Технические науки/12. Автоматизированные системы

управления на производстве.

К.т.н. Жукова Н.В., студент Бадран Джад

Донецкий национальный технический университет, Украина

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫМ ПРОЦЕССОМ ВЫТЯГИВАНИЯ СЛИТКА НА УСТАНОВКЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК

Постановка задачи и ее актуальность. В последние годы на Украине наблюдается тенденция развития металлургических мини-заводов, на которых реализуются энергосберегающие технологии производства стали и проката. Энергосбережение в металлургии заключается в совмещении процессов непрерывного литья и непрерывной прокатки от жидкого металла до конечного проката. Чем быстрее металл доходит от жидкого состояния до конечного проката, тем лучше экономические показатели энергоемкого металлургического производства. В современных технологиях производства медных труб [1] применяют горизонтальные модули непрерывного литья заготовок (ГМНЛЗ), отвечающие требованиям мини-заводов, поскольку их удобно размещать в действующих цехах, нет необходимости ни увеличивать высоту здания, ни формировать глубокий колодец.

Установка непрерывного горизонтального литья предназначена для вытягивания слитка из кристаллизатора в заданных технологических режимах при определенных изменениях технических параметров непрерывного литья. ГМНЛЗ состоит из печи, кристаллизатора, тянущей клети и устройства порезки заготовок. Анализ истории возникновения горизонтального литья и существующих технологий [2] показал, что данная технология разрабатывалась по двум направлениям. При первом способе вытяжка слитка из кристаллизатора происходит непрерывно с постоянной скоростью, а при втором – с постоянной скоростью, но с чередованием циклической паузы в движении заготовки. Первый способ оказался тупиковым в развитии технологии горизонтального литья по причине нестабильности ведения процесса. Непрерывное вытягивание слитка с постоянной скоростью заканчивалось аварийной ситуацией – выбросом жидкого металла из кристаллизатора или разрушением дорна кристаллизатора, что менее опасно, но с тем же отрицательным результатом. Второй способ позволил внедрить в производство технологию получения полых и сплошных заготовок с отпечатком на их поверхности шагового изменения геометрии, что требует дополнительной механической обработки поверхности заготовки перед ее прокаткой. В настоящее время предпринимаемые меры по улучшению качества поверхности заготовки привели к сближению двух способов литья посредством уменьшения шага вытяжки процесса. Но уменьшение шага вытяжки вплоть до 2-х мм [3] не дает возможности проведения технологии в непрерывном длительном режиме в условиях нестабильности основных технологических параметров. Кроме того, при применении конструкций тянущих клетей с двумя ведущими механически связанными валками и двумя прижимными, наблюдается проскальзывание ведущих валков относительно вытягиваемого слитка, несмотря на то, что инструмент максимальным образом прижат к слитку. Таким образом, для стабилизации процесса вытягивания трубных и сплошных заготовок, а также для повышения качества поверхности заготовок необходимо модернизировать конструкцию вытяжного устройства, которая обеспечит силовое согласование двух приводных валков тянущей клети, и разработать систему автоматизации управления процессом горизонтального литья, реализующую первый способ, т.е. непрерывное вытягивание слитка.

Методика решения задачи. При решении задачи проанализируем физику процесса непрерывного горизонтального литья, касающуюся главных факторов стабилизации процесса. Если бы возможно было наблюдать за положением фронта кристаллизации металла в кристаллизаторе, то, корректируя соответствующим образом скорость вытяжки слитка, можно стабилизировать положение фронта кристаллизации металла по отношению к кристаллизатору. При этом не будет выброса металла из последнего или твердая фаза не выйдет ближе к противоположному краю кристаллизатора, что значительно повысит силу сопротивления вытягивания слитка и приведет к остановке слитка в тянущей клети, валки которой будут вращаться со срывом контакта между инструментом и заготовкой. Поэтому в первом способе, при какой-то заданной постоянной скорости вытяжки слитка и нестабильности других параметров технологии (температуры металла, его уровня в печи, температуры и расхода охлаждаемой воды в кристаллизаторе), фронт кристаллизации металла непредсказуемо движется по отношению к кристаллизатору, что приводит к вышеназванным последствиям. Следовательно, второй, вошедший в практику способ горизонтального литья, стабилизирует положение границы твердой и жидкой фазы металла по отношению к кристаллизатору за счет пошагового вытягивания закристаллизовавшейся массы металла, компенсируя тем самым объективные изменения состояния системы: жидкая, твердая фазы металла и кристаллизатор.

