Проектирование автоматизированного электропривода кристаллизатора МНЛЗ
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ
- Механическое устройство проектируемого механизма 6
- Технология процесса, роль
кристаллизатора, требования к
электроприводу 12 - Подвод энергии к приводу 14
- Расчет статических моментов электропривода 15
2. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
- Построение нагрузочной диаграммы,
выбор мощности
двигателя и проверка на нагрев 19 - Выбор основного силового оборудования 23
- Выбор САР. Краткая характеристика блоков 29
- Статический расчет САР 33
- Выбор схемы управления электроприводом 39
- Расчет и выбор питающих линий 45
- Вопросы наладки электропривода.
Расчет динамических параметров 46
2.8. Схемы блоков преобразователя 53
3. ЭКОНОМИКА И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
- Расчет годового ФОТа 56
- Регулирование оплаты труда в трудовом коллективном договоре 60
4. ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
- Техника безопасности при ремонтах 63
- Ресурсосбережение в черной
металлургии 65
ЛИТЕРАТУРА 79
ВВЕДЕНИЕ
Серьезные трудности создания производственной технологии непрерывной разливки стали, а также машин для осуществления технологического процесса определили появление различных направлений в решении этой проблемы. Многочисленность вариантов конструкций объясняется длительным периодом разработок, проводимых во многих странах. Со времени возникновения идеи непрерывной разливки стали до практического ее осуществления прошло столетие. Различия применяемых и разрабатываемых методов непрерывной разливки стали состоят, главным образом, в расположении технологической оси машины непрерывной разливки стали (вертикальное, криволинейное, радиальное, наклонное или горизонтальное). В каждом варианте применяют неподвижные или движущиеся кристаллизаторы с непрерывным или периодическим вытягиванием заготовки. Доминирующим направлением, как в стране, так и зарубежном, является разливка стали на криволинейных машинах непрерывной разливки стали с непрерывной подачей металла в кристаллизатор и непрерывным вытягиванием формирующего слитка. Разработку конструкций главных узлов установок непрерывной разливки стали вели параллельно с отработкой технологического процесса. В 1944-1947 г.г. были созданы конструкции машин для полунепрерывной разливки ПН - 1, ПН - 2 и ГШ - 3. Решение ряда важнейших вопросов технологии и конструкций позволило в 1948 г. создать более крупные полунепрерывные машины ПН - 4 и ПН - 5. Накопленные результаты исследований и опыт работы позволили в 1950г. перейти к дальнейшим испытаниям в производственных условиях. Сооружение и эксплуатация опытно-промышленных установок на заводах «Красный Октябрь» и Новотульском металлургическом в 1953г. позволили уточнить параметры технологического процесса и конструкцию установок.
Первый сталеплавильный цех, в котором всю сталь разливали на машинах непрерывной разливки стали , был построен на Новолипецком металлургическом комбинате. Число машин определяли с учетом вместимости сталеразливочного ковша, сечения отливаемых заготовок, скорости разливки стали.
Наибольшее развитие процесс непрерывной стали получил в Японии, где в 1980 г. было произведено 66,3 млн. т. непрерывнолитых заготовок, что составляет 59,5% от общего производства стали. В середине 1980г. в 100 странах работало примерно 950 машин непрерывной разливки стали (73% для блюмов и сортовых заготовок и 27% для слябов).
В стране наблюдается тенденция к строительству преимущественно слябовых машин непрерывной разливки стали (58%). Большое число машин непрерывной разливки стали для отливки мелких сортовых заготовок в Японии, США и особенно в Италии (80%) объясняется довольно быстрым развитием мини-заводов, неотъемлемым элементом которых являются сортовые машины непрерывной разливки стали. В 1979г. число мини-заводов в мире составило 229. На сортовых машинах непрерывной разливки стали отливают квадратные
заготовки сечением от 0,08 × 0,08 м, прямоугольные до 0,40 × 0,52 м из ковшей вместимостью до 300 т, а также круглые и половые заготовки, фасонные, балочные, шести-, восьмигранные слитки. Максимальное сечение непрерывнолитых слябов составляет 0,3 × 2,65 м при вместимости сталеразливочных ковшей до 430 т.
В нашей стране впервые созданы крупные сталеплавильные комплексы с непрерывной разливкой стали. Первыми такими комплексами являются конвертерные цехи НЛМК и металлургического комбината «Азовсталь» производительностью 4 и 3,5 млн.т. соответственно.
1.1. Механическое устройство проектируемого
механизма
Механизмы качания кристаллизатора машин непрерывной разливки стали радиального типа должны обеспечивать возвратно-поступательное движение кристаллизатора по участку круговой траектории с радиусом, равным радиусу кривизны кристаллизатора, с определенным законом движения и частотой.
Важным требованием к конструкции механизма качания кристаллизатора является получение высокой частоты качаний, которая уменьшает шаг и глубину складок, образующихся на поверхности слитка, ускоряет теплоотвод и снижает неравномерность в нарастании толщины корочки металла. На рис. 1.1.1-1.1.4 показаны кинематические схемы различных типов механизмов качания кристаллизатора радиальных машин непрерывной разливки стали . Отличительной особенностью рычажно-кулачкового и рычажно-кулисного механизмов является расположение кристаллизаторов на несущих рамах, качающихся относительно оси, расположенной в центре кривизны кристаллизаторов. Механизмы не получили широкого распространения вследствие большой длины и массы несущих рам, которые затрудняют доступ со стороны рабочей площадки к механизмам, радиальной части машин непрерывной разливки стали, изменяют закон движения кристаллизатора, из-за недостаточной своей жесткости не позволяют применять высокую частоту качаний.
Кинематическая схема механизмов качания кристаллизаторов
Рычажно-кулачковый механизм
Рычажно-кулисовый механизм
Рычажно-кулачковый механизм с перемещением кристаллизатора в роликовых направляющих
Рычажно-кулачковый механизм с приближенным воспроизводством круговой траектории движения кристаллизатора
кристаллизатора 11 по круговой траектории при вытягивании слитка 12. Качание создается четырехзвенным эксцентриковым механизмом коромыслового типа, эксцентрик (кривошип) 4 которого приводится в движение от электродвигателя 1. Вследствие расположения привода ниже уровня рабочей площадки шатун 8 выполнен удлиненным и в вертикальном положении. На большинстве современных машин непрерывной разливке стали в механизме применен безредукторный привод с электродвигателем постоянного тока, обеспечивающим регулирование частоты качания кристаллизатора. Применение безредукторного привода обусловлено необходимостью уменьшения зазоров в кинематической цепи от электродвигателя к кристаллизатору, в результате чего уменьшаются удары в соединениях при знакопеременных нагрузках и более точно выдерживается задаваемый закон движения кристаллизатора.
Амплитуду качания кристаллизатора регулируют изменением величины эксцентриситета эксцентрика, поворачивая его относительно эксцентрикового вала 3. В рабочем положении пружины 5 прижимают коническую фрикционную муфту на эксцентрике к полумуфте 2, связанной с эксцентриковым валом, которые вращаются как единое целое.
При регулировании их рассоединяют гидроцилиндром 6, который плунжером перемещает траверсу 7 с тягами, сжимает пружину и отключает фрикционную муфту. Скорость контролируется тахогенератором, соединенным с валом электродвигателя, а эксцентриситет эксцентрика (амплитуда качания) — сельсинами.
Кинематическая схема механизма качания кристаллизатора с шарнирными четырехзвенниками (ОАВС)
5-пружины;
6 -гидроцилиндр;
7-траверса;
8-шатун;
9,10-шарнирные
11-кристаллизатор;
12-слиток.
Рис. 1.1.5.
1.2. Технология процесса, роль кристаллизатора, требования электроприводу
В настоящее время основными промышленными типами машин непрерывного литья заготовок являются криволинейные машины. Принцип их работы заключен в следующем: сталеразливочный стенд для двух ковшей обеспечивает разливку металла методом «плавка на плавку» и подает металл в промежуточные ковши, распределяющие металл в кристаллизаторах. Промежуточные ковши установлены на тележках снабженных приводами подъема. Контроль уровня металла в ковшах во время разливки осуществляется косвенно путем измерения веса металла в ковшах. Перед разливкой стали в каждый кристаллизатор вводится затравка, образующая дно.
Поступающий металл в кристаллизатор затвердевает у его стенок и у затравки, сцепляясь с нею. После достижения определенного уровня металла в кристаллизаторе включается привод валков тянущей клети. Затравка вместе с формирующимся слитком начинает вытягиваться из кристаллизатора. Скорость вытягивания слитка из кристаллизатора плавно нарастает. Из промежуточного ковша непрерывно поступает металл и в кристаллизаторе поддерживается постоянный уровень.
Для предупреждения деформации слитка под действием ферростатического давления жидкой сердцевины на всем протяжении зоны вторичного охлаждения слиток охватывается направляющими роликами.
Выходящий из роликов тянуще-правильного устройства слиток, пройдя механизм разъединения с затравкой, поступает на приемный рольганг, над которым на эстакаде установлена машина для газовой резки слитка на заготовки (слябы) мерной длины. По отводящему рольгангу слябы выдаются к крану-перекладчику с клещевыми захватами, укладываются на рольганг-тележку и передаются на транспортно-отделочную линию для последующей резки, огневой зачистки, маркировки и штабелирования.
Кристаллизатор является одним из важнейших узлов машин непрерывного литья заготовок, который в значительной степени определяет их производительность и качество получаемой продукции, т.к. формирует слиток. Кристаллизатор должен обеспечивать интенсивный отвод тепла и образование по периметру корочки, которая на выходе должна выдерживать феростатическое давление жидкой фазы. Конструкция кристаллизатора должна обеспечивать высокое качество заготовок из стали любых марок, стабильность процесса разливки, необходимую скорость вытягивания слитка, высокую стойкость медных стенок, безопасность работы. Привод качания кристаллизатора должен полностью соответствовать требованиям технологического процесса, определяющих качество слябов, а также обеспечивать возвратно-поступательное движение механизма.
Амплитуда качаний должна составлять 6мм
Число качаний: минимальное 20 об/мин
максимальное 250 об/мин
Плавное регулирование скорости в диапазоне 1-10
Колебания скорости двигателя не более 2%
Значительные колебания отрицательно сказываются на качестве слитка,
сроке службы кристаллизатора устойчивости работы системы автоматического
поддержания уровня жидкого металла в кристаллизаторе.
1.3. Подвод энергии к приводу
Как было сказано выше, привод качания катализатора построен по системе ТП-Д на основе комплектных тиристорных устройств КТЭ.
Напряжение на тиристорный преобразователь подается от силового трансформатора 6/0,4 кВ. Питание обмотки возбуждения осуществляется от тиристорного возбудителя.
Релейная схема питается напряжением - 110В от трансформатора 380/110В.
СИФУ, САР и преобразователь представляют тиристорную систему управления и собраны в один ящик. Поэтому питание СИФУ и САР осуществляется напряжением собственных нужд преобразователя ~ 380В.
Кроме того, привод имеет резервный ввод, который включается при неисправности на основном вводе или его отключения на время ремонта.
Подвод энергии осуществляется с помощью кабелей, которые проложены по кабельным туннелем под станом машины непрерывного литья заготовок.
1.4. Расчет статических моментов электропривода
Важное значение в расчете электропривода качания кристаллизатора имеет выбор электродвигателя. Он должен выбираться в строгом соответствии с режимом работы и ожидаемой нагрузкой.
Предпочтение следует отдать закрытому двигателю металлургического исполнения с независимой вентиляцией серии Д постоянного тока. Для повышения надежности двигатель выбирается с запасом по мощности и моменту.
Характер движения кристаллизатора - синусоидальный (рис.1.4.1). Скорость опускания задается большей, чем скорость вытягивания слитка для предупреждения появления поперечных трещин на слитке и явления зависания корочки слитка. В тот интервал полупериода опускания кристаллизатора, когда его скорость Vкр превышает скорость движения слитка Vс, слиток подвергается сжимающим усилиям, упрочняющим корочку и «залечивающим» микротрещины. Этот интервал называется интервалом опережения кристаллизатора. На рис. 1.4.1. область опережения заштрихована. По технологическим требованиям оптимального значения амплитуды, разность линейной скорости Vкр и Vс, из условия получения качественной структуры металла и упрочнения оболочки слитка составляет от 5 - 10% скорости вытягивания слитка. При этом должны с высокой точностью поддерживаться форма кривой изменения скорости кристаллизатора во времени и его путь на интервале опережения, определяющий собой длину отрезков слитка, по которым скользит кристаллизатор в каждом полупериоде опускания и которые упрочняются в максимальной степени.
