Автор: Хасан Юсеф; Жукова Н.В.
Источник: XIII международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов
автоматизация технологических объектов и процессов поиск молодых — Донецьк, ДонНТУ — 2013.
Хасан Юсеф; Жукова Н.В. к.т.н, доц. - ИССЛЕДОВАНИЕ САУ ПРОЦЕССОМ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛА В ВАЛКАХ-КРИСТАЛЛИЗАТОРАХ В УСЛОВИЯХ ДВУХВАЛКОВОЙ МНЛЗ
Анализ способа Г. Бессемера [1-2-3] литья листового металла в валках-кристаллизаторах имеет недостатки. Если нижний край жидкой металлической ванны металла достигает минимального расстояния между поверхностями валков, то в центре полосы образовывается ликвация по причине оттеснения примесей двумя фронтами кристаллизации, идущими на встречу друг другу.
В этом случае замкнутые течения металла не могут вывести неметаллические включения в верхнюю часть ванны металла, а за счет его усадки появляется рыхлость и пористость в центре листа.
Следовательно, процесс разливки необходимо проводить так, чтобы два фронта кристаллизации сваривались в области, находящейся выше указанного минимального расстояния между валками. Однако непрерывная разливка тонколистового металла за счет его малой толщины проходит нестабильно, так как объем металлической ванны не велик, а охлаждаемая вода, необходимая для отвода выделяющего тепла имеет нестабильную температуру.
Таким образом, для стабилизации процесса разливки, решения проблемы по удалению ликвационной зоны в средней части листового металла по всей его длине, а также улучшения и уплотнения структуры металла необходимо разработать систему автоматизации управления процессом по информационному параметру, характеризующему положение фронта кристаллизации в валках, а также стабилизации теплового потока на кристаллизаторе.
В последние годы на Украине наблюдается тенденция развития металлургических мини-заводов, на которых реализуются энергосберегающие технологии производства стали и проката. Энергосбережение в металлургии заключается в совмещении процессов непрерывного литья и непрерывной прокатки от жидкого металла до конечного проката. Чем быстрее металл доходит от жидкого состояния до конечного проката, тем лучше экономические показатели энергоемкого металлургического производства. В обычных технологиях, когда после получения литых заготовок происходит их охлаждение, а затем (после транспортировки в прокатные цехи) прокатка, удельный расход энергии превышает 2000 МДж на тонну стального проката. Если же реализовать прокатку литых заготовок, не допуская их охлаждения ниже определенной температуры (для стали не ниже 900 °С), то удельный расход энергии будет меньше в 6-7 раз, т.е. 300-335 МДж/т.
Естественным поэтому является стремление совместить установку непрерывной разливки металла (УНРМ) и прокатный стан в единой технологической линии для реализации непрерывного процесса литья-прокатки. Такое совмещение позволяет не только экономить тепловую энергию, но также компактно располагать агрегаты в цехах и повысить их производительность. Однако имеется очень большое различие между скоростями литья и прокатки металла. Например, прокатку квадратных заготовок сечением 100х100 мм можно осуществлять со скоростями 7-10 м/с, а непрерывное литье таких заготовок - со скоростями 3-5 м/мин, т.е. (5/9)102 м/с; скорости, как видно, отличаются приблизительно вдвое. Поэтому при установке прокатного стана за каждым ручьем УНРМ его оборудование используется нерационально; приходится совмещать прокатный стан с несколькими ручьями УНРМ, что требует больших производственных площадей и значительных капиталовложений. Следует отметить, что в случае прокатки с низкими скоростями в обычных прокатных клетях происходит сильное охлаждение заготовок и теряются существенные преимущества совмещенного процесса.
Когда требуется производить полосу толщиной 1 мм и менее, то, даже учитывая необходимость осуществления пятикратной деформации, нет смысла отливать слиток толщиной более 5 мм. С этой точки зрения (исключая рассмотрение производительности оборудования), нерационально создавать мощные прокатные станы для обжатия слитка от толщин 50-250 мм до толщины 1-2 мм, что требует весьма больших затрат. Конечно, при отливке тонкого слитка и осуществлении последующего совмещения с прокатным станом возникают трудности из-за быстрого охлаждения такого слитка. Можно, конечно, перед прокатным станом осуществлять подогрев отлитого слитка, как это делают, например, на тонкослябовых литейно-прокатных агрегатах (ЛПА), реализующих технологию CSP (Compact Strip Production - компактное производство полосы) [1]. Однако всегда «дополнительный нагрев» означает «дополнительные расходы», чего любая фирма стремится избежать. Рациональное решение этой задачи - совмещение в одной установке процессов литья и прокатки (по схеме Г. Бессемера).
Именно так эту задачу решают валковые литейно-прокатные агрегаты (ЛПА), в которых жидкий металл подают в зону, ограниченную валками-кристаллизаторами. При этом валки-кристаллизаторы осуществляют двойную функцию: они являются и кристаллизатором, и деформирующим инструментом.
Сила реакции слитка на валки-кристаллизаторы Fnp является информационным параметром, соответствующим положению фронта кристаллизации по отношению к валкам – кристаллизаторам (рис).
