СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ МЕТАЛЛА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ

Полезная модель относится к непрерывной разливке металлов, в частности касается регулирования уровня жидкого металла, находящегося в кристаллизаторе установки непрерывной разливки металлов.
В установке непрерывной разливки стали жидкий металл, который истекает из разливочного ковша, сначала поступает транзитом в промежуточный резервуар, называемый промежуточным ковшом.
Одна из функций этого промежуточного ковша состоит в том, чтобы ориентировать расплавленный металл в направлении единственного качающего кристаллизатора или, в более общем случае, в направлении нескольких качающихся кристаллизаторов установки непрерывной разливки металла, в которых начинается отверждение заготовок (слябов, плоских слитков, блюмов или др. заготовок).
Металл вытекает из промежуточного ковша прямо в кристаллизатор. На траектории своего движения между промежуточным ковшом и кристаллизатором струя жидкого металла заключена в трубу из огнеупорного материала, называемую разливочным стаканом. Верхний конец этого разливочного стакана прикрепляется к днищу промежуточного ковша, тогда как его нижний конец проходит сквозь мениск и погружается в жидкий металл.
Главная функция разливочного стакана состоит в том, чтобы защитить струю жидкого металла от его окисления атмосферным воздухом, а также не допустить того, чтобы в процессе пересечения этой струей мениска она увлекла за собой часть шлака, покрывающего поверхность металла в кристаллизаторе, что может нарушить чистоту отливаемой заготовки.
Одним из основных параметров при получении бездефектной продукции является стабильность уровня мениска в кристаллизаторе. Если эта стабильность уровня не обеспечивается удовлетворительным образом, то кристаллизация металла осуществляется в крайне изменчивых условиях. Так, может оказаться, что закристаллизововавшаяся толщина данной заготовки слишком мала и появляется опасность, более или менее значительная, разрыва затвердевшей корочки слитка. При этом в лучшем случае получается заготовка с посредственным качеством заготовки, а в худшем случае жидкий металл может выливаться через образовавшиеся таким образом
разрывы и вызвать остановку процесса разливки и тяжелые повреждения данной установки.
Для обеспечения удовлетворительного регулирования уровня жидкого металла в кристаллизаторе установки непрерывной разливки металла необходимо использовать специальную автоматическую систему, которая могла бы удовлетворять пространственным положением упомянутого стопора. Такая система автоматического управления обеспечивает перемещение в вертикальной плоскости упомянутого стопора в зависимости от результатов сравнения желаемого в данном случае уровня расположения мениска и фактически измененного уровня этого мениска. Это изменение фактического уровня расположения мениска жидкого металла в кристаллизаторе обеспечивается обычно при помощи оптического или индуктивного датчика. Такой датчик выдает электрический выходной сигнал, который после соответствующей обработки может быть использован для управления пространственным положением упомянутого стопора.
Известен способ автоматического управления машиной непрерывного литья заготовок, включающий регулирование уровня металла в кристаллизаторе путем измерения скорости вытягивания слитка [1].
Однако данный способ не позволяет достаточно точно регулировать уровень металла вследствие проскальзывания слитка относительно тянущих валков, а также из-за значительной инерционности системы, вызванной большой массой вытягиваемого слитка.
Известно устройство для дозирования жидкого металла, включающее ванну для жидкого металла и установленную в ней дозирующую камеру, связанную с весоизмерительным устройством посредством весоизмерительного рычага и стопор, установленный в дозирующей камере с приводом его перемещения, установленным на весоизмерительном рычаге [2].
Известна также система поддержания уровня металла в кристаллизаторе установки непрерывной разливки стали, содержащая последовательно соединенные измеритель уровня, преобразователь, сумматор, элемент сравнения, усилитель и исполнительный механизм, причем второй вход сумматора соединен с задатчиком уровня, а второй вход элемента сравнения соединен с датчиком обратной связи, кинематически соединенным со стопором.
Кроме того система дополнительно содержит следящий привод и блок компенсации размыва стопорной пары, причем вход следящего привода соединен с выходом сумматора, а его выходной вал связан через датчик компенсации размыва с элементом сравнения [3].
Однако данные системы не позволяют достаточно точно регулировать уровень металла в соответствии с заданным законом вследствие проскальзывания слитка относительно тянущих валков, а также большой массой вытягиваемого слитка.
Известно устройство для измерения уровня металла в кристаллизаторе установки непрерывной разливки металла, содержащее шарнирно закрепленный на неподвижной стойке двухплечий рычаг, на одном конце которого установлен балансированный грузик, а на другом конце двуплечевого рычага гидравлический насадок, устройство также снабжено измерителем расхода газа, блоком сравнения, задатчиком, измерительной катушкой с сердечником, регистрирующим прибором, регулятором расхода, доросселем, газовым редуктором и баллоном с сжатым газом, причем баллон соединен с газовым редуктором, выход которого соединен с дросселем, выход дросселя соединен с измерителем расхода газа, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, выход которого соединен с входом регулятора расхода, выход которого соединен с дросселем, второй выход блока сравнения соединен с задатчиком расхода газа, на двуплечем рычаге установлен сердечник с возможностью его перемещения внутри измерительной катушки, выход которой соединен с регистрирующим прибором [4].
Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с интенсивным износом поплавка. Попытки снизить износ поплавка путем оснащения ее системой водяного охлаждения приводили к накристаллизованию металла на его поверхность.
Известен способ автоматического управления машиной непрерывного литья заготовок и устройство для его осуществления [5]. Устройство содержит галогенный счетчик, изотопный датчик, электронный преобразователь, блок сравнения, задатчик постоянного сигнала, логический блок, регулятор расхода металла и исполнительный механизм привода стопора.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению и достигаемому результату является система поддержания уровня жидкого металла в двухручьевом кристаллизаторе установки непрерывной разливки стали, содержащая датчик уровня металла в кристаллизаторе, соединенный через преобразователь, блок сравнения и
регулятор с исполнительным механизмом, причем второй блок сравнения соединен с задатчиком, а также для поддержания заданных и равных между собой уровней металла в двух ручьях кристаллизатора, система дополнительно содержит два блока сравнения, преобразователь, усилитель и исполнительный механизм, причем входы каждого из дополнительных блоков сравнения соединены с входами преобразователя обоих ручьев кристаллизатора, вход одного из дополнительных блоков сравнения соединен с входом усилителя канала регулирования положения промежуточного ковша, а выход другого дополнительного блока сравнения соединен с блоком сравнения канала регулирования положения стопора [6].
Существенным недостатком данных устройств и систем является низкая надежность работы стопора, обусловленная попаданием обрывков окисных плен, срываемых с поверхности расплава при срабатывании стопора в контактную зону стопорной пары, что в значительной степени снижает герметичность закрывания стопорного отверстия, что в значительной степени снижает герметичность закрывания стопорного отверстия и сказывается на точности дозирования.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение надежности системы регулирования уровня металла в кристаллизаторе, обеспечение стабильности процесса разливки, повышение коэффициента серийности разливки и исключение аномалий качества слитка, вызванных смещением потока стали вследствие зарастания погруженного стакана.
Поставленная техническая задача достигается за счет того, что система дополнительно содержит блок вычисления скорости изменения уровня металла в кристаллизаторе и блок вычисления адаптивного коэффициента усиления регулятора уровня, причем блок вычисления скорости изменения уровня на входе связан с датчиком уровня металла, а на выходе связан с блоком вычисления адаптивного коэффициента усиления регулятора уровня, который в свою очередь соединен на входе с датчиком позиции стопора и датчиком скорости разливки, а на выходе соединен через регулятор уровня металла с блоком сравнения, который в свою очередь связан с регулятором положения стопора и исполнительным механизмом привода стопора.
Объектом предлагаемого изобретения является устройство, предназначенное для практического осуществления описанной ниже системы регулирования уровня металла в кристаллизаторе. Как будет понятно из приведенного ниже описания данная полезная модель
состоит в осуществлении специальной обработки электрических сигналов, исходящих от упомянутых выше датчиков, перед их комбинированием, причем из этих сигналов исключаются колебания высокой частоты и малой амплитуды, после чего осуществляется комбинирование этих сигналов в единственный сигнал надлежащим в данном случае образом.
Предлагаемая полезная модель будет лучше понятна из приведенного ниже описания, в котором приводятся ссылки на приведенный чертеж - фиг.1 и рисунки 1, 2, 3, 4. На фиг.1 показана функциональная схема, иллюстрирующая работу системы регулирования уровня металла в кристаллизаторе. На рис.1, 2, 3 и 4 показаны структурные схемы конкретного использования предлагаемого технического решения.
Система регулирования металла в кристаллизаторе содержит:
Датчик уровня металла 1, датчик позиции стопора 2, датчик скорости разливки 3, исполнительный механизм привода стопора 4, регулятор положения стопора 5, блок сравнения 6, регулятор уровня металла 7, блок сравнения 8, задатчик уровня металла 9, блок вычисления скорости изменения уровня металла в кристаллизаторе 10, блок вычисления адаптивного коэффициента усиления регулятора уровня 11, кристаллизатор 12.
Система работает следующим образом:
Уровень металла в кристаллизаторе 12 измеряется датчиком уровня 1. Электрический сигнал, соответствующий уровню металла поступает на вход блока сравнения 8, где сравнивается с сигналом заданного уровня с блока 9. Разность заданного и фактического уровней поступает на вход регулятора уровня 7, который имеет динамически настраиваемый коэффициент усиления, получаемый с блока 11.На один из входов блока 11 подается сигнал скорости изменения уровня металла с блока 10 (вычисляется производная от уровня металла в кристаллизаторе). На другие два входа подаются сигналы скорости разливки с датчика скорости 3 и сигнал фактического положения стопора с датчика позиции стопора 2. Уровень выходного сигнала блока 7 пропорционален коэффициенту усиления, рассчитанному блоком 11. Выходной сигнал блока 7 сравнивается в блоке сравнения 6 с сигналом фактического положения стопора. Разность этих сигналов подается на вход регулятора положения стопора 5. Регулятор положения стопора 5 дает команду исполнительному механизму привода стопора 4 на изменение позиции стопора.
Адаптивный коэффициент усиления регулятора уровня металла 7 рассчитывается блоком 11 исходя из следующих условий:
С точки зрения стабильности непрерывной разливки важное значение имеет предотвращение зарастания разливочного стакана, которое возникает вследствие отложения продуктов раскисления стали в канале стакана дозатора и погруженного стакана. Интенсивность отложения и степень зарастания канала можно оценить по относительной величине подъема стопора в процессе разливки. В идеальном режиме, за время разливки на одном промежуточном ковше позиция стопора должна медленно уходить вниз, что связано с нормальной выработкой стопора. Однако в реальном режиме, особенно при разливке низкоуглеродистых, раскисленных алюминием марок сталей, позиция стопора имеет значительные смещения по высоте подъема, что приводит к значительному ухудшению стабильности поддержания уровня, смещению потока стали в кристаллизаторе, размыванию корки слитка, необходимости перехода в ручной режим для "приработки" стопора и возникновению аварийных ситуаций.
Система поддержания уровня металла в кристаллизаторе работает в динамическом режиме, что обусловлено большим количеством возмущающих воздействий. Исходя из этого, можно сделать вывод, что в нормально настроенной системе, при оптимальном состоянии узла стопор - стакан дозатор - погруженной стакан, при отклонении фактического уровня от заданного при возмущающем воздействии, в дальнейшем, под воздействием системы регулирования эта разница должна уменьшаться. Если отклонение фактического уровня металла от заданного уровня в текущий момент времени больше, чем это же отклонение при предыдущем измерении (оценивается в блоке 10), это служит предпосылкой для увеличения адаптивного коэффициента усиления. При этом качество поддержания уровня не изменяется, а амплитуда и фронт колебаний стопора увеличиваются. Скорость истечения металла в кристаллизатор становится резко переменной, что уменьшает вероятность затягивания канала стакана-дозатора и погруженного стакана и снижает образование отложений на стопоре. Значение коэффициента усиления зависит также от относительной позиции стопора. При увеличении позиции (всплывание стопора) коэффициент усиления увеличивается, а при уменьшении позиции стопора, с целью исключения повышенной выработки стопора, коэффициент усиления уменьшается. Изменяется амплитуда и «фронт» движения стопора. При увеличении позиции (всплывание стопора) получается как бы прокачка системы, а качество поддержания уровня остается прежним. Позиция стопора также зависит и от скорости разливки, поэтому блоком 11 оценивается также и значение скорости.
Исходя из фактического значения трех величин - скорости изменения уровня металла, позиции стопора и скорости разливки блоком 11 рассчитывается коэффициент усиления для регулятора уровня металла 7 в текущий момент времени.
Использование предлагаемого технического решения рассмотрим на примерах, показанных на рисунках 1, 2, 3 и 4.
Для повышения качества поддержания уровня металла в кристаллизаторе в систему регулирования вводится обратная связь по скорости изменения уровня (см. рис.1). Скорость изменения уровня рассчитывается как первая производная от уровня металла в кристаллизаторе. В теории автоматического управления это известно как регулирование по производной. Рассмотрим структурную схему объекта регулирования Wy - уровня металла в кристаллизаторе (рис.2)
Из анализа структурной схемы можно определить основные возмущающие воздействия, которые влияют на качество поддержания уровня металла в кристаллизаторе. Таковыми являются:
1. состояние пары "стопор-стакан дозатор";
2. диаметр погруженного стакана;
3. скорость разливки;
4. марка и температура разливаемой стали;
5. уровень металла в промежуточном ковше.
Последние три показателя определяются требованиями технологии, и в процессе разливки поддерживаются на оптимальном уровне. С точки зрения стабильности непрерывной разливки важное значение имеет предотвращение зарастания разливочного стакана, которое возникает вследствие отложения продуктов раскисления стали в канале стакана дозатора и погруженного стакана. Интенсивность отложения и степень зарастания канала можно оченить по относительной величине подъема стопора в процессе разливки. В идеальном режиме, за время разливки на одном промежуточном ковше позиция стопора должна медленно уходить вниз, что связано с нормальной выработкой стопора. Однако в реальном режиме, особенно при разливке низкоуглеродистых, раскисленных алюминием марок сталей, позиция стопора имеет значительные смещения по высоте подъема, что приводит к значительному ухудшению стабильности поддержания уровня, смещению потока стали в кристаллизаторе, размыванию корки слитка, необходимости перехода в ручной режим для "приработки" стопора и возникновению аварийных ситуаций.
Система поддержания уровня металла в кристаллизаторе работает в динамическом режиме, что обусловлено большим количеством возмущающих воздействий. Исходя из этого, можно сделать вывод, что в нормально настроенной системе, при оптимальном состоянии узла стопор - стакан дозатор - погруженной стакан, любое изменение позиции стопора должно приводить к изменению уровня металла в кристаллизаторе.
Предлагается использовать вторую производную от уровня металла в кристаллизаторе для оценки состояния системы регулирования и настройки системы (рис.3).
В моменты времени, когда вторая производная от уровня металла равна нулю имеет по модулю значение больше, чем в предыдущий момент времени, можно увеличить коэффициент усиления системы или увеличить задание на входе регулятора уровня - (U(s)-Z(s)-dZ(s)/dt)*Wz.
При этом качество поддержания уровня не изменяется, а амплитуда и фронт колебаний стопора увеличиваются. Скорость истечения металла в кристаллизатор становится резко переменной, что уменьшает вероятность затягивания канала стакана-дозатора и погруженного стакана и снижает образование отложений на стопоре. Значение передаточной функции Wz зависит главным образом от относительной позиции стопора. При увеличении позиции (всплывание стопора) адаптивный коэффициент усиления функции Wz увеличивается, а при уменьшении позиции стопора, с целью исключения повышенной выработки стопора, адаптивный коэффициент усиления уменьшается. Значение Wz зависит также от времени, в течении которого вторая производная равна нулю, а также от величины модуля этой производной, сравниваемой со второй производной за предыдущий период времени.
Таким образом, чем дольше разомкнута система, или чем сильнее возмущающее воздействие, тем сильнее воздействие на стопор, которое компенсирует возмущение. Получаем систему регулирования уровня металла в кристаллизаторе с обратной связью по скорости изменения уровня и адаптивным регулятором Wz, параметры которого изменяются в зависимости от ускорения изменения уровня металла в кристаллизаторе и относительной позиции стопора (рис.4).
Стопор в автоматическом режиме постоянно находится в движении (исключение - если фактический уровень совпадает с заданным). Любое изменение позиции стопора должно приводить к изменению уровня, и не только к изменению уровня, но и к изменению скорости изменения уровня (вторая производная). При нормальном состоянии узла стопор-стакан дозатор, фактический уровень должен по экспоненте достигать заданного (при наличии регулирования по производной). Если изменение фактического уровня происходит не по экспоненте, в такие моменты времени резко повышается воздействие на стопор, он начинает отрабатывать быстрее. Изменяется амплитуда и "фронт" движения стопора. Получается как бы прокачка системы, а качество поддержания уровня остается прежним. Причем происходит это постоянно.
Технические преимущества предлагаемого технического решения заключаются в повышении точности и надежности информации о положении уровня металла в кристаллизаторе, что позволяет осуществить обоснованное управление режимом его работы, а также в простоте его промышленной реализации. Этим достигается устойчивая работа системы в целом.
Преимуществами предлагаемой системы также является:
- более точное позицирование стопора для лучшего контроля потока металла;
- оптимизированное время отработки команды системы (электрический цилиндр + механизм);
- плавное и точное управление механизмом стопора без люфтов и избыточного трения;
- легкость ручного управления стопором для операторов;
отсутствие чувствительных электрических или электронных компонентов, работающих в неблагоприятных условиях (жесткая среда, высокая температура при разливке);
- безотказная работа;
- облегченное техническое обслуживание;
- высокий потенциал поддержания кристаллизатора в начале разливки металла.
Использованная литература
1. Патент США №4237960, 1980.
2. А.с. №839685, B22D 39/00, опубл. в БИ №24, 1981.
3. А.с. №603489, B22D 11/16, опубл. в БИ №15, 1978.
4. А.с. №1125096, B22D 11/16, опубл. в БИ №43, 23.11.1984.
5. А.с. №1295598, B22D 11/16, опубл. 21.05.1985.
6. А.с. №538813, B22D 11/ 16, опубл. в БИ №46, 1976.