2. Контроль и управление уровнем металла в кристаллизаторах мнлз

Автоматический контроль и управление процессом стабилизации уровня металла в кристаллизаторе МНЛЗ является важнейшей задачей технологии непрерывной разливки стали.

В процессе непрерывного литья стали кристаллизатору отведена одна из основных функций – формирование слитка требуемого сечения. В ходе разливки металл соприкасается со стенками кристаллизатора и кристаллизуется по периметру, образуя оболочку будущего слитка.

Основное требование к кристаллизатору – обеспечить необходимый отвод тепла от затвердевающего металла , чтобы получить на выходе из кристаллизатора прочную оболочку слитка с хорошей поверхностью которая не разрушалась бы под действием тепла жидкой фазы, ферростатического давления, а также от усилия вытягивания слитка, создаваемого тянущей клетью машины.

Система контроля и управления уровнем металла в кристаллизаторе должна исключить случаи перелива жидкого металла через кристаллизатор (что вызывает тяжелые аварии в машине) и недопустимого снижения уровня, которое может привести к ослаблению оболочки слитка и также к прорыву жидкого металла.

Возможны следующие методы автоматической стабилизации уровня металла в кристаллизаторе:

- с помощью изменения притока металла из промковша в кристаллизатор при постоянной скорости вытягивания слитка;

- с помощью изменения скорости вытягивания слитка из кристаллизатора при бесстопорном истечении металла из промежуточной емкости (так называемая дозаторная разливка через нерегулируемые стаканы – дозаторы промковша);

- комбинированный метод.

2.1Динамические характеристики объекта автоматизации промковш –

кристаллизатор – тянущие клети МНЛЗ

Уровень металла в кристаллизаторе должен стабилизироваться с высокой точностью ( допустимое отклонение Δhкр = 15 – 20 мм для мелкосортных заготовок, и 5 = 10 мм для крупных слябов).

Поэтому важно исследовать динамические характеристики объекта автоматизации и предложить эффективную структуру, соответствующие законы регулирования и настройки параметров алгоритмов регулирования.

Рассмотрим основные характеристики объекта применительно к стопорному дозированию металла в кристаллизатор.

Подача металла в кристаллизатор при перемещении стопора промковша определяется выражением:

ΔVпр = αΔfпр√2ghпк, м³/с; где:

ΔVпр – приток металла в кристаллизатор при изменении проходного сечения дозатора промковша на величину Δfпр;

α – коеффициент расхода дозатора промковша;

hпк – уровень металла в промковше, определяющий величину ферростатического напора, м.

Очевидно, изменение притока металла в кристаллизатор на ΔVпр при постоянной скорости разливки вызовет изменение уровня металла на Δhкр.

При площади сечения кристаллизатора Sкр уравнение баланса металла за отрезок времени Δτ будет иметь вид:

ΔVпр Δτ = Sкр Δhкр, откуда:

Δhкр/ Δτ = ΔVпр/ Sкр = Ка^об ΔXст; где:

ΔXст – входная величина, перемещение стопора дозатора промковша, которое вызвало изменение притока металла в кристаллизатор на ΔVпр.

Таким образом, объект автоматизции (кристаллизатор) по выходу – уровень металла является интегратором, с астатическим коэффициентом передачи Ка^об . Этот коеффициент полностью определяет динамку кристаллизатора, как звена системы автоматической стабилизации уровня металла.

Решив предыдущее уравнение относительно Ка^об , получим:

Ка^об = ΔVпр/ Sкр ΔXст; или, подставив выражение для ΔVпр, получим:

Ка^об = = αΔfпр√2ghпк/ Sкр ΔXст м/с мм хода стопора;

Особенности Ка^об :

- величина астатического коеффициента передачи объекта зависит от сечения кристаллизатора;

- величина Ка^об будет зависеть от изменений проходного сечения дозатора промковша Δfпр , точнее , от изменений отношения Δfпр/ ΔXст, которое о пределяется стабильностью расходной характеристики дозирующего устройства промковша.

Пример такой характеристики применительно к паре: пробка СП-10, стакан СП-14, приведен на рисунке 3р.

fпр, мм²

ΔXст ход стопора, мм

Рис. 3р. Конструктивная характеристика пары СП-10, СП-14

В данном случае величина Ка^об может быть рассчитана в зависимости от сечения кристаллизатора и в предположении, что коэффициент расхода α= 0,5. Результаты расчетов приведены в таблице 1р.

Таблица 1р.

Sкр, ммхмм	140 х 140	180 х 180	200 х 200	175 х 420	175 х1000
Каоб, мм/с мм хода стопора	2,1	1,67	1,5	1,05	1,03

Влияние величины Ка^об на требования к динамике канала измерения уровня металла в кристаллизаторе лучше пояснить следующим примером.

При зничении Ка^об= 2,0 и возмущении, эквивалентном 3мм хода стопора, уровень металла в кристаллизаторе при запаздывании управляющего воздействия даже на 10 с изменится на 60 мм. Такое отклонение уровня означает возникновению аварийной ситуации на МНЛЗ.

Таким образом, постоянная времени измерителей уровня и запаздывания информации в системе стабилизации уровня металла в кристаллизаторе не должны превышать 0,5 – 1,0 с.

Ситуация усложняется еще больше по причине неизбежного неупорядоченного изменения проходного сечения стопорной пары в ходе разливки при неизменном положении стопора Xст.

При этом нарушается приток металла в (основное возмущение для системы стабилизации уровня металла в кристаллизаторе), изменяется коэффициент расхода дроссельного устройства, меняется отношение Δfпр/ ΔXст и величина Ка^об.

Исследования статистических характеристик возмущений для машин со стопорной разливкой были проведены во ВНИИАчермете применительно к стопорной паре со стаканом СП – 14 и пробкой СП – 10. Стакан дозирует поступление металла в кристаллизатор сечением 220 х 220 мм.

Коеффициент поредачи для такого объекта, согласно полученным експериментальным данным составляет:

Ка^обэкв = 6,85 (рис. 4 р)

При этом наблюдалось как размывание дозирующей пары, так и зарастание проходного сечения и уменьшение Ка^об. Эти процессы являются основным источником возмущений в объекте промковш – кристаллизатор – тянущие клети МБЛЗ.

Особенность этого возмущения состоит в том, что оно приводит не только к нарушению установившегося режима в системе автоматической стабилизации уровня металла в кристаллизаторе, но в то же время существенно изменяет астатический коэффициент передачи Ка^об.

n, %

Ка^об

Рис.4р. Кривая экспериментальных частот Ка^об ( ).