Бобита Татьяна Юрьевна

Металлургическое производство характеризуется высокой степенью концентрации механизмов. Черная металлургия нуждается в комплексной механизации и автоматизации вследствие больших масштабов производства, а также потому, что многие вспомогательные операции все еще требуют применения тяжелого ручного труда и выполняются в условиях значительных тепловыделений, повышенной запыленности, а в ряде случаев и загазованности воздуха.

Непрерывная разливка стали является самым современным способом разливки и выгодно отличается от разливки стали в изложницы. Основные преимущества: повышенный выход годного металла; возможность получения заготовок, пригодных для прокатки на листовых и сортовых станах, устранение при этом из технологической линии обжимных станов и нагревательных колодцев; возможность автоматизации процесса и оборудования непрерывной разливки (разливка в изложницы практически не поддается автоматизации).

В условиях современной экономики автоматизация производственных процессов является одним из главных направлений технического прогресса и сочетается с их усовершенствованием и интенсификацией.

В развитии техники автоматического регулирования производственных процессов черной металлургии осуществляется постепенный переход от регулирования отдельных параметров к связанному регулированию нескольких параметров, а в последние годы - к использованию информационных, вычислительных и управляющих машин.

Современная МНЛЗ является сложным агрегатом, включающим различные механизмы и устройства, снабжённые автоматизированным электроприводом, назначение которого состоит в обеспечении в соответствии с требуемой технологией взаимосвязанную работу этих механизмов. Отсутствие эффективных средств регулирования скорости ограничивает функциональные возможности привода, обуславливает повышенный износ его элементов. Стабильная работа МНЛЗ и получение качественных заготовок в значительной мере зависят от того, насколько оптимизирована работа технологического оборудования и соблюдены заданные режимы литья заготовок, поэтому актуальной задачей является создание регулируемого электропривода и разработка системы автоматического управления МНЛЗ с применением микроконтроллеров.

В работе МНЛЗ можно выделить три режима: гидравлический, связанный непосредственно с разливкой жидкого металла и наполнением кристаллизатора; тепловой, определяющий кристаллизацию и охлаждение непрерывного слитка; энергосиловой, характеризующий работу всех механизмов и приводов МНЛЗ.

Наиболее важная задача управления гидравлическим режимом состоит в поддержании постоянного уровня металла в кристаллизаторе. Этот уровень в процессе разливки должен находиться в довольно узких заданных пределах, что обусловлено следующими причинами: превышение уровня может привести к переливу металла через верх кристаллизатора; понижение уровня ниже допустимого предела приводит к получению тонкой корочки слитка, ее разрыву и прорыву жидкого металла под кристаллизатором. Значительные колебания уровня металла нарушают также стабильность охлаждения слитка в кристаллизаторе, изменяют условия кристаллизации и сказываются на качестве слитка. Решается эта задача путем изменения подачи металла в кристаллизатор стопорным или скользящим затворами промежуточного ковша. Другой вариант заключается в изменении скорости вытягивания слитка с постоянной подачей металла из промежуточного ковша. Может применяться и комбинированное управление с использованием обоих управляющих воздействий.

Вместе с тем определенное время занимают режимы работы МНЛЗ, связанные с ее пуском и остановкой. Причем доля этих периодов работы достаточно велика при индивидуальной разливке плавок и значительно уменьшается при разливке в режиме «Плавка на плавку».

Регулирование уровня металла в кристаллизаторе (рис.1) основывается на одном из описанных выше способов измерения уровня и осуществляется ПИ- или ПИД-регулятором, воздействующим на стопор или скользящий шиберный затвор промежуточного ковша. Точность стабилизации не должна быть меньше ±20 мм.

Для увеличения точности работы системы во время переходного процесса при наличии возмущения по скорости вытягивания слитка применяют контур компенсации возмущения. Сигнал с датчика скорости вытягивания слитка (тахогенератора) ДС поступает в компенсатор возмущения (инвариантный преобразователь) ИП, вырабатывающий корректирующее воздействие на регулятор Р таким образом, что изменение скорости вытягивания слитка сразу компенсируется изменением притока металла из промежуточного ковша. При этом уровень металла в кристаллизаторе становится независимым (инвариантным) от возмущения по скорости вытягивания слитка.

Рисунок 1 - Схема регулирования уровня металла в кристаллизаторе с учётом скорости вытягивания слитка:

I — промежуточный ковш; II — кристаллизатор; III — тянущая клеть; IV — слиток; ДУ —датчик уровня; ИП — измерительный преобразователь; ПРП — вторичный показывающий и регистрирующий прибор; Р — регулятор; ДС —датчик скорости вытягивания слитка; ИП — инвариантный преобразователь; ИМ — исполнительный механизм.

Рассмотренная система является комбинированной, так как в ней одновременно применяются два принципа регулирования: по отклонению (замкнутый контур с приборами ДУ, ИП, Р) и по возмущению (разомкнутый контур с приборами ДС, ИП, Р).

При подаче металла в кристаллизатор через погружной стакан-дозатор управление уровнем металла в кристаллизаторе осуществляется за счет изменения скорости вытягивания слитка. Это же регулирующее воздействие применяется и при открытой струе в случае литья сортовых заготовок небольшого сечения (когда необходимо иметь стабильное качество струи).

В некоторых случаях используют два управляющих воздействия: изменение притока металла из промежуточного ковша и изменение скорости вытягивания слитка.

Задачей управления вторичным охлаждением слитка является создание условий, предотвращающих чрезмерное охлаждение оболочки слитка и вместе с тем обеспечивающих равномерное и полное затвердевание слитка по всей его толщине к концу зоны вторичного охлаждения. Единственным управляющим воздействием при постоянной скорости вытягивания слитка служит расход охлаждающей воды и его распределение по секциям зоны вторичного охлаждения. Поскольку количество тепла, которое нужно отобрать у слитка, пропорционально скорости вытягивания, то и расход воды должен быть практически пропорционален этой скорости.

На многих МНЛЗ управление тепловым режимом вторичного охлаждения осуществляется путем регулирования соотношения скорость разливки — расход охлаждающей воды (рис.2). На каждую секцию зоны вторичного охлаждения и даже на части этих секций устанавливается свой диапазон расхода охлаждающей воды и коэффициент пропорциональности скорости разливки. Поэтому осуществляется отдельное регулирование расхода воды на каждую секцию по жесткой программе на основе общего сигнала, характеризующего скорость разливки (скорость вытягивания слитка).

Рисунок 2 - Схема регулирования соотношения скорость вытягивания — расход охлаждающей воды на вторичное охлаждение:

 ДС— датчик скорости разливки; ДРВ — датчик расхода воды; РР — регулятор расхода; РЗ — ручной задатчик

Особое место при автоматизации нестационарных режимов МНЛЗ занимает автоматизация пускового режима дозаторных машин. Пусковой режим этих машин является весьма коротким по времени и отличается большой напряженностью действий обслуживающего персонала.

Режим заполнения дозаторных МНЛЗ складывается из двух этапов. На первом из них идет заполнение кристаллизатора полным притоком при неработающих клетях. При выходе уровня металла на определенную отметку по высоте кристаллизатора (как правило, 70—80% от его общей длины) происходит пуск тянущих клетей с заранее установленным темпом (ускорением) и до заранее установленной конечной скорости. После окончания разгона тянущих клетей происходит включение в работу автоматического регулятора с последующей стабилизацией уровня металла на заданной отметке.

Такой способ пуска имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что возможное несоответствие между действительной подачей металла в кристаллизатор и наперед задаваемыми конечной скоростью, до которой разгоняются тянущие клети, или выбранным ускорением клетей приводит, как правило, к переполнению кристаллизатора. Это в основном происходит тогда, когда интенсивность подачи металла превышает задаваемые тянущим клетям скорость или ускорение разгона, или к выходу жидкого металла из кристаллизатора, если действительная подача металла в кристаллизатор ниже этой скорости или ускорения. Это обстоятельство объясняется тем, что вследствие весьма малых сечений кристаллизатора и небольшой его высоты даже незначительное несоответствие между действительной подачей металла в кристаллизатор и параметрами режима разгона клетей приводит к такому интенсивному движению уровня металла, при котором автоматический регулятор, включаемый в момент окончания разгона клетей, не успевает остановить уровень в пределах кристаллизатора.

Таким образом, в машине возникает аварийная ситуация, приводящая в большинстве случаев к срыву разливки и выходу МНЛЗ из строя.

Целью данной работы является повышение уровня автоматизации машины непрерывного литья заготовок путем совершенствования системы управления скоростью вытягивания слика.

Основные задачи, решаемые в работе:

- рассмотрение процесса непрерывного литья заготовок как объекта автоматизации;

- анализ существующих способов управления технологическим режимом;

- разработка математической модели процесса кристаллизации слитка в зависимости от текущих режимных параметров процесса;

- алгоритмизация системы управления вытягивания слитка;

- разработка схемотехнических решений системы управления процесса вытягивания слитка.

Практическая реализация автоматизированного управления процессом непрерывного литья связана с рядом трудностей: неполной изученностью кристаллизатора как объекта управления, сложностью математического описания теплофизических и энергосиловых процессов в кристаллизаторе, отсутствием полных данных, характеризующих жидкий и затвердевающий металл.

Применяют следующие системы управления технологическими параметрами: регулирование температуры жидкого металла, контроль перепада температур воды, охлаждающей кристаллизатор, и ее расхода, регулирование скорости вытягивания слитка.

Автоматизация процесса наиболее эффективна по каналу регулирования скорости вытягивания слитка, так как управление по температуре металла и перепаду температур охлаждающей воды обладает большой инерционностью. Канал регулирования скорости наименее инерционен и позволяет оперативно влиять на сложные физические процессы, протекающие в кристаллизаторе.

Для достижения высокой производительности МНЛЗ и получения качественных слитков необходимо установить связь технологии с тепловой работой машины.

Поэтому актуальным является исследование зависимости процесса теплопередачи и затвердевания слитка от режимных, конструктивных и технологических параметров.

С целью определения параметров твердожидкой зоны, а также решения ряда практических вопросов, связанных с формированием слитка, используют задачу о нахождении температурного поля в затвердевающем слитке:

где  температура разливки, ˚С;

       скорость разливки, м/мин;

      сечение заготовки, м;

     соответственно теплопроводность [Вт/м˚С], теплоёмкость [кДж/кг˚С] и плотность [кг/м3] определённой марки стали;

      расходы первичной и вторичной охлаждающей воды, м³/с.

При построении математической модели сделаны следующие допущения: процесс формирования слитка является установившимся, перенос тепла вдоль оси (в направлении вытягивания ) пренебрежимо мал по сравнению с переносом тепла в поперечных направлениях; перемешивание жидкого металла внутри слитка не учитывается, слиток считается сплошной однородной средой, начало координат движется вниз вместе со слитком с постоянной скоростью, равной скорости вытягивания, температурное поле симметрично относительно осей координат, для задания граничных условий вдоль технологической оси слитка выделяются такие характерные зоны: кристаллизатор, зона вторичного охлаждения, зона свободного охлаждения.

В основу математической модели положено приведенное выше дифференциальное уравнение теплопроводности  с учётом скрытой теплоты кристаллизации, которая определялась по линейному закону в соответствии с "правилом рычага" введением эффективной теплоёмкости Сэ (Т), величина которой задаётся в интервале температур ликвидус-солидус в виде системы:

где субстанциальная производная температуры;

      x и y – линейные координаты вдоль продольной и поперечной сторон прямоугольного сечения слитка.

Пределы изменения координат составили 0<x<l_ш; 0<y<l_у, где l_ш и l_у – соответственно ширинаполовины широкой и узкой граней слитка.

Начальные условия: , где t₀ - начальная температура металла.

Наиболее эффективным является использование для описания теплообмена между заготовкой и охлаждающей средой граничных условий третьего рода.

Для учёта конвективного переноса вводится коэффициент теплопроводности (Т):

где  величина относительного количества твёрдой фазы ( для жидкой фазы,  для полностью затвердевшей части слитка и для двухфазной зоны может изменяться от нуля до единицы);

соответственно объёмы всего расплава и твёрдой фазы.

Плотность стали определяется в зависимости от температуры и усредняется в двухфазной зоне:

Вышеприведенные системы уравнений вместе с условиями однозначности представляют собой полную формулировку математической модели процесса затвердевания непрерывного слитка. Решение этой системы позволяет определить температурное поле непрерывного слитка в любой момент времени от начала формирования оболочки слитка на уровне металла в кристаллизаторе, а также исследовать влияние внешних условий на тепловой режим формирования слитка.

Как отмечено выше, регулирование скорости вытягивания слитка является одним из важнейших параметров в работе МНЛЗ. Однако особенное внимание следует уделить регулированию скорости тянущих клетей именно для обеспечения плавного пуска машины. Согласно статистическим данным, около 80% срыва разливок происходит во время пускового периода.

Для машин с большими сечениями отливаемой заготовки стационарный режим разливки ведется при небольших скоростях вытягивания.

Пуск тянущих клетей начинается с момента входа уровня металла в зону измерения и заканчивается выходом привода тянущих клетей на задаваемое число оборотов при сохранении движущегося уровня металла в пределах зоны измерения. Движение уровня металла на этом участке идет согласно уравнению:

где а — ускорение привода тянущих клетей, м/мин;

     Gmax - подача металла в кристаллизатор через дозирующее отверстие разливочного стакана, кг/с;

     Sкр - сечение кристаллизатора, м²;

     x1 - уровень металла в кристаллизаторе, м;

     р — плотность стали, кг/м³.

После окончания разгона тянущих клетей движение уровня подчиняется уравнению:

где vH - номинальная скорость вытягивания слитка, м/мин.

Далее в работу включается автоматический регулятор и приводит в соответствие подачу металла в кристаллизатор с задаваемой скоростью вытягивания.

Для предотвращения аварийных режимов, указанных в пункте 2 данного автореферата, разработан алгоритм управления пусковым режимом сортовых МНЛЗ, логическая схема которого приведена на рис.3.

Работа рассматриваемого алгоритма начинается при поступлении сигнала от фотореле, визированного на струю металла, поступающего в кристаллизатор. С этого момента и до момента срабатывания гамма-реле R, определяющего выход уровня металла на отметку l установки гамма-реле, происходит заполнение участка l₀ кристаллизатора, отсчитываемого от торца затравки, заведенной в кристаллизатор.

Затраченное на это заполнение время t_x определяется как разность между временем срабатывания гамма-реле t_R и временем срабатывания фото-реле t_F.

После этого происходит расчет необходимой конечной (номинальной) скорости разгона тянущих клетей по соотношению:

Полученное значение скорости используется далее для расчета требуемого темпа разгона (ускорения) тянущих клетей

необходимого для того, чтобы стабилизировать уровень металла в пределах зоны Н— l по высоте кристаллизатора. Здесь k — коэффициент запаса, равный 1,1—1,2. Н - общая высота кристаллизатора.

Для безаварийного пуска и работы машины в процессе регулирования скорости ТПУ необходимо учитывать максимально все параметры, влияющие на формирование непрерывнолитого слитка. Поэтому целесообразно строить АСУ пуском МНЛЗ на базе микроконтроллера (МК), который обеспечит возможность прямого ввода сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующей программно-аппаратной обработкой внутри МК. Таким образом, заданное значение скорости формируется в зависимости от поступивших в МК сигналов, характеризующих процесс разливки.

Алгоритм предусматривает переход от нерегулируемой системы привода к регулируемой, что позволит не только существенно улучшить технические характеристики оборудования, качество и диапазон регулирования технологических параметров, расширить функциональные возможности системы, но и снизить потребляемую двигателем мощность, т.е. существенно экономить электроэнергию.

        Рисунок 3 - Алгоритм пуска МНЛЗ

 



 

Рисунок 4 - Алгоритм работы САУ скоростью вытягивания слитка

Структурная схема разработанной САУ представлена на анимированном рисунке 5.

Сигналы от датчиков преобразуются в напряжение и поступают на встроенный в микроконтроллер АЦП, в котором происходит кодирование измеряемого сигнала в двоичный код. Кодированные сигналы анализируется в МК, и в зависимости от программы (для различных режимов разливки), осуществляется световая индикация, формируется управляющий сигнал на исполнительный механизм.

Рисунок 5 - Структурная схема разработанной САУ (анимация: 23 кадра, 38 Кb)

БП – блок питания;

МК – микроконтроллер;

УСБУ – устройство согласования с блоком управления;

АПД – адаптер передачи данных;

УИ – устройство индикации;

ИУ – исполнительное устройство

В устройстве индикации предусмотрен вывод текущего значения скорости вытягивания, индикация питания, индикация выхода значения скорости за пределы допустимого диапазона. 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 скорости с пульта диспетчера.

Формирование значения заданной скорости вытягивания происходит путём выборки из массивов памяти МК этого значения на основании данных от датчиков скорости вытягивания слитка, температуры жидкой стали, уровня металла в кристаллизаторе, перепада температур охлаждающей воды и её расхода на кристаллизатор, расхода охлаждающей воды на ЗВО, температуры поверхности слитка, расхода смазки на кристаллизатор.

Оператором задаётся марка разливаемой стали. При получении сигнала рассогласования (когда фактическое значение скорости не удовлетворяет текущему режиму разливки) формируется сигнал управления на соответствующее изменение скорости вытягивания слитка. При этом табло индикации отражает текущие параметры скорости и отклонение последних от заданного значения.

В ходе работы был проведен анализ технологического процесса непрерывного литья заготовок как объекта автоматизации. На основании критического обзора известных технических решений и требований, предъявляемых к системе автоматизации, разработана система автоматизированного управления скоростью вытягивания слитка. Обосновано дальнейшее направление автоматизации исследуемого процесса и сформулированы функции разрабатываемой САУ. Произведена алгоритмизация системы автоматизации процесса вытягивания слитка в процессе пуска и в процессе работы машины. Разработана структурная схема автоматизации процесса вытягивания слитка, удовлетворяющая заданным техническим и технологическим требованиям.

1. Ефимов В.А. Специальные способы литья. – М: Машиностроение,1991. - 734с.

2. Краснов Б.И. Оптимальное управление режимами непрерывной разливки стали. – М.:  Металлургия, 1975. - 310с.

3. Беленький А.М. Автоматическое управление металлургическими процессами. – М.:  Металлургия, 1989. - 379с.

4. Глинков Г.М. Контроль и автоматизация металлургических процессов. – М, Металлургия, 1989. - 287с.

5. Ш.М. Марголин Электропривод машин непрерывного литья заготовок - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 374с.

6. Беленький А.М. Автоматическое управление металлургическими процессами. – М.: Металлургия, 1989. - 356с.

7. Дюдкин Д.А. Современные машины НРС. – К.: Наукова думка, 1989. - 197с.