Конспект лекцій з дисципліни: «Автоматизація виробничіх процесів та мікропроцесорна техніка»

Лекция 15 - Система автоматического регулирования разливкой стали на МНЛЗ.

Машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), ее автоматизация

1 Автоматический контроль параметров разливки на МНЛЗ.
2 Задачи управления на МНЛЗ
3 Локальные системы управления.
4 АСУ ТП разливки стали на МНЛЗ.

1 Автоматический контроль параметров разливки на МНЛЗ

Способ непрерывной разливки металла в машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) заключается в том, что жидкий металл из разли­вочного ковша через промежуточную емкость (промежуточный ковш) непрерывно поступает в водо-охлаждаемый кристаллизатор. В кристал­лизатор перед началом разливки вводится "затравка", являющаяся дном Для первой порции металла. Затравка тянущими механизмами переме­щается вниз, увлекая с собой формирующий слиток. В кристаллизаторе затвердевает только наружная оболочка слитка, а полная кристал­лизация осуществляется ниже кристаллизатора (в зонах вторичного охлаждения) за счет форсированного охлаждения поверхности литой заготовки. Охлаждение слитка в этой зоне. осуществляется либо подачей воды непосредственно на слиток, либо путем установки водоохлаждаемых экранов. При дальнейшем движении полностью затвердевший сли­ток разрезается на мерные длины. Крупные заготовки разрезаются га­зокислородными резаками, которые во время реза перемещаются вмес­те со слитком. МНЛЗ могут применяться в любом сталеплавильном производстве, но большей частью они используются для разливки стали в кислородно-конвертерных цехах.

Основные параметры и их значения, контролируемые при работе МНЛЗ, представлены ниже:
Параметр Способ контроля Пределы измерения
Температура металла в ста- Термопара разового действия 1500-1700°С
леразливочном ковше
Температура металла в Термопара разового или 1500-1700 С
промежуточном ковше непрерывного действия

Температура воды в кри- Термометр сопротивления 10—60 С

сталлизаторе

Температура поверхности Пирометр "Спектропир" 700- 1300°С

слитка в зоне вторичного
охлаждения

Уровень металла в проме- По массе металла 0-800 мм

жуточном ковше (тензодатчик)

Уровень металла в кристал- Гамма-уровнемер 0-180 мм

Лизаторе

Расход охлаждающей воды Диафрагмы В зависимости от разме-

в кристаллизеторе и на сек- ров МНЛЗ
ции вторичного охлаждения

Усилие вытягивания слит- Магнитострикционные дат- То же

ка чики под кристаллизатором

Скорость разливки Тахогенератор " "

Мерная длина слитка Датчик импульсов и сумма- " "
тор

В МНЛЗ контролируется температура жидкого металла в сталеразливочном и промежуточном ковшах. В первом случае — с помощью термопар разового погружения, а во втором - термопар разового или непрерывного действия) анало­гичных применяемым для измерения температуры металла в других сталеплавильных агрегатах. Для общего контроля теплового состояния промежуточного ковша применяют поверхностные хромель-алюмелевые термопары, устанавливаемые в специальных штуцерах, приваренных к корпусу ковша.

Температурное состояние кристаллизатора оценивается по температуре воды на входе И выходе из кристаллизатора, измеряемой медными термометрами сопро­тивления.
Очень важным параметром, характеризующим ход затвердевания слитка, явля­ется температура поверхности слитка в зоне вторичного охлаждения. В последних
конструкциях МНЛЗ эта температура измеряется в нескольких точках (не менее трех) с помощью пирометров "Спектропир-8", имеющих показатель визирования 1:100. Это позволит устанавливать пирометр в нормальных для работы условиях за пределами кожуха секций вторичного охлаждения на расстоянии 2-5 мм от точки визирования и измерять температуру поверхности слитка, несмотря на ма­лый зазор между роликами. Пирометры "Спектропнр-8" нечувствительны к нали­чию паров (воды) в зоне визирования и обеспечивают измерение температуры в пределах 700-1300°С (± 7-13°).
Уровень металла в МНЛЗ намеряется в двух емкостях: в промежуточном ковше и в кристаллизаторе. В промежуточном ковше уровень жидкой стали можно изме­рять непосредственным или косвенным путем. Широкое применение нашли мето­ды косвенного измерения уровня металла, основанные на определении массы ме­талла в промежуточном ковше с помощью тензодатчиков (месдоз).
Для измерения уровня металла в кристаллизаторе используются различные кон­тактные и бесконтактные методы. Наибольшее распространение получили бескон­тактные методы измерения уровня в кристаллизаторе, в частности основанные на измерении интенсивности гамма-излучения, просвечивающего кристаллизатор с жидким металлом.
Иногда для контроля и управления режимом затвердевания слитка использу­ется автоматическое измерение толщины оболочки различными способами: радио­изотопным, электрической проводимости, ультразвуковой локации и проницаемос­ти.
Из других параметров, необходимых для управления процессом разливки, сле­дует отметить усилие вытягивания слитка, определение скорости разливки и мер­ной длины слитка. Усилие вытягивания слитка определяется с помощью тензо­датчиков, наклеенных на балки, несущие кристаллизатор, или с помощью специаль­ных магнитострикционных датчиков, на которые оказывает воздействие кристал­лизатор.
Скорость разливки (скорость вытягивания слитка) автоматически измеряется тахогенератором, связанным с валом двигателя тянущей клети. Сигнал от тахогенератора поступает на вторичный прибор, шкала которого проградуирован в единицах линейной скорости.
Измерение мерной длины слитка основывается на суммировании импульсов, каждый из которых характеризует прохождение определенной длины слитка. Дат­чик (сельсин) через редуктор связан с приводом тянущих клетей и совершает один оборот на пути слитка в тянущих валках. С сельсина-переменное по амплитуде нап­ряжение поступает на формирователь импульсов, вырабатывающий короткие пря­моугольные импульсы. Эти импульсы и поступают на специальный сумматор и их число преобразуется в длину слитка.

Технологические операции разливки стали на МНЛЗ

После внепечной обработки сталеплавильный ковш транспортируется к МНЛЗ.

Способ непрерывной разливки металла в машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) заключается в том, что жидкий металл из разливочного ковша через сталеразливочный ковш непрерывно поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор [2].
Перед тем как приступить к разливке стали на МНЛЗ необходимо произвести подготовку МНЛЗ к разливке металла.
Подготовка МНЛЗ к разливке заключается в следующем:

1. 
   Проверка и подготовка кристаллизаторов (состояние кристаллизаторов должно отвечать требованиям, описанным в инструкции).
   
2. 
   Проверка элементов системы вторичного охлаждения (проверяют исправность и надежность крепления рукавов для подвода воды, расположение и исправность форсунок и тому подобное).
   
3. 
   Проверка элементов поддерживающей системы (состояние поверхности роликов, вращение роликов по секциям).
   
4. 
   Подготовка промежуточных ковшей и погружаемых стаканов к разливке (производится сушка и разогрев промежуточных ковшей на подъемно-поворотной тележке в резервной позиции; разогрев производится до температуры не менее 1100 ˚С; погружаемые стаканы разогревают в специальных устройствах до температуры 800-1000 ˚С). Для обеспечения безаварийной работы МНЛЗ разливку следует начинать при наличии на рабочей площадке двух разогретых промежуточных ковшей.
   
5. 
   Заведение затравки. Затравка является дном для первой порции металла. Перед заведение затравки производится проверка исправности всех составных частей затравки. Геометрические размеры верхнего среза головки затравки должны соответствовать сечению отливаемой заготовки. Подготовленную затравку устройством для заведения и выдачи заводят в кристаллизатор на пониженной скорости. Перемещение затравки в кристаллизаторе в исходное положение осуществляется включением приводов роликов радиального участка. При достижении головкой затравки расстояния 600 мм ниже верхнего среза кристаллизатора перемещение прекращают.
   
6. 
   Подготовка МНЛЗ к приему жидкого металла (для аварийного слива подготавливают емкости и желоба. Подают воду на охлаждение кристаллизатора и механизмов МНЛЗ).
   

Работа МНЛЗ осуществляется в следующем порядке. С помощью устройства для заведения и подъема затравки в кристаллизатор сверху вводят затравку, заполняют воздухом камеры и удерживают ее приводными роликами радиального участка таким образом, чтобы торец головки затравки образовывал временное дно кристаллизатора. Сталеразливочный ковш со сталью после внепечной обработки в вакууматоре или на аргонной установке устанавливают цеховым мостовым краном на резервную подвеску разливочного стенда, находящуюся в нижнем положении и присоединяют гидроприводы шиберных затворов. Промковш, предварительно нагретый до 1100 - 1200˚С, поднимают в верхнее положение, убирают горелки разогрева и перемещением самоходной тележки промковш из резервной позиции переводят в рабочую позицию. Центрируют промковш относительно кристаллизаторов и подключают исполнительные механизмы дистанционного и автоматического управления стопорами промковша. Затем поворотом разливочного стенда сталеразливочный ковш переводят из резервной позиции в рабочую, где устанавливают по оси МНЛЗ над промежуточным ковшом и опускают в нижнее положение, чтобы между ковшами было минимальное расстояние. Перед началом разливки должны быть подготовлены к работе системы водяного охлаждения слитка и вентиляции.
Разливка начинается после открытия шиберного затвора промежуточного ковша, при этом разливочные стаканы промковша должны быть плотно закрыты стопорами. Наполнив промежуточный ковш на высоту 250-300 мм от боевой части ковша, открывают оба стопора и начинают заполнение кристаллизатора, затем на мениск металла наводят шлак. При наполнении кристаллизатора до уровня, равного 100-150 мм от верхнего его края, включают механизм качания кристаллизатора, предупреждающий прилипание корки затвердевающего металла к стенкам кристаллизатора. Затем включают приводные ролики радиального участка для вытягивания слитка и подачу воды в форсунки системы вторичного охлаждения слитка. Скорость вытягивания слитка вначале минимальна (0,2 м/мин), а затем постепенно увеличивается до заданной путем изменения частоты вращения приводных роликов.
Если планируется непрерывная разливка нескольких плавок, то до опорожнения первого ковша на резервную подвеску разливочного стенда устанавливают второй ковш со сталью той же марки, что и в первом ковше. После опорожнения первого ковша поворотом траверсы стенда над промковшом устанавливают второй ковш и продолжают разливку. При длительной разливке серии плавок периодически, по мере износа огнеупорных материалов, заменяют промковши.
Из кристаллизатора металл поступает в нулевую и в семи роликовую секции, которые служат для направления и охлаждения слитка, для выпучивания и разрыва корки затвердевающего слитка. Затем приводная роликовая секция радиального участка перемещает слиток по технологической оси машин. Далее слиток поступает в роликовую секцию криволинейного участка, где подвергается дальнейшему охлаждению и выпрямлению. Выпрямление выполняется достаточно постепенно, чтобы в слитке не появились трещины (этот участок технологической оси машины изогнут по дуге с равномерно, до бесконечности, увеличивающимся радиусом кривизны). Затем слиток поступает в роликовую секцию горизонтального участка, где дополнительно охлаждается. Далее слиток транспортируется рольгангом к машине газовой резки, разрезается на слябы, которые передаются рольгангом-тележкой в транспортно-отделочное отделение (ТОО) или с помощью устройства для передачи слябов (УПС) временно складируются на специальных площадках-копильниках.
По мере движения слитков по криволинейному и горизонтальному участкам последовательно включаются в автоматическом режиме ниже расположенные приводные ролики и секции форсуночного охлаждения.
Затравка после выхода из последнего ролика горизонтального участка попадает в устройство для отделения затравки, где в автоматическом режиме отделяется от слитка, поднимается в вертикальное положение под разливочную площадку и перехватывается машиной задачи и выдачи затравки, где она хранится для следующего цикла разливки. При значительной приварке слитка к головке затравки, когда автоматического отделения затравки не происходит, применяют специально установленное устройство для аварийного отделения корпуса затравки от ее головки. Корпус затравки захватывается лебедкой за хвостовую часть и поднимается вверх под разливочную площадку, где цеховой кран его перехватывает и подает на разливочную площадку.
Сталеразливочный ковш по окончании разливки переводят в резервное положение (поворотом траверсы стенда), отсоединяют гидроприборы шиберных затворов и затем ковш с разливочного стенда.

2 Задачи управления на МНЛЗ

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.

Рассмотрим задачи управления для каждого из выше перечисленных режимов.
Первая задача управления гидравлическим режимом заключается в поддержании постоянного уровня металла в промежуточном ковше, обеспечивающем стабильное состояние струи металла и, следовательно, одинаковое качество разливки. Решается эта задача путем изменения подачи металла из сталеразливочного ковша при регулировании расхода металла шиберным затвором.
Вторая наиболее важная задача управления гидравлическим режимом состоит в поддержании постоянного уровня металла в кристаллизаторе. Этот уровень в процессе разливки должен находится 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 стабильность охлаждения слитка в кристаллизаторе, изменяют условия кристаллизации и сказываются на качестве слитка. Решается эта задача путем изменения подачи металла в кристаллизатор стопорным затвором промежуточного ковша. Также задача может решаться изменением скорости вытягивания слитка при примерно постоянной подаче металла из промежуточного ковша. Может применятся комбинированное управление с использованием обоих управляющих воздействий.
Основной задачей управления тепловым режимом кристаллизатора является получение достаточно толстой и прочной оболочки слитка на выходе из кристаллизатора. Управление первой стадией кристаллизации сводится к управлению тепловым режимом кристаллизатора, заключающемуся в стабилизации перепада температур воды на входе и выходе в каналы кристаллизатора (при постоянной скорости вытягивания слитка) путем изменения расхода воды. Величина перепада температур выбирается максимальной по предельно допустимой температуре нагрева воды по условиям отложения солей.
Задачей управления тепловым режимом зоны вторичного охлаждения слитка является создание условий, предотвращающих чрезмерное охлаждение оболочки слитка и вместе с тем обеспечивающих равномерное затвердевание слитка с окончанием затвердевания по всей его толщине к концу зоны вторичного охлаждения. Эта задача решается путем регулирования расхода воды и его распределения по секциям зоны вторичного охлаждения в зависимости от скорости вытягивания слитка, т.е. целесообразно применять систему регулирования соотношения скорость разливки – расход охлаждающей воды.
В процессе вытягивания слитка между его поверхностью и стенками кристаллизатора возникают значительные силы трения, которые могут привести к “зависанию” верхней части слитка и его разрыву. Для предотвращения этого явления на МНЛЗ применяют качающиеся кристаллизаторы. Возникает задача управления энергосиловыми режимами МНЛЗ, в частности стабилизации усилия вытягивания слитка, с помощью изменения подачи смазки в кристаллизатор.
На МНЛЗ используется много различных приводных устройств. Основные механизмы (качание кристаллизатора, тянущие и правильные клети, платформа резки, перемещение резака и другие) имеют электрические приводы, что связано с изменением скорости в широких пределах. Поэтому существует задача управления, связанная с пуском этих приводов в начале разливки в определенной последовательности, изменения их скорости и синхронизация в процессе работы.
Очень важной задачей оптимального управления конечной фазой разливки, косвенно связанной с энергосиловым режимом, является максимизация выхода мерных заготовок из имеющейся массы жидкого металла. Оптимальное управление заключается в выборе количества ручьев в зависимости от остатка металла в промежуточном ковше и расхода металла на получение заготовки мерной длины. При такой системе управления немерный остаток может получится только в одном ручье, что обеспечивает максимальный выход мерных заготовок.

3 Локальные системы управления

МНЛЗ является высокомеханизированным объектом управления. На МНЛЗ применяются локальные системы управления, выполняющие: ре­гулирование уровня металла в промежуточном ковше и кристаллизато­ре; регулирование скорости охлаждения слитка; регулирование расхода и давления кислорода и газа на резку.

Регулирование уровня стали в промежуточном ковше и кристаллиза­торе является одной из основных операций, определяющих качество слит­ка и эффективность работы МНЛЗ. Повышение уровня стали, например, в промежуточном ковше приводит к переполнению кристаллизатора и к нарушению теплового режима его в сторону избытка тепла, в результате чего оказывается необходимым уменьшить скорость вытягивания слитка, а это приводит к понижению производительности установки, что, конечно, недопустимо. Наоборот, внезапное уменьшение уровня металла приведет к понижению уровня стали в кристаллизаторе, смещению теп­лового баланса зоны кристаллизации металла и ухудшению работы ме­ханизмов вытягивания, особенно в случае применения радиальных МНЛЗ, не говоря уже о прорыве металла вниз. Поэтому этой АСР всег­да уделялось и уделяется большое внимание.
Разработаны и испытаны разнообразные конструкции датчиков уров­ня металла в промежуточном ковше, кристаллизаторе и сталеразливочном ковше (тензометрические, индукционные, радиоактивные, фото­электрические и т.п.), регулирующих органов струи жидкого металла (стопоров, шиберов, кантователей и т.п.), а также способы регулирова­ния изменением расхода металла из сталеразливочного ковша,, из про­межуточного; из обоих одновременно; изменением скорости вытягива­ния слитка; изменением расхода металла и скорости вытягивания однов­ременно. В результате наиболее эффективной оказалась схема регулиро­вания, показанная на рис. 93.