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Die Erfindung bezieht sich auf einen Aufwärm- und/oder Wärmebehandlungsofen mit mehreren räumlich aufeinanderfolgenden Zonen, von denen mindestens eine eine Vorwärmzone, eine eine Heizzone und eine eine Ausgleichszone ist, wobei jede Zone eine Regeleinrichtung für die Ofentemperatur in Abhängigkeit von Parametern aufweist. Derartige Aufwärm- bzw. Wärmebehandlungsöfen, z. B. Hubbalken-oder Stossöfen, an welche eine Wärmeverformungsanlage angeschlossen sein kann, dienen dazu, das zu verformende Gut auf die jeweils gewünschte Verformungstemperatur zu erwärmen und/oder eine vorbestimmte Wärmebehandlung sicherzustellen. Üblicherweise muss somit das zu verformende Gut das Wärmeaggregat bei einer geringfügig höheren Temperatur verlassen, um den Abkühlverlusten bis zum nächstfolgenden Verfahrensschritt Rechnung zu tragen.
Bei der Aufwärmung ist weiters zu berücksichtigen, dass ein maximal zulässiger Temperaturgradient zwischen Kern und Oberfläche des Wärmegutes nicht überschritten wird, und es sind Kriterien, wie Oberflächenausbildung, Randentkohlung usw. zu beachten, um Zielgrössen, wie Produktion und Gefügeausbildung (technologische Eigenschaften) zu erfüllen. Wenn es bei den nachgeschalteten Verformungsanlagen zu einer Änderung der Produktionskapazität kommt, ist es mit den bisher bekannten Regelungsmechanismen nicht möglich, innerhalb von vertretbaren Zeiten eine Anpassung der Wärmeaggregate unter geringstem Verschleiss der Ofenausmauerung und minimalem Energieverbrauch sicherzustellen. Als wesentliche Einflussgrössen auf zu beherrschende Durchsatz- bzw.
Erwärmungskapzitätsänderungen sind die Änderung der Durchsatzgeschwindigkeit in der Verformungsanlage auf Grund von Verformungstechnologien (Materialanalyse), Abkühlbedingungen (Gefüge-, Oberflächenausbildung), Verfahrensweisen (z. B. Durchwärmung Oberfläche-Kern), sowie geplante bzw. ungeplante Stillstände (Umstellungen bzw. Störungen) zu nennen. Veränderungen der Produktionskapazität können sich im Störungsfall, beispielsweise durch einen Walzenbruch, einen Leitungsbruch, einen Ausfall der Kühlwasserversorgung, eine Verstopfung des Abwasserkanals, Stromausfall für den Antrieb der Walzen, ergeben.
Alle bisher bekanntgewordenen Verfahren ermöglichen vorrangig nur die Steuerung von stationären Ofenzuständen (gleichbleibender Ofendurchsatz) und versuchen, instationäre Ofenzustände über eine Folge mehrerer stationärer Zwischenstufen zu beherrschen, wodurch optimale Ofenfahrweisen nicht erreicht werden können.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, einen Aufwärm- und/oder Wärmebehandlungsofen mit einer Steuerung der Wärmeaggregate zu schaffen, mit welchem kurzfristig Änderungen der Produktionskapazität unter Bedachtnahme auf den Energieverbrauch der Wärmeaggregate, die Produktionqualität und die Haltbarkeit der Ofenausmauerung Rechnung getragen werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung im wesentlichen darin, dass zumindest einer dieser Regelkreise einen Zugriff zur Einstellung der vorgegebenen Temperatur und eine Folgeschaltung zur Einstellung der Verweilzeit, wobei die Veränderungen gegensinnig sind, aufweist, wobei die Regeleinrichtungen der aufeinanderfolgenden Zonen miteinander verknüpft sind, wobei die Eingabe der Sollwerte für die Temperatur in nachfolgenden Zonen zeitlich gegenüber der vorhergehenden nach hinten verschoben ist.