Цель системы автоматизации управления процессом разливки в валках-кристаллизаторах – поддержание на заданном уровне силы реакции, приложенной к валкам перпендикулярно плоскости формируемого слитка равной:
Рассмотрим работу системы на примере конкретного исполнения.
Валки-кристаллизаторы длиной 
=800 мм и радиусом R =400 мм вращаются со скоростью 50 об/мин большей,
чем требует технология разливки [3].По торцам валков-кристаллизаторов стоят электромагнитные устройства,
формирующие боковую кромку металла и предотвращающие его слив.
В межвалковую область, в которой находится затравка, заливают металл.
Тензодатчики, закрепленные на оси валков-кристаллизаторов фиксируют силу реакции,
приложенную перпендикулярно плоскости формируемого листа металла толщиной d=5мм.
При заданном обжатии закристаллизовавшегося металла Δ = 2 мм и его пределе текучести
при температуре процесса
расчетная сила равна:
При этом скорость вращения валков-кристаллизаторов необходимо уменьшать до тех пор, пока указанная сила не достигнет расчетной. Далее процесс разливки - прокатки протекает со скоростью, соответствующей заданной силе реакции слитка (силы прокатки) на валки. Мощность для процесса разливки – прокатки при силе реакции металла на валки-кристаллизаторы Fnp=905kH соответствует P = Fnp . Vл = 905 . 103 . 0,3 = 272 кВк
Функциональная схема системы автоматизации управления непрерывным процессом разливки в двухвалковой МНЛЗ представлена на рис.
Работа системы происходит следующим образом. Сначала в ручном режиме задается скорость вращения валков-кристаллизаторов
рассчитанная технологом, и по мере формирования закристаллизовавшегося слитка металла фиксируют
результаты измерения силы реакции слитка на валки-кристаллизаторы.
До тех пор пока значение текущей силы реакции меньше заданной расчетной,
скорость вращения валков уменьшается пропорционально значению разности между текущей ошибкой рассогласования по
силе реакции слитка на валки и расчетной силой прокатки. При достижении силы прокатки заданной расчетной (равенства ошибки рассогласования нулю) величина скорости вращения валков регулируется соответственно текущей силе прокатки.
При увеличении сигнала обратной связи по силе прокатки скорость вращения валков-кристаллизаторов также увеличивается пропорционально значению суммы расчетной силы прокатки и текущей ошибки рассогласования по силе реакции слитка на валки. Такое регулирование скорости вращения валков-кристаллизаторов требует применения системы управления с переменной структурой управления, позволяющей согласовать входы по цепям задания и обратным связям. Данная скорость вращения валков-кристаллизаторов, соответствующая текущей силе реакции слитка на валки и характеризующая производительность процесса разливки является задающим воздействием для системы управления электроприводом насоса, обеспечивающей на заданном уровне тепловой поток охлаждаемой воды на кристаллизаторе:
Т.е. тепловой поток, отдаваемый металлом, равен тепловому потоку, забираемому водой. Температура охлаждаемой воды не стабильна, поэтому, если на входе кристаллизатора температура входящего потока воды T1 увеличится, то тепловой поток охлаждаемой воды уменьшится, о чем свидетельствует обратная связь контроллера теплового потока, и насос будет быстрее качать воду из бассейна.
Функциональная схема САУ непрерывным процессом разливки в валках кристаллизаторах ЛПА производства тонколистового проката
Таким образом, структурная схема системы стабилизации силы реакции металла на валки-кристаллизаторы должна иметь два контура регулирования. Внешний контур – регулятор силы прокатки. Внутренний – регулятор скорости разливки металла. Схема моделирования САУ приведена на рис.
Рисунок – Схема моделирования системы стабилизации силы реакции металла на валки-кристаллизаторы
Для обеспечения стабильного процесса литья задание скорости разливки-прокатки заготовки необходимо корректировать, так, чтобы при уменьшении силы реакции металла на валки-кристаллизаторы, задающее воздействие скорости также уменьшалось. С этой целью регулируемая ошибка рассогласования по силе прокатки складывается со знаком минус с сигналом уставки силы прокатки. Переходные характеристики системы приведены на рис.
Рисунок – Переходная характеристика силы реакции металла на валки-кристаллизаторы
Рисунок – Переходная характеристика скорости вращения валков-кристаллизаторов и скорости литья при уменьшении силы прокатки
Анализируя переходные характеристики , можно сделать вывод о работоспособности системы стабилизации силы реакции металла на валки-кристаллизаторы. Скорость литья-прокатки заготовки изменяется в соответствии с изменением фронта кристаллизации, зависящего от состояния теплопереноса в кристаллизаторе.
Скорость вращения валков-кристаллизаторов, соответствующая текущей силе реакции слитка на валки и характеризующая производительность процесса разливки vл является задающим воздействием для системы управления электроприводом насоса, обеспечивающей на заданном уровне тепловой поток охлаждаемой воды на валках-кристаллизаторах:
Т.е. тепловой поток, отдаваемый металлом, равен тепловому потоку, забираемому водой. Температура охлаждаемой воды не стабильна, поэтому, если на входе кристаллизатора температура входящего потока воды T1 увеличится, то тепловой поток охлаждаемой воды уменьшится, о чем свидетельствует обратная связь контроллера теплового потока, и насос будет быстрее качать воду из бассейна.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.