Технологический процесс как объект управления

Рассмотрим технологический процесс непрерывной разливки стали как объект управления, выделив основные технологические узлы агрегата и связанные с ними процессы:

а) Сталеразливочный ковш – промежуточная ёмкость МНЛЗ. Задачей управления этим участком объекта является жёсткая стабилизация уровня металла в промежуточной ёмкости с целью обеспечения стабильных условий всплывания неметаллических включений и выделения газов, а также стабильности статического напора, определяющего условия истечения струи металла из дозатора или стопорного устройства в кристаллизатор. Необходимый уровень поддерживается для возможности регулирования уровня металла в кристаллизаторе, который зависит от скорости вытяжки металла.

б) Промежуточная ёмкость – кристаллизатор – тянущие клети. Стабилизация уровня металла в кристаллизаторе является одной из основных задач управления процессом разливки на МНЛЗ. Система автоматического управления уровнем металла в кристаллизаторе должна стабилизировать высоту заполнения кристаллизатора жидким металлом в ходе разливки и, таким образом, при прочих равных условиях обеспечить неизменную толщину стенок слитка при выходе его из кристаллизатора. Система управления должна исключить случаи перелива жидкого металла через кристаллизатор (что вызывает тяжёлые аварии в машине) и недопустимого снижения уровня, которые могут привести к ослаблению стенок слитка и прорыву жидкого металла. Возможны следующие два метода автоматической стабилизации уровня металла в кристаллизаторе: с помощью изменения притока жидкого металла из промежуточного ковша в кристаллизатор при постоянной скорости вытягивания слитка и с помощью изменения скорости вытягивания слитка из кристаллизатора при бесстпорном истечении металла из промежуточного ковша.

в) Тепловой режим кристаллизатора. Управление процессом кристаллизации слитка достигается выбором рациональной конструкции кристаллизатора, системы вторичного охлаждения, оптимальных скоростей вытягивания слитка и расходов охлаждающей воды. Основные требования, предъявляемые к организации теплового режима слитка при непрерывной разливке стали, сводятся к следующему:

- расход охлаждающей воды в каждом из каналов кристаллизатора должен исключить недопустимый ее перегрев, вызывающий выпадение солей на стенках каналов и ухудшение теплоотвода от слитка, и избыточную её подачу, вызывающую ускоренный теплооотвод, приводящий к ускоренной кристаллизации слитка, а также излишнюю загрузку циркуляционных насосов и повышение себестоимости стали;

- распределение интенсивности теплоотвода по периметру и длине слитка должно обеспечить отсутствие недопустимых напряжений, вызывающих появление трещин;

- при выходе слитка из кристаллизатора толщина оболочки слитка должна быть достаточной для исключения прорыва металла;

- в плоскости тянущих клетей в слитке не должна существовать жидкая фаза.

Таким образом, организация теплового режима кристаллизатора приобретает исключительно важное значение, так как именно в кристаллизаторе происходит начальное формирование оболочки непрерывного слитка.

Можно выделить три группы факторов, которые влияют на формирование оболочки слитка и на теплообмен между слитком и кристаллизатором.

К первой группе можно отнести постоянно действующие технологические факторы(марка стали, температура металла, скорость разливки): ко второй – факторы, обусловленные конструктивными особенностями кристаллизатора(размеры граней, конусность стенок, толщина и материал стенок, режимы охлаждения); к третьей – непосредственно действующие факторы(несимметричное положение слитка относительно стенок кристаллизатора, деформация оболочки слитка).

Применительно к вопросам организации теплоотвода от непрерывного слитка к охлаждающей воде наиболее существенное значение имеют факторы второй группы. При этом многочисленными исследованиями вопроса теплообмена было установлено следующее. В кристаллизаторе имеются две характерные зоны теплоотдачи: непосредственного контакта слитка со стенками кристаллизатора, характеризующаяся весьма высокими значениями теплоотвода, и газового зазора между слитком и стенками кристаллизатора. Образование газового зазора объясняется усадкой затвердевшей оболочки слитка. При этом термическое сопротивление на пути от жидкого металла к охлаждающей воде в кристаллизаторе увеличивается, а тепловой поток снижается. Последовавшее далее снижение скорости затвердевания вызывает разогрев оболочки с одновременным уменьшением её прочности, и под действием ферростатического давления оболочка вновь прижимается к стенке кристаллизатора. Тепловой поток на короткое время вновь возрастает, после чего опять наступает отход оболочки от стенок кристаллизатора. Окончательный отход оболочки слитка от стенок кристаллизатора по широким граням происходит на расстоянии 600-700 мм от верха кристаллизатора; тепловой поток при этом резко падает. Узкие грани слитка отходят от стенки кристаллизатора ещё раньше – на расстоянии 150-200 мм от верха кристаллизатора. Изменение теплового потока в кристаллизаторе соответствует изменению температуры поверхности непрерывного слитка. До окончательного образования газового зазора между слитком и стенками кристаллизатора температур поверхности слитка обычно падает до 800-900 градусов Цельсия. После возникновения зазора в связи в разогревом оболочки, её температура несколько возрастает и далее поддерживается примерно постоянной, равной для широких граней 900-1100, для узких 1100-1200 градусов Цельсия.

г) Тепловой режим зоны вторичного охлаждения. Процессы теплообмена и затвердевания непрерывного слитка в зоне вторичного охлаждения оказывают решающее влияние на его внутреннюю структуру. В связи с этим в процессе развития МНЛЗ уделялось большое влияние таких факторов, как интенсивность теплоотвода, скорость разливки, марка стали, конструктивные особенности оборудования, на теплообмен и кристаллизацию слитка в зоне вторичного охлаждения.

Как известно, на ранней стадии процесса развития процесса непрерывного литья стали получило широкое распространение струйное вторичное охлаждение, при котором вода подается на слиток в виде отдельных струй. Струйное вторичное охлаждение, обладая значительной интенсивностью, отводило преимущественно физическое тепло затвердевшей оболочки слитка, в результате чего температура поверхности слитка падала до 200-300 гр. Цельсия, резко понижаясь в первые моменты, а затем оставаясь практически постоянной.

Таким образом, при струйном охлаждении затвердевшая оболочка слитка переходила из области пластических в область упругих деформаций, что сразу вызывало появление трещин вблизи фронта кристаллизации. Попытки снизить удельные расходы воды при струйном охлаждении положительных результатов не дало, так как при этом происходило раздутие слитка под действием ферростатического давления.

Стремление снизить удельные расходы воды и вместе с тем предотвратить раздутие слитка привело к созданию форсуночно-роликовой системы вторичного охлаждения,при которой по всей высоте зоны вторичного охлаждения были установлены опорные ролики или продольные поддерживающие брусья, что предотвращало раздутие слитка. Вода в такой системе вторичного охлаждения подается на слиток форсунками с большим завихрением потока и достаточно распыленным факелом.

Такое конструктивное решение вторичного охлаждения позволило значительно снизить интенсивность охлаждения и вместе с тем избежать раздутие слитка, а следовательно, удержать температуру слитка на уровне 600-700 гр. Цельсия, т.е. в зоне пластических деформаций.

Как было установлено многочисленными исследованиями, одним из важнейших факторов в оптимизации режима вторичного охлаждения МНЛЗ является оптимизация расходов охлаждающей воды по высоте зоны вторичного охлаждения, а также соотношение расходов воды на широкие и узкие грани прямоугольного слитка. Решение этой задачи потребовало проведение расчётов затвердевания непрерывного слитка;

д) Энергосиловой режим работы. Одним из важнейших параметров рабочего процесса на МНЛЗ является усилие вытягивания слитка из кристаллизатора, определяющее энергосиловой режим работы машины. Контроль этих усилий в процессе работы машины необходимо рассматривать наравне с такими важными параметрами, которые постоянно изменяются и регистрируются, как перепад температуры воды в кристаллизаторе, температура разливаемого металла, расход воды и т.д.

Величина усилия вытягивания слитка из кристаллизатора позволяет получить информацию о характере процесса формирования оболочки непрерывного слитка в кристаллизаторе, оценить состояние стенок кристаллизатора, подачу смазки и т.д. Полученная информация после соответствующей обработки может использована в различных системах управления, оптимизирующих режим разливки с точки зрения повышения качества непрерывного слитка и увеличения производительности машин.

е) Процесс мерного реза слитка. Основными задачами рассматриваемого комплекса устройств являются:

- измерение, регистрация и отображение на приборе общей длины отлитой части слитка;

- выдача управляющих сигналов на торможение тянущих клетей при подъёме затравки до нижней плоскости кристаллизатора на расцепление затравки со слитком при наличии соответствующего механизма или на порез слитка непосредственно выше затравки и на включение машины газовой резки, обеспечивающее порез слитка на заготовки заданной мерной длины;

- учёт общего веса всех заготовок.

Исходя из всего рассмотренного можно сделать вывод, что основной проблемой в автоматизации машины непрерывного литья заготовок, является сложность управления процессом затвердевания и охлаждения слитка, так как нет достоверной информации о температурном и фазовом поле в плоскостях слитка. В данном случае необходимо применять математическую модель, с помощью которой, исходя из текущих расходов воды на секции ЗВО и перепада температур на входе и выходе кристаллизатора, можно рассчитать температурное и фазовое поле непрерывного слитка и вести по этим данным оптимальный режим технологического процесса. Все остальные задачи управления объектом без особых проблем подлежат автоматизации.

Дата добавления: 2015-03-29