй печi вiдпалу з викатним подом на ТОВ «Запорiзький титано-магшевий комбшат» (ТОВ «ЗТМК»), яка призначена для термiчно! обробки деталей. Шч опалювалася природним газом та мала чотири працюкш iнжекцiйнi пальники. На викатний тд площею близько 5м2 встановлювалась електропровiдна пластина, яка за розмiром не перевищувала нижню площину садки металу i витримувала температуру у нагрiвальнiй
камерг До пластини приеднувався iзольований провщник струму, який виводився назовнi так, щоб не було контакту з корпусом поду (не виникало заземлення). Садку металу масою близько 4500 кг розмiщували на викатно-му жед таким чином, щоб мiж нею i пластиною зберь гався електричний контакт i можна було через наявний отвiр у камерi печi безконтактним приладом визначити температуру садки в процем нагрiву 1нший iзольований провщник струму з таким же перетином за^плювався на iнжекцiйному пальнику таким чином, щоб забезпе-чувався його електричний контакт з останнiм. Протилежш кiнцi зазначених провiдникiв струму приеднувались до випрямляча з напругою (не бшьше 1000В) таким чином, щоб на пальнику був нульовий потенщал [13]. 5 РЕЗУЛЬТАТИ
Графiки отриманих значень температур вiдпалу металу у камернш печi з викатним подом представлен на рис. 3. Температура садки металу в динамщ вишрюва-лась безконтактними лазерними шрометрами Optris LaserSight. На рисунку 4 показано також одержану динам^ споживання газу камерною пiччю за цикл на-грiвання.
Аналiз графтв, представлених на рис. 3 показуе, що незначне вiдхилення вiд заданого температурно-часово-го режиму не порушуе технологi! нагрiвання (близько 120° за годину), швидше досягаеться потрiбна температура металу та спостершаеться бшьш прямолiнiйна крива вiдпалу. Все це св^ить про бiльшу рiвномiрнiсть й забезпечення кращо! якостi на^вання металу. Динамi-ка одержаних витрат природного газу у базовому ре-жимi, без подачi напруги та отримана за умови подачi напруги мiж пальником i садкою металу у вiдповiдностi до виконано! оптишзацп показано на рисунку 4. Скачки на графжах в^пов^ають почерговому включенню та вiдключенню пальниюв. За показниками лiчильникiв за один цикл термiчно! обробки у вщповщност до виконано! оптимiзацi! досягнуто скорочення споживання природного газу на 11% [14].
Pисyнoк 2 - Алгоритм упрявдшня пpoцесoм нагр1вання металy y печ1
Pисyнoк 3 - Графжи значень температур вiдпaлy метaлy y камернш печ1: бaзoвий, неoбxiдний за теxнoлoгieю, 2 - при реал1заци oптимaльниx значень кеpyючиx вплив1в, oтpимaниx за дoпoмoгoю
нaведенoгo aлгopитмy
0123456789 10
Трпватсть термообробки, год
Pисyнoк 4 - Динамжа спoживaння газу кaмеpнoю шччю: 1 - бaзoвa, без пoдaчi напруги, 2 - oтpимaнa за yмoви пoдaчi напруги м1ж пaльникoм i сaдкoю металу у вiдпoвiднoстi дo викoнaнoï
oптимiзaцiï
б ОБГОВОРЕННЯ
Зaпpoпoнoвaний aлгopитм управлшня пpoцесoм на-гpiвaння металу з дoдaткoвим викopистaнням у якoстi ^pyic^oro впливу пpoстopoвoгo електpичнoгo пoля, який дoзвoляe сyттeвo пiдвищити енеpгoефективнiсть кaмеpнoï печi пopiвнянo з aлгopитмoм кoнстpyктивнoï oптимiзaцiï камерних печей на oснoвi пеpемiщення ви-тяжних вiкoн та мюць poзтaшyвaння пaльникiв [3] ^o-стiший за теxнiчнoю pеaлiзaцieю. Перевашю poзpoбле-
нoгo aлгopитмy e те, вперше у якoстi дoдaткoвoгo керую-чoгo впливу викopистoвyeться пpoстopoве електричне тале, ствopення якoгo на реальтаму пiдпpиeмствi не пoтpебye значних кaпiтaлoвклaдень та зoвнiшнix теплo-yтилiзaтopiв, o^^rn теплoтa пpoдyктiв згopяння, щo рашше втрачалась з вiдxiдними газами виюристовуеть-ся безпoсеpедньo у пpoцесi теpмiчнoï oбpoбки, щo сприяе пiдвищенню енеpгетичнoï ефективнoстi устата-вoк у ц^гому.
ВИСНОВКИ
Зпдно з поставленою у цiй робот метою, вирiшено задачу щодо розробки шновацшного алгоритму управ-лiння процесом на^вання металу у камернiй печ^ який тдвищуе И енергоефективнiсть. Наукова новизна отри-маних результатiв полягае у тому, що вперше доказано можлив^ть використання у якостi керуючого впливу просторового електричного поля, що створюеться в И камерi. Розроблений алгоритм управлшня е ушверсаль-ним з точки зору режимiв термiчноl обробки металу та може застосовуватись у камерних печах будь-якого про-мислового тдприемства. При цьому за один цикл терм-iчноl обробки можливо скоротити споживання природного газу бшьш шж на 10%, що тдтверджуе його прак-тичну доцiльнiсть. ПОДЯКИ
Роботу виконано в рамках держбюджетно! науково-дослщно! теми Заж^зько! державно! шженерно! академп «Розроблення технологи та оргашзащя промислового виробництва композицiйних матерiалiв, стiйких в умо-вах ди високих температур та агресивних середовищ, для авiацiйноl та космiчноl техшки» (номер державно! реест-ращ! 01Ш004839).
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Анализ методов математического моделирования процессов теплообмена в промышленных печах для нагрева метала / [В. И. Тимошпольский, И. А. Трусова. Д. В. Менделеев, П. Э. Ратников] // Литье и металлургия. - 2012. - N° 2 (85). -С. 102-107.
2. Поливанчук А. С. Моделирование процесса нагрева металла в камерной печи при минимизации расхода топлива /
A. С. Поливанчук, С. В. Василец // Автоматизащя технолопч-них об'ек™ та процеав. Пошук молодих : Зб1рник наукових праць XI науково-техшчно! конференци асшран™ та сту-денпв в м. Донецьку 17-20 травня 2011 р. - Донецьк, Дон-НТУ 2011. - С. 64-68.
3. Качан Ю. Г. Оптимальное управление камерной нагревательной печью по энергосберегающему критерию / Ю. Г. Качан,
B. В. Степкин, Ю. Б. Лиуш // Прнича електромехашка та автоматика. - 2013. - № 91. - С. 143-147.
4. Качан Ю. Г. Застосування просторових електричних пол1в задля створення теплових перешкод у камерних печах /
Ю. Г. Качан, А. А. Bi3ep, А. В. ^6ip // Електротехшка та електроенергетика. - 2017. - № 1. - С. 18-23.
5. Сибирь А. В. Моделирование теплообмена в камерной печи с центральной регенеративной горелкой / А. В. Сибирь, С. И. Решетняк, В. И. Губинский // Вюник Дншропетровсько-го ушверситету. Серия Механика. - 2007. - № 2/1. - С. 131— 139.
6. Development of turbulence models for shear flows by a double technique: [V. Yakhot, S. Orszag, S. Thangam et. al.] // Phys. Fluids A. - 1992. - Vol. 4, № 7. - P. 1510-1520. D01:10.1063/ 1.858424.
7. Lauder B. E. The numerical computation of turbulent flow / B. E. Lauder, D. B. Spalding // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. - 1974. - Vol. 3. - P. 269-289.
8. Dulikravich G. S. Convective heat transfer control using magnetic and electric fields / G. S. Dulikravich, M. J. Colaco // Joutnal of Enhanced Heat Transfer. - 2006. - Vol. 13 (2). - P. 139-155.
9. Huang М. Ehd-enhanced heat and mass transfer: dissertation ... doctor of philosophy / Meirong Huang . - Norman : The University of Oklahoma, 2005. - 152 p.
10. Mahmoudi S. R. Electrohydrodynamic enhancement of heat transfer and mass transport in gaseous media, bulk dielectric liquids and dielectric thin liquid films: dissertation ... doctor of philosophy / Mahmoudi Seyed Reza. - London : The University of Western Ontario, 2012. - 253 p.
11. Адлер Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст] / Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. - М. : Наука, 1976. - 279 с.
12. Качан Ю. Г. Методика визначення оптимальних енергетич-них параметрiв термiчноï печ^ що працюе на бюгазовш сум^ за умови наявносп в ïï камерi просторового електричного поля/ Ю. Г. Качан, В. Л. Коваленко, А. А. Biзер // Металурпя : наукга пращ Запорiзькоï державноï iнженерноï академп. -2016. - 35 (1). - С. 88-91.
13. Пат. 116305 Украша МПК 2007 C21D 9/00. Споаб термiчноï обробки металу у камерних печах перiодичноï дп / Ю. Г. Качан, А. А. Biзер, В. Л. Коваленко (Украша) ; заявник Запорiзька державна шженерна академiя. - u201612960 ; за-явл. 19.12.2016 ; опубл. 10.05.2017, Бюл. № 9 - 4 с.
14. Качан Ю. Г. Визначення економп споживання промисловим пщприемством природного газу за наявносл у робочих об'емах його камерних печей просторового електричного поля / Ю. Г. Качан, В. Л. Коваленко, А. А. Biзер // Енергетика : економжа, технологи, еколопя. - 2017. - № 1. - С. 91-94.
Стаття надшшла до редакци 23.08.2017.
Шсля доробки 11.10.2017.
Качан Ю. Г.1, Ерофеева А. А.2
'Д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой электротехники и энергоэффективности Запорожской государственной инженерной академии, Запорожье, Украина
2Ассистент кафедры электротехники и энергоэффективности Запорожской государственной инженерной академии, Запорожье, Украина
ИННОВАЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ НАГРЕВАНИЯ МЕТАЛЛА В ПЕЧИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Актуальность. В работе решена актуальная задача разработки инновационной системы управления процессом нагревания металла в камерной печи.
Цель - разработка алгоритма управления процессом нагревания металла с дополнительным использованием в качестве управляющего воздействия пространственного электрического поля в камере печи.
Метод. По общеизвестным методикам планирования эксперимента получена регрессионная модель реальной камерной печи с учетом величины напряжения между горелкой и садкой металла, которая и положена в основу алгоритма.
Результаты. Разработана система управления камерной печью, в которой по созданному алгоритму определяются оптимальные значения управляющих воздействий на каждом шаге цикла нагрева. Предложенная система управления является универсальной, поскольку после просчетов выдает динамику, по которой нужно менять величину постоянного напряжения и подачу газа с шагом по времени ] для выполнения любого заданного режима термической обработки металла. Проведенные экспериментальные исследования на реальной камерной печи с выкатным подом на ООО «Запорожский титано-магниевый комбинат» это подтвердили. Анализ полученных графиков изменения температуры отжига металла показал, что при реализации оптимальных значений управляющих воздействий,
полученных с помощью разработанного алгоритма, наблюдается высокая равномерность и обеспечивается лучшее качество нагрева металла. Динамика потребления газа камерной печью за цикл нагрева в базовом режиме, без подачи напряжения, и при условии его использования в соответствии с выполненной оптимизацией свидетельствуют о возможности существенного повышения энергоэффективности рассматриваемых печей.
Выводы. Впервые доказано возможность и эффективность использования в качестве управляющего воздействия пространственного электрического поля в камере печи, что подтверждает научную новизну полученных результатов. Практическое значение исследований заключается в том, что разработанный алгоритм управления является универсальным с точки зрения режимов термической обработки металла и может применяться в камерных печах любого промышленного предприятия, при этом за один цикл нагревания уменьшается потребление природного газа более чем на 10%.
Ключевые слова: алгоритм управления, матрица эксперимента, полиномиальная модель, оптимальные управляющие воздействия.
Kachan Y. G.1, Yerofieieva A. A.2
1Dr. Sc., Professor, Head of the Department of Electrical engineering and energy efficiency of Zaporizhzhya State Engineering Academy, Zaporizhzhya, Ukraine
2Assistant of the Department of Electrical engineering and energy efficiency of Zaporizhzhya State Engineering Academy, Zaporizhzhya, Ukraine
THE INNOVATIVE CONTROL OF THE HEATING UP PROCESS OF THE METAL IN THE FURNACE USING SPATIAL ELECTRIC FIELD
Context. The actual task of developing an innovative control system for the process of metal heating up in the chamber furnace has been solved in the work.
Objective is a creation of an algorithm for the controlling of the heating up of the metal with additional use as the controlling influence of a spatial electric field in the furnace chamber.
Method. A regression model of a real chamber furnace was obtained using well-known experimental design techniques. The model is the basis of the algorithm and takes into account the magnitude of the voltage between the burner and the metal cage.
Results. A control system for the chamber furnace has been developed, in which the optimal values of control actions at each step of the heating cycle are determined according to the created algorithm. The proposed control system is universal, it gives the dynamics of the change in the constant voltage and the gas supply in steps in time j to perform any given mode of heat treatment of the metal. The carried out experiments on a real chamber furnace with a withdrawable hearth at OOO «Zaporizhzhya Titanium and Magnesium Plant» have confirmed this. Analysis of the obtained graphs of the annealing temperature of the metal. There is a high uniformity and a better quality of metal heating when implementing the optimal values of control actions obtained with the help of the algorithm. The dynamics of gas consumption by the chamber furnace during the heating cycle is shown in accordance with the optimization performed without the supply of voltage and with the supply of voltage. The obtained data testify to the possibility of a significant increase in the energy efficiency of the furnaces in question.
