6. Исполнительные механизмы
Важным элементом систем автоматического регулирования и дистанционного управления является исполнительный механизм, который за счет дополнительной энергии осуществляет перемещение регулирующего органа (клапана, заслонки, шибера, крана) в соответствии с сигналами, поступающими от управляющего или регулирующего устройства.
По виду дополнительной энергии исполнительные механизмы подразделяются на гидравлические, пневматические и электрические.
Гидравлические исполнительные механизмы (типа СПГП, ГИМ и др.) представляют собой поршневые сервомоторы с кривошипным механизмом. В пневматических исполнительных механизмах мембранного типа (например, МИМР) мембрана соединена непосредственно с регулирующим дросселем или клапаном, изменяющими подачу воздуха или газа в топливных печах.
Наиболее часто применяют электрические исполнительные механизмы. К ним относятся контакторы (серии К, КМ, КП и др.) и магнитные пускатели (серии П, ПА и др.), предназначенные для управления цепями питания электрических печей и электродвигателей; электромагнитные приводы серии ЭВ-1, ЭВ-2, ЭВ-3, МИС, ВЭМ1 и др., осуществляющие прямолинейное движение приводного органа; электромоторные (однооборотные и много об о рот ные) приводы, состоящие из электродвигателя, редуктора и конечных выключателей.
В системах автоматического регулирования температуры, давления и расхода топлива в газовых печах применяют электрические исполнительные механизмы (табл. 8).
В настоящее время Чебоксарским и Севанским заводами электрических исполнительных механизмов осваиваются малооборотные (20—100 об/мин) электродвигатели с электромагнитной редукцией и передаточным отношением 8. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
Системы автоматического регулирования углеродного потенциала атмосферы при химико-термической обработке. Регулирование углеродного потенциала в рабочем пространстве печей для химико-термической обработки предполагает одновременное регулирование состава эндогаза, вырабатываемого генератором. Поэтому система автоматического регулирования углеродного потенциала атмосферы при химико-термической обработке состоит из двух подсистем, включающих такие объекты регулирования, как печь и газогенератор.
Системы автоматического регулирования состава атмосферы газогенератора. Принцип действия системы автоматического регулирования состава атмосферы эидогазогенератора (рис. 6) состоит в следующем. Эндогаз из генератора 2 подается в печь 1, Состав газа/отбираемого из газогенератора, контролируется датчиком 3. Электрический сигнал от датчика поступает на электронный мост 4. В случае отклонения состава газа от заданного изодромный регулятор 5 подает команду на электрический (типа ИМ20-120 или ПР-1) или пневматический мембранный исполнительный механизм 6, который через регулирующий орган 7 (заслонка, кран, клапан) изменяет расход воздуха, подаваемого в смеситель 8.
Постоянство состава эндоатмосферы определяется прежде всего стабильностью состава исходного газа и точностью регулирования соотношения (пропорциони-рования) газа и воздуха, подаваемых в генератор. При стабильном составе исходного газа постоянное соотношение газа и воздуха обеспечивается сравнительно простой схемой (рис. 7).
Системы автоматического регулирования состава газа (углеродного потенциала) в печах. Состав атмосферы в печах чаще всего регулируют по точке росы или по содержанию С02. При этом заданные значения температуры точки росы или содержания С02 достигаются изменением количества подаваемой в печь добавки природного газа. Таким способом осуществляется автоматическое регулирование углеродного потенциала атмосферы при нитроцементации на 21-поддонном безмуфельном агрегате конструкции ЗИЛ [16].
В печь (рис. 8) постоянно подается определенное количество зндогаза, природного газа (метана) и аммиака, контролируемого расходомерами И. Из безмуфельной печи 1 анализируемый газ, пройдя блок 2 очистки от сажи, фильтр 4 очистки пробы газа от аммиака и влаги, подается насосом 6 через ротаметр 5 в оптико-акустический газоанализатор 7 (ОА-2209) для определения количества С02. Электрический сигнал от газоанализатора, пропорциональный концентрации СО2 в печной атмосфере, подается на электронный потенциометр 8 (ЗПД-32) с пневматическим изодромным регулятором. При отклонении количества С02 в анализируемом газе от заданной величины регулятор 9, воздействуя на пневмоклапан, изменяет количество сжатого воздуха, подаваемого в надмембранную камеру клапана 10 дополнительной подачи природного газа. При этом пропорционально увеличивается или уменьшается количество добавляемого природного газа, проходящего через ротаметр 5 и газовводы 12 в печь. Кроме того, на линии отбора пробы газа установлен контрольный газоанализатор 3 на СН4.
