W003500 Дипломная работа Термообработка труб

АННОТАЦИЯ

В данной работе была произведена разработка системы автоматизированного управления процессом термообработки труб в роликовой печи. Для этого было сделано:

• Анализ научно- технической литературы и патентов, связанных с данной темой;

• Проведён расчет математической модели;

• Проведена разработка систем управления данным процессом;

• Выбрана наиболее эффективная система регулирования в соответствии с критерием эффективности;

• Разработана технологическая схема процесса;

Данная выпускная квалификационная работа состоит из пояснительной записки, технологической схемы.

Пояснительная записка состоит из 62 листов, которая содержит 29 рисунков, 7 таблиц, 28 источников литературы.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..………7

1. Анализ научно – технической литературы и патентов…………………..……..9

1.1  Термообработка труб …...........................................................…....………...9

1.2 Описание технологического процесса…………………….....…………….10

1.3 Печи, их виды и характеристики..........……………….......….….…………11

1.4 Определение основных показателей эффективности……………………..15

1.5 Обзор существующих патентов по данной теме…………………………..15

2. Исследование объекта и разработка системы управления..………….……….19

2.1 Математическое описание объекта управления …………..................……22

2.2 Подбор регулятора ………………….....................................………………23

2.3 Цель управления и основные показатели эффективности …….......…….25

2.4 Выбор регулируемых параметров …........................................……………26

2.5 Выбор контролируемых и сигнализируемых параметров .....……………28

2.6 Выбор параметров защиты и блокировки для газовой печи ……....…….29

3. Проектирование системы управления …………………………………………31

3.1 Перечень регулируемых, контролируемых и сигнализируемых параметров ………...........................................…………………………...31

3.2 Выбор технических средств автоматизации ...............................................31

3.2.1 Программируемый контроллер Simatic S7–1200..................................31

3.2.2 Сенсорная панель оператора КТР 600....................................................34

3.2.3 Модули дискретного вывода МУ110-6Р и МУ110-16Р........................35

3.2.4 Модуль аналогового ввода МВ110-8А..................................................37

3.2.5 Датчик температуры ОВЕН ДТП.ДИ....................................................38

3.2.6 Расходомер ЭМИС-ВИХРЬ 200.............................................................39

3.2.7 Датчик давления ОВЕН ПД 100.............................................................39

3.2.8 Датчик-реле контроля пламени СЛ-90-1Е.............................................40

3.2.9 Клапан отсечной КПЭГ-100П.................................................................42

3.2.10 Клапан регулирующий клеточный ПОУ 32Р.....................................42

3.2.11 Электромагнитные пускатели серии ПМ12........................................43

3.2.12 Блок питания РМ 1207...........................................................................45

3.2.13 Блок питания Faraday 12-24V...............................................................46

3.2.14 Вентилятор SK........................................................................................47

3.2.15 Автоматические выключатели GV3ME80..........................................47

3.2.16 Автоматический выключатель A63v3.................................................48

3.2.17 Клемма UT2,5.........................................................................................50

3.2.18 Щитовой термостат Finder 7T...............................................................51

3.3 Проектирование щита управления и монтаж оборудования......................51

3.3.1 Выбор щита управления. Расположение оборудования на  фронтальной плоскости щита..............................................................51

3.3.2 Монтаж датчиков и исполнительных механизмов...............................54

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………..58

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………….……59

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация является одним из важнейших факторов роста производительности труда в производстве промышленности. Главным условием ускорения темпов непрерывного роста автоматизации является развитие технических средств автоматизации. К техническим средствам автоматизации относятся все устройства, входящие в систему управления и предназначенные для получения информации, ее преобразования, передачи и хранения, а также для осуществления управляющих и регулирующих воздействий на технологический процесс управления объектом.

Автоматизация процесса обеспечивает снижение расходов сырья и материалов, улучшение качества продукции, увеличение годного выхода. Автоматизация, за исключением простейших случаев, требует комплексного, системного подхода к решению задачи. В состав систем автоматизации входят датчики, устройства ввода, исполнительные устройства, управляющие устройства, устройства вывода, компьютеры.

В настоящее время для управления производством применяются многомашинные системы, решающие комплексы задач по управлению производством (контроль и планирование оптимальной загрузки всего цеха, участков, отдельных его агрегатов, сопровождение продукции, сбор и хранение производственно-экономической информации, составление и выдача протоколов и т.п.) и технологическим процессом (расчет оптимальных технологических режимов и их отработка, регулирование технологических параметров в процессе работы, диагностика состояния оборудования и т.п.).

Целью данной работы является повышение эффективности процесса термообработки труб, за счёт разработки и исследования системы автоматического регулирования. Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

 анализ научно-технической литературы и патентов, связанных с данной темой;

 разработка математической модели объекта управления;

 разработка систем управления процессом термообработки трубы;

 анализ структуры и показателя эффективности исследуемых систем управления;

 применение для более эффективного использования данного процесса.

1 Анализ научно-технической литературы и патентов

В данной работе проводится исследование процесса термообработки металла.

1.1 Термообработка труб

Независимо от того, одинаковая толщина двух свариваемых элементов или разная, после сварки свойства металла по обеим сторонам шва будут разнородными. Это связано, прежде всего, с неравномерным нагревом различных зон изделия В итоге основные показатели стыка, такие как прочность, пластичность, коррозионостойкость, термостойкость заметно снижаются. А остаточные напряжения, после кристаллизации шва, могут стать причиной деформации сварной конструкции и привести к разрыву соединения. Поэтому всегда после сварки применяют некоторые процедуры, упрочняющие конструкцию, одной из которых является термическая обработка.

Этот вид послесварочной подготовки широко применяется в самых различных сферах промышленности: нефтеперерабатывающей, энергетической, химической. Термическая обработка труб может быть как местной, когда касается непосредственно шва, так и полной, когда нагревается вся конструкция, включая все сварные соединения. Но независимо от масштаба операции, нужно выделить три основных этапа, из которых состоит термическая обработка швов. Вначале идёт нагрев до нужной температуры с определённой скоростью, затем соединение выдерживается, при заданной температуре, некоторое время, затем идет охлаждение, которое также проходит с заранее заданной скоростью.

Различают несколько видов термической обработки, некоторые из которых распространены больше, некоторые– меньше:

1) Стабилизирующий отжиг;

2) Закалка;

3) Высокий отпуск;

4) Дисперсионное твердение;

5) Криогенная обработка

6) Термический отдых;

7) Аустенизация;

8) Нормализация;

9) «Улучшение» (комбинирование нормализации и высокого отпуска)[1].

1.2 Описание  технологического процесса

Печь представляет собой прямоугольную камеру. Кладка рабочего пространства печи выполняется из шамотного кирпича (внутренний слой) и любого теплоизоляционного материала (наружный слой) Трубы в печи перемещаются с помощью внутрипечного роликового пода, который состоит из 64-х роликов. Вращение роликов осуществляется от восьми электроприводов с помощью цепной передачи (один электропривод на 8 роликов).

Печь отапливается природным газом, сжигаемым в двухпроводных горелках низкого давления (которые расположены равномерно, в боковых стенах печи в два ряда, над и под роликовым подом) сгруппированных в двух зонах, первая зона имеет 4 секции и называется "закалочной печью", вторая зона имеет так же 4 секции и называется "отпускной печью".

Рисунок 1.1 - Роликовая печь

Благодаря боковому расположению горелок, возможен не только простой нагрев под закалку (нормализацию) или высокий отпуск, но и более сложный изотермический отжиг (нагрев до 750-800 °С, выдержка, охлаждение до 600-700 °С, выдержка). Температура труб на выходе из закалочной печи от 870 до 910 °С. Температура труб на выходе из отпускной печи от 630 до 665 °С.

После завершения термообработки готовый металл выдаётся на рольганг выдачи, соединённый с камерой ускоренного водяного охлаждения (закалка). Таким образом, печь постоянно пополняется холодным металлом и постепенно выдаёт нагретый металл.

Нагрев труб происходит в окислительной атмосфере печей, характерной для открытого сжигания газа. Защита поверхности нагреваемых труб не производится.

Рисунок 1.2 - Схема технологическая первой секции печи.

Участки регулирования температуры в печи созданы для обеспечения поддерживания температуры на одном уровне, так как даже небольшие перекосы температуры по длине трубы могут привести к ее перегибам, сходу с роликов. Калибровка труб производится в горячем состоянии с целью получения требуемого наружного диаметра труб. Горячая правка труб проводится с целью получения требуемой прямолинейности труб.

Воздух для горения газа подается подогретым при помощи теплообменника и индивидуального вентилятора на каждую зону.

Продукты горения топлива образуются непосредственно в рабочем пространстве печи от работы двухпроводных пламенных горелок. Приблизительно до середины печи дым идёт навстречу металлу (в противотоке), а далее в прямотоке. Дым удаляется из печи вниз по вертикальным каналам в районе торцов печи, далее соединяется в единый поток, проходит рекуператор для подогрева воздуха и через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу.

1.3 Печи, их виды и характеристики

Печь с шагающим подом

Печь с шагающим подом– это вид проходной термической печи, в которой нагреваемые изделия перемещаются с помощью подвижных (шагающих) балок.

Печи с шагающим подом применяются для нагрева и термической обработки металлических заготовок и изделий перед обработкой давлением. Изделия, проходя всю печь, нагреваются до температуры от 950 °С до 1250 °С. Основная область применения печей с шагающим подом— это металлургическая и машиностроительная промышленность. Главным преимуществом печи с шагающим подом по сравнению, например, с толкательными печами:

• производительность не ограничивается возможной длиной проталкивания;

• при проталкивании изделия не повреждаются о под;

• происходит более быстрый нагрев заготовок;

• для освобождения печи от заготовок не требуется никакого дополнительного оборудования;

• уменьшается угар металла.

Рисунок 1.3 - Печь с шагающим подом

Протяжная печь.

Протяжная печь – печь непрерывного действия для термической или химико-термической обработки металлической полосы (ленты) или проволоки, а также для нагрева штрипсов станов непрерывной печной сварки труб. Протяжные печи используют в составе поточных линий, в которых наряду с термохимической и термической обработкой ленту очищают, травят, наносят на неё покрытия (цинковое, алюминиевое, электроизоляционное и др.), окрашивают, сушат и т.д.

Протяжные печи разделяют по:

 назначению– для закалки, нормализации, отжига, отпуска;

 конструкции– горизонтальные (одно- и многоэтажные) и вертикальные (башенные).

Горизонтальные протяжные печи могут достигать до 300 метров по производительности до 75 тонн/час.

В целях роста производительности и сокращения рабочих площадей цеха строятся печи 2–, 3–, 4– и даже 5–этажными. Высота вертикальных протяжных печей может достигать от 15 до 45 метров, число оборотов ленты от 1 до 50, при длине до 1 км.

В многооборотных вертикальных протяжных печах производительность может достигать до 100 т/час.

Протяжные печи в своём большинстве многокамерные, где устанавливаются последовательно камеры для нагрева, выдержки, медленного и быстрого охлаждения, закалки, сушки и др. Всё это зависит от технологии обработки.

Отличительной особенностью протяжных печей является тепловой режим, который остаётся постоянным во времени и переменным по длине печи.

Рисунок 1.4 - Протяжная печь.

Проходная печь.

Проходная печь– это вид промышленной печи непрерывного действия, которая используется  для нагрева изделий с перемещением этих изделий через печь.

Проходные печи разделяют по методу перемещения изделий:

 туннельная печь;

 толкательная печь (проталкиванием);

 секционная печь скоростного нагрева;

 печь с роликовым подом;

 на вращающемся поде (кольцевая печь)

 на подвижных балках (печь с шагающим подом);

 на печном конвейере (конвейерная печь);

 и т.д.

Проходные печи используют для обжига керамических, эмалированных и металлических изделий, а также для нагрева металлических заготовок перед обработкой давлением и термообработкой деталей.

Рабочие габариты проходных печей: ширина от 1 до 6 м (иногда до 25 м); высота от 1 до 2 м; длина до 250 м.

Тепловой режим проходных печей постоянный по времени и меняющийся по длине печи, который создаётся многочисленными сравнительно небольшими источниками тепла. Такие источники располагают на продольных стенах, а при необходимости, ещё дополнительно своде и поде.

Процесс сжигания топлива происходит непосредственно в рабочем пространстве проходной печи. В случае высокотемпературного нагрева газом осуществляют подогрев газа или воздуха.

Для высокой равномерности нагрева применяют рециркуляцию продуктов сгорания.

Проходные печи, в которых изделия не должны соприкасаться с продуктами сгорания топлива, обогреваются радиационными трубами или электрическими нагревателями сопротивления.

Рисунок 1.5 - Проходная печь

Конвейерная печь.

Конвейерная печь – печь, снабжённая внутренним конвейером (ленточным, люлечным, цепным, скребковым), перемещающим нагреваемые изделия от загрузочного отверстия печи к выгрузочному. В металлургии конвейерная печь чаще всего имеет цепной конвейер. Металл в такой печи нагревается до температуры 850÷900 °С и реже до 1000-1050 °C. Эта температура ограничена сверху стойкостью конвейерной цепи и определяется маркой стали цепи.

Круговое движение цепи происходит за счёт зубчатых колёс (звёздочек), расположенных в противоположных концах печи за пределами рабочего пространства.

Конвейерная печь– это вид промышленной печи, в которой изделия в процессе нагрева перемещаются по конвейеру от зоны загрузки к зоне выгрузки.

Область применения конвейерной печи– это нагрев металлических изделий перед обработкой давлением и при термической обработке, для сушки литейных форм и др.

Конвейерные печи разделяют по типу конструкции печи: с подподовым, подовым и надподовым конвейером.

Конвейерная печь обогревается газом, жидким топливом или электрическими нагревателями. Конвейерные печи с подподовым конвейером используются для термической обработки рельсов , изделия из цветных металлов и др. В рабочем пространстве печи находятся только несущие элементы, на которые укладывают изделия, а цепи конвейера располагаются в каналах пода. Конвейерные печи с надподовым конвейером используются для обжига эмали при производстве посуды, корпусов холодильников и др. Подвески с несущими элементами поступают в рабочее пространство конвейерной печи через щель в своде печи, а цепь конвейера располагается над рабочим пространством печи.

Рисунок 1.6 - Конвейерная печь

Кольцевая печь

Кольцевая печь – это вид термической промышленной печи, с кольцевым вращающимся подом, на котором и происходит нагрев изделий.

Основное применение кольцевых печей – это нагрев заготовок при прокатке труб, колёс и бандажей железнодорожного подвижного состава, для термической обработки металлических изделий, заготовок из цветных металлов перед прокаткой и высадкой.

Конструкция кольцевой печи представляет из себя: вращающийся под, неподвижный кольцевой канал, а кольцевые щели (между вращающимся подом и неподвижной частью печи) уплотняют водяными затворами.

Загрузка и выгрузка изделий происходит  через окна при помощи специальной погрузочно–разгрузочной техники. Рабочее же пространство печи между окнами разделяется жаростойкой перегородкой.

Крупные кольцевые печи имеют такие же теплотехнические зоны и температурные режимы, как и методические печи.

Небольшие кольцевые печи имеют постоянную температуру во всём объёме печи [2].

Рисунок 1.7 - Кольцевая печь

1.4 Определение основных показателей эффективности

В технологических процессах печи используются для нагрева до высоких температур технологических потоков. Передача тепла осуществляется путем радиации или конвективным теплообменом между технологическими потоками и дымовыми газами[3].

Цель регулирования газовой печи: поддерживание постоянной температуры трубы на выходе из печи.

Основными показателями эффективности процесса нагревания труб являются:

а) средняя температура в печи;

б) производительность установки;

в) количество энергетических и материальных затрат на процесс.

Регулирование температуры трубы в газовой печи может быть реализована по двум вариантам:

1) Регулированием времени пребывания трубы в печи, путем изменения линейной скорости подачи трубы в печь по рольгангу, при постоянных расходах газа и воздуха.

2) Регулированием расхода природного газа на входе в печь, при постоянном расходе воздуха и скорости захода трубы в печь [4].

1.5 Обзор существующих патентов по данной теме

1) Патент № 2213150 «Способ термической обработки проката»,2001г.

Авторы: Тищенко Владимир Андреевич, Филиппов Сергей Владимирович, Тимошпольский Владимир Исаакович, Горбанев Аркадий Алексеевич, Курбатов Геннадий Александрович, Шевченко Александр Данилович, Тимофеев Виктор Спиридонович.

Суть изобретения: данное изобретение относится к прокатному производству, в частности к термообработке арматурного проката в прутках и мотках с прокатного нагрева в потоке мелкосортных и проволочных станов. Способ термической обработки проката, в основном стержневой арматуры из низколегированных кремнемарганцевых сталей, с прокатного нагрева включает циклическое охлаждение водой двумя циклами с регулируемой скоростью охлаждения и переохлаждением поверхности ниже критической точки, промежуточным и окончательным отогревом поверхности и окончательное охлаждение на воздухе. Новое в способе то, что промежуточный отогрев проводят до высшей температуры и окончательный до нужной температуры. При этом охлаждение в первом и втором циклах ведут с заданными скоростями. Технический результат, достигаемый в результате реализации предлагаемого технического решения, состоит в обеспечении производства арматурного проката с повышенными прочностными и пластическими характеристиками до уровня класса Ат800 по ГОСТ 10884 при экономии затрат на реализацию процесса термической обработки проката в потоке стана [5].

2) Патент № 2066819 «Печь с роликовым подом для нагрева изделий»,1996г.

Авторы: Малков Ю.В., Похилевич А.Н., Пинес Л.А., Спивак А.Л.

Суть изобретения: данное изобретение заключается в том, что со стороны загрузки изделий сооружается утилизационная камера, непосредственно примыкающая к рабочей камере печи, с двумя рядами вертикальных стоек закрепленных на подъемной раме и имеющими возможность перемещаться между роликами. При этом стойки каждого ряда, находящиеся против стоек другого ряда, соединены между собой полками, расположенными по высоте стоек с шагом обеспечивающим загрузку изделий с роликового пода на полки. Изделия располагаются в несколько рядов по высоте камеры. Устройство позволяет складировать слябы непосредственно в печи при аварийных остановках стана, работающих совместно с УНРС, что приводит к экономии энергозатрат и повышению производительности [6].

3) Патент № 2087550 «Способ термической обработки деталей из легированной стали»,1997г.