Conclusions. For the first time, the possibility and efficiency of using a spatial electric field in the furnace chamber as a control action has been proved, which confirms the scientific novelty of the results obtained. The developed control algorithm is universal from the viewpoint of thermal treatment of metal and can be used in chamber furnaces of any industrial enterprise. During one heating cycle, natural gas consumption is reduced by more than 10%, which confirms the practical importance of research.
Keywords: ron^ol algorithm, experiment matrix, polynomial model, optimal control actions.
REFERENCES
1. Timoshpol'skij V. I., Trusova I. A., Mendeleev D. V, Ratnikov P. Je. Analiz metodov matematicheskogo modelirovanija processov teploobmena v promyshlennyh pechah dlja nagreva metala, Lit'e i metallurgija, 2012, No. 2(85), pp. 102-107.
2. Polivanchuk A. S., Vasilec S. V. Modelirovanie processa nagreva metalla v kamernoj pechi pri minimizacii rashoda topliva, Avtomatizacija tehnologichnih ob'ektiv ta procesiv. Poshuk molodih. / Zbirnik naukovih prac' HI naukovo-tehnichnoi konferencii aspirantiv ta studentiv v m. Donec 'ku 17-20 travnja 2011 r. Donec'k, DonNTU, 2011, pp. 64-68.
3. Kachan Ju. G., Stepkin V. V., Liush Ju. B. Optimal'noe upravlenie kamernoj nagrevatel'noj pech'ju po jenergosberegajushhemu kriteriju, Girnicha elektromehanika ta avtomatika, 2013, No. 91, pp. 143-147.
4. Kachan Ju. G., Vizer A. A., Sibir A. V. Zastosuvannja prostorovih elektrichnih poliv zadlja stvorennja teplovih pereshkod u kamernih pechah, Elektrotehnika ta elektroenergetika, 2017, No. 1, pp. 18-23.
5. Sibir' A. V. Reshetnjak S. I., Gubinskij V. I. Modelirovanie teploobmena v kamernoj pechi s central'noj regenerativnoj gorelkoj, Visnik Dnipropetrovs'kogo universitetu. Serija Mehanika, 2007, No. 2/1, pp. 131-139.
6. Yakhot V., Orszag S., Thangam S. et. al. Development of turbulence models for shear flows by a double technique, Phys. Fluids A, 1992, Vol. 4, No. 7, pp. 1510-1520. D0I:10.1063/1.858424.
7. Lauder B. E., Spalding D. B. The numerical computation of turbulent flow, Comput. Methods Appl. Mech. Eng, 1974, Vol. 3, pp. 269-289.
8. Dulikravich G. S., Colaco M. J. Convective heat transfer control using magnetic and electric fields, Joutnal of Enhanced Heat Transfer, 2006, Vol. 13 (2), pp. 139-155.
9. Huang M. Ehd-enhanced heat and mass transfer: dissertation ... doctor of philosophy. Norman, The University of Oklahoma, 2005, 152 p.
10. Mahmoudi S. R. Electrohydrodynamic enhancement of heat transfer and mass transport in gaseous media, bulk dielectric liquids and dielectric thin liquid films: dissertation ... doctor of philosophy. London: The University of Western Ontario, 2012, 253 p.
11. Adler Ju. P., Markova E. V., Granovskij Ju. V. Planirovanie jeksperimenta pri poiske optimal'nyh uslovij [Tekst]. Moscow, Nauka, 1976, 279 p.
12. Kachan Ju. G., Kovalenko V. L., Vizer A. A. Metodika viznachennja optimal'nih energetichnih parametriv termichnoi pechi, shho pracjue na biogazovij sumishi za umovi najavnosti v ii kameri prostorovogo elektrichnogo polja, Metalurgija : naukovi praci Zaporiz'koiderzhavnoiinzhenernoiakademii, 2016, 35 (1), pp. 88-91.
13. Kachan Ju. G., Vizer A. A., Kovalenko V. L. Pat. 116305 Ukraina MPK 2007 C21D 9/00. Cposib termichnoi obrobki metalu u kamernih pechah periodichnoi d ii / (Ukraina) ; zajavnik Zaporiz'ka derzhavna inzhenerna akademija. u201612960 ; zajavl. 19.12.2016 ; opubl. 10.05.2017, Bjul. № 9, 4 p.
14. Kachan Ju. G., Kovalenko V L., Vizer A. A. Viznachennja ekonomii spozhivannja promislovim pidpriemstvom prirodnogo gazu za najavnosti u robochih ob'emah jogo kamernih pechej prostorovogo elektrichnogo polja, Energetika: ekonomika, tehnologii, ekologija, 2017, No. 1, pp. 91-94.