Dadurch, dass die Steuerung der Temperatur und/oder der Verweilzeit, jeweils in einer Zone der Aufwärmung in Abhängigkeit von Einflussgrössen, wie Abmessungen und Qualität (chemische Analyse) des zu behandelnden Wärmegutes, insbesondere Walzgutes, Tempe- raturvorschreibungen des Walzgutes im Produktionsfluss, Stillstandsdauer, technologische Zielgrössen, zur Verfügung stehende Produktionskapazität od.
dgl. unter Zugrundelegung eines "Erwärmungs- profil-Parameters" vorgenommen wird, wobei bei Verringerung der Produktionskapazität gegenüber der Nennkapazität die Temperatur der ersten beiden Zonen (Aufwärm-, Heizzone) verringert und die Verweilzeit, insbesondere durch Herabsetzung der Taktfrequenz des Hubbalkens oder des Blockdrückers verlängert wird, und dadurch, dass die Steuerung einer Zone mit der Steuerung wenigstens einer weiteren Zone verknüpft wird, wird sichergestellt, dass eine Änderung der Betriebsgrössen des Wärmeaggregates, wie beispielsweise der Durchsatzmenge und der Temperatur, nicht nur in einer einzelnen Zone gesondert, sondern über die gesamte Länge des Wärmeaggregates sichergestellt ist.
Durch die gleichzeitige Veränderung von Temperatur und Durchsatzmenge können Wärmedauer und Wärmetemperatur in Abhängigkeit voneinander auf Werte gebracht werden, welche den gewünschten Erwärmungseffekt ergeben. Die Durchsatzmengenänderung ermöglicht hiebei eine kurzfristige Anpassung an die Kapazitätsänderung in der nachfolgenden Wärmeverformungsanlage und die mit dieser Durchsatzmengenänderung gekoppelte Temperaturänderung stellt einen gleichbleibenden Wärme-
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effekt sicher.
Vor allen Dingen ist es aber mit dem erfindungsgemässen Wärmebehandlungsofen möglich, die Durchsatzgeschwindigkeit kurzfristig der von der Materialanalyse abhängigen Verformungsgeschwindigkeit anzupassen und beispielsweise auch Veränderungen in der Produktionskapazität auf Grund von bestimmten Abkühlbedingungen, wie sie für die Gefüge- oder Oberflächenausbildung von Bedeutung sind, sowie auf Grund von Stillständen rasch Rechnung zu tragen. Gleichzeitig kann auf einen optimalen zeitlichen Temperaturverlauf über den Querschnitt des vorzuwärmenden Gutes Bedacht genommen werden. Beim erfindungsgemässen Wärmebehandlungsofen kann jeder Änderung von einzelnen oder gleichzeitig von mehreren Einflussgrössen gefolgt werden.
Die jeweils angesteuerten Ofenraum- bzw. Wärmeguttemperaturprofile sind durch den"Er- wärmungsprofil-Parameter" charakterisiert, der, wie nachfolgend beschrieben, entwickelt wird :
1. L = D'. V,. . k. f,. f,
L max. praktische Walzleistung (t/h) D2 Enddurchmesser Walzgut (mm)
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(m/s)tA Aufwärmzeit (min)
F Ofenbelegung (t) in Abhängigkeit Walzgutdimension, Schrittweite 3. t A als Funktion (Qualität, Dimension, Technologie, Ofenbelegung, Betriebsart, Nutzgrad) 4. Tz Ziehtemperatur (Ofen-Austrittstemperatur) als Funktion (Qualität, Dimension, Techno- logie)
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Jede Kombination von bestimmter Aufwärmzeit mit bestimmter Ziehtemperatur ergibt ein spezifisches Ofenraum- (bzw. Wärmgut-) temperaturprofil und daraus resultierend die zonen- weisen Sollwertvorgaben.
Die durch eine Änderung der Produktionskapazität bedingte Änderung der Ofenraum- oder
Wärmgut-Solltemperatur in der Vorwärmzone und der Heizzone von der Ausgangs-Solltemperatur auf die End-Solltemperatur wird hiebei jeweils in Abhängigkeit von den Einflussgrössen nach einer ausgewählten Solltemperatur-Absenk-bzw.-Anhebefunktion vorgenommen werden.
Wenn bei dem erfindungsgemässen Aufwärm- und/oder Wärmebehandlungsofen für die durch eine Änderung der
Produktionskapazität bedingte Änderung der Solltemperatur zuerst bei der Umstellung in der Vor- wärmzone die Temperatur um einen im wesentlichen von der Produktionskapazität abhängigen Betrag und danach in der Heizzone die Temperatur um einen Bruchteil dieses Betrages geändert wird, ergibt sich eine wesentliche Verringerung des Energieverbrauches bei hoher Lebensdauer der Ofenauskleidung.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In diesen zeigen Fig. 1 den Temperaturverlauf in der Vorwärmzone bei Übergang auf 50% der Nennkapazität der Verformungsstrasse, Fig. 2 den entsprechenden Temperaturverlauf über die Zeit in der Heizzone, Fig. 3 und 4 eine Temperaturänderung in der Vorwärmzone und der Heizzone bei einer kurzfristigen Walzpause, welche einem Übergang von 90 auf 60% der Nennkapazität der Anlage entspricht, Fig. 5 den Gesamttemperaturverlauf über die Ofenlänge für
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die in den Fig. l bis 4 dargestellten Steuermassnahmen und Fig. 6 und 7 eine schematische Darstellung der jeweils zur Anwendung kommenden Grundelemente des Steuerverfahrens für die Solltemperaturabsenkung und die Solltemperaturanhebung.
In Fig. 1 befindet sich die Temperatur des Ofens in der Vorwärmzone zu Beginn auf etwa 540 C. Bei diesem Beispiel wird von einer zweiadrigen Walzstrasse ausgegangen, bei welcher durch Ausfall einer Walzlinie nur mehr einadrig weitergefahren werden kann. Dies hat eine Änderung der Nennkapazität von 100 auf 50% zur Folge. Die Temperatur der Vorwärmzone wird über einen Zeitraum von etwa 6 min von 540 auf 320 C abgesenkt. Knapp vor Erreichen der neuen Solltemperatur der Vorwärmzone wird, wie aus Fig. 2 ersichtlich, auch die Absenkung der Temperatur der Heizzone
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ratur von 820 C.
Im Beispiel nach den Fig. 3 und 4 wird eine 20minutige Walzpause vorausgesetzt, wobei bei dem gewählten Walzgut in der Aufwärmzone zunächst eine rasche Absenkung von 480 auf 365 C vorgenommen wurde, worauf nach etwa der halben erwarteten Walzpause die Temperatur langsam wieder auf das ursprüngliche Niveau angehoben wurde. In entsprechender zeitlicher Verschiebung wurde mit der Absenkung der Solltemperatur der Heizzone begonnen, wobei hier ausgehend von einer Temperatur von 890 C auf eine Temperatur von etwa 845 C abgesenkt wurde. Die Anhebung der Temperatur der Heizzone wurde etwa gleichzeitig mit der Anhebung in der Aufwärmzone begonnen, so dass die Solltemperatur rechtzeitig vor Ablauf der erwarteten Walzpause bereits wieder erreicht war.
In Fig. 5 ist das Temperaturprofil über die Ofenlänge, sowie die gewählte Einteilung in die einzelnen Zonen ersichtlich. Mit --1-- (Erwärmungsprofil-Parameter 1143) ist hiebei die Kurve für die volle Auslastung und mit 100% die Nennkapazität bezeichnet. Die Fig. l und 3 entsprechen hiebei der mit --2-- bezeichneten Ordinate, wobei im Beispiel der Fig. 1 ein Übergang auf die mit --3-- bezeichnete Linie erfolgte, welche 50% der Nennkapazität entspricht (Erwärmungsprofil-Parameter 1253). Bei dem Beispiel nach Fig. 3 wurde ausgehend von 90% der Nennkapazität, welche der Kurve --4-- (Erwärmungsprofil-Parameter 2362) entpsricht, auf 60% der Nennkapazität entsprechend der Kurve --5-- (Erwärmungsprofil-Parameter 2572) die Temperatur zurückgenommen.