Первый способ без циклических пауз в движении можно осуществить, непрерывно варьируя скоростью вытягивания слитка в зависимости от изменения состояния системы металл-кристаллизатор. Единственным информационным параметром, который соответствует положению фронта кристаллизации металла по отношению к кристаллизатору, является сила сопротивления вытягиванию слитка из того же кристаллизатора. Поэтому цель системы автоматизации управления процессом непрерывного горизонтального литья – поддержание на заданном уровне силы вытягивания, приложенной к слитку со стороны тянущего механизма. При этом скорость вытяжки слитка будет изменяться в каких-то пределах в зависимости от состояния теплопереноса в кристаллизаторе. А поскольку при увеличении силы сопротивления вытягиванию слитка по отношению к заданному уровню, необходимо увеличивать скорость вытяжки заготовки, то в системе требуется согласование входов по цепям задания и обратной связи посредством системы подчиненного регулирования [4]. Система управления электроприводом тянущей клети, регулируемая по электромагнитному моменту, косвенно характеризующему силу сопротивления вытягиванию заготовки , корректирует задающее воздействие для системы регулирования скорости вытягивания заготовки . Скорость вытягивания заготовки характеризует текущую производительность процесса ГМНЛЗ, для стабилизации которой необходимо обеспечить на заданном уровне, пропорциональном скорости вытягивания слитка, тепловой поток охлаждаемой воды на кристаллизаторе.

Реализация предлагаемой системы управления процессом горизонтального литья предъявляет жесткие требования к конструкции механизма вытягивания заготовки, который должен иметь максимальный КПД по отношению к силе вытягивания, прикладываемой со стороны тянущей клети. Из практики применения конструкций тянущих клетей УкрНИИмет с двумя ведущими механически связанными валками и двумя прижимными наблюдается проскальзывание ведущих валков относительно вытягиваемого слитка, не смотря на то, что инструмент максимальным образом прижат к слитку. В обработке металла давлением известна проблема [5] двух приводных валков, механически связанных друг с другом посредством не только шестеренной клети, но и рабочего тела (слитка), которое находится в упругом состоянии. Достаточно небольшой разницы в катающих диаметрах валков, не превышающей десятых долей процента, чтобы в межвалковом промежутке за десятки миллисекунд возникли значительные упругие силы натяжения в слитке, вызывающие срыв контакта между металлом и инструментом. Данная проблема может быть решена применением тянущей клети с двумя приводными верхним и нижним валками (прижимные холостые валки отсутствуют) в комплекте с шестеренной дифференциальной клетью с двумя выходными шпинделями. Приводные валки не обязательно рифленые, они могут быть гладкими, так как валки тянут слиток с верхней и нижней стороны образуемого ими V-образного калибра. При этом силовое согласование двух приводных валков [5, 6] позволит уменьшить силу прижима валков к заготовке и ее поверхность не будет травмирована. Это возможно выполнить благодаря дифференциалу [7] – механическому делителю мощности пополам между двумя приводными валками, скорость вращения которых неодинакова и зависит обратно - пропорциональным образом от их катающих диаметров и соответственно моментов нагрузок, что исключает срыв контакта между валками и заготовкой и значительно повысит устойчивость технологии вытягивания слитка из кристаллизатора, а также увеличит КПД тянущей клети.

Функциональная схема системы автоматизации управления непрерывным процессом горизонтального литья представлена на рис.1.

Рисунок 1. – Функциональная схема системы автоматизации управления непрерывным процессом горизонтального литья заготовок

Работа системы происходит следующим образом. Сначала в ручном режиме задается скорость вытягивания заготовки , рассчитанная технологом, и опосредованно наблюдают за силой сопротивления вытягиванию заготовки по величине электромагнитного момента электропривода тянущей клети. Если значение силы сопротивления в допустимом технологическом диапазоне, то это значение и будет являться задающим для системы подчиненного регулирования. При этом процесс литья заготовки протекает со скоростью вытяжки слитка, соответствующей заданной силе сопротивления. Данная скорость вытягивания заготовки является задающим воздействием для системы управления электроприводом насоса, обеспечивающей на заданном уровне тепловой поток охлаждаемой воды на кристаллизаторе, зависящий пропорционально от текущей производительности ГМНЛЗ в функции теплового баланса кристаллизации слитка: . Т.е. тепловой поток, отдаваемый металлом, равен тепловому потоку, забираемому водой. Температура воды в бассейне не стабильна, поэтому, если на входе кристаллизатора температура входящего потока воды увеличится, то тепловой поток охлаждаемой воды уменьшится, о чем свидетельствует обратная связь контроллера теплового потока, и насос будет быстрее качать воду из бассейна.

Выводы.

1. В качестве объекта управления рассмотрен технологический процесс вытягивания слитка из кристаллизатора на установке горизонтального непрерывного литья заготовок.

2. Анализ существующих технологий горизонтального литья показал, что данная технология разрабатывалась по двум направлениям. Первый способ непрерывной вытяжки слитка из кристаллизатора является наиболее приемлемым с точки зрения стабилизации производительности горизонтального литья, но не был внедрен в производство из-за отсутствия системы автоматизации управления, способной обеспечить непрерывную вытяжку слитка, а также отсутствия технических решений по модернизации конструкции тянущего механизма.

3. Разработана система автоматизации управления технологическим процессом непрерывного литья заготовок, обеспечивающая стабилизацию процесса вытягивания трубных и сплошных заготовок, а также повышение качества поверхности слитка за счет поддержания на заданном уровне теплового баланса кристаллизатора, пропорционального текущей производительности непрерывного литья, соответствующей силе сопротивления вытягиванию слитка из кристаллизатора при максимальном КПД конструкции тянущей клети.

4. Разработана функциональная схема системы управления, реализующая непрерывный способ вытягивания заготовки из кристаллизатора.

Литература:

1. M. Rantanen, H. Knaapi Cast and Roll – advanced copper tube technology /«Цветные металлы», №10 1996. – С.26 - 28.

2. О.А. Шатагин и др. Горизонтальное непрерывное литье цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1974. – 176с.

3. Сontinuous casting technology: http://www.rautomead.co.uk

4. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: учебное пособие для вузов. – Л.: Энергоиздад. Ленинградское отд-ние, 1982. – 392 с.

5. Тришевский И.С., Гатилов Л.С., Докторов М.Е., Скоков Ф.И. Исследование скоростного режима профилирования // Сб. науч. тр. УкрНИИмет. Серія: Теория и технология производства экономичных гнутых профилей проката, выпуск.15. - Харьков: УкрНИИмет, 1970. – С 329-336.

6. Жукова Н.В., Литвинов В.И. Энергетический метод решения задач многосвязной электромеханики применительно к технологии обработки металла давлением. /Зб. наук. пр. ДонДТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 74. – Донецьк: ДонДТУ, 2004. - С. 58-67.

7. Жукова Н.В., Литвинов В.І. Вирішення проблеми погодженого руху валків з неоднаковими катаючими діаметрами профілезгинальних станів. /Матеріали 11-ої міжнародної конференції по автоматичному управлінню «Автоматика – 2004», г. Київ: НУПТ, 27-30 вересня. – 2004. - С. 23, т.2