Система автоматического регулирования уровня металла в кристаллизаторе машины непрерывного литья заготовок

Система автоматического  регулирования уровня металла в  кристаллизаторе машины непрерывного литья заготовок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение                                                                                                                   3

1. Описание технологического  процесса                                                              5

1.1 Объект переработки                                                                                          6

1.2 Основные координатные  возмущения                                                            6

1.3 Математическая модель  процесса                                                                   7

2. Описание управляемого  объекта                                                                       9

2.1 Описание элементов  гидропривода уравнениями типовых 

динамических звеньев                                                                                             9

3. Выбор датчиков технологических  измерений и преобразователей 

сигналов                                                                                                                  10

4. Расчет динамических  характеристик и передаточных  коэффициентов элементов системы                                                                                                11

5. Выбор принципа регулирования                                                                      14

6. Определение передаточной  функции по каналу управления  и 

построение структурной  схемы                                                                           14

7. Оценка устойчивости  системы автоматического регулирования                 15

Список использованной литературы                                                                   16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Целью данной работы является закрепление знаний и приобретение умения и навыков описания процессов, происходящих в системах автоматического  регулирования.

Объект изучения: Кристаллизатор и промежуточный ковш МНЛЗ.

Регулирование уровня металла  в кристаллизаторе имеет первостепенное значение для процесса непрерывной  разливки, так как качество слитков  в большой степени зависит  от точности регулирования. Этот уровень в процессе разливки должен находиться в довольно узких заданных пределах, что обусловлено следующими причинами возникновения аварийных ситуаций: превышение уровня может привести к переливу металла через верх кристаллизатора; понижение уровня ниже допустимого предела приводит к получению в пределах кристаллизатора тонкой корочки слитка, ее разрыву и прорыву жидкого металла под кристаллизатором. Значительные колебания жидкого металла нарушают также стабильность охлаждения слитка в кристаллизаторе, изменяют условия кристаллизации и сказываются на качестве непрерывнолитого слитка.

Способ непрерывного литья  заготовок является одним из наиболее важных достижений металлургии ХХ века и за сравнительно короткий период времени получил самое широкое  распространение в мировом сталеплавильном  производстве. Сейчас примерно 40% мировой  выплавки стали разливается на машинах  непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Принцип непрерывной разливки заключается в том, что жидкую сталь из ковша заливают в интенсивно охлаждаемую сквозную форму прямоугольного или квадратного сечения –  кристаллизатор, где происходит частичное  затвердевание непрерывно-вытягиваемого  слитка, дальнейшее его затвердевание  происходит при прохождении зоны вторичного охлаждения. Процесс непрерывного литья позволяет получать заготовки (после резки) для прокатных станов, а также его можно совместить с непрерывной прокаткой в одном агрегате.

Основные преимущества непрерывного литья стали по сравнению с  разливкой в изложницы:

– повышенный выход годной стали за счёт меньшей обрези головной и донной части слитков на 6ч12%;

– нет необходимости в  большом парке изложниц и сталеразливочных тележек;

– нет необходимости в  применении стрипперных кранов и стационарных машин для извлечения слитков из изложниц, установок для охлаждения и подготовки составов с изложницами под разливку, в установке центровых и поддонов, а также блюмингов и слябингов, а в ряде случаев и заготовочных станов;

– снижаются эксплуатационные расходы и затраты электроэнергии, повышается выход годного металла  вследствие минимальных потерь металла  в скрап, ликвидации литников, резкого  уменьшения расхода металла на обрезь в прокатных цехах и т. д.;

– значительно повышается качество металла вследствие уменьшения поверхностных пороков и улучшения  структуры слитка.

– процесс непрерывного литья поддается полной автоматизации.

Существует пять основных типов МНЛЗ:

1) вертикальные;

2) вертикальные с изгибом слитка;

3) радиальные;

4) криволинейные;

5) горизонтальные.

 

 

 

1. Описание технологического процесса

 

Работа МНЛЗ происходит следующим  образом. Для подготовки к литью  качающийся рольганг из горизонтального  положения переводят в верхнее наклонное и цепным механизмом затравку подают на рольганг задающей машины. Перемещают машину к кристаллизатору и вводят в него затравку, одновременно вращая ролики приводной проводки. Головку затравки устанавливают так, чтобы она образовала временное дно у кристаллизатора. Ковш со сталью после продувки аргоном устанавливают краном на сталеразливочный стенд. Промежуточный ковш, предварительно нагретый на стенде газовыми горелками, перемещают тележкой в рабочее положение над кристаллизаторами по пути, перпендикулярному оси МНЛЗ. Поворотом несущей балки сталеразливочного стенда ковш с металлом переводят из резервного положения в рабочее над промежуточным ковшом. Открывают шиберный затвор сталеразливочного ковша и заполняют промежуточный ковш металлом на определенную высоту. После этого открывают затвор промежуточного ковша и наполняют кристаллизатор металлом до рабочего уровня. Включают механизм качания кристаллизатора и привод роликовой проводки. Начинается процесс литья. О количестве металла, находящегося в сталеразливочном и промежуточном ковшах, судят по показаниям приборов электронных весоизмерительных систем, которыми оборудованы сталеразливочный стенд и тележка для промежуточного ковша. После выхода затравки из роликовой проводки она отсоединяется от слитка гидравлическим механизмом и по качающемуся рольгангу, находящемуся в нижнем наклонном положении, перемещается вверх. После этого рольганг с затравкой переводят в горизонтальное положение до следующего цикла литья.

На пути движения в роликовой  проводке слиток подвергается интенсивному охлаждению водой, подаваемой форсунками. Правка слитка производится на начальном  участке тянуще-правильной машины. Непрерывно вытягиваемый слиток поступает к машине газовой резки, которая режет слиток на мерные длины, двигаясь вместе с ним. Заготовки уборочным рольгангом либо подают на тележку-рольганг для дальнейшего передела, либо снимают с рольганга уборочным краном и складируют в штабеля.

Техническая характеристика МНЛЗ:

Вместимость сталеразливочного  ковша, т…………………………………350

Размеры сляба, мм:

толщина…………………………………………………………………..200-300

ширина………………........................................................................1000-2500

Скорость литья, м/мин…………………………………...........................1,0-2,5

Продолжительность разливки ковша, мин……………...........................35-45

Годовая производительность, млн/т…………………….…………………..2,0

 

1.1 Объект переработки

 

Объектом переработки  является жидкий металл. Основные технологические  свойства: температура металла в  пром. ковше Т = 1595 ± 5 °С (для нержавеющей стали)

 

1.2 Основные координатные  возмущения

 

Основными координатными  возмущениями, оказывающими влияние  на процесс разливки является скорость вытягивания слитка, износ стакана  в промежуточном ковше, остывание  металла, а следовательно, повышение вязкости и динамические отклонения стопора от установившегося значения. Но так как температура изменяется очень плавно и в малом диапазоне, данное координатное возмущение незначительно. Наиболее важным и основным возмущением является износ донного стакана в пром. ковше, так как его состояние в каждый момент времени контролировать невозможно.

1.3 Математическая  модель процесса

 

Постоянный уровень металла  в кристаллизаторе (hкр = const) обеспечивается путём изменения подачи металла в кристаллизатор стопорным затвором промежуточного ковша при постоянной скорости вытягивания слитка.

Изменение объёма металла  в кристаллизаторе, который при  неизменном уровне должен быть величиной  постоянной для промежутка времени  Dt, может быть записано в виде [4]:

 

DQме Dt/ρме – Dhкр Fкр = 0 (1)

 

где DQме – изменение интенсивности подачи, м3/с;

Dt – отрезок времени, с;

ρме – плотность металла, кг/м3;

Dhкр – изменение уровня металла в кристаллизаторе, м;

Fкр – площадь живого сечения кристаллизатора, м2.

