Актуальность работы

                Современные автоматизированные системы управления технологическими процессами требуют значительного количества разнообразия средств измерений, обеспечивающих выработку сигналов измерительной информации в форме, удобной для дистанционной передачи, сбора и дальнейшего преобразования, обработки и представления ее. Введение автоматических методов ведения технологических процессов повышает требования, предъявляемые к точности измерения отдельных параметров этих процессов. Температура – важнейший параметр технологических процессов металлургической промышленности. Поэтому качество температурного контроля часто обусловливает успех процесса производства. В связи с этим важной целью является разработка надежных методов измерения температуры, создание измерительных приборов необходимой точности, стабильности и быстродействия, а так же исследование влияний на результат измерения всей совокупности факторов, сопутствующих измерительному процессу. Одним из важных вопросов создания АСУ является разработка их метрологического обеспечения, позволяющего производить правильный выбор необходимых средств измерений и оценку точности измерительных систем.

Обзор существующих исследований

                Работы многих авторов посвящены изучению температурного поля непрерывного слитка, определению величины тепловых потоков и коэффициентов теплоотдачи, разработке тепловых режимов охлаждения слитков. Известны несколько методов определения .
                M.С. Бойченко и В.С. Рутес применяли косвенную методику, основанную на сопоставлении экспериментально измеренных температур поверхности слитка с расчетными при постоянных значениях коэффициента теплоотдачи до их совпадения.
                А. А. Скворцов и А. Д. Акименко определяли а по тепловому балансу в ЗВО. Некоторые авторы определяли среднее по зоне значение коэффициента теплоотдачи в условиях действующих вертикальных MHЛ3.
                Многие авторы определяли коэффициент теплоотдачи экспериментальным путем на специальных лабораторных стендах, которые имитировали условия теплообмена на поверхности слитка при форсуночном охлаждении. Наиболее точные данные по теплообмену в ЗВО получаются на основании измерений температуры в условиях действующих МНЛЗ. Непосредственное измерение температурного поля в непрерывном слитке позволяет получить весьма ценную информацию о его тепловом состоянии, сделать выводы о качестве режимов охлаждения и на этом основании разработать практические рекомендации по совершенствованию конструкции и режимов работы ЗВО.
                По методике, применяемой в ЦНИИЧМ им. И.П. Бардина, платиновые термопары в защитных чехлах вводили в слиток через затравку снизу и измеряли температуру в 2 - 3 точках слитка на расстоянии 0,5 - 0,7 м от затравки. В этом случае на результаты измерений оказывал влияние концевой эффект, который трудно учесть и оценить. В работах О.В. Мартынова и др. использована новая методика с введением блока термопар сверху через кристаллизатор. Однако низкая стойкость применяемых в этих опытах кварцевых наконечников и незначительное удаление рабочих спаев термопар от блока (30 мм) ограничивают длительность измерений и могут также приводить к искажению результатов измерений из-за теплового влияния блока.
                Более надежная методика разработана во ВНИИМТ и подробно изложена в работах Ю.А. Самойловича и др. В данной методике применены вольфрам-рениевые термоэлектроды, имеющие стабильную характеристику и высокие значения термо-ЭДС в широком диапазоне температур (до 1600°С), что позволяет проводить измерения температур с большей точностью. Горячие спаи удалялись на расстояние 100 - 120 мм от блока, и, следовательно, уменьшалось его тепловое влияние на показания термопар. Вывод свободных концов термопар осуществлялся через специальную штангу, покрытую огнеупорной обмазкой, длиной 1,7 - 2,5 м что обеспечивало надежное удаление холодных спаев термопар от мениска жидкого металла и, тем самым, позволяло уменьшить влияние концевого эффекта.

Перечень решаемых в работе задач

    В работе решаются следующие задачи:
- анализ технологических особенностей зоны вторичного охлаждения на машине непрерывного литья заготовок;
- разработка математической модели процесса охлаждения непрерывнолитого слитка для анализа динамических свойств объекта при основных управляющих и возмущающих воздействиях;
- формулировка цели управления и обоснование задающих воздействий верхнего уровня при используемых технологических режимах работы;

Теоретический анализ

                Принцип работы МНЛЗ рассмотрим на примере криволинейной машины, конструктивная схема которой показана на рис. 2.1. Жидкая сталь из разливочного ковша поступает в промежуточный ковш (1), который предназначен для снижения и стабилизации ферростатического давления и динамического напора струи, отделения шлака и стабилизации температуры перед кристаллизатором. Промежуточный ковш также распределяет металл в кристаллизаторы, в зависимости от количества ручьев. Далее сталь попадает в водоохлаждаемый кристаллизатор (2), где происходит начальное формирование непрерывного слитка. Перед началом разливки в кристаллизатор вводят так называемую затравку, которая является дном кристаллизатора на начальной стадии разливки. Сформировавшийся в кристаллизаторе слиток с затвердевшей оболочкой попадает в зону вторичного охлаждения (3), где проводится его дальнейшее охлаждение с помощью водяных форсунок или другими способами. Для предохранения слитка от увеличения объема зона вторичного охлаждения оборудуется специальной поддерживающей системой в виде роликов, брусьев и др. Затем слиток проходит через тянущую клеть (4) и попадает в зону резки (5). Принципиальные схемы непрерывной разливки отличаются положением продольной технологической оси кристаллизующегося слитка, однако основы технологии разливки являются общими для всех типов машин.

Рисунок 1 - Общий вид криволинейной МНЛЗ

                Режим работы системы вторичного охлаждения определяется маркой стали, профилем, размерами слитка и скоростью разливки. Одни стали обладают значительной прочностью при температурах, близких к температуре затвердевания и не претерпевают фазовых превращений; их можно охлаждать достаточно интенсивно. Другие стали, наоборот, охлаждают медленнее.

                Для определения оптимального расхода воды на каждую грань охлаждаемого слитка, необходимо знать его температуру с четырех сторон. На основании этого была разработана структурная схема измерения температуры слитка, с корректировкой по расходу охлаждающей воды (рис.2).

Рисунок 2 - Структурная схема разработанного устройства автоматизации

                Конструкцию, представляющую собой раму с 4 пирометрами, собирают вокруг слитка, для замера температуры с каждой его грани. К каждому пирометру (РП) подсоединены шаговые двигатели (ШД), которые, через определенный интервал времени будут синхронно поворачивать датчик на заданный угол. Это необходимо для замера температуры каждой грани в нескольких точках (в данном случае – 5). За счет этого будет получена более полная картина температурного поля слитка.

                В основе работы пирометра лежит принцип преобразования потока инфракрасного (ИК) излучения от объекта, принимаемого чувствительным элементом, в электрический сигнал, пропорциональный мощности потока излучения. Поток ИК излучения, испускаемый объектом, попадает в объектив, где диафрагмируется и фокусируется на приемник излучения - термобатарею, состоящую из 10 последовательно соединенных миниатюрных термопар, находящийся в фокусе объектива. Модулятор изменяет поток излучения, попадающий на приемник, из постоянного в переменный. Термобатарея развивает термо-ЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а, следовательно, и температуре объекта измерения. Для измерения термо-ЭДС, в цепь термопары включают милливольтметр или потенциометр. Для усиления сигнала используется усилитель ОУ и затем поступает на АЦП. На АЦП происходит кодирование измеряемого сигнала в двоичный код. Кодированный сигнал анализируется в МК, и в зависимости от программы (для различных значений температуры), осуществляется световая и звуковая индикация, формируется управляющий сигнал через блок ВКУ на исполнительные механизмы. В устройстве индикации предусмотрен вывод текущего значения температуры, индикация питания, индикация выхода значения температуры за допустимый диапазон.