Die entsprechenden Verhältnisse in der Heizzone ergeben sich aus der mit --6-- bezeichneten Ordinate, welche die Kurven --1, 3,4 und 5-- in den in den Fig. 2 und 4 dargestellten Punkten schneidet. Aus der Konvergenz der einzelnen Temperaturverlaufskurven über die gesamte Ofenlänge resultiert, dass die stärksten Änderungen der Temperatur in der Vorwärmzone und die geringsten Änderungen der Temperatur in der Ausgleichszone vorgenommen werden. Die Vorwärmzone erstreckt sich hiebei über den Bereich a, welche ungefähr 40% der Ofenlänge entspricht. Die Heizzone entspricht dem Bereich b von 40 bis 70% der Ofenlänge, und der letzte Bereich c von 70 bis 100% der Ofenlänge entspricht der Ausgleichszone.
Zusätzlich zu diesen Kurven --1, 3,4 und 5-- sind in Fig. 5 auch noch drei weitere Kur- ven --7, 8 und 9-- enthalten, mit welchen der Qualität bzw. chemischen Analyse und den physikalischen Eigenschaften des Wärmegutes Rechnung getragen werden kann. Während nämlich die Kur- ven-l, 3,4 und 5-- im wesentlichen für unlegierte Stähle brauchbare Ergebnisse erbringen, ist es für hochlegierte Stähle günstiger, die Erwärmung entsprechend der Kurve --9--, d. h. nach einer progressiven Kurve, vorzunehmen. Bei rissempfindlichen Stählen ist es wieder günstig, möglichst entlang einer linear steigenden Kurve, wie dies durch die Linie --8-- angedeutet ist,
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In den Fig. 6 und 7 sind die Grundelemente des Steuerzyklus für die einzelnen Phasen schematisch dargstellt. In diesen Figuren bedeutet Tl die Ausgangs-Solltemperatur bei Start eines Steuerzyklus (entspricht Solltempertur des vorangegangenen"Stationär-Status), T. (At ) die Solltempera- tur-Absenk- bzw. Anhebefunktion über die Zeitdauer A t2 (bevorzugte Funktionen samt charakteristischer Koeffizienten in Abhängigkeit von den Einflussgrössen, sowohl linear als auch exponentiell als auch Polynom können in einer Bibliothek abgelegt sein), T3 die End-Solltemperatur nach Ablauf des Absenk- bzw. Anhebezyklus (entspricht Solltemperatur des nachfolgenden "Stationär-Status"),
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dauer des "Stationär-Status",
t0 den Zeitpunkt der Durchsatz- bzw. Wärmekapazitätsänderung, tl den Startzeitpunkt des Temperatur-Absenk- bzw. -Anhebezyklus, t2 den Endzeitpunkt des Temperatur-Absenk- bzw. -anhebezyklus (= Startzeitpunkt der stationären Phase), t3 den Endzeitpunkt der stationären Phase. Jeder einzelne Zyklus wird hiebei durch seine entsprechende Parameter
T, T, T , At , At , At charakterisiert und in Abhängigkeit der jeweiligen Einflussgrössen spezifisch vorgegeben. Die gesamte Ofensteuerung besteht daher aus der kontinuierlichen Aneinan- derreihung von zonenweisen, spezifischen, jeweils getrennt optimierten Steuerzyklen, wobei auf eine"Bibliothek"bereits bewährter, auf den jeweiligen Einsatzfall abgestimmter Zyklen zurückge- griffen werden kann.
Eine über die den einzelnen Steuerzyklen zugrundeliegende Teiloptimierung hinausgehende Gesamtoptimierung wird gegebenenfalls durch eine Adaption mit Hilfe von Wärmgut- - Oberflächen-Isttemperaturerfassung an den Zonengrenzen und Berücksichtigung in den nachfolgen- den Regelzonen (feed-forward-Prinzip), sowie Rückführung (feed-back) der Oberflächen-Isttempera- tur nach Wärmegutaustritt aus dem Ofen erreicht. Zur zeitrichtigen Reaktion auf Änderungen in
Qualität und Abmessungen des eingesetzten Wärmgutes wird zusätzlich eine platzbezogene Material- verfolgung im Erwärmungsaggregat vom Einsatz bis zum Ausstoss über die gesamte Ofenlänge durch- geführt.
Durch diese Vorgangsweise wird es möglich, auf geänderte Einsatzbedingungen bzw. Ände- rungen in der geforderten Erwärmungskapazität mit gezielter Umverteilung des Wärmeeinbringens innerhalb der einzelnen Regelzonen zu reagieren.