Из (1) получим:

 

(2)

Переходя к пределу  при Dt®0, можно записать

 

, (3)

где

k = 

.

 

Dhkp . Fkp = DQ ® Dh = 

 

Уравнение (3) – дифференциальное уравнение кристаллизатора МНЛЗ. Входной величиной при этом является x(t) = DQме, а выходной – уровень y(t) = hкр, т.е. можно уравнение (3) записать в общем виде:

 

(4)

 

Подача металла в кристаллизатор в зависимости от перемещения  стопора определяется из выражения [4]:

 

Q = μfxρ

, (5)

 

где fx – текущее значение проходного сечения, зависящее от высоты подъёма стопора, м2;

g – ускорение свободного  падения, м/сек2;

h – уровень металла  в пром. ковше, принимаемый равным 500 мм;

μ – коэффициент расхода, принятый, согласно эксперимантальным данным, равным 0,5;

ρ – плотность разливаемого металла, кг/м3.

 

 

 

 

 

 

 

2. Описание управляемого  объекта

 

Управляемым объектом является стопорный затвор пром. ковша МНЛЗ, имеющий гидропривод, состоящий из гидравлического цилиндра короткого хода, золотникового клапана, самого стопора и провода, подводящегося от магистрали насосной установки к золотниковому клапану. Для осуществления задачи автоматической системы регулирования уровня металла в кристаллизаторе, на стенке кристаллизатора выведены и зачеканены горячие спаи термопар.

 

2.1 Описание элементов  гидропривода уравнениями типовых  динамических звеньев

 

Стопор, гидроцилиндр и термопара  являются апериодическими звеньями, так как они инерционные. Передаточные функции для них можно записать в виде [1]:

 

, (6)

 

где Кi – коэффициент передачи;

Тi – постоянная времени;

р – оператор Лапласа.

Передаточная функция  термопары:

 

Wт = 

 

Передаточная функция  гидроцилиндра:

 

Wгц = 

Передаточная функция  стопора:

Wст = 

Кристаллизатор, золотниковый клапан и преобразовательные устройства ПУ1 и ПУ2 являются безынерционными звеньями, так как постоянная времени несоизмеримо мала по сравнению с другими элементами системы, следовательно, быстродействие несоизмеримо выше, поэтому их постоянную времени принимаем равную 0. Передаточные функции этих устройств имеют вид:

, (7)

где Кj – коэффициент передачи.

 

3. Выбор датчиков  технологических измерений и  преобразователей сигналов

 

Измерительное устройство

 

Для данной системы регулирования  уровня металла в кристаллизаторе  МНЛЗ в качестве измерительного устройства целесообразно применить термопары, смонтированные в рабочих стенках  на 10 уровнях от верхнего торца. Эта  система даёт точность измерения  уровня металла, равную ±6 мм, а её инерционность  составляет Ј1 с.

Ток на термопаре в момент измерения температуры [6]:

I = 10-9 A,

ЭДС = 10 мВ.

Диапазон измеряемых температур составляет 0ч600°С.

Выбираем Хромель-копелевую  термопару марки ТХК-146, сталь  Х18Н10Т, общая длина 500 мм [5].

Преобразовательное устройство ПУ1 – для преобразования сигнала управления гидроприводом стопорного затвора.

Преобразовательное устройство ПУ2 – для преобразования и усиления сигнала от термопары.

Для данной системы регулирования  подходит преобразовательное устройство марки П9701, с рабочим током 20 мА [5].

 

4. Расчет динамических  характеристик и передаточных  коэффициентов элементов системы

 

1. Расчёт постоянных времени  элементов системы.

Так как гидропривод «жёсткий», следовательно, время работы гидроцилиндра  и стопора одинаково:

 

Тгц = Тст

 

где Тгц – постоянная времени гидроцилиндра;

Тст – постоянная времени стопора.

Для данной системы подходит стандартный гидроцилиндр с диаметром 200 мм и ходом плунжера 50 мм [7].

 

P = 

   = 198 Н (8)

 

где P – усилие на штоке, Н;

– давление масла в поршневой  полости, Па;

 – диаметр плунжера, м.

Масса стопора m = 300 кг [6].

 

P = m a ® a = 

=  = 0,66 м/с2 (9)

 

где а – ускорение штока.

 

S = 

 (10)

Так как начальная скорость штока равна нулю, следовательно формула будет иметь вид

 

S = 

 ® t =   =   = 0,38 с

 

Следовательно, Тгц = Тст = 0,38 с.

Термопара [5] Тт = 10 с.

2. Расчёт передаточных  коэффициентов элементов системы.

Преобразовательное устройство ПУ1

Давление масла в системе 6,3 МПа, питание осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В с частотой 50 Гц.

 

k1 = 

 =  = 2,8 . 104 

 

где   – давление масла, подаваемое на клапан, Па;

– напряжение, В.

Золотниковый клапан k2 = 1

Гидроцилиндр

 

k3 = 

 =   = 3,14 . 10-4 

 

где   – усилие на штоке, кгс;

 – давление масла в гидроцилиндре, Па.

Стопор

Шток гидроцилиндра и  стопор выполнены как одно целое, следовательно, k4 = 1

 

Кристаллизатор

k5 = 1 

Термопара

 

k6 = 

 =  = 6,26 . 10-13 

 

где   – измеряемая температура, °С;

 – ток на термопаре, А.

Преобразовательное устройство ПУ2

 

k7 = 

 =   = 2 . 107

 

где  – ток преобразовательного устройства ПУ2, А;

 – ток на термопаре, А.

 

 

5. Выбор принципа  регулирования

 

В данной системе автоматического  регулирования целесообразно применить  принцип компенсации ошибки, так  как основное координатное возмущение – износ стакана пром. ковша, невозможно контролировать в каждый момент времени. Данный принцип даёт возможность компенсировать и другие возмущения, оказывающие непосредственное влияние на процесс непрерывной разливки стали (минимизация динамических отклонений стопора, и др.).

 

6. Определение  передаточной функции по каналу  управления

 

Передаточная функция  системы определяется по формуле [1]:

 

, (11)

 

 

 

W(p) = 

 

В результате алгебраических преобразований формула имеет вид:

 

Так как свободный коэффициент   по сравнению с 1 является несоизмеримо малой величиной, следовательно, ей можно пренебречь.

Структурная схема системы  регулирования представлена на с. 14.

 

7. Оценка устойчивости  системы автоматического регулирования

 

1,444р3 + 7,744р2 + 10,76р + 1 = 0

 

Так как характеристическое уравнение третьего порядка, следовательно, при оценке устойчивости системы  можно воспользоваться критерием  Вышнеградского.

По этому критерию для  устойчивости системы третьего порядка  необходимо и достаточно выполнение двух условий:

· все коэффициенты характеристического  уравнения должны быть положительными

1,444 > 0; 7,744 > 0; 10,76 > 0; 1 > 0;

· произведение средних коэффициентов  должно быть больше произведения крайних

83,32

1,444

83,32 > 1,444

Согласно критерию Вышнеградского, система устойчива.

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1. ГОСТ 6540-68. Цилиндры гидравлические  и пневматические.

2. Целиков А. И. Машины  и агрегаты металлургических  заводов. Том 2.– М.: Металлургия, 1987. 440с.

3. Г. М. Глинков, В. А. Маковский. АСУ ТП в чёрной металлургии. – М.: Металлургия, 1999. 310 с.

4. Б. И. Краснов. Оптимальное  управление режимами непрерывной  разливки стали. – М.: Металлургия, 1970. 240 с.

5. М. Д. Климовицкий, А. П. Копелович. Автоматический контроль и регулирование в чёрной металлургии. Справочник. – М.: Металлургия, 1967. 788 с.

6. Система стабилизации  уровня металла в кристаллизаторах  МНЛЗ челябинского металлургического  комбината. Техническое описание  и инструкция по эксплуатации (2ж2, 570, 043 ТО).