При таком способе регулирования количество подаваемого в печь метана может превысить величину, соответствующую стехиометрическим соотношениям реакций науглероживания. Это приводит к выпадению сажи в рабочем пространстве печи и нарушению зависимости между углеродным потенциалом и содержанием СО2. Автоматическое регулирование становится практически невозможным. Эта опасность устранена в безмуфельных агрегатах, применяемых на ВАЗе [8], в которых использован комбинированный способ регулирования состава атмосферы при цементации и нитроцементации. В зоне интенсивного насыщения углеродный потенциал не регулируется по СО2 или точке росы изменением добавки СН4, а определяется постоянством содержания метана в зоне; в печи не происходит выделения сажи и образования цементита на поверхности обрабатываемых деталей. Постоянное количество метана в зоне поддерживается автоматически.
Количество углерода в поверхностном слое детали регулируется в зоне подстуживания путем изменения углеродного потенциала, определяемого содержанием СО2 в атмосфере печи. Если содержание СО2 в зоне подстуживания (за счет проникновения СН4) оказывается меньше заданного значения, то в зону автоматически вводится добавка экзогаза с высоким содержанием С02 (8—11%). При большем содержании С02 в зону подстуживания автоматически подается добавка метана.
Автоматическое регулирование углеродного потенциала атмосферы при цементации и нитроцементации в агрегатах осуществляется одним шеститочечным прибором «Инфра и двух печах одновременно (рис. 9), агрегатах при цементации и нитроцементации:
1 — агрегат для нитроцементации; 2 — агрегат для цементации; 3 — инфракрасный газоанализатор; 4 — газовводы; 5 — отборники пробы газа
Система регулирования, однако, не учитывает возможного изменения температуры, а следовательно, и углеродного потенциала атмосферы б процессе химико-термической обработки.
Автоматическое измерение и регулирование углеродного потенциала атмосферы в печах и агрегатах, учитывающее изменение температуры в процессе химико-термической обработки, обеспечивается отечественной автоматизированной системой газового анализа при цементации (АСГА-Ц) [14]. В системе используется косвенный метод определения углеродного потенциала печной атмосферы по содержанию в ней СО2, СО и температуре с коррекцией по результатам прямых измерений концентрации углерода в фольговом или проволочном датчике.
Функциональная схема системы АСГА-Ц подключена к проходной печи с зонами нагрева 3, насыщения 4, выдержки 5 и подстуживания 6 (рис. 10). Измерительные зонды системы состоят из газозаборной трубки 8 с фильтром 9, термопары 11 с коробкой холодных спаев 10 и фольгового датчика 12. Газозаборные трубки соединены с коммутатором газовых каналов 23, подключающим по определенной программе каждый из зондов к газоанализаторам на СО 21 и С02 22 и продувочной линии. Сигналы от термопар подключаются поочередно коммутатором 13 к измерителю температуры 14. Устройство 15 вычисляет значение углеродного потенциала атмосферы печи по показаниям газоанализаторов и измерителя температуры. Величина сигнала вычислительного устройства корректируется в соответствии с результатами прямых измерений значения углеродного потенциала атмосферы по фольге. Сигнал с вычислительного устройства подается на регулятор 17, который поддерживает значение углеродного потенциала атмосферы печи в соответствии с величиной, задаваемой блоком уставок 16 на данную зону, воздействуя через коммутатор каналов 18 на соответствующий исполнительный механизм 1. Исполнительные механизмы, управляя регулирующими кранами 2, изменяют подачу метана или воздуха в зоны печи. Задаваемое значение регулируемого параметра на блоке уставок может изменяться по определенной программе устройством 20. Индикатор 19 показывает номер зоны печи, подключенной к регулятору.
Пределы измерения углеродного потенциала печной атмосферы системой АСГА-Ц от 0,2 до 1,5% С, погрешность не более ±0,05% С.
Система успешно прошла эксплуатационные испытания и серийно осваивается Смоленским заводом средств автоматики. Системы автоматического регулирования теплового режима в печах при термической обработке. Автоматическое регулирование теплового режима в печах при термической и химико-термической обработке необходимо для поддержания заданной температуры и равномерности нагрева садки, рационального использования тепловой энергии, возможности более точного регулирования состава науглероживающей атмосферы и безопасной работы системы нагрева.
Автоматическое регулирование теплового режима в печах с газовым обогревом сводится к изменению количества газовоздушной смеси, подаваемой к горелкам, и поддержанию постоянного соотношения газа и воздуха.
Автоматическое регулирование температуры в каждой зоне 21-поддонного безмуфелыюго агрегата конструкции ЗИЛ, осуществляется электронным потенциометром ЭПД-32 с изодромным пневматическим регулятором 04, воздействующим на мембранный исполнительный механизм, изменяющий расход воздуха, подаваемого к инжекционным горелкам с активной воздушной струей. Пропорционирование расходов газа и воздуха, необходимых для сгорания газа в радиационных трубах, осуществляется за счет инжекции газа воздухом, поступающим к горелкам. При этом давление газа перед горелками поддерживается равным нулю с помощью регулятора прямого действия.
Тепловой режим в печах с электрическим обогревом контролируют и регулируют с помощью измерительных приборов и регуляторов (релейного, импульсного и непрерывного действия), причем регулирование осуществляют путем ступенчатого (позиционного) или плавного (непрерывного) изменения мощности, подаваемой в печь для нагрева.
Температуру в электропечах сопротивления регулируют большей частью наиболее простым методом ступенчатого (позиционного) изменения мощности. При этом мощность печи изменяют переключением нагревателей. Например, в трехфазных печах сопротивления при переключении соединения нагревателей с треугольника на звезду мощность печи снижается в 3 раза.
Для регулирования температуры в электропечах сопротивления наиболее широко используют релейные двух- и трехпозицнонные регуляторы, реже — импульсные и непрерывного действия. При двухпозиционном регулировании в печь подается вся номинальная мощность (если температура в печи меньше заданной) и полностью отключается подача мощности, когда температура в печи превышает заданную.
При Длительной работе печи с резко меняющимся потреблением мощности применяют трехпозиционное регулирование, при котором в печь подается полная, частичная или нулевая мощность. При этом во время разогрева печи регулирование осуществляют путем подачи полной или частичной мощности, а в период выдержки — частичной или нулевой мощности.
Качество регулирования можно повысить увеличением частоты переключения мощности, подаваемой в печь. Однако с увеличением частоты переключения мощности снижается срок службы контактной коммутирующей аппаратуры, управляемой терморегулятором. В связи с этим при позиционном и особенно непрерывном регулировании целесообразно применять бесконтактные блоки питания на магнитных или тиристорных усилителях, допускающих практически неограниченную частоту переключения.
При использовании бесконтактных блоков питания, работающих совместно с высокоточным регулятором температуры ВРТ-2 непрерывного действия (Московский завод тепловой автоматики), можно обеспечить регулирование темлературы в печи с точностью до грО,5°С.
Система регулирования температуры в печн, использующая прибор ВРТ-2 (рис. 11) состоит из измерительного блока И-102, представляющего собой усилитель с задатчиком, регулирующего блока Р-111, осуществляющего П-ПИ-ПИД — законы регулирования и тиристорного блока питания У-252, изменяющего через трансформатор Тр и нагреватель # подаваемую в печь мощность.
Основные технические данные прибора ВРТ-2 с усилителем У-252: диапазон регулирования температуры 0—1600° С; точность регулирования ±0,5° С; максимально допустимая сила тока, проходящего через тиристоры при напряжении питания 360/220 В и естественном охлаждении, 60 А.