THE INNOVATIVE CONTROL OF THE HEATING UP PROCESS OF THE METAL IN THE FURNACE USING SPATIAL ELECTRIC FIELD

Y. G. Kachan, A. A. Yerofieieva

Abstract


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


Сontrol algorithm; experiment matrix; polynomial model; optimal control actions.

References


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.

Polivanchuk A. S., Vasilec S. V. Modelirovanie processa nagreva metalla v kamernoj pechi pri minimizacii rashoda topliva, Avtomatizacіja tehnologіchnih ob’єktіv ta procesіv. Poshuk molodih. / Zbіrnik naukovih prac’ HІ naukovo-tehnіchnoї konferencії aspіrantіv ta studentіv v m. Donec’ku 17–20 travnja 2011 r. Donec’k, DonNTU, 2011, pp. 64–68.

Kachan Ju. G., Stepkin V. V., Liush Ju. B. Optimal’noe upravlenie kamernoj nagrevatel’noj pech’ju po jenergosberegajushhemu kriteriju, Gіrnicha elektromehanіka ta avtomatika, 2013, No. 91, pp. 143–147.

Kachan Ju. G., Vіzer A. A., Sibіr A. V. Zastosuvannja prostorovih elektrichnih polіv zadlja stvorennja teplovih pereshkod u kamernih pechah, Elektrotehnіka ta elektroenergetika, 2017, No. 1, pp. 18–23.

Sibir’ A. V. Reshetnjak S. I., Gubinskij V. I. Modelirovanie teploobmena v kamernoj pechi s central’noj regenerativnoj gorelkoj, Vіsnik Dnіpropetrovs’kogo unіversitetu. Serija Mehanika, 2007, No. 2/1, pp. 131–139.

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. DOI:10.1063/1.858424.

Lauder B. E., Spalding D. B. The numerical computation of turbulent flow, Comput. Methods Appl. Mech. Eng, 1974, Vol. 3, pp. 269–289.

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.

Huang М. Ehd-enhanced heat and mass transfer: dissertation doctor of philosophy. Norman, The University of Oklahoma, 2005, 152 p.

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.

Adler Ju. P., Markova E. V., Granovskij Ju. V. Planirovanie jeksperimenta pri poiske optimal’nyh uslovij [Tekst]. Moscow, Nauka, 1976, 279 p.

Kachan Ju. G., Kovalenko V. L., Vіzer A. A. Metodika viznachennja optimal’nih energetichnih parametrіv termіchnoї pechі, shho pracjuє na bіogazovіj sumіshі za umovi najavnostі v її kamerі prostorovogo elektrichnogo polja, Metalurgіja : naukovі pracі Zaporіz’koї derzhavnoї іnzhenernoї akademії, 2016, 35 (1), pp. 88–91.

Kachan Ju. G., Vіzer A. A., Kovalenko V. L. Pat. 116305 Ukraїna MPK 2007 C21D 9/00. Cposіb termіchnoї obrobki metalu u kamernih pechah perіodichnoї dії / (Ukraїna); zajavnik Zaporіz’ka derzhavna іnzhenerna akademіja. u201612960; zajavl. 19.12.2016; opubl. 10.05.2017, Bjul. № 9, 4 p.

Kachan Ju. G., Kovalenko V. L., Vіzer A. A. Viznachennja ekonomії spozhivannja promislovim pіdpriєmstvom prirodnogo gazu za najavnostі u robochih ob’єmah jogo kamernih pechej prostorovogo elektrichnogo polja, Energetika: ekonomіka, tehnologії, ekologіja, 2017, No. 1, pp. 91–94.


GOST Style Citations


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. – № 2 (85). – С. 102–107.

2. Поливанчук А. С. Моделирование процесса нагрева металла в камерной печи при минимизации расхода топлива / А. С. Поливанчук, С. В. Василец // Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих : Збірник наукових праць ХІ науково-технічної конференції аспірантів та студентів 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, В. В. Степкин, Ю. Б. Лиуш // Гірнича електромеханіка та автоматика. – 2013. – № 91. – С. 143–147.

4. Качан Ю. Г. Застосування просторових електричних полів задля створення теплових перешкод у камерних печах / Ю. Г. Качан, А. А. Візер, А. В. Сибір // Електротехніка 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 // Вісник Дніпропетровського університету. 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. DOI: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 / Мeirong 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  енергетичних параметрів термічної печі, що працює на біогазовій суміші за умови наявності в її камері просторового електричного поля/ Ю. Г. Качан, В. Л. Коваленко, А. А. Візер // Металургія : наукові праці Запорізької державної  інженерної  академії. – 2016. – 35 (1). – С. 88–91.

13. Пат. 116305 Україна МПК 2007 C21D 9/00. Cпосіб термічної обробки металу у камерних печах періодичної дії / Ю. Г. Качан, А. А. Візер, В. Л. Коваленко (Україна) ; заявник Запорізька державна інженерна академія. – u201612960 ; заявл. 19.12.2016 ; опубл. 10.05.2017, Бюл. № 9 – 4 с.

14. Качан Ю. Г. Визначення економії споживання промисловим підприємством природного газу за наявності у робочих об’ємах його камерних печей просторового електричного поля / Ю. Г. Качан, В. Л. Коваленко, А. А. Візер // Енергетика : економіка, технології, екологія. – 2017. – № 1. – С. 91–94.




DOI: https://doi.org/10.15588/1607-3274-2017-4-22



Copyright (c) 2017 Y. G. Kachan, A. A. Yerofieieva

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Address of the journal editorial office:
Editorial office of the journal «Radio Electronics, Computer Science, Control»,
Zaporizhzhya National Technical University, 
Zhukovskiy street, 64, Zaporizhzhya, 69063, Ukraine. 
Telephone: +38-061-769-82-96 – the Editing and Publishing Department.
E-mail: rvv@zntu.edu.ua

The reference to the journal is obligatory in the cases of complete or partial use of its materials.