Автоматизация литейных печей

 
Р. А. Богданов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
АВТОМАТИЗАЦИЯ  
ЛИТЕЙНЫХ ПЕЧЕЙ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 
 
1 
 

Утверждено редакционно-издательским 
советом БГТУ в качестве учебного пособия 
УДК 621.74:669.13 
ББК 34.61 
Б73 
 
 
Рецензенты: 
кафедра технологии и методики профессионально-технологического  
образования Брянского государственного университета; 
кандидат технических наук Д. Г. Афонин 
 
 
Научный редактор: 
С. В. Давыдов 
 
 
 
 
Богданов, Р. А.  
Б73    
Автоматизация литейных печей : учебное пособие / Р. А. Богданов. 
í Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. í  160 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0713-7 
 
Рассмотрены типовые системы автоматического регулирования параметров литейных процессов, а также системы автоматизированного управления литейными печами (мартеновскими, электросталеплавильными, нагревательными 
и термическими). 
Для студентов машиностроительных и металлургических специальностей. Может быть полезно инженерам, работающим в литейном производстве. 
 
 
УДК 621.74:669.13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ББК 34.61 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0713-7 
© Богданов Р. А., 2021 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
2 
 

 
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Особенность литейного производства – сравнительно небольшая численность работников, непосредственно обслуживающих основные технологические печи, поэтому зачастую автоматизация литейных печей не приводит к 
уменьшению численности персонала, а наоборот, возникает необходимость в 
дополнительном привлечении высококвалифицированных работников для обслуживания систем управления (контроля и регулирования). Однако улучшение 
организации и оптимизация технологических процессов в литейных печах полностью компенсируют затраты, возникающие в связи с этим. 
Сложные процессы, протекающие в литейных печах, являются объектами 
автоматического управления. Для управления этими процессами необходимо 
иметь сведения о начальных условиях производства (параметры сырья, топлива, состояние печи и т. д.), состоянии процесса и конечных его результатах. 
Приступая к разработке систем автоматизированного управления литейными печами, следует изучить объекты управления, определить критерии (цели) управления, разработать алгоритмы (правила), по которым должна действовать система для достижения поставленной цели в данных производственных 
условиях, установить объём необходимой для управления информации и выбрать средства для технической реализации системы. 
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 15.03.04, 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и 
производств», всех форм обучения, а также может быть полезно инженерам, 
работающим в литейном производстве. 
 
 
3 
 

ГЛАВА 1 
ТИПОВЫЕ СИСТЕМЫ 
АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ 
В ЛИТЕЙНЫХ ПЕЧАХ 
Несмотря на большое разнообразие конструкций литейных печей и видов 
тепловой обработки материалов, общность главных назначений печей (получение тепла и его передача материалу) приводит к тому, что ряд узлов систем автоматического регулирования различных печей используется для выполнения 
одинаковых функций. Общность функций вызывает единообразие структурного, а часто и аппаратурного построения систем автоматического регулирования. 
Основными системами автоматического регулирования в литейных печах 
являются системы автоматической стабилизации, т. е. поддержания регулируемого параметра (температуры, расхода, соотношения, давления) на заданном 
уровне. 
1.1. Классификация систем автоматического регулирования 
Системы автоматического регулирования можно разделить на три группы: 
1. Системы стабилизации, задачей которых является поддержание заданного значения регулируемого параметра. 
2. Системы программного регулирования, задачей которых является изменение регулируемого параметра по заданному закону во времени или в зависимости от значения другого параметра. 
4 

