Системы управления процессами и механизмами машин непрерывного литья заготовок

Цупрун А.Ю., Кубкин Д.А., Редько Г.А.,Колоколов А.В., Онух Д.А. НПО «ДОНИКС»
Пильгаев В.М. ЗАО «НКМЗ»

Требования рынка обуславливают постоянный поиск технологических решений, позволяющих обеспечить снижение доли энергоресурсов и материалов в себестоимости конечного продукта без потери его качества. Одним из путей снижение затрат при производстве заготовки является использование высокоскоростных многоручьевых машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Естественно, что при требуемых скоростях высокопродуктивные технологические решения не возможны без комплексной автоматизации всех участков и этапов процесса разливки.

За последние года специалистами НПО «ДОНИКС» и ЗАО «НКМЗ» решен целый ряд задач по автоматизации различных участков технологической цепочки как сортовых, так и слябовых МНЛЗ.

Система управления гидравлическим механизмом качания кристаллизатора (разработана для МНЛЗ НЛМК, ЕМЗ)

Система управления гидравлическим механизмом качания кристаллизатора обеспечивает выполнение требуемого качания кристаллизатора путем управления его положением посредством высокоточного гидравлического сервомеханизма.

Надлежащее управление качанием кристаллизатора имеет важнейшее значение для достижения высоких результатов разливки. Качание кристаллизатора с неправильной частотой или амплитудой или с неправильной формой колебаний может привести к ухудшению качества поверхности и увеличению расхода порошка для смазки кристаллизатора. Это может приводить также к прорывам металла.

В отличие от электромеханических механизмов качания кристаллизатора, гидравлический механизм качания способен менять частоту, амплитуду и форму колебаний в ходе разливки. Поэтому возможно применение оптимизированных параметров даже в том случае, когда происходит изменение марки стали или скорости разливки в процессе производства.

Механизм качания кристаллизатора запускается автоматически при запуске агрегата вытягивания, либо в ручном режиме по команде разливщика. Мгновенные значения частоты, амплитуды и формы колебаний определяются скоростью разливки металла.

Программно-аппаратный комплекс системы представляет собой единую структуру со следующими функциями:

- связь с контроллером верхнего уровня для обмена необходимой технологической информацией;

- формирование требуемого закона качания кристаллизатора;

- управление положением штока гидроцилиндра;

- формирование аварийных сигналов и сигналов технологических блокировок.

На рис.1 представлена функциональная схема системы управления механизмом качания сортовой МНЛЗ. Составляющими элементами системы качания являются: кристаллизатор, гидроцилиндр, сервоклапан, система управления. Кристаллизатор установлен на подвижной раме, поддерживаемой с одной стороны штоком гидроцилиндра, с другой стороны – пневмобуфером. Траектория движения кристаллизатора определяется перемещением штока гидроцилиндра.

Генератор сигнала, входящий в состав системы управления качанием, формирует задающий сигнал движения кристаллизатора по заданному закону. Параметры качания выбираются для каждого нового цикла с учетом текущей скорости разливки металла, исходной формы качания (синусоидальный или несинусоидальный). Отслеживая перемещение штока гидроцилиндра, производится постоянная коррекция управляющего сигнала на сервоклапан с целью выведения кристаллизатора в заданную позицию. Таким образом, система управления позволяет оперативно изменять параметры качания кристаллизатора в процессе разливки металла в зависимости от текущего изменения задающих технологических параметров.

Для визуализации процесса качания кристаллизатора система управления качанием интегрирована в цеховую информационную сеть комплекса МНЛЗ. На рис.2 представлено окно системы визуализации, которое отображает технологические параметры процесса качания кристаллизатора (разработано для сортовой МНЛЗ ЕМЗ).

Аналогичным образом решается задача управления качанием кристаллизатора слябовой МНЛЗ. Однако конструктивные особенности механизма качания приводят к модернизации системы управления качанием. На рис.3 представлена функциональная схема системы управления механизмом качания слябовой МНЛЗ.

Рис. 1. Функциональная схема системы управления механизмом качания сортовой МНЛЗ.

Рис. 2. Окно системы визуализации процесса качания кристаллизатора.

Кристаллизатор слябовой МНЛЗ приводится в движение двумя гидроцилиндрами, расположенными по обеим сторонам подвижной рамы. Отсюда возникает задача обеспечения согласованного движения штоков гидроцилиндров по обеим сторонам с целью недопущения перекоса кристаллизатора. Синхронная работа двух механизмов обеспечивается путем добавления в систему управления качанием блока согласования амплитуды и фазы качания. На основе определения разности в перемещениях штоков по обеим сторонам механизма качания производится коррекция параметров генераторов сигналов для каждого гидроцилиндра.

В режиме наладки системы управления качанием предусмотрена возможность отключения блока согласования для управления перемещением каждой стороны механизма качания.

Рис. 3. Функциональная схема системы управления механизмом качания слябовой МНЛЗ.

Система автоматического управления стопорным механизмом (реализация на сортовой МНЛЗ ЕМЗ)

Важнейшей задачей при ведении процесса разливки стали является задача поддержания заданного уровня металла в кристаллизаторе. Решаться она может несколькими способами. Наиболее распространенным для сортовых МНЛЗ является режим работы, когда массовый расход металла из сталеразливочного ковша не регулируется, а определяется параметрами, состоянием стакана дозатора и уровнем металла (высотой ферритового столба) в промежуточном ковше. Поддержание же уровня металла в кристаллизаторе осуществляется путем изменения скорости разливки (скорости тянуще-правильной машины).

Однако для производства высококачественных алюминиесодержащих марок стали требуется режим стопорной разливки, когда скорость разливки постоянна, а уровень металла в кристаллизаторе поддерживается путем изменения положения стопора.

Данная задача была поставлена специалистам НПО Доникс на МНЛЗ «Енакиевского металлургического завода» в рамках программы освоения технологии производства высококачественных алюминиесодержащих марок стали.

На первом этапе выполнения работ по проектированию и реализации системы управления стопорным механизмом была разработана математическая модель объекта регулирования, включающая в себя математические модели тянуще-правильного механизма, стопорного механизма и гидравлическую часть системы регулирования, а также систему определения уровня металла в кристаллизаторе в динамике. На основании математической модели объекта была разработана структура системы регулирования стопорным механизмом и математическая модель комплекса в целом.

Функциональная схема системы управления стопорным механизмом представлена на рис.4.

Рис.4. Функциональная схема системы управления.

Система состоит из двух контуров регулирования: внутреннего контура регулирования положения стопора и контура регулирования уровня металла в кристаллизаторе. Информация о положении стопора снимается с датчика линейного перемещения штока цилиндра, а сигнал об уровне металла в кристаллизаторе поступает от изотопного датчика.

При старте разливки на МНЛЗ происходит заполнение кристаллизатора металлом по таблице автостарта, где заложена стартовая кривая разливки. При этом регулятор уровня не работает, поскольку нет металла в зоне чувствительности датчика уровня и, следовательно, отсутствует обратная связь во внешнем контуре регулирования. При достижении уровнем металла в кристаллизаторе установленного значения происходит включение регулятора уровня и производится запуск тянуще-правильной машины.

Разработанное и проверенное посредствам моделирования математическое описание системы автоматического управления стопорным механизмом и подсистемы быстрый старт реализовано на МНЛЗ №1 «Енакиевского металлургического завода». На Рис.5 представлено окно системы визуализации процесса управления стопорным механизмом.

Рис. 5. Окно системы визуализации процесса управления стопорным механизмом.

Система динамического охлаждения (реализация на ММК «Азовсталь»)

Система вторичного охлаждения существенно влияет на процессы формирования непрерывно литой заготовки. Она должна обеспечивать рациональное распределение температуры вдоль технологической оси МНЛЗ и бездефектное формирование кристаллизующейся непрерывно литой заготовки. Реализованная система управления зоной вторичного охлаждения (ЗВО) предусматривает работу в ручном, пропорционально скоростном и динамическом режимах. Пропорционально скоростной режим управления в настоящее время является наиболее распространенным и базируется на табличных данных изменения расхода воды в зависимости от скорости разливки. При этом изменение расхода охладителя происходит одновременно во всех секциях ЗВО одновременно с изменением реальной скорости разливки. Технологическая база табличных данных или управляющих уравнений составляется для всего сортамента разливаемой продукции с учетом размерных факторов, химического состава и температур стали. Пропорциональный режим управления позволяет достаточно точно поддерживать необходимый температурный профиль при стационарном режиме разливки. Однако, поскольку при непрерывной разливки переходные режимы (изменение скорости) являются неотъемлемой частью технологического процесса, то появляются переохлажденные или перегретые участки сляба, в связи с одновременным изменением расхода охладителя во всех секциях. В конечном итоге это негативно влияет на качество продукции.

Динамический режим управления позволяет свести к минимуму негативное влияние переходных процессов на температурный профиль непрерывнолитой заготовки и повысить ее качество. Базовым параметром для разработанного алгоритма управления системой динамического охлаждения является контроль за так называемой средней скоростью различных сечений сляба вдоль технологической оси заготовки и монотонное изменение расходов воды автономно по секциям в соответствии со значениями средней скорости. Результаты моделирования приведены ниже на рис. 6. Порядковый номер секции ЗВО увеличивается по мере удаленности ее от кристаллизатора.

Технологическая база данных, используемая для реализации алгоритма, представляет собой управляющие уравнения, полученные на основе математического моделирования процессов кристаллизации.

Система управления мягким обжатием заготовки слябовой МНЛЗ (реализована для МНЛЗ НЛМК)

Система «Motest» предназначена для совместной работы с системой автоматизированного управления слябовой МНЛЗ. Система позволяет определить оптимальные параметры приложения «мягкого обжатия» для различных условий получения непрерывнолитой заготовки (рис.7).

Рис. 6. Результаты моделирования динамической системы управления ЗВО.

Рис.7. Рабочее окно программы «Motest»

Исходные данные процесса подразделяются на две группы:

статические параметры (рис.8,а) задаются в начале расчета и позволяют учесть влияние химического состава металла и геометрии заготовки;

значения динамических параметров (рис.8,б) могут быть скорректированы в любой момент времени, что дает возможность автоматически учитывать изменения скорости разливки, температуры поступающего металла, условий охлаждения в кристаллизаторе и в зоне вторичного охлаждения.

При работе программного обеспечения в системе динамического управления работой МНЛЗ значения входных данных передаются с контролирующих устройств. По исходному набору параметров проводится расчет с использованием имитационной математической модели, основанной на положениях теории тепломассобмена в многофазных средах. В результате получается информация о теплофизических характеристиках системы: плотности теплового потока, локальных коэффициентах теплоемкости и теплопроводности, температурном поле, фазовой структуре заготовки (рис.9). Важной особенностью модели является учет влияния изменений скорости разливки на теплофизические процессы. В программном обеспечении предусмотрена специальная процедура, позволяющая отобразить процесс распространения вдоль технологической оси возмущения, обусловленного изменением скорости процесса.

Завершающие процедуры расчетного блока позволяют определить верхнюю и нижнюю границы области обжатия – точки, в которых твердая часть заготовки составляет 30% и 80%, соответственно (рис.10, а). Многочисленные исследования подтверждают, что эффективность мягкого обжатия обеспечивается именно в данном интервале.

Для определения оптимальных значений усилия обжатия и раствора роликов в приводных роликовых секциях используются математические модели, имитирующие усадочные явления при формировании заготовки, а также деформационные процессы в твердой части заготовки (рис.10,б,в).

Рис.8. Комплекс исходных данных задачи

Рис.9. Результаты теплофизического расчета

Рис.10. Выходные данные задачи: графики границ области мягкого обжатия (а), усадка сляба (б) и растворы гидроцилиндров (в).

При моделировании усадочных процессов учитывалось влияние химического состава стали на коэффициент линейного расширения.

Расчет режимов работы гидроцилиндров выполняется следующим образом. Если местопо-ложение гидроцилиндра попадает в «зону мягкого обжатия» (Z30?Zгц?Z80, то для выполнения обжатия вычисляется смещение, которое необходимо передать на гидроцилиндр для осуществления сдвига. Гидроцилиндры не попавшие в «зону мягкого обжатия» переводятся в режим поддержания низкого давления.

Таким образом, программное обеспечение дает возможность определять оптимальную величину параметров обжатия и оперативно корректировать эти значения в зависимости от изменений условий разливки.

Библиографический список:

1. Процессы непрерывной разливки / А.Н. Смирнов, В.Л. Пилюшенко, А.А. Минаев и др.- Донецк: ДонНТУ, 2002.- 536 с.

2. Еронько С.П., Быковских С.В. Разливка стали: Технология. Оборудование.- К.: Техніка, 2003.- 216 с.

3. Мягкое обжатие непрерывнолитых заготовок на фирме «SAARSTAHL AG»/ R.Thom, V.Ostheimer,G.Ney и др.// «Черметинформация» Новости черной металлургии за рубежом №6 2007 г. стр.43- 45.

4. Системы динамического регулирования вторичного охлаждения и мягкого обжатия непрерывнолитых заготовок./ Л.В.Буланов, Н.А.Юровский, Е.П.Парфенов// «Черные металлы» №3 2006 стр.37- 42.

© Цупрун А.Ю., Кубкин Д.А., Редько Г.А., Пильгаев В.М., Колоколов А.В., Онух Д.А. 2010