Измерение уровня жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ (стр. 2 из 9)

Кроме того, с целью повышения надежности оборудовании необходимо обеспечить медленные (низкочастотные) колебаний уровня, чтобы повысить надежность оборудования. Поэтому лучшей является система, которая позволяет получить минимальные по амплитуде и частоте изменения уровня.

Величина уровня металла в кристаллизаторе связана с поступлением жидкой стали из промежуточного ковша (Q_П) и выходом слитка из кристаллизатора (Q_K). Уровень металла в кристаллизаторе будет неизменным, если в единицу времени будет поступать и выходить одинаковое количество стали, т. е.

Q_П — Q_K = 0. (3)

Самые незначительные отклонения этой разности от нуля приведут к неограниченному повышению или понижению уровня металла.

Величины Q_П и Q_K не зависят от уровня металла в кристаллизаторе, поэтому рассматриваемый объект регулирования не обладает самовыравниванием. На низких частотах он описывается дифференциальным уравнением первого порядка. Решение уравнения показывает, что реакция на выходе (уровень металла в кристаллизаторе) представляет собой интеграл от входной функции (соотношения расходов металла Q_П и Q_K). Таким образом, объект является интегрирующим и, следовательно, создает сдвиг по фазе между уходом и выходом

.

Для выполнения (3) необходимо воздействовать на Q_П или Q_K, т. е. изменить положение стопора или скорость вытягивания слитка. В небольших пределах изменение может быть достигнуто за счет повышения или понижения уровня металла в промежуточном ковше.

Анализ возмущающих воздействий показывает, что в стационарном режиме разливки нет интенсивных возмущений.

Незначительные изменения QK вызываются возмущениями по нагрузке на тянущую клеть, при которых скорость вытягивания слитка может изменяться не более чем на 5%.

Изменения QK могут быть вызваны колебаниями уровня металла в промежуточном ковше, а также размывом стопора. Оба возмущения являются низкочастотными, т. е. медленно изменяют значение QK, при этом величина влияния на условия разливки первого незначительна.

Таким образом, основной задачей является обеспечение высокой устойчивости в системе автоматического регулирования уровня путем применения соответствующих регуляторов.

С этой точки зрения системы автоматического регулирования со стопором или тянущей клетью имеют несколько разные возможности.

Выше отмечалось, что при размыве стопора расходная характеристика смещается. Изменения расхода, связанные с этим смещением, могут быть весьма большими.

При использовании пропорционального регулятора из-за существенной нелинейности расходной характеристики, а также интегрирующих свойств объекта для получения достаточного запаса устойчивости приходится снижать коэффициент усиления. Это в свою очередь приводит к значительному увеличению статической ошибки.

Для уменьшения статической ошибки необходимо ввести коррекцию по интегралу. Однако при этом снижается запас устойчивости и в системе возникают колебания. Таким образом, значительное смещение расходной характеристики — явление весьма нежелательное, однако избежать его в системе со стопором практически невозможно.

В системе регулирования уровня металла стопором имеются и другие трудности. Это высокий коэффициент регулирующего органа (стопорной пары) и значительные его изменения при изменении положения рабочей точки на расходной характеристике. Первое, как известно, в системах регулирования нежелательно, так как требует высокой точности работы регулирующего прибора, исполнительного механизма и регулирующего органа. Кроме того; не допускаются запаздывание, гистерезис, зона нечувствительности.

Практически это означает необходимость выполнения достаточно высоких требований для элементов системы, что, естественно, удорожает их изготовление и эксплуатацию. Если добавить к этому, что исполнительный механизм и регулирующий орган (стопорный механизм) работают в условиях резкого перепада температур, то станут ясными технические трудности выполнения системы.

Не менее существенным в этих условиях является стабильность общего коэффициента усиления в системе, величина которого зависит от положения рабочей точки на расходной характеристике. Изменение ее положения может привести к резкому ухудшению процесса регулирования. Поэтому во время разливки недопустимо понижение уровня в промежуточном ковше ниже определенного значения, а также повышение скорости разливки выше рабочей для данного сечения слитка.

В системе с тянущей клетью можно получить более высокий запас устойчивости, что объясняется следующим: во-первых, характеристики в системе являются линейными в широком диапазоне величин сигналов, что позволяет увеличить коэффициент усиления пропорциональной части регулятора; во-вторых, вследствие высокой стойкости стакана изменения расхода незначительны, и, следовательно, статическая ошибка ограничена. Введение интеграла в закон регулирования ухудшает запас устойчивости системы несущественно.

Рассмотрим еще один момент, важность и влияние которого одинаковы для систем регулирования со стопором и тянущей клетью, а именно, работу систем при изменении сечений разливаемых слитков, т. е. при изменении поперечных размеров кристаллизаторов. Частота такой смены может быть различной (несколько раз в день, один раз в неделю, месяц, год).

Интерес представляет прежде всего частая смена сечений, так как это наиболее сложный и общий случай. Уже отмечалось, что для МНЛЗ одного типа площади сечения слитков могут изменяться, примерно в 4 раза. Дальнейшее расширение диапазона сечений - нецелесообразно по технологическим и конструктивным соображениям, поэтому названную величину можно считать предельной,

Известно, что чувствительность объекта к возмущению обратно пропорциональна площади поперечного сечения резервуара, т. е. коэффициенту емкости. Чем больше площадь сечения, тем больше коэффициент емкости и тем меньше чувствительность объекта к возмущению. Это означает, что коэффициент усиления в системе автоматического регулирования также изменяется в 4 раза.

В связи с этим могут быть применены различные способы, стабилизирующие работу систем, однако наиболее простым является улучшение фазовых характеристик систем регулирования и повышение общего коэффициента усиления без изменения запаса устойчивости.

Если такая настройка будет выполнена для самого высокого коэффициента усиления в системе, то снижение его в 4 раза только увеличит запас устойчивости. При этом качество регулирования останется достаточно высоким, так как одновременно с понижением коэффициента усиления чувствительность уровня к возмущениям уменьшается.

Хорошие результаты можно получить, используя другие варианты компромиссной настройки, а также ступенчатое изменение коэффициента усиления при переходе от одного диапазона сечения к другому.

Применение системы автоматического регулирования уровня металла в кристаллизаторе при получении слитков малых сечений не встречает особых трудностей.

Увеличение коэффициента усиления в системе, связанное с уменьшением сечения кристаллизатора, может быть скомпенсировано. В системе со стопором частичная компенсация происходит в связи с уменьшением диаметра стакана, так как для малых сечений производительность машин МНЛЗ все-таки снижается. Расходная характеристика становится более пологой.

При стабилизации уровня с помощью тянущей клети снижение коэффициента усиления может быть достигнуто за счет регулирующего органа.

В обоих случаях выбор требуемого коэффициента усиления можно осуществить с помощью регулирующего прибора. Тем не менее хорошее качество регулирования уровня может быть достигнуто только за счет улучшения фазовых характеристик, поэтому целесообразно применение корректирующих цепей.

В статье рассмотрены в основном все особенности систем автоматического регулирования металла в кристаллизаторе, вытекающие из технологических режимов работы МНЛЗ, применяемых в настоящее время.

Выводы из вышеизложенного могут быть следующие.

1)В силу широкого диапазона технологических режимов работы МНЛЗ, а также конструктивных решений оборудования в настоящее время применяются системы автоматического регулирования с использованием стопора и тянущей клети. Это необходимо учитывать при проектировании систем.

2)Системы автоматического регулирования должны предусматривать особенности технологических режимов и конструкцию оборудования и обладать необходимой для этой цели универсальностью.

3)Анализ особенностей в системах регулирования со стопором и тянущей клетью показывает, что правильным и возможным для реализации универсальности является применение вариантных решений проектирования с использованием типовой аппаратуры.

Способы измерения уровня жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ

В последнее время разработаны новые методы непрерывной разливки стали, в соответствии с которыми разливаемый металл до образования наружной корки не подвергается воздействию окружающей атмосферы. Предложены две технологические схемы разливки: под некоