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.