Разработка и применение системы раннего детектирования продольных трещин в непрерывнолитых заготовках

7. Karandaev A.S., Evdokimov S.A., Sarlibaev A.A., Lednov R.A. Trebovaniya k sisteme monitoringa tehnicheskogo sostoyaniya transformatora sverhmoschnoi dugovoi staleplavilnoi pechi [Requirements to the system of technical state monitoring of UNP electric arc furnace transformer]. Machine building: network electronic scientific journal, 2013, no.2, pp. 58-68.

8. Karandaev A.S., Evdokimov S.A., Khramshin V.R., Lednov R.A. Diagnosticheskie funktsii sistemi nepreryvnogo kontrolya tehnicheskogo sostoyaniya transformatorov agregatov elektrodugovogo rasplava metalla [Diagnostic functions of technical state continuous monitoring system for transformers of electric arc melting unit]. Steel worker, 2014, no.8, pp. 53-59.

9. Gun I.G., Salganik V.M., Evdokimov S.A., Sarlibaev A.A. Osnovnye neispravnosti i metody diagnostirovaniya silovyh transformatorov v usloviyah ekspluatatsii [Main faults and monitoring methods of power transformers operation]. Bulletin of Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2012, no.1, pp. 102-105.

10 Lukyanov S.I., Karandaev A.S., Evdokimov S.A., Sarvarov A.S., Petushkov M.Yu., Khramshin V.R. Razrabotka i vnedrenie intellektualnyh sistem diagnostirovaniya tehnicheskogo sostoyaniya elektricheskogo oborudovaniya [Development and implementation of intelligent systems for technical state monitoring of electrical facilities]. Bulletin of Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2014, no.1. pp. 129-136.

11. Karandaev A.S., Evdokimov S.A., Karandaeva O.I., Mostovoi S.E., Chertousov A.A. Kontrol tehnicheskogo sostoyaniya silovyh transformatorov metodom akusticheskogo diagnostirovaniya [Technical state monitoring of power transformers using acoustic diagnosis]. Bulletin of the South-Ural State University. Series «Power engineering». Issue 10, 2008, no.26(126), pp. 26-31.

12. Karandaev A.S., Evdokimov S.A. Khramshin V.R., Sarlibaev A.A. Sistema diagnosticheskogo monitoringa tehnicheskogo sostoyaniya transformatora dugovoi staleplavilnoi pechi [Technical state monitoring system for an electric arc furnace transformer]. Electrical engineering, power engineering, electrical engineering industry, 2014, no.4, pp. 27-33.

13. Karandaev A.S., Evdokimov S.A., Devyatov D.H., Parsunkin B.N., Sarlibaev A.A. Diagnostirovanie siolvyh transformatorov metodom akusticheskoi lokatsii chastichnyh razryadov [Diagnosis of power transformers using the acoustic radar for partial discharges]. Bulletin of Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2012, no.1, pp. 105-108.

14. Karandaev A.S., Evdokimov S.A., Tsemoshevich S.L., Mostovoi S.E., Anufriev A.V., Sarlibaev A.A. Metodika diagnostirovaniya silovyh transformatorov na osnove klasternoi obrabotki akusticheskih signalov [Power transformers monitoring method based on cluster processing of acoustic signals]. Proceedings of Universities. Electrical engineering, 2011, no.4, pp.86-90.

15. Sistemy monitoringa silovyh transformatorov [Monitoring systems of power transformers]. Addition to the order of the OJSC «FSK EES» dated 18.04.2008 № 140 «Monitoring systems of power transformers and autotransformers. General technical requirements». URL: http://silovoytransformator.ru/stati/sistemy-monitoringa-silovyh-transformatorov.htm.

16. Drobyshevskii S.A. Onlain monitoring transformatorov [On-line monitoring of transformers]. URL: http://forca.ru/stati/ podstancii/oplayn- monitoring-transformatorov.html.

17. Sistema monitoringa transformatorov s rabochim napryazheniem 110+330 kV TM-3 [System of transformer monitoring with the operating voltage of 110+330 kV TIM-3]. Operation manual. Perm: PVF «Dimrus», 72 p. URL: http://dimrus.ru/download/category/10-tim3.html.

18. Modulnaya sistema dlya monitoringa sostoyaniya transformatornogo oborudovaniya TDM (TDMR) [Modular system for TDM (TDMR) transformer state monitoring]. Operation manual. Perm: PVF «Dimrus», 12 p. URL: http://dimrus.ru/ download/category/23-tdm.html.

19. Sravnenie effektivnosti vnedreniya sistem monitoringa i provedeniya kompleksnogo obsledovaniya transformatorov [Comparison of implementation efficiency of monitoring systems and complex investigation of transformers]. Technical documents of PVF «Vibro-Center». URL: http://www.electronpribor.ru/ resources/docs/tdm_obsl.pdf.

УДК 65.011.56

Пишнограев Р.С., Суспицын Е.С., Швидченко Д.В., Швидченко Н.В., Апет А.А.

Разработка и применение системы раннего детектирования продольных трещин

В НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ЗАГОТОВКАХ

Политика ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК) в области качества направлена на постоянное совершенствование технологии производства, снижение количества нештатных ситуаций и уменьшение количества дефектов в продукции. Всё большее значение приобретают системы раннего обнаружения нарушений технологического процесса, позволяющие своевременно выполнить корректирующие действия с целью увеличить процент годной продукции. Одной из таких систем является система раннего детектирования продольных трещин в теле отливаемой заготовки, внедрённая на машине непрерывного литья заготовок №6 (МНЛЗ №6) в 2012 г. В данной статье описан опыт разработки и внедрения данной системы.

Теоретические предпосылки

к началу исследований

Продольная трещина (рис. 1) в теле сляба является одним из существенных дефектов непрерывнолитой заготовки. Наличие данного дефекта не позволяет отправить слябовую заготовку в прокатку. Для устранения трещины осуществляют огневую зачистку сляба, т.е. срезают часть поверхности заготовки на глубину залегания трещины. При этом возникают дополнительные затраты, связанные с оплатой труда, потерей металла и прочими расходами.

Рис. 1. Продольная трещина в теле отливаемой заготовки

Из анализа причин возникновения продольных трещин, приведённых в литературных источниках, следует, что в большинстве случаев неравномерный отвод тепла от затвердевающей заготовки вызывает неодинаковое распределение полей температур в твердой корочке, что обусловливает формирование в ней внутренних напряжений, которые являются причиной деформирования заготовки. Таким образом, существуют предпосылки для детектирования продольных трещин по характеру изменения теплового портрета кристаллизатора [1, 2].

Хотя причины образования продольных трещин и известны, полностью их устранить на существующих МНЛЗ ОАО «ММК» не удаётся. Поэтому проблема снижения количества непрерывнолитых заготовок с данным дефектом остаётся актуальной, и в 2010 г. на МНЛЗ №6 ОАО «ММК» были начаты исследования по разработке системы раннего детектирования продольных трещин в непрерывнолитой заготовке.

Описание объекта исследования

МНЛЗ №6 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». МНЛЗ №6 - криволинейная одно-ручьевая машина непрерывного литья заготовок с вертикальным участком. Толщина отливаемой заготовки -190, 250 или 300 мм, ширина - от 1400 до 2700 мм. Высота медных плит кристаллизатора - 900 мм, ширина - 2959. Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) представляет собой систему температурного контроля поверхности слитка в кристаллизаторе MMS (Mould Monitoring System). Данная система включает в себя девяносто шесть термопар, встроенных в медные стенки кристаллизатора МНЛЗ на трёх уровнях по высоте кристаллизатора. Таким образом, термопары образуют сетку в три ряда (слоя) по периметру кристаллизатора, по тридцать две термопары в каждом ряду. Сбор информации с термопар осуществляется полевыми контроллерами Beckhoff. Также в систему входит станция диагностики, выполняющая архивирование показаний, визуализацию, анализ и генерирующая сигнал о возникновении зависаний корочки слитка в кристаллизаторе.

На начальном этапе исследований было принято решение использовать информацию о распределении температур по поверхности слитка в кристаллизаторе, полученную при помощи штатной системы температурного контроля кристаллизатора.

Предварительный анализ

При проведении предварительного анализа возможности детектирования продольных трещин в теле отливаемой заготовки по данным штатной системы температурного контроля по технологическим паспортам разливки определены номера плавок и слябов с продольными трещинами. По архивным данным установлены моменты возникновения продольных трещин в отливаемых заготовках. Выполнен анализ характера изменения температуры в моменты зарождения продольных трещин в точках установки ближайших к месту трещинообразования и соседних им термопар.

