Регион:

Применение индукционного нагрева в линиях горячего цинкования стальной ленты

Применение индукционного нагрева в линиях горячего цинкования стальной ленты

Линии горячего цинкования широко используют при производстве стальной ленты с защитным покрытием. Покрытие из цинка или соединений цинка наносится на поверхность ленты посредством погружения ее в ванну с расплавом.

Сталь для производства оцинкованной ленты поступает после холодной или горячей прокатки, и для придания ленте требуемых свойств необходим ее отжиг, который можно проводить в рулонах в периодическом режиме путем их выдержки в специальных печах. Этот процесс характеризуется низкой производительностью, и часто не достигается требуемое качество продукции. В последнее время для отжига все больше используют прогрессивные непрерывные технологии с размоткой рулонов перед отжигом. Однако смена сортамента ленты при непрерывном производстве вызывает необходимость частого изменения режима работы линии. На современных линиях непрерывного цинкования это может приводить к снижению выхода годной ленты на 10-15%.

Применение индукционного нагрева в линиях непрерывного цинкования существенно улучшает ситуацию - существенно уменьшается брак, увеличивается производительность на той же площади, повышается рентабельность. Существуют и дополнительные факторы, содействующие применению индукционного нагрева в линиях непрерывного цинкования. Среди них - сокращение длины линии и продолжительности процесса при той же производительности, легкость в управлении и автоматизации, улучшение экологической обстановки.

Технологическая линия

Перед горячим цинкованием стальная лента должна быть очищена от масла, загрязнений поверхности. При использовании высокоэффективных методов очистки поверхности ленты можно применять любой тип нагрева: прямой газовый нагрев, радиационный нагрев (с использованием газа или электричества) и индукционный нагрев. Совместное использование электролитической очистки и радиационного нагрева превалирует в высокопроизводительных линиях горячего цинкования. Однако в этом случае инерционность линии достаточно большая. Поэтому при частой смене размеров ленты и режимов отжига используют другую технологию - пламенные печи с восстановительной атмосферой. Их успешно применяют не только для нагрева, но и подготовки поверхности ленты к цинкованию. В обоих случаях применение индукционного нагрева позволяет повысить качество продукции и производительность линии.

 Температурный профиль для режима rорячего цинкования ленты коммерческоrо качества

Рис. 1. Температурный профиль для режима горячего цинкования ленты коммерческого качества, толщина ленты - 0,78 мм, скорость движения ленты - 90 м/мин (температура после нагрева: t1 - предварительного отходящими газами, t2 - прямого газового, tЗ - индукционного, t4 - газового, t5 - радиационного, t6 - температура после охлаждения)

Типичный температурный профиль ленты на протяжении всей линии для продукции коммерческого качества (среднетемпературный отжиг) перед погружением ленты в цинковую ванну представлен на рис. 1. Лента поступает через предварительный нагреватель в печь прямого газового нагрева, где происходит окончательная зачистка и подготовка поверхности ленты. При этом масло выпаривается, лента очищается и удаляется тонкая оксидная пленка. Горелки печи работают в специальном режиме для снижения и удаления оксидной пленки. Расположение индукционных нагревателей между пламенной и радиационной газовой печью обеспечивает быструю перенастройку линии на новые размеры ленты.

Из индукционных нагревателей лента поступает в радиационные печи, используемые для нагрева и выдержки, и окончательно доводится до нужной температуры в зависимости от требуемой степени отжига (низкотемпературный - 549 °С, среднетемпературный - 732 °С и высокотемпературный - 845 °С). Затем лента попадает в зону охлаждения, где охлаждается до температуры, необходимой для нанесения цинкового покрытия.

Качество продукции существенно зависит от соблюдения температурного режима. Например, температура на выходе из предварительного нагревателя t1 не может превышать 260 °С. При выходе из газовой печи температура ленты t2 должна быть в диапазоне от 538 до 746 °С. Для режима коммерческого качества температура в точке t4 должна быть 732 °С. Допустимый диапазон температуры 730-760 °С. Температура после зоны охлаждения t6 должна быть в диапазоне 465-477 °С.

Разработанные модели

Необходимые данные для проектирования индукционного нагревателя могут быть получены из тепловой модели обработки ленты на каждом участке линии. Такая модель была разработана для рассмотрения процесса передачи тепла в линии гальванизации, включая рассмотрение электромагнитных процессов в индукционных нагревателях. Модель НТМ (Heat Traпsfer Model) позволяет рассчитать температурное поле ленты на каждом участке линии и получать данные для разработки и оптимизации оборудования.

Модель планирования производства РРМ (Productioп Plaпniпg Model) была разработана для оптимизации порядка обработки рулонов ленты различных толщин. После ввода данных о размерах модель рассчитывает оптимальный порядок подачи рулонов для увеличения качества продукции, уменьшения брака и увеличения производительности линии. Одновременно такое рассчитываются для каждой ленты оптимальная скорость линии и необходимая мощность индукторов.

Линия горячей гальванизации является системой, состоящей из установок с распределенными параметрами и большой тепловой инерцией.

Для моделирования динамических режимов системы управления разработана специальная модель DTM (Dyпamic Transition Model). Она прогнозирует изменение температуры ленты в каждой точке линии в переходных режимах. Основные управляющие воздействия - скорость линии и мощность индукторов. Учитываются все динамические характеристики электроприводов и технологических устройств.

Принципы построения системы управления линии непрерывного цинкования.

Значительная часть потерь производительности и снижение качества происходит при смене размеров ленты или режимов отжига. При длине линий, достигающих нескольких сотен метров, и большой инерционности газовых печей изменение режима их работы приводит к переходным процессам - температура на значительной длине ленты не удовлетворяет необходимым условиям, что и является причиной образования брака.

Ввод в линию индукционных нагревателей создает дополнительный канал управления. Их практическая без инерционность позволяет получать необходимую температуру на выходе из радиационной печи t4 при смене ленты или режима отжига.

Также можно работать с различными толщинами ленты на одной скорости без изменений в настройке воздушных ножей, обеспечивающих стабильную величину покрытия, что ведет к повышению качества продукции. На рис. 2 показаны температурные профили лент с различной толщиной, которые двигаются в линии с одной скоростью. Лента с большей толщиной после прохождения печи прямого газового нагрева имеет меньшую температуру, чем лента с меньшей толщиной. Изменение мощности индукционных нагревателей позволяет получить такую температуру на выходе из индуктора для каждой толщины ленты, чтобы после дальнейшего прохождения через радиационную печь на выходе иметь необходимую температуру по технологии.

Температурные профили для режимов отжига ленты коммерческого качества

Рис. 2. Температурные профили для режимов отжига ленты коммерческого качества при скорости 91 м/мин для различной толщины ленты: 1 - 0,7 мм; 2 - 0,75 мм; 3 - 0,8 мм; 4 - 0,9 мм; 5 - 1 мм.

Чем больше мощность индукционных нагревателей, тем для большего диапазона толщин ленты можно реализовывать «оптимальные» переходные процессы (только путем изменения мощности индукторов). Зная ограничения на максимальную разницу в размерах ленты, которая допускается при сварке двух лент (обычно она составляет 20%), можно определить необходимую мощность индукторов для реализации «оптимальных» переходных процессов.

Другой особенностью этих переходных процессов является то, что температурные кривые пересекаются в одной точке - точке А (рис. 2). Расположение этой точки и уровень температуры в ней для каждого режима отжига не меняется при различных толщинах ленты и скорости линии. Эти данные получены с помощью нелинейной модели расчета температурных режимов нагрева ленты (НТМ). В линейном случае и при допущении равномерности температуры по ширине ленты температуру в точке А и ее положение внутри индуктора (рис. 3) можно определить по простым формулам:

 Формула №1

Формула №2

где t0 - температура ленты на входе; t- выходная температура ленты; а - активная длина печи с прямым газовым нагревом; b - активная длина индукторов; с - активная длина радиационной печи; Р0 - средняя удельная мощность прямого газового нагрева; Рc - средняя удельная мощность радиационного нагрева.

Систему управления по контролю температуры в одной точке можно применять при «оптимальных» переходных процессах и для «глубоких» переходных процессов (изменение мощности индукторов и скорости движения ленты).Каскадный управляющий контур последовательно изменяет мощность индукционных нагревателей и скорость движения ленты в линии для получения необходимой температуры в точке А.

Эта система особенно эффективна при работе линии без изменения режима отжига и при частой смене размеров ленты, когда газовые печи работают в одном режиме (при одной рабочей температуре, которая поддерживается локальной системой управления). При изменении режима обработки необходимо перенастраивать печи, точка управления А изменится и основное преимущество этой системы управления - простота - будет утеряно.

Линия горячего цинкования ленты с применением индукционного нагрева

Рис. 3. Особая точка А в линии горячего цинкования ленты с применением индукционного нагрева (ПГН - зона прямого газового нагрева; ИН - зона индукционного нагрева; РН - радиационного нагрева)

Также можно использовать данную систему управления при разделении всей номенклатуры ленты на группы, в которых могут быть реализованы «оптимальные» переходные процессы, тем самым снизив количество «глубоких» переходных процессов. Потеря качества продукции будет значительно снижена путем уменьшения «глубоких» переходных процессов.

Преимущество применения индукционного нагрева при «глубоких» переходных процессах показано на рис. 4, где приведены отклонения температуры ленты в точке t4 от температуры 735 °С при изменении толщины ленты с 0,9 до 1,5 мм (данные получены при помощи модели DTM). Без индукторов для ленты толщиной 0,9 мм необходима скорость 68,8 м/мин и для более толстой ленты - 1,5 мм - 41,3 м/мин. При использовании индукторов скорость ленты толщиной 0,9 мм - 86,8 м/мин, для ленты толщиной 1,5 мм - 54,8 м/мин. Это позволяет существенно снизить колебания температуры ленты при переходных процессах.

Температурные переходные процессы при смене ленты с толщиной 0,9 мм на ленту с толщиной 1,5 мм при режиме горячего цинкования ленты коммерческого качества

Рис. 4. Температурные переходные процессы при смене ленты с толщиной 0,9 мм на ленту с толщиной 1,5 мм при режиме горячего цинкования ленты коммерческого качества (1 - без индукторов, v = 68,8/ 41,3 м/мин; 2 - с индукторами, v = 86,8/54,8м/мин,Р = 1150/1390 кВт; 3 - с индукторами, v = 94,5/58,2 м/мин, Р = 1840/1750 кВт)

Изменение скорости ленты v, мощности индукторов Р, температуры ленты на входе индукторов (t2) и после газового нагрева (t4) при смене ленты толщиной 0,9 мм на ленту толщиной 1,5 мм с использованием индукторов

Рис. 5. Изменение скорости ленты v, мощности индукторов Р, температуры ленты на входе индукторов (t2) и после газового нагрева (t4) при смене ленты толщиной 0,9 мм на ленту толщиной 1,5 мм с использованием индукторов.

Удовлетворительные результаты при «глубоких» переходных процессах могут быть получены с помощью простых алгоритмов. Например, изменение скорости входящей ленты происходит при входе сварного шва в предварительный нагреватель, а мощность индукторов изменяется при входе сварного шва в индукторы (рис. 5). Расположение сварного шва является указателем начала переходных процессов, и для достижения лучших результатов очень важным является точное определение его местоположения.

Заключение

Выявлена особая точка в линиях непрерывной термообработки ленты. Поддержание постоянной температуры всего сортамента ленты в этой точке на расчетном уровне позволяет оптимизировать тепловые переходные режимы в линии и снизить брак, связанный со сменой номенклатуры ленты. На этом принципе строится запатентованная система управления в линиях горячего цинкования стальной ленты нового поколения.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

comments powered by HyperComments