CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NUNG Để có thể hiểu rõ về quá trình nung nói chung và hệ thống lò-vật nung nói riêng sau đây luận án sẽ chỉ ra những bài toán cần quan tâm hiện nay đối với quá trình nung trong dây chuyền của các nhà máy luyện kim. Từ các nghiên cứu tổng quan về quá trình nung đã được công bố trong và ngoài nước về mô hình quá trình nung, về hệ thống điều khiển, luận án sẽ đặt ra bài toán quá trình nung trong phạm vi giới hạn của nghiên cứu và đề xuất các phương phướng cần giải quyết cho bài toán đặt ra.1 Bài toán quá trình nung Quá trình nung vật dày là một công đoạn quan trọng trong dây chuyền luyện kim nhưng rất tiêu tốn năng lượng. Trung tâm của quá trình nung chính là hệ lò nung với vật nung nằm ở trong không gian lò. Đặc điểm dễ nhận thấy của hệ trên về mặt mô hình đó là một hệ phi tuyến và phân bố rải, tức là các thông số nhiệt vật lý của lò nung và cả vật nung không những thay đổi theo vị trí không gian và thời gian mà còn biến thiên theo nhiệt độ.
Trong quá trình nung vật liệu kim loại, có ba thông số đặc trưng cho công nghệ đó là nhiệt độ của kim loại, sự phân bố nhiệt độ trong vật nung (sự đồng đều nhiệt độ trong phôi nung) và thời gian nung [5,9,10,12,64,72]. Đối với chỉ tiêu nhiệt độ bề mặt vật nung trong quá trình nung, khi nâng nhiệt độ bề mặt vật nung sẽ tăng tốc độ hình thành lớp xỉ nung trên bề mặt kim loại. Nếu nhiệt độ bị quá một giới hạn nào đó, lớp xỉ nung sẽ chảy và làm kết dính mặt của kim loại với đáy lò nung. Đó chính là nguyên nhân gây ra tổn thất về mặt vật liệu do sự oxy hóa, do phản ứng khử các bon, sự cháy và cả do sự quá nhiệt của kim loại thành xỉ nung và làm ảnh hưởng tới các khâu gia công tiếp theo trong dây chuyền.
Nếu nung nhanh kim loại từ trạng thái nhiệt độ xác lập ban đầu đến một nhiệt độ xác lập mới ta sẽ cần tăng tốc nhiệt độ lò nung, theo đó nhiệt độ bề mặt vật nung cũng tăng theo. Ở điều kiện nhất định, mỗi chế độ nung vật nung khác nhau sẽ có một giản đồ nâng nhiệt độ lò nung, từ đó nâng nhiệt độ bề mặt của vật nung và giá trị nhiệt độ trung bình của vật nung khi ra lò [12,33,64]. Với chỉ tiêu độ đồng đều nhiệt trong vật nung khi ra lò: Chỉ tiêu này xét với tiết diện của vật nung, nó có ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm nung và mức độ tiêu thụ năng 21 lượng ở các quá trình gia công đối với vật nung sau khi ra lò, (ví dụ ảnh hưởng tới cấu trúc hình dạng của phôi nung khi ra lò, độ hao mòn trục máy cán, lượng phế liệu do công đoạn sau bị ảnh hưởng và gây ra các tổn hao khác trong quá trình gia công). Theo quan điểm về nhiệt động học, ở vật nung dày là vật nung có chỉ số Bi 0, 5 (Bi là tỷ số nhiệt trở trong của vật nung và nhiệt trở môi trường ngoài), tức là có sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và các lớp bên trong của vật nung trong quá trình nung [5,10,12,36,59,78].
Vì vậy, ta phải quan tâm đến sự chênh lệch nhiệt độ này khi xét đến chỉ tiêu đồng đều về nhiệt trong vật nung. Cho nên, đối với vật nung dày, việc chọn chế độ nung bao gồm nhiệt độ ban đầu của lò và nhiệt độ ban đầu của vật nung có ý nghĩa quan trọng, đặc biệt trong giai đoạn nhiệt độ vật nung từ giá trị ban đầu đến nhiệt độ bắt đầu biến dạng dẻo của kim loại (khoảng 500oC ) là vùng nhiệt độ đặc biệt quan trọng đối với thép và các vật liệu kim loại. Trong giai đoạn này, nếu giảm nhiệt độ trong lò dẫn đến nung chậm, ngược lại nếu tăng nhiệt độ sẽ tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ lớn theo chiều dầy của vật nung, đó là nguyên nhân gây nên ứng suất nhiệt. Như vậy, ở giai đoạn này ta phải điều khiển nhiệt độ lò nung sao cho tốc độ nung hợp lý để đồng thời đảm bảo hiệu nhiệt độ giữa bề mặt và tâm của vật nung nằm trong giới hạn cho phép.
Theo đặc điểm công nghệ, chênh lệch nhiệt độ theo chiều dày vật nung ở cuối quá trình nung cũng bị giới hạn cho phù hợp với quá trình công nghệ tiếp theo. Chỉ tiêu thứ ba là thời gian nung: Đó là thời gian cần đảm bảo quá trình cung cấp vật nung sau khi ra lò để đi vào khâu gia công tiếp theo. Nếu thời gian nung kéo dài, sẽ dẫn đến tăng sự oxi hóa, sự khử các bon kim loại thành xỉ nung, hơn thế nữa sẽ làm tiêu tốn nhiều năng lượng của quá trình nung (nhiệt năng) dẫn đến làm giảm năng suất của dây chuyền. Do đó, thời gian nung cũng cần khống chế sao cho phù hợp với quá trình công nghệ [9,23,33,59,78].
Từ các yêu cầu về mặt công nghệ đã chỉ ra ở trên, ta thấy rõ ràng các bài toán điều khiển quá trình nung nói chung cần thỏa mãn một trong số các chỉ tiêu trên hoặc kết hợp hai hay cả ba chỉ tiêu đã nêu. Để có thể đặt nghiên cứu trong luận án với mục tiêu rõ ràng và cụ thể hơn, sau đây NCS sẽ đi từ các nghiên cứu khoa học đã được công bố về lĩnh vực điều khiển và tự động hóa quá trình nung ở trong và ngoài nước.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Trong rất nhiều các công trình nghiên cứu được công bố về lĩnh vực điều khiển quá trình nung và hệ lò nung-vật nung nói riêng, xét về mặt điều khiển và tự động hóa ta có thể phân ra thành các nội dung nghiên cứu về xây dựng mô hình quá trình nung, với mô hình có thể của riêng đối tượng lò nung, hoặc riêng đối tượng vật nung bên trong lò, hay có khi kết hợp xây dựng mô hình cả hệ lò nung-vật nung. Nội dung nghiên cứu còn lại về điều khiển quá trình nung với các công bố về cấu trúc hệ thống điều khiển, các luật điều khiển 22 được sử dụng để điều khiển nhiệt độ lò nung nói chung, hay các vùng lò nung nói riêng, qua đó gián tiếp điều khiển nhiệt độ vật nung thỏa mãn một hoặc nhiều các chỉ tiêu của quá trình nung như đã phân tích ở trên. Trong các nghiên cứu được công bố về xây dựng mô hình quá trình nung, nội dung chính là cần xây dựng được mô hình truyền nhiệt trong lò nung và bên trong vật nung.
Trên cơ sở các lý thuyết của nhiệt động học về hiện tượng vật lý xảy ra trong không gian lò nung, trong vật nung mà các nhà nghiên cứu đưa ra mô hình truyền nhiệt phù hợp. Về mô hình truyền nhiệt trong lò và trong vật nung, trong đa số các công bố, dạng mô hình chủ yếu được sử dụng vẫn là mô hình thực nghiệm [10,23,25,27,29,34,35,44,48]. Chúng có được dựa trên cơ sở phân vùng và nhận dạng tham số mô hình đẳng nhiệt trong từng vùng lò hoặc lớp vật nung. Đây là dạng mô hình phương trình ODE nên rất thuận tiện cho việc thiết kế bộ điều khiển sau này [23,25,34,35,53].
Tuy nhiên, nó không phải là loại mô hình lý thuyết phù hợp với bản chất vật lý của quá trình truyền nhiệt, vốn thường được biểu diễn dưới dạng phương trình PDE. Vì lẽ đó mà trên thế giới cũng đã có xu hướng sử dụng loại mô hình truyền nhiệt PDE này vào thiết kế điều khiển quá trình nung. Đó là loại mô hình PDE được xấp xỉ thành ODE giới thiệu ở các tài liệu [14,15,16,17,18,19,20] với các tham số vật nung được giả thiết là hằng số tại mọi vị trí trong lò. Nội dung chi tiết về tổng quan mô hình truyền nhiệt trong vật nung sẽ được NCS trình bày trong chương tiếp theo.
Theo quan điểm về mặt điều khiển và tự động hóa, các phương pháp điều khiển, hệ thống điều khiển lò-vật nung đã được công bố trong các công trình nghiên cứu chủ yếu được chia làm hai loại. Đó là điều khiển hở [9,16,18,23,25,34] và điều khiển vòng kín [15,18,27,28,34,44,48,53,65,77,78]. Cả hai nhóm phương pháp điều khiển này đều có chung nhiệm vụ là giữ được cho nhiệt độ trong lò (vùng lò) thay đổi theo một quỹ đạo định trước, bên cạnh một số ít các công bố có điều khiển nhiệt độ ở bề mặt vật nung mà chủ yếu sử dụng thông tin này để điều chỉnh nhiệt độ vùng lò nung cho phù hợp với chủng loại vật nung. Trong một số các công bố khác thì tính toán giá trị nhiệt độ đặt cho lò dựa trên thông tin về nhiệt độ bề mặt vật nung, hay qua một khâu quan sát, hoặc một khâu mô phỏng trường nhiệt độ bên trong vật nung.
Nội dung tổng quan về các phương pháp điều khiển hệ lò nung-vật nung sẽ được NCS trình bày trong chương 3. Ở nước ta hiện nay, tình trạng số lượng các nhà máy luyện kim, cán thép được xây dựng từ những năm 1980 cho đến nay là gần 70 dự án có công suất mỗi năm từ 100.000 tấn trở lên [2]. Tuy nhiên, theo thống kê trong báo cáo Bộ Công Thương năm 2012 và của Tổng công ty thép Việt Nam năm 2014, mặc dù các nhà máy thép mới sử dụng chưa tới 50% công suất thiết kế nhưng hàng năm tiêu thụ khoảng 3,5 tỷ KWh điện. Bên cạnh đó, do công nghệ lạc hậu dẫn đến thời gian nung, chi phí luyện một mẻ phôi thép cao gần gấp đôi so với trung bình trên thế giới (từ 90-180 phút, tiêu thụ từ 550-690 kWh/ tấn so với trung bình thế giới vào khoảng 360-430 kWh) [1].
Vì vậy, nhiệm vụ thách thức trong lĩnh vực lò nung ở Việt Nam hiện nay là cần phải sử dụng hiệu quả tối đa nguồn năng lượng của toàn bộ dây chuyền trong nhà máy trên cơ sở áp dụng các thiết bị, phương pháp và công nghệ 23 điều khiển tiên tiến. Tuy nhiên trong thời gian khoảng 15 năm gần đây các nghiên cứu đã công bố về lĩnh vực điều khiển quá trình nung khá khiêm tốn, chủ yếu là các nghiên cứu công bố về điều khiển nhiệt độ lò nung bằng việc đề xuất sử dụng các thuật toán điều khiển kinh điển như PI, PID, và kỹ thuật MPC, hay vấn đề điều khiển tối ưu quá trình nung vật dày đã được công bố trong công trình [9].