Например, согласно информации технологического персонала цеха при осмотре слябовых заготовок, отлитых в интервале времени с 00:20 по 00:45 15 мая

2012 г., на поверхности одного из слябов была обнаружена продольная трещина. По номеру сляба и геометрическому положению трещины были рассчитаны примерное время образования трещины и координаты ближайших к ней термопар кристаллизатора: Т10 (верхний слой), Т42 (средний слой) и Т74 (нижний слой). На рис. 2 представлены графики изменения скорости вытягивания слитка и показаний термопар Т10,Т42,Т74. Также на рис. 2 отмечен расчётный момент образования трещины и приведены графики изменения термопар соседних столбцов: Т8, Т12 (верхний слой), Т40, Т44 (средний слой), Т72, Т76 (нижний слой). Из рис. 2 следует, что в момент времени зарождения продольной трещины (^ = 860 с) наблюдается снижение показаний термопар Т10, Т42 и Т74 на Д/В = 16°С, ДС = 16°С и ДН = 12°С соответственно. При этом в показаниях остальных термопар, расположенных в соседних столбцах координатной сетки встройки, подобного поведения не обнаруживается. В момент времени /2 = 923 с происходит снижение скорости разливки, что приводит к снижению показаний всех термопар. Это доказывает, что термопары исправны и адекватно реагируют на изменение условий разливки.

V, м/с

0

\ t1 t2

1 1 t, c —I—

600 800 1000 1200 t, °C iL 140

120

100 -

80 -

60

600 800 1000 1200 t, °C i 140

Т8

120 100 80 60

Т40

Т72

t, c

t, c -1—I

600 800 1000 1200

t, °C ü

140 120 100 -80 -

60

Т12

Т44

Т76

t, c

600 800 1000 1200

Рис. 2. Графики изменения показаний столбца термопар, ближайших к месту возникновения дефекта

На основании подобного анализа нескольких случаев возникновения продольных трещин сделаны следующие выводы:

1. Возникновение продольной трещины в теле отливаемой заготовки отражается в показаниях термодатчиков в виде локальной, вертикальной области за-холаживания.

2. В большинстве случаев область захолаживания локализуется на одном столбце термопар кристаллизатора. В некоторых - распространяется на два столбца.

3. Скорость распространения области захолажи-вания, соответствующей местоположению продольной трещины, может изменяться в различных пределах: от одновременного захолаживания слитка на нескольких двух слоях столбца термопар до 0,3 V (где V -скорость вытягивания заготовки).

4. Возникновение продольных трещин со стороны большого и со стороны малого радиусов кристаллизатора происходит независимо.

Таким образом, был сформулирован основной признак возникновения продольной трещины в теле отливаемой заготовки в процессе первичной кристаллизации: локальное вертикальное захолаживание поверхности заготовки в кристаллизаторе.

На следующем этапе исследований был выполнен статистический анализ параметров изменения показаний термопар при возникновении продольной трещины в процессе первичной кристаллизации слитка.

Статистический анализ параметров

изменения показаний теромпар в момент возникновения продольный трещин

В результате статистического анализа параметров изменения показаний термопар необходимо было выполнить две основные задачи:

1. Определить, какие параметры изменения показаний термопар могут достоверно указывать на процесс формирования продольной трещины в теле отливаемой заготовки в процессе её первичной кристаллизации.

2. Определить оптимальный диапазон (истории) N наблюдения за показаниями термопар, позволяющего, с одной стороны, с высокой достоверностью определить момент образования трещины, а с другой стороны, сгенерировать достоверный диагноз за минимально короткое время.

Для статистического анализа были выбраны параметры трёх типов.

К первому типу отнесены параметры, сигнализирующие о значительном отклонении показаний отдельных термодатчиков от показаний при стационарном (нормальном) ходе разливки. Это параметры, позволяющие выявить снижение показаний отдельных термопар. К ним, например, относятся:

1) снижение среднего (максимального, минимального) значения температуры в течение некоторого времени наблюдения;

2) изменение среднеквадратичного отклонения показаний термопар;

3) изменение наклона линии регрессии первого порядка, построенной по показаниям термопары, и т.п.

Ко второму типу отнесены параметры, сигнализирующие о значительном отклонении показаний термодатчиков от показаний остальных термодатчиков (фо-

на). Данные параметры позволяют судить о локальном характере захолаживания области кристаллизатора. При статистическом анализе оценивались следующие параметры второго типа:

1) разница показаний термопары и среднего значения температуры в том же слое термопар.

2) разница наклона линии тренда показаний отдельной термопары и графика средней температуры по слою.

Для снижения влияния индивидуальных особенностей термопар на результат анализа к архивным данным применялась операция нормирования, заключающаяся во введении аддитивных составляющих в показания термопар, приводящих наиболее ранние показания к уровню среднего значения по слою.

К третьему типу отнесены параметры, сигнализирующие о значимом взаимозависимом изменении показаний термодатчиков одного столбца кристаллизатора (корреляционные параметры и комбинации параметров первых двух типов).

Расчёт параметров выполнялся следующим образом. В архивных данных определялся момент зарождения продольной трещины в теле отливаемой заготовки ^ (рис. 3). Затем от этого момента формировались выборки показаний всех термопар объёмом Ыдо отсчётов до момента ^ и Ыдо после момента По этим выборкам рассчитывались параметры показаний термопар, например, среднее значений показаний термопары до момента образования трещины Тср и после момента образования трещины Т 'СР. Затем рассчитывались изменения анализируемого параметра около момента ^ в абсолютных (ТСР-Т 'СР) и относительных (ТСР/Т 'СР) единицах. Подобные расчёты выполнялись для всех термопар, входящих в сечение кристаллизатора, а также для средних значений по слою термопар.

^ °с 4

140

120

100 -

80 -

60 750

N¿0 ^ N

850

950

Рис. 3. Формирование массивов для расчёта параметров изменения показаний термопар

По результатам расчётов для шестнадцати случаев возникновения продольных трещин были построены диаграммы отклонений параметров, пример для которых для верхнего слоя термопар приведён на рис. 4. На верхнем графике рис. 4 чёрными точками обозначены изменения значений параметра TСР для термопар верхнего слоя столбца (ДТСР = ТСР - Т 'СР), находящегося в области возникновения продольной трещины. Белыми точками обозначены средние значения изменения параметра по всем термопарам слоя (среднее значение

величины ТСР-Т 'СР в слое, ОТ^ ). Чёрными сплошными линиями показаны максимальные и минимальные значение величины ДТСР в слое. Черными пунктирными линиями на графике обозначены границы доверительных интервалов наблюдения величины ДТСР, опре-

делённые по условию трёх стандартных отклонении. Аналогичные графические обозначения приняты на нижнем графике рис. 4 для относительных изменений параметра Т<:], (т.е. для отношения сП\у = Т<:],ГГ т).

С целью определения эффективности параметра по графикам рис. 4 было подсчитано количество экстремальных и достоверных отклонений параметра.

Под экстремальным отклонением параметра понимается случай, когда изменение анализируемого параметра для термопары, расположенной вблизи координат возникновения трещины, превышает (или меньше) изменений этого параметра для остальных термопар слоя, т.е. на графиках рис. 4 чёрная точка находится вне области между чёрными сплошными линиями.

Под достоверным отклонением параметра понималось изменение анализируемого параметра для термопары, расположенной вблизи координат возникновения трещины, выходящее за пределы доверительного интервала наблюдения, т.е. на графиках рис. 4 чёрная точка находится вне области между чёрными пунктирными линиями.

ЛГср, ЛГСР, °C д 15 10 5 0 -5 -10 -15

Абсолютные изменения АТСР = ТСР-Т 'СР

Относительные изменения dTСР = ТСР / Т 'СР

1 5 10

Рис. 4. Диаграммы отклонений параметра Тс

Из рис. 4 следует, что для параметра ТсР из шестнадцати зафиксированных случаев возникновения продольной трещины в теле отливаемой заготовки в тринадцати случаях зафиксированы экстремальные отклонения параметра и в девяти - достоверные. Таким образом, экстремальное отклонение параметра ТСР может свидетельствовать о процессе возникновения продольной трещины в 81,25% случаев, а достоверное отклонение - в 56,25% случаев. Данное процентное соотношение названо наблюдаемостью. Высокая наблюдаемость параметра являлась основным критерием по включению параметра в алгоритм работы системы раннего детектирования продольных трещин.

Приведённая методика анализа применялась к тридцати двум различным параметрам изменения показаний термопар первого и второго типов. При этом все расчёты выполнены для нескольких диапазонов наблюдения Ыдо и Жпосле: 15, 30, 60 и 90 с. Установлено, что наблюдаемость параметра ТСР при диапазоне N = 15 с составляет 70%, при N = 30, 60 и 90 с -81,25%. Таким образом, увеличение диапазона наблю-

дения N более 30 с не приводит к более достоверному определению момента возникновения продольной трещины, а лишь увеличивает время генерации сигнала.

В результате для алгоритма раннего детектирования продольных трещин выбраны два параметра, показавшие в результате анализа наблюдаемость 96% на интервале N = 30 с. При этом в 72% случаев данные параметры позволяют детектировать появление продольной трещины в течение первых 15 с с момента её образования.

Внедрение h результаты эксплуатации системы

раннего детектрования продольных трещин

В результате обработки показаний термопар установлено, что технические характеристики существующей системы температурного контроля поверхности слитка в кристаллизаторе позволяют осуществлять детектирование продольных трещин. То есть для реализации системы раннего детектирования продольных трещин необходимо получить информацию от системы MMS. В этой системе используется программное обеспечение фирмы Beckhoff, архитектура которого подразумевает наличие ADS сервера для обмена информацией между полевым оборудованием и АСУ второго уровня. Таким образом, для получения необходимой информации в системе раннего детектирования продольных трещин было достаточно подключится к серверу ADS. Кроме этого, из ОРС сервера АСУ второго уровня в систему поступают дополнительные технологические параметры: скорость вытягивания заготовки и сечение отливаемой заготовки. Таким образом, технически система реализована в виде единственного промышленного компьютера, осуществляющего сбор и обработку информации, генерацию предупреждающего сигнала и визуализацию работы алгоритма на посту оператора MHJ13 через дополнительный монитор.

Данная система была внедрена в опытно-промышленную на MHJ13 №6 ОАО «ММК» в августе 2012 г. По результатам шести месяцев эксплуатации было установлено, что система детектирует 72% продольных трещин в теле отливаемой заготовки. Отсутствие предупреждающих сигналов в остальных 28% случаев вызваны следующими факторами: 1) имеют место продольные трещины, происхождение которых не связано с процессом теплообмена поверхности слитка с поверхностями кристаллизатора, причиной возникновения подобных трещин является неудовлетворительное состояние (настройка) механического оборудования МНЛЗ-6 (выставка сегментов, конусность кристаллизатора и так далее), образование этих трещин происходит ниже расположения термопар, встроенных в кристаллизатор, и данным методом детектировать их образование невозможно; 2) часть трещин образуется в областях, расположенных между термопарами, и не отображается в показаниях датчиков.

15

Кроме этого, количество предупреждающих сигналов без образования трещины составляло, в среднем, 2,5 сигнала на плавку. Такое количество ложных сигналов было признано неудовлетворительным. Для повышения достоверности детектирования продольной трещины были проведены исследования по выявлению связи между химическим составом стали и склонностью её к трещинообразованию. В результате в алгоритм обработки показаний термопар было добавлено дополнительное условие на генерацию предупреждающего сигнала, зависящее от химического состава стали, полученного в результате лабораторного экспресс анализа. После внесения изменений в алгоритм работы системы в течение месяца эксплуатации был

зафиксирован один предупреждающий сигнал без возникновения дефекта в отливаемой заготовке. Уточнение доверительных интервалов наблюдения остальных диагностических параметров с учётом условия анализа химического состава стали позволило повысить эффективность системы до 83% детектируемых продольных трещин.

Список литературы

1. Производство стали. Том 4. Непрерывная разливка металла / Д.А. Дюдкин, В.В. Кисиленко, А.Н. Смирнов. М.: «Теплотехник», 2009. 528 с.

2. Смирнов А.Н., Куберский С.В., Штепан Е.В. Непрерывная разливка стали: учебник. Донецк: ДонГТУ, 2011. 482 с.

Information in English

Development and Application of Longitudinal Cracks Early Detection System for Continuous Cast Slabs

Pishnograev R.S., Suspitsin E.S., Shvidchenko D.V., Shvidchenko N.V., Apet A.A.

The OJSC "Magnitogorsk Iron & Steel Works" claims in its politics of quality management the continuous work aimed at improving the technology of steel production. The diagnostic systems that detect the technology process rejections and the product defects on early stages of progress are becom-ing more important since they make it possible to take corrective action in time and that way to in-crease the yield. one of those systems is the longitudinal cracks early detection system for continuous cast slabs developed and being used on the continuous caster No.6 of the OJSC "Magnitogorsk Iron & Steel Works". This article

contains information about the stages of the development of this system and practical results of its introduction.

References

1. Dyudkin D.A., Kisilenko V.V., Smirnov A.N. Proizvodstvo stali [Steel production.]. Vol. 4. Continuous casting of metal. Moscow: "Heat engineer", 2009, 528 p.

2. Smirnov A.N., Kuberskiy S.V., Shtepan E.V.. Nepreryvnaya razlivka stali [Continuous cast-ing of steel]. Textbook. Donetsk: DonGTU, 2011, 482 p.