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 6?12%;

- 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 t, может быть записано в виде [4]:

Qме t/?ме - hкр Fкр = 0 (1)

где Qме - изменение интенсивности подачи, м3/с;

t - отрезок времени, с;

?ме - плотность металла, кг/м3;

hкр - изменение уровня металла в кристаллизаторе, м;

Fкр - площадь живого сечения кристаллизатора, м2.

Из (1) получим:

(2)

Переходя к пределу при t0, можно записать

, (3)

где

k = .

hkp . Fkp = Q h =

Уравнение (3) - дифференциальное уравнение кристаллизатора МНЛЗ. Входной величиной при этом является x(t) = Qме, 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 = ?fx?, (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;

? - коэффициент расхода, принятый, согласно эксперимантальным данным, равным 0,5;

? - 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.

2.2 Кинематическая схема гидропривода стопорного затвора

Кинематическая схема гидропривода стопорного затвора - см. рисунок 1.

Рисунок 1. Кинематическая схема гидропривода стопорного затвора: 1 - промежуточный ковш МНЛЗ, 2 - стопор, 3 - гидроцилиндр, 4 - золотниковый клапан, 5 - кристаллизатор

Рисунок 2. Функциональная схема системы регулирования:

ЗУ - Задающее устройство;

ЗК - Золотниковый клапан;

ГЦ - Гидравлический цилиндр;

СЗ - Стопорный затвор;

КР - Кристаллизатор;

ИУ - Измерительное устройство;

ПУ1, ПУ2, - Преобразующее устройство.

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 1 с.

Ток на термопаре в момент измерения температуры [6]:

I = 10-9 A,

ЭДС = 10 мВ.

Диапазон измеряемых температур составляет 0?600С.

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.

Литература

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).