1.4.1 .Угловая скорость эксцентрика:
где fk - частота качании кристаллизатора равная частоте вращении эксцентрика ,об/мин.
Принимаю fk -230 об/мин
рад/мин
1.4.2.Определяем
мин
1.4.3.Определяем экстремум
разности скоростей
где е - амплитуда качания кристаллизатора, е=0,006м,
Vс - скорость вытягивания слитка, Vс=0,45 м/мин для слитка сечением 200×1500 мм.
м/мин
1.4.4.Определяем угловые координаты начала α1 и конца α2 интервала опережения:
График изменения скоростей кристаллизатора Vкр и слитка Vс.
1.4.5.Определяем угловой путь эксцентрика на интервале опережения
1.4.6.Определяем длительность интервала опережения
Приведенное к валу двигателя значение момента инерции кристаллизатора зависит от угловой координаты эксцентрика .
1.4.7.Определяем угловую координату эксцентрика :
На приводе установлен маховик с моментом инерции ТтаХ=50 кг-м2 1.4.8.Определяем суммарный приведенный момент инерции системы:
где Jп - постоянная составляющая момента инерции, равная сумме моментов
инерции двигателя, тормозного шкива, муфты и редуктора, кг-м
1.4.8.1. Определяем постоянную составляющую момента инерции:
А - коэффициент, равный
При работе электропривода кристаллизатора можно пренебречь переменной составляющей момента инерции механизма. Этот важный вывод дает возможность считать, что электромеханическая постоянная времени Тм=const.
1.4.9.Определяем крутящие
моменты нагрузки на валу
1.4.9.1.При подъеме
1.4.9.2.При опускании
где Мп1 и Мп2 - постоянные составляющие момента сопротивления ,Н-м
В безредукторном электроприводе постоянные составляющие момента сопротивления Мп1, Мп2»0
Мв1 и Мв2 - переменные составляющие момента
сопротивления
h - коэффициент полезного
действия механических передач, h=0,95
где Q1 - усилие в шатуне при подъеме кристаллизатора, Q1=420500Н
Мв1=420500×6×10-3 =2523 Н-м
Мв2=Q2×e
где Q2 - усилие в шатуне при подъеме кристаллизатора, Q2=301000Н. МВ2=301000×6×10-3 =1806 Н-м
Мc1=2523/0,95=2,7 кН-м
Mc2=1806×0,95=1715 Н-м
1.4.10.Определяем
2.1.Построение нагрузочной диаграммы, выбор мощности двигателя и проверка на нагрев
Построение нагрузочной диаграммы осуществляем исходя из скорости двигателя и момента на валу.
Число качаний кристаллизатора устанавливаем минимальное 20 кач/мин, максимальное 230 об/мин.
Статический момент на валу двигателя Мср=2,6 кНгМ.
Строим тахограмму работы двигателя и нагрузочную диаграмму.
Выбор двигателя осуществляется исходя из нагрузочной диаграммы и тахограммы работы.
2.1.1.В соответствии с
нагрузочной диаграммой
1 *
2.1.2.Определяем продолжительность включения:
2.1.3.Для выбора двигателя эквивалентный момент пересчитывается на стандартную ближайшую продолжительность включения:
2.1.4.Определяем мощность двигателя исходя из максимальной частоты вращения двигателя:
2.1.5.Учитывая, что двигатель
питается от тиристорного
Производим выбор двигателя с ближайшей большей мощностью и с ближайшей скоростью.[6],стр.398.
Таблица 2.1.1
Каталожные данные двигателя
2.1.6.Определяем номинальную скорость двигателя:
2.1.7.Определяем постоянную двигателя по э.д.с., Вб
где rн - полное сопротивление якоря, Ом
2.1.8.Определяем номинальный момент двигателя:
Выбранный двигатель проверяем по нагреву. Проверка двигателя по нагреву производится по эквивалентному среднеквадратичному моменту.
2.1.9.Определяем
2.2. Выбор основного силового оборудования 2.2.1. Выбор тиристорного преобразователя
2.2.1.1.Определяем номинальный момент
Делим все моменты нагрузочной диаграммы на кФн:
Таблица 2.2.1.
Выбор тиристорного преобразователя
осуществляется исходя из следующих
По полученным данным строим нагрузочную диаграмму токов:
Нагрузочная диаграмма токов
2.2.1.3.В соответствии с диаграммой токов определяем среднеквадратичный ток:
По полученным данным производим выбор преобразователя;
Выбираем преобразователь КТЭ-500/230 - 112-12-ухл 4.[2],стр.14,табл.1.4.
Осуществляем правильность выбора преобразователя исходя из условий проверки
Поскольку все условия проверки выполняют, то преобразователь выбран правильно.
2.2.2. Выбор питающего трансформатора
Выбор питающего трансформатора сводится к определению мощности, первичного и вторичного напряжения и числа фаз трансформатора.
2.2.2.1.Определяем
, (2.2.7.)
где U2ф- фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора, которое определяется по таблице 2.
Таблица 2.2.2.
2.2.2.2.Определяем мощность трансформатора:
2.2.2.3.Определяем первичное напряжение трансформатора: Поскольку мощность трансформатора меньше 250 кВ×А, то принимаем первичное напряжение трансформатора равным 380 В.
По каталогу выбираем трансформатор.[2],стр.274,
Таблица 2.2.3. Каталожные данные трансформатора
Поскольку вторичное напряжение трансформатора на 205, а 202 В, то осуществляем пересчет.
2.2.2.4.Определяем
2.2.2.5.Определяем мощность трансформатора:
2.2.3. Выбор реактора
Выбор реактора осуществляется исходя из исключения режимов прерывистых токов при максимальных углах регулирования. Для выбора реактора необходимо определить его индуктивность.
2.2.3.1.Определим индуктивност
Для определения наибольшего и наименьшего углов регулирования определяем величины напряжений при минимальной и максимальной скоростях вращения, а затем строим регулировочную характеристику преобразователя .
2.2.3.3.Определяем номинальную, максимальную и минимальную скорости вращения двигателя:
2.2.3.4.Определяем величины напряжений, соответствующие минимальной и максимальной скорости вращения двигателя:
Учитывая недоиспользованность преобразователя по напряжению, для обеспечения возможности форсировки при переходных процессах для определения наименьшего угла управления принимают напряжение выше максимального на 10-15%
Строим регулировочную характеристику преобразователя исходя из следующего выражения:
Таблица 2.2.4.
Регулировочная характеристика преобразователя
2.2.3.5 .Отложив минимальное и максимальное значение выпрямленного напряжения, определим наибольший и наименьший угол управления:
2.3.Выбор САР. Краткая характеристика блоков
Поскольку привод качания кристаллизатора не требует регулировки скорости двигателя выше номинальной, то выбираем двухконтурную однозонную систему регулирования.
Внешним контуром является контур регулирования скорости, который предназначен для формирования переходных процессов в механической части электропривода и стабилизации скорости в установившемся режиме. Контур регулирования скорости имеет подчиненный контур регулирования тока, предназначенный для формирования переходных' процессов в якорной цепи двигателя, а также стабилизации тока якоря в установившемся режиме. Помимо этого в САР входит контур стабилизации тока возбуждения. Система регулирования скорости вращения (напряжения, ЭДС) со ступенчатым заданием скорости предназначена для управления скоростью до номинальной реверсивного и нереверсивного электропривода постоянного тока воздействием по якорной цепи двигателя.
Система автоматического регулирования осуществляет контроль и регулирование скорости вращения двигателя, скорость нарастания тока якоря двигателя, его регулирование и стабилизацию.
Система регулирования относится к системам регулирования координат с последовательной коррекцией и состоит из нескольких контуров, подчинённых последовательно один другому. На входе каждого из регуляторов сравниваются сигналы заданного и действительного значений регулируемого параметра, а выходной сигнал каждого из них является заданием для последующего регулятора.
Включение привода в работу осуществляется нажатием кнопки пуск, которая находится на панели управления у оператора. При этом подается напряжение на ячейку ступенчатого задания скорости САР, с которой снимается определённое напряжение и поступает на ячейку гальванической развязки. Далее сигнал поступает на задатчик интенсивности, который преобразует ступенчатый сигнал в плавно нарастающий, чем обеспечивается плавное нарастание скорости и ограничение величины пускового тока.
Схема задатчика интенсивности с генератором синусоидальной
развертки
Переходные характеристики регуляторов задатчика интенсивности
Напряжение задания поступает на компаратор А1, где сравнивается с сигналом отрицательной обратной связи поступающим с выхода задатчика интенсивности. Максимальное выходное напряжение компаратора А1 определится установленным напряжением ограничения, вне зависимости от величины входного сигнала. Постоянный сигнал с компаратора преобразуется интегратором А2 в плавно
нарастающий. Инвертор АЗ изменяет фазу выходного сигнала на 180°, для согласования знака напряжения обратной связи. Переходные характеристики регуляторов задатчика интенсивности приведены на рисунке 2.3.3.
Переходные характеристики регуляторов задатчика интенсивности
От задатчика интенсивности напряжение поступает на регулятор скорости РС, где сравнивается с сигналом обратной связи поступающим с тахогенератора ОМ.
Напряжение с тахогенератора снимается на делитель напряжения. Величина этого напряжения, через потенциальную развязку и сопротивление КЛО, согласуется с напряжением, поступающим с задатчика интенсивности.
Пропорциональный инвертор регулятора скорости изменяет фазу входного сигнала на противоположную усиливая входной сигнал до требуемого. Далее сигнал поступает на регулятор тока.
Принципиальная схема Переходные характеристики
регулятора тока регулятора тока
Регулятор тока пропорционально-интегральный, то есть он преобразует ступенчатый сигнал в плавно нарастающий усиливая его до установленного. Здесь
сигнал с регулятора скорости сравнивается с сигналом обратной связи, поступающим с датчика тока.
Датчик тока представляет собой шунт, включенный в электрическую цепь последовательно с якорем двигателя, с которого снимается напряжение. Шунт связан с регулятором тока через потенциальную развязку и сопротивление К13.
Элементы системы автоматического регулирования имеют ограничения по напряжению, для предотвращения превышения выходного напряжения. Напряжение ограничения устанавливается при помощи стабилитронов
2.4. Статический расчет САР
2.4.1. Расчет обратной связи по току, ограничения регулятора
скорости
Расчет САР начинают с внутренних контуров по определению коэффициентов датчиков, ограничений регуляторов и величин включаемых резисторов. Расчетная схема САР представлена на рис 2.4.1.
2.4.1.1.Исходя из
2.4.1.2.Принимаем желаемое выходное напряжение датчика тока при максимальном токе привода равным 10 В и определяем коэффициент усиления датчика тока:
2.4.1.4.Учитывая, что двигатель
и преобразователь не
2.4.1.5.Увеличиваем выход датчика тока при максимальном токе привода на
20%:
2.4.1.6.Поскольку выход датчика тока превышает 10 В, то принимаем К=20 кОм, а R считаем по пропорции:
2.4 Л.7.Принимаем стандартное большее сопротивление R=24 кОм и пересчитываем напряжение ограничения регулятора скорости:
Напряжение ограничения регулятора скорости принимаем равным 9,3 В.
2.4.2. Расчет узла обратной связи по скорости, определение выхода задатчика интенсивности
2.4.2.1 .Выбираем токогенератор типа ТП - 212 с nном тг=240 об/мин,
2.4.2.2.Определяем выходное напряжение токогенератора при максимальной и минимальной частоте вращения двигателя:
2.4.2.3.Приняв выходное напряжение датчика напряжения равным 8 В определяем сопротивление делителя.
2.4.2.4.Принимаем ближайшее большее сопротивление 1R=15 кОм и определяем выходное напряжение при максимальной и минимальной частоте вращения двигателя:
2.4.2.5.Учитывая, что напряжение задания составляет 24 В, определяем сопротивления ячейки ступенчатого задания скорости:
2.4.2.6.Принимаем ближайшее большее сопротивление, R=1,2 кОм, и определяем входное напряжение задатчика интенсивности:
2.4.2.7.Принимаем ближайшее большее сопротивление, R=20 кОм, и определяем входное напряжение задатчика интенсивности:
