ISSN 0038-920X. "Сталь". № 5. 1998 г.
С. М. Чумаков, Б. А. Делекторский, А. Н. Сорокин и А. П. Евтеев АО "Северсталь" и предприятие "Техноап"
Возможности автоматического предупреждения о прорывах на выходе кристаллизатора
Между формирующейся коркой сляба и стенками кристаллизатора благодаря вертикальным его качаниям вовлекается расплавленный шлак. Он служит смазкой и не дает прилипнуть корке сляба к стенкам кристаллизатора. Однако равномерность смазки может не достигаться по многим причинам: из-за недостаточного слоя жидкого шлака, его неоднородной структуры и неблагоприятного химического состава; вследствие резкой смены уровня металла в кристаллизаторе и отклонения параметров его качания; большей конусности кристаллизатора и погрешности его пространственной установки. Кроме того, струя металла из стакана может достигать стенки кристаллизатора и локально размывать корку или температура стали слишком высока для образования необходимой толщины корки на выходе из кристаллизатора.
В результате возникают местные прилипания корки сляба к стенкам кристаллизатора. По мере их развития происходит трещинообразование и даже возможен прорыв металла на выходе из кристаллизатора. Первое приводит к браку заготовки, а второе — к необходимости ремонта и замены оборудования. Последствия каждого прорыва обходятся производителю в сотни тыс. долл. США. Если обобщить опыт многих производителей, то при отсутствии надлежащих средств контроля на одну МНЛЗ в год приходится от 5 до 10 прорывов. Поэтому представляют интерес вопросы профилактики прорывов, а также сопоставления возможностей различных средств контроля. С помощью системы прогнозирования прорыва можно избежать этих проблем, так как система своевременно обнаруживает прилипание и воздушные включения, обеспечивая снижение скорости разливки и восстановление дефектной зоны.
Поскольку фундаментального понимания явления прорыва пока нет, рассмотрим возможную качественную модель. Будем считать, что при качаниях кристаллизатора между его стенками (преимущественно в их верхней части) и коркой сляба стабильно поддерживается слой жидкой смазки толщиной в виде расплавленного шлака. При таком допущении трение следует считать жидкостным, а силу трения определять по уравнению:
Модель контроля параметров жидкого металла является математической моделью, которая рассчитывает температуры сляба в соответствии с маркой стали, температурой металла в промежуточном ковше, течением металла в кристаллизаторе, скоростью разбрызгивания охлаждающей воды и скоростью литья. Модель основана на двухмерном алгоритме конечных элементов, который решает следующее уравнение теплопередачи:
где 
— относительная скорость кристаллизатора;
— вязкость смазки; S — площадь контакта;
— толщина слоя смазки;
— абсолютная скорость кристаллизатора;
— абсолютная скорость вытягивания сляба.
Если абсолютное перемещение кристаллизатора
где 
— амплитуда качаний;
— угловая частота качаний, то его абсолютная скорость
При 
на каждом периоде качаний кристаллизатора будут наблюдаться два момента времени 
, когда относительная скорость кристаллизатора по отношению к слябу 
и жидкостная сила трения отсутствует.
Относительная скорость кристаллизатора 
в некотором масштабе пропорциональна силе жидкостного трения. Стрелками на рисунке 1, а показано направление перемещения рабочей точки фазовой траектории при качаниях кристаллизатора и особые точки фазовой траектории:
Нижняя область между 
и 
— это область вертикального сжатия сляба, характеризующаяся малой относительной скоростью . Предельное значение 
достигает при 
. Площадь, ограниченная фазовой траекторией, пропорциональна энергии жидкостного трения, выделившейся за цикл колебаний кристаллизатора.
Рисунок 1 Фазовая траектория относительной линейной скорости кристаллизатора в зависимости от абсолютного перемещения и сила трения кристаллизатора за цикл качания
На рисунке 1, б приведена зависимость силы идеального сухого трения в функции перемещения X. Сухое трение наблюдается преимущественно в нижней части кристаллизатора, когда корка сформировалась, но еще отсутствует зазор между ней и стенкой кристаллизатора. Сложение графиков 1,а и 1, б, выполненное на рисунке 1, в, дает представление об изменении суммарной силы жидкостного и сухого трения в функции перемещения кристаллизатора.
Соотношение между жидкостным и сухим трением определяется интенсивностью подачи и свойствами шлаковой смеси.
Помимо рассмотренных составляющих, введем условное понятие "трение прилипания" между коркой сляба и стенкой кристаллизатора. Оно может быть представлено в виде импульса силы прилипания и отрыва, сформированного двумя экспонентами. Вид условной составляющей трения прилипания при движении кристаллизатора от к 
показан на рисунке 1, г. На рисунке 1, д представлена возможная траектория результирующей силы трения при единичном за цикл импульсе прилипания.
На рисунке 1, г и д отражен сравнительно быстрый единичный отрыв. Его замедление не изменит существо картины явления: трение каждого единичного прилипания искажает симметрию фазовой траектории в верхней левой полуплоскости. Если учесть, что по площади кристаллизатора может возникнуть множество прилипаний со сдвигом по фазе, то на участке 
можно ожидать результат многих наложенных импульсов. По степени нарушения симметрии результирующей фазовой траектории возможно судить о развитии эффекта прилипания.
Характер отрыва корки сляба после прилипания может быть различным. Пусть элементарная площадка прилипания корки сляба описывается 
, где d — диаметр площадки. Усилие прилипания пропорционально площади, т.е. 
. Силу отрыва этой площадки из общей корки можно полагать пропорциональной периметру элементарной площадки, т.е. 
. Следовательно, при 
образуются точечные прилипания без отрыва материала корки и, наоборот, при 
будут наблюдаться отрыв материала от корки и перенос его на стенку кристаллизатора с последующим оплавлением в верхнем положении кристаллизатора. Такое прилипание далее будем называть очаговым. Его отличие от точечного прилипания состоит в образовании "жидкой дыры" в корке. Форма импульса силы прилипания от этого не меняется, хотя амплитуда и длительность импульса силы очагового прилипания заметно выше.
Итак, множество точечных прилипаний корки сляба может дополниться следующей степенью развития дефекта по площади—очаговыми прилипаниями. В результирующей осциллограмме силы, воздействующей на кристаллизатор, очаговые прилипания имеют большую интенсивность и длительность, нежели точечные.
Описанный процесс очагового прилипания вблизи мениска кристаллизатора может развиваться по двум схемам. При достаточном поступлении жидкого шлака в зону "жидкой дыры" очаг зарастает. При недостатке жидкого шлака или некачественности его свойств образующаяся "жидкая дыра" приобретает тенденцию к развитию. По соседству будут образовываться дополнительные "жидкие дыры". Наличие нескольких развитых "жидких дыр", например от 3 до 6 по поверхности кристаллизатора, будем условно называть развитым очагом. Наиболее опасная ситуация возникает тогда, когда наличие "жидких дыр" наблюдается по всему периметру кристаллизатора, т.е. когда дефект носит круговую форму.
Следует заметить, что механизм прилипаний корки сляба к кристаллизатору является определяющей причиной прорывов. Другие типы прорывов наблюдаются в зоне скопления трещин от внутренних напряжений или поверхностных включений.
Вне зависимости от характера прилипания далее будем использовать общий термин "нарушение". В соответствии с изложенным полезно зафиксировать четыре условные степени нарушений: точечную, еди-ничную очаговую, развитую очаговую и круговую. Каждая степень нарушения требует соответствующего способа контроля и мер воздействия на процесс.
Точечные нарушения следует контролировать с целью раннего предупреждения трещинообразования и устранения их путем добавления подачи шлака. Они характерны относительно высокочастотным наложением силы на кристаллизатор со стороны сляба и могут быть измерены тензометром, наклеенным на упругий шарнир, качающий кристаллизатор. При наличии люфта наложенные колебания кристаллизатора несколько искажаются. Поэтому целесообразно использовать более точный и стабильный инструмент в виде месдоз, закрепленных между качающейся платформой и кристаллизатором. Однако это усложняет конструкцию. Кроме того, имеется ряд ограничений на характер установки измерительных элементов. Более практична установка на кристаллизаторе вертикального акселерометра. Точечные нарушения создают спектр колебаний ускорения кристаллизатора, наложенный на его ускорение качания. Полезный сигнал может быть выделен, а затем измерен его общий уровень, который косвенно характеризует недостаток или некачественность шлаковой смеси.
Очаговые нарушения проявляются с меньшей частотой. Каждый очаг накладывает более интенсивное усилие и вызывает соответственно более интенсивное импульсное ускорение. Общий уровень наложенного сигнала от очагового нарушения существенно выше, нежели общий уровень наложенною сигнала от точечного нарушения.
На рисунке 2 отражен типичный контроль одной из разливок. Результаты получены с помощью вертикального акселерометра. Сплошной заливкой выделены тренды очаговых нарушений. Нижние тренды характеризуют точечные нарушения. Каждый тип тренда получен соответствующей ему цифровой обработкой в реальном времени сигнала акселерометра. По результатам экспертного анализа 204 реальных плавок установлены предельные значения для амплитуд двух видов трендов. На рисунке 2 этим предельным значениям соответствуют верхние горизонтали рамки. Продолжительность каждого тренда, приведенного на рисунке, составляет 300с. На рисунке 2, б превышен допустимый уровень по точечным нарушениям, а на рисунке 2, в превышены допустимые уровни обоих нарушений.
Рисунок 2 Тренды результатов обработки сигнала вертикального акселерометра
Помехами для этого типа контроля становятся невертикальность оси и нестабильность формы качаний кристаллизатора, а также передвижение массивных механизмов (например, крана) вблизи механизма кристаллизатора. Существенными помехами также служат пульсации скорости разливки и колебания поддерживаемого уровня металла в кристаллизаторе. Эти помехи должны измеряться, и в соответствии с ними должен корректироваться полезный сигнал.
Известные акселерометры практически не накладывают ограничений на разрешение и быстродействие. Поэтому с помощью акселерометра могут быть обнаружены ранние стадии нарушения процесса смазки в кристаллизаторе. Выходная информация может быть представлена в виде осциллограмм, траекторий силы трения или релейных сигналов: "нормальный характер процесса", "точечное нарушение", "очаговое нарушение".
Выявление развитого очагового или кругового нарушения с помощью акселерометра затруднительно, так как усилие вытягивания сляба из кристаллизатора приводом роликов может уже не возрастать, а уменьшаться по причине увеличения площади жидкой фазы в трещине поверхности сляба.
Очаговое и главным образом развитое очаговое нарушения можно контролировать комплектом термопар (до 60 шт.), устанавливаемых вкруговую в два или три ряда по высоте кристаллизатора. Термопары заделываются извне в медную стенку кристаллизатора и находятся на расстоянии 10- 15 мм от его рабочей поверхности.
Для каждого очагового нарушения характерно возрастание температуры, что фиксируется термопарой верхнего ряда. По мере движения сляба очаг перемещается вниз по кристаллизатору и достигает места расположения термопары нижнего ряда. По характеру изменения сигнала нижней термопары по отношению к сигналу верхней термопары возможно судить о развитии или затягивании очага. На рисунке 3 иллюстрирован принцип обнаружения одного очагового нарушения двумя термопарами.
Рисунок 3 Иллюстрация принципа фиксации очагового нарушения парой термопар
На рисунке 3: 1 - медная стенка кристаллизатора; 2 – термопара верхнего ряда; 3 – термопара нижнего ряда;4 – жидкий металл; 5 – закристаллизовавшаяся корка; 6 - очаг; 7 – изменение температуры во времени, фиксируемое термопарой 2; 8 – то же, но термопарой 3; 9 – скорость вытягивания сляба; 10 – момент времени ручного или автоматического уменьшения скорости вытягивания сляба.
Полный комплект термопар способен зафиксировать наличие очагового нарушения в любом месте кристаллизатора. Более того, имеется возможность фиксации развитого очагового и кругового нарушений путем учета расположения и числа термопар, зафикси-ровавших нарушение.
При развитом очаговом нарушении следует уменьшить скорость разливки. В случае перехода очаговою нарушения в круговое разливка должна быть остановлена.
Рисунок 4 иллюстрирует состояние развивающегося очагового нарушения в виде шести парных трендов. Каждая сплошная кривая на рисунке соответствует термопаре верхнего ряда. Эти тренды получены на начальной стадии освоения контролирующей системы, когда ее показания только архивировались. Обрыв трендов на 180-й секунде соответствует реально произошедшему прорыву металла на выходе из кристал-лизатора, хотя уже до 150-й секунды можно было бы принять соответствующие меры.
Рисунок 4 Осциллограммы температур термопар, характеризующих очаговое нарушение; по оси абсцисс – время в с; по оси ординат – температура
Анализ совокупности трендов позволил зафиксировать развивающийся очаг в виде косой расширяющейся жидкой трещины под углом 30° к горизонтали. Этот же угол разрыва сляба зафиксирован непосредственно после аварии.
Для термопарной системы возникают иные помехи, среди которых наиболее заметны помехи от нестабильности водяного охлаждения стенок кристаллизатора. Изменение усиления теплосъема со стенок кристаллизатора также может свидетельствовать о развитых очаговых нарушениях. Для такого контроля требуются тепломеры, измеряющие расход и температуру охлаждающей воды.
Таким образом, акселерометрическая система фиксирует точечные и начальные очаговые стадии нарушения, т.е. самые ранние свидетельства опасности. Термопарная система хорошо фиксирует сформировавшиеся единичные очаговые и развитые очаговые формы нарушения. По ее покаяниям можно вынести суждение о трансформации очаговой формы в круговую, что свидетельствует о большой опасности.
Наконец, тепломерная система – это интегральное свидетельство о круговом нарушении при развитом очаге на той или иной стенки кристаллизатора, если стенка имеет собственную систему охлаждения.
В соответствии с возможностями трех описанных способов контроля, апробированных в реальных условиях, напрашивается вывод о целесообразности одновременного применения трех систем в виде единой системы контроля количества и качества шлака, так же для предсказания различных степеней опасности прорыва. Каждая система по функциям дополняет другие. Частичное перекрытие возможностей улучшит достоверность предупреждающей информации.
Трудности состоят в выборе числа обработанных сигналов разного назначения от одного датчика; в назначении долевых коэффициентов по каждому из обработанных сигналов; в назначении групп сигналов с долевыми коэффициентами для определения одного из пяти состояний (нормальное, точечное нарушение, единичное очаговое нарушение, развитое очаговое нарушение, круговое нарушение): в установке результирующих критериев. Эти трудности решаются с помощью известных процедур формирования и обучения нейронных сетей.
Благодаря комплексированию разных по принци-пу действия средств контроля появляется возмож-ность более успешно бороться с помехами и повысить тем самым достоверность различения состояния кри-сталлизатора. В комплексную систему, помимо ин-формации от упомянутых датчиков, потребуется вве-сти информацию об уровне металла в кристаллизато-ре, о форме и амплитуде качаний кристаллизатора, скорости вытягивания сляба, невертикальности положения стенок кристаллизатора и величине горизон-тальных составляющих качаний. Эта информация со-держится в АСУТП МНЛЗ. Обработка всей совокуп-ной информации встроенным компьютером ведется в реальном времени.