 
3. Следящие системы, изменяющие регулируемый параметр в соответствии с неизвестным заранее, непрерывно изменяющимся заданием. Простейшим примером следящей системы является электронный потенциометр, каретка которого должна перемещаться в соответствии с изменением термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) термопары, измеряющей температуру в печи. В этом 
примере изменяющимся заданием для системы является ТЭДС термопары, а 
регулируемым параметром – положение каретки с указателем или пером. 
В зависимости от используемой информации системы автоматического 
регулирования можно разделить: 
1) на системы, действующие по отклонению значения регулируемого параметра от заданного; 
2) системы, непосредственно компенсирующие основные возмущения, 
возникающие на входе объекта регулирования, т.е. стабилизирующие условия 
работы автоматизируемого объекта; 
3) смешанные системы, использующие оба способа регулирования. 
В зависимости от вида энергии, используемой для перемещения регулирующих органов, различают электрические, гидравлические и пневматические 
регуляторы. Часто используются комбинированные, системы регулирования, 
например электрогидравлические, электропневматические. 
По характеру работы системы автоматического регулирования можно 
разделить на системы непрерывного действия (аналоговые) и дискретного действия – импульсные и цифровые. 
Регулятор в системе регулирования классифицируют в зависимости от 
энергии, используемой для перемещения регулирующих органов, на регуляторы прямого действия, в которых перемещение регулирующего органа происходит за счет энергии входного сигнала, и регуляторы непрямого (косвенного) 
действия, в которых с этой целью используют посторонние источники энергии. 
Функциональная схема системы непрямого автоматического регулирования, действующей по отклонению регулируемого параметра от задания, показана на рис. 1.  
5 
 

В объекте регулирования 1 датчиком 2 измеряется регулируемый параметр х. Вторичный прибор 3 показывает и регистрирует ее фактическое значение. Задатчик (или программное устройство) 4 устанавливает требуемое значение регулируемой величины хЗ. Элемент сравнения 5 сравнивает заданное и 
фактическое значения параметров и определяет разность ǻх = хЗ – х. Эта разность поступает на вход усилителя 6. После усиления сигнал поступает в блок 
формирования закона управления 7 и выходной блок 8, который управляет исполнительным механизмом 9 при регулирующем клапане 10. Последний изменяет подачу энергии или расход вещества. Формирование закона регулирования 
часто осуществляется с помощью устройств обратной связи 11. Энергия для 
перемещения регулирующего органа поступает от постороннего источника 12. 
Блоки 4–8 и 11 составляют собственно регулятор. Остальные блоки (2, 3, 9, 10) 
входят в комплект системы регулирования. 
Рис. 1. Функциональная схема системы автоматического регулирования 
Современные конструкции регуляторов надежны, удобны в эксплуатации 
и позволяют сравнительно простыми переключениями реализовать различные 
законы регулирования. 
6 

 
1.2. Автоматические регуляторы 
 
Автоматические регуляторы, применяемые в системах автоматического 
регулирования литейных печей, классифицируются: 
1) по параметру регулирования – регуляторы температуры, давления, расхода, соотношения потоков и т. п.; 
2) характеру воспроизведения регулируемого параметра – регуляторы 
стабилизирующие, программные, следящие и самонастраивающиеся; 
3) способу действия – регуляторы прямого и непрямого действия; 
4) виду энергии, используемой для создания управляющего воздействия, – регуляторы электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные; 
5) характеру изменения управляющего сигнала во времени – регуляторы 
непрерывного действия, релейные и импульсные; 
6) закону регулирования, т. е. по виду уравнения, связывающего отклонение регулируемого параметра с перемещением регулирующего органа. 
Выбор конкретного типа регулятора определяется: 
1)  статическими и динамическими свойствами объекта регулирования; 
2)  требуемой точностью регулирования; 
3)  условиями согласования регулятора со смежной аппаратурой; 
4) параметрами окружающей среды – температурой, влажностью, вибрацией, наличием магнитных полей, химической агрессивностью, взрывоопасностью и т. п.; 
5)  надежностью работы; 
6)  условиями обслуживания и ремонта; 
7)  стоимостью; 
8)  номенклатурой. 
Так, если требуется дополнительно оснастить узлом автоматического 
регулирования давления автоматизированную печь, расположенную во взрывоопасном помещении, то применяют пневматические или гидравлические ре7 
 

 
гуляторы, причем с целью унификации целесообразно применять регуляторы 
такого же типа, как и установленные для других узлов регулирования данной 
печи. При создании новой системы автоматического регулирования желательно оснащать её регуляторами агрегатных унифицированных систем, содержащими отдельные типовые блоки со стандартизированными входными и выходными сигналами, позволяющие составлять разнообразные варианты схем 
регулирования. Это облегчает проектирование, монтаж, наладку и эксплуатацию автоматизированных систем и предопределяет их экономическую эффективность. 
 
1.3. Система автоматического регулирования  
температуры в печи 
 
Автоматическое регулирование температуры является основной задачей 
автоматизированных систем литейной печи. Температурный режим в печи 
определяет теплопередачу к металлу и, следовательно, скорость его нагрева, 
распределение температуры в массе металла, интенсивность окалинообразования, износ кладки печи и другие значимые параметры, характеризующие процесс тепловой обработки материала и работу самой печи. 
Температура в печи определяется интенсивностью подвода и сжигания 
топлива и в этом смысле является регулируемой величиной. Однако температура в печи может рассматриваться и как регулирующее воздействие по отношению, например, к температуре металла или температуре кладки. 
Датчиками температуры чаще всего являются термопары или пирометры, 
пределы измерений которых соответствуют значениям измеряемых температур. 
Термопару или пирометр устанавливают в своде или стене печи в специальной 
арматуре. Пирометр устанавливают на дно огнеупорного стакана. Термопара 
или огнеупорный стакан пирометра, погруженные в рабочее пространство печи, 
в результате теплообмена с факелом, горячими газами и нагретыми поверхностями кладки и металла приобретают температуру, соответствующую некото8 
 

 
рой средней температуре в рабочем пространстве или в данной зоне рабочего 
пространства печи. 
Для высокотемпературных печей теплообмен между поверхностью металла и рабочим пространством печи в целом (факелом, горячими газами и 
кладкой) может быть представлен уравнением 
ସ
െ൬ܶ
ˏ
100൰
ସ
቉ܨ
ˏ, 
(1) 
ܳˏ ൌܿ଴ߝ˒˓ ቈ൬ܶ
˒
100൰
где Qм – тепловой поток, передаваемый металлу; İпр – приведенная степень черноты газов, кладки, металла; с0 – коэффициент излучения абсолютного черного 
тела; Тп – температура печи; Тм – температура поверхности металла; Fм – площадь поверхности металла. 
Температура печи Тп в уравнении 1 представляет собой некоторую усредненную характеристику температурного потенциала рабочего пространства, которая является параметром, определяющим значение теплового потока Qм, передаваемого металлу. Следовательно, для управления нагревом металла необходимо так установить датчик температуры, чтобы он измерял температуру, 
возможно более близкую к величине Тп. Исследования и опыт эксплуатации 
позволили определить места установок датчиков температуры в печах.  
Для регулирования температуры используют различные типы регуляторов: электрические, пневматические, гидравлические; наиболее распространенными из них являются первые. 
Тип исполнительного механизма зависит от типа выбранного регулятора 
(электрический, пневматический, гидравлический) и вида регулирующего органа.  
В пламенных печах регулирующими органами, изменяющими расход газообразного или жидкого топлива, обычно являются поворотные заслонки и регулировочные клапаны различных конструкций. 
При регулировании температуры в электрических печах исполнительными органами являются реле, контакторы или устройства трансформаторного 
типа для плавного изменения мощности. 
9 
 

 
Динамические характеристики объекта регулирования, в частности печи, 
зависят от способа измерения температуры. Можно выделить два основных 
способа измерения температуры в печи: 
1) термопарой или радиационным пирометром, направленным на дно огнеупорного стакана; 
2) радиационным пирометром, направленным непосредственно на факел 
или через факел на стенку печи или металл. 
Кривые разгона температуры в печи, характерные для этих двух вариантов измерения температуры, приведены на рис. 2. Можно видеть, что чистое 
запаздывание IJ и постоянная времени Т при измерении температуры термопарой в защитной арматуре (рис. 1, а), пирометром, направленным на стенку печи 
(рис. 2, б), и пирометром, направленным на светящийся факел (рис. 2, в), составляют соответственно IJ1 = 24 с; IJ2 = 4 с; IJ3 = 1 с; Т1 = 86 с; Т2 = 50 с; Т3 = 4 с. 
Выбор того или иного способа измерения температуры определяется теплотехническими, метрологическими и конструктивными требованиями. 
 
 
    а) 
б) 
в) 
Рис. 2. Кривые разгона температуры в печи при измерении  
температуры термопарой в защитной арматуре (а), пирометром, 
направленным на стенку печи (б), и пирометром,  
направленным на светящийся факел (в) 
10