                Устройство согласования с персональным компьютером предусматривает дистанционное управление разрабатываемым устройством, дистанционное управление подразумевает не только передачу измеряемой информации на пульт диспетчера, но и задание опорного значения температуры с пульта диспетчера. Так же на вход микроконтроллера через БС будут подаваться сигналы с датчика скорости слитка и датчика расхода воды на охлаждение слитка (диафрагма). При выходе значения температуры за допустимый диапазон, МК вырабатывает управляющий сигнал, который подается на исполнительные механизмы. В результате чего, меняем либо расход охлаждающей воды, посредством перемещения заслонки в трубопроводе, либо скорость тянущих валков, что изменяет скорость вытягивания слитка.

Моделирование системы

                В основу модели положено дифференциальное уравнение для одномерного температурного поля (1):

                где –  плотность, теплоемкость, и теплопроводность металла; х – координата по толщине слитка, ; R – половина толщины слитка;  – скрытая теплота кристаллизации;   – функция, учитывающая долю твердой фазы в двухфазной зоне кристаллизующегося металла. Для упрощения уравнения (1) были введены эффективные значения теплоемкости  и теплопроводности , меняющиеся по толщине слитка в зависимости от температуры:

               где   – теплоемкость и теплопроводность жидкого и твердого металла; – температура ликвидуса. Тогда уравнение (1) приводится к виду:

                Уравнение дополняется следующими начальными условиями:

                Таким образом, рассмотренная модель может быть реализована с помощью пакета прикладных программ Mat LAB. Основными входными величинами модели являются температура разливаемого металла, скорость разливки, расходы охлаждающей воды в зоне вторичного охлаждения, скорость вытягивания слитка. Показатели желаемого режима характеризуются следующим образом: 1) температура поверхности слитка должна снижаться в ЗВО непрерывно, вплоть до момента окончания затвердевания; 2) температура поверхности в конце зоны затвердевания должна быть не выше 900°С; 3) целесообразно смягчение режима охлаждения слитка и полного отключения охлаждающей воды незадолго до момента окончания процесса кристаллизации слитка по всему сечению. Схема регулирования расхода охлаждающей воды на слиток состоит из исполнительного механизма, слитка, датчика температуры (пирометр), изображена на рис.3, каждый из которых характеризуется постоянной времени и коэффициентом усиления. Настройки ПИД-регулятора задавались при варьировании параметров слитка.

Рисунок 3 - Структурная схема регулирования расхода воды на охлаждение слитка

                Промоделировав в пакете MatLAB структурную схему (рис.3) получаем переходный процесс (рис. 4).

Рисунок 4 - Результаты моделирования процесса охлаждения слитка

                Полученный процесс визуализирует затвердевание слитка в ЗВО, на основании которого можно судить о нормальном протекании процесса охлаждения. Варьируя параметры, необходимо добиться оптимального расхода воды на охлаждение слитка, при котором температура охлажденного слитка в конце ЗВО будет составлять 900-800°С. Моделирование процесса позволяет оптимизировать расход воды на охлаждение и увеличить производительность агрегата.

Выводы

                Разработанное устройство автоматизации охлаждения непрерывнолитого слитка ориентированное на представление работы установки в автоматическом режиме и в режиме советчика диспетчеру с выдачей рекомендаций. Дополнительной функцией разработанной системы является анализ процесса формирования заготовки при непрерывной разливке. Структурная схема позволяет реализовать математическую модель затвердевания заготовки в рассматриваемом объекте и использовать для получения параметров дальнейшем. Полученный процесс визуализирует процесс оптимального охлаждения слитка, на основании которого можно судить о его состоянии. В соответствии с техническими (простота конструкции, более простой способ измерения), метрологическими и эксплуатационными требованиями, было разработано устройство анализа и регулирования температуры охлаждения слитка, что позволяет эффективно решать задачи непосредственного управления технологическими процессами выпуска слитка, а также весь круг сопутствующих задач, предназначенных для повышения эффективности работы МНЛЗ.

Литература: