СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКОЙ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА И ЛИТЬЯ МЕТАЛЛА

Полезная модель относится к специальной электрометаллургии, в частности к установкам электрошлакового переплава и литья металла.
Известна "Установка электрошлакового переплава, сварки и наплавки металлов" по описанию изобретения к патенту РФ №2247163, класс МПК 7 С22В 9/187, В23К 25/00, опубликовано 27.02.2005 г. в Бюл. №6 (1).
Данная установка содержит электрододержатель, установленный на колонне, электродвигатель, блок управления импульсного типа, обеспечивающего безынерционное перемещение электрододержателя гидроцилиндром, соединенным с электрододержателем, гидростанцией и по меньшей мере двумя клапанами с электрическим управлением - клапаном подачи жидкости в гидроцилиндр и клапаном слива жидкости из гидроцилиндра, соединенными с блоком управления.
Данное изобретение позволяет улучшить режим электрошлакового процесса, увеличить коэффициент полезного действия установки, а также упростить ее конструкцию, систему привода и блока управления.
Вместе с тем, данная установка имеет и ряд недостатков, а именно:
1. наличие в установке гидравлических устройств, наполненных маслом в зоне высокотемпературного плавления металла небезопасно, а это в случае утечки масла может привести к пожару;
2. нагрев масла вследствие сжатия в гидроприводе и от теплового излучения расплавленного металла приводит к разбалансировке процесса в системе управления;
3. многократное количество срабатываний электроклапанов приводит к быстрому их износу, что ведет к неконтролируемым, утечкам помимо их управляющих потоков масла; а это, в свою очередь, снижает эффективность управления процессом плавки и может приводить к автоколебаниям расходуемого электрода; это также приводит к уменьшению
коэффициента полезного действия плавильного агрегата;
4. имеет место малый коэффициент перекрытия подачи расходуемого электрода, то-есть, это отношение максимальной скорости движения электрода к минимальной скорости; а это приводит к значительному увеличению времени замены расходуемого электрода, а также уменьшению скорости реакции привода на изменение условий плавки; для устранения этого недостатка требуются дополнительные распределительные устройства;
5. хотя процесс управления осуществляется "импульсно" (частотно-импульсный или широтно-импульсный метод), все же существует время задержки на выполнение сигналов управления, что в совокупности с износом оборудования приводит также к автоколебательным процессам во время плавки и снижению коэффициента полезного действия плавильного агрегата.
Поскольку электрошлаковая плавка металла представляет собой непрерывный технологический процесс, то и система управления этим процессом должна иметь непрерывный характер.
В непрерывной системе необходимая для управления информация имеется в любой момент времени, сигналы (воздействия) в ней непрерывны во времени и по уровню. Связи между элементами сохраняются всегда, то-есть любое непрерывное изменение входного сигнала во времени вызывает также непрерывное изменение входных и выходных сигналов у всех последующих элементов ее. Статические характеристики всех элементов непрерывны, регулирующее воздействие является непрерывной функцией входного сигнала.
Один из примеров непрерывного, релейного и импульсного регулирования описан в книге "Автоматика и автоматизация сварочных процессов", авторы Н.С.Львов, Э.А.Гладков, М., изд. "Машиностроение", 1982 г., 302 с, с 30-33, §1.7 (2).
Известные установки электрошлакового переплава и литья металла оборудованы блочно-тросовым приводом перемещения электрододержателя, см., например, книгу "Электрошлаковый металл", изд. "Наукова думка", Киев, 1981 г., с 679 (3).
Данный блочно-тросовый привод перемещения электрододержателя содержит прикрепленный к электрододержателю трос, тросовый барабан, которые связаны через редуктор с электродвигателем постоянного тока и блок управления "пропорционального" типа, осуществляющий непрерывный контроль за скоростью и направлением вращения электродвигателя.
При этом электродвигатель постоянного тока выполняет роль движителя с переменной скоростью вращения, определенной обратной связью по току плавки и задачей (регулированием) величины тока плавки. Перемещая расходуемый электрод, установленный в электродо-держателе вверх-вниз, электродвигатель постоянного тока задает (регулирует) величину тока, проходящего через расходуемый электрод, слой шлака и жидкого металла.
Величина тока плавки определяется технологическими параметрами электрошлакового процесса и задается (устанавливается) оператором установки. Роль электродвигателя постоянного тока заключается в том, что он своим перемещением-вращением через блочно-тросовый привод передает движение электрододержателю и тем самым поддерживает необходимую величину тока плавки металла.
Вместе с тем, данная установка имеет ряд недостатков, а именно:
1. электродвигатели постоянного тока имеют существенный недостаток, а конкретно - коллектор; известно, что коллекторные электродвигатели критичны к большим пусковым токам (образуется круговой огонь в коллекторе), что приводит к снижению чувствительности к сигналу (напряжению) обратной связи; кроме того коллектор подвержен подгоранию, истиранию и загрязнению, так как в металлургических цехах присутствует в воздухе повышенное содержание металлической и угольной пыли, что отрицательно влияет на срок службы электродвигателей и снижает точность настройки скорости перемещения расходуемого электрода;
2. имеет место малый коэффициент перекрытия подачи расходуемого электрода, то-есть это отношение максимальной скорости движения расходуемого электрода к минимальной скорости; а это приводит к значительному увеличению времени замены расходуемого электрода, а также уменьшению скорости реакции привода перемещения электрода на изменение условий плавки металла;
3. система контроля за током плавки построена на непрерывном принципе управления; а в результате того, что существует время задержки реакции механической системы на выполнение сигнала управления при некоторых режимах плавки металла, например, при резких изменениях в плавильном процессе, то возникают затухающие апериодические колебания или автоколебания (не затухающие колебания около положения равновесия) расходуемого электрода, что приводит к уменьшению коэффициента полезного действия плавильного агрегата.
Это негативное явление компенсируют интегрирующими фильтрами и тахогенератором, но полностью оно не устраняется.
Целью при разработке предлагаемой полезной модели является создание системы управления установкой электрошлакового переплава и литья металла, у которой были бы устранены недостатки, присущие вышеперечисленным установкам.
Указанная цель и технический результат реализуются следующим образом.
Предлагаемая система управления (устройство), как и известная установка с блочно-тросовым механизмом привода содержит: установленный на колонне электрододержатель с укрепленным на нем расходуемым электродом и с возможностью его перемещения по колонне вверх-вниз посредством блочно-тросового механизма, приводимого через редуктор и электродвигатель; блок управления установкой.
Но в отличие от известной установки в предлагаемой установке использован асинхронный электродвигатель, а также дополнительно содержит: подсоединенный к блоку управления частотно-регулируемый преобразователь, предназначенный для управления скоростью и направлением вращения асинхронного электродвигателя, который подсоединен и к электродвигателю; подсоединенный к блоку управления промышленный компьютер с программой управления процессом плавки металла, предназначенный также и для выдачи частотно-регулируемому преобразователю аналоговых и дискретных команд; подсоединенный к блоку управления сумматор аналоговых и дискретных команд, который одновременно подсоединен и к частотно-регулируемому преобразователю; подсоединенный к промышленному компьютеру прибор обратной связи - трансформатор тока, который подсоединен также и к сумматору аналоговых и дискретных команд.
В качестве близкого аналога предлагаемой полезной модели можно принять установку электрошлакового переплава и литья металла по источнику научно-технической информации (3).
На представленном чертеже изображена схематично предлагаемая система управления установкой электрошлакового переплава и литья металла.
Предлагаемая система управления (устройство) содержит следующие агрегаты, узлы и приборы.
На колонне 1 установлена каретка с укрепленным на ней электрододержателем 2 с расходуемым электродом 3, при этом каретка имеет
возможность перемещения по колонне вверх-вниз посредством блочно-тросового механизма 4, приводимого посредством тросового барабана 5, установленного на валу редуктора 6, который скреплен с асинхронным электродвигателем 7.
К блоку управления (БУ) 8 подсоединен частотно-регулируемый преобразователь (ЧРП) 9, который подсоединен также и к электродвигателю 7. К блоку управления 8 подсоединен также сумматор дискретных и аналоговых команд (СК) 10, который одновременно подсоединен и к частотно-регулируемому преобразователю 9.
К блоку управления 8 подсоединен также промышленный компьютер (ПК) 11, а к нему подсоединен прибор обратной связи - трансформатор тока (ТТ) 12, который подсоединен также и к сумматору 10 аналоговых и дискретных команд.
Данная установка содержит также плавильную емкость 13, установленную на кантователе 14.
Предлагаемая система управления установкой электрошлакового переплава и литья металла работает следующим образом.
Перемещение электрододержателя 2 с расходуемым электродом 3 оператором установки, а также по заданной программе промышленного компьютера 11 и асинхронным электродвигателем 7 на заданную величину задает (регулирует) величину тока, проходящего через расходуемый электрод 3, слой шлака и жидкого металла между нерасходуемым подовым электродом, расположенным в подовой части плавильной емкости 13.
Процесс поддержания технологического процесса и режима плавки металла автоматизирован данной системой управления и осуществляется по двум каналам управления: аналоговой и дискретной командами от промышленного компьютера 11 к частотно-регулируемому преобразователю 9.
Аналоговый канал - это величина тока, задаваемого оператором установки с блока управления 8 и величина тока обратной связи с трансформатора тока 12, которые поступают на вход промышленного компьютера 11 и на вход сумматора 10. По результатам суммирования этих команд в сумматоре 10 - происходит или остановка асинхронного электродвигателя 7 или его вращение в ту или другую сторону, которое определяется дискретной командой от промышленного компьютера 11 и соответственно перемешается электрододержатель 2 с расходуемым электродом 3.
Дискретный канал - это сигнал управления с промышленного компьютера 11, который по специальной программе анализирует величину тока, заданного оператором установки.
Сложение управляющих команд обоих каналов - аналогового и дискретного препятствует возникновению автоколебаний плавильного процесса, то-есть колебаний вверх-вниз электрододержателя с электродом, что в совокупности с плавностью регулирования скорости вращения асинхронного электродвигателя 7 позволяет значительно точнее поддерживать технологические режимы процесса плавки металла и увеличить коэффициент полезного действия установки.
При этом коэффициент перекрытия (соотношение скоростей подачи расходуемого электрода) может быть изменен в широких пределах благодаря наличию нескольких дискретных регулировок в частотно-регулируемом преобразователе 9, которые программируются или запрограммированы в промышленном компьютере 11 по поставленным задачам конкретного технологического процесса.
Предлагаемая система управления изготовлена и опробована с положительными результатами в феврале 2007 года в г.Омске и позволяет улучшить (оптимизировать) режим электрошлакового процесса плавки металла, увеличить коэффициент полезного действия установки, а также упростить ее конструкцию, систему электропривода и блока управления и повысить надежность работы установки.
Источники информации:
1. "Установка электрошлакового переплава, сварки и наплавки металлов" по описанию изобретения к патенту RФ №2247163, класс МПК 7 С22В 9/187, В23К 25/00, опубликовано 27.02.2005 г. в Бюл. №6.
2. Книга "Автоматика и автоматизация сварочных процессов", авторы Н.С.Львов, Э.А.Гладков, М., изд. "Машиностроение", 1982 г., 302 с, с 30-33, §1.7.
3. "Установка электрошлакового переплава и литья металла", см. книгу "Электрошлаковый металл", изд. "Наукова думка", Киев, 1981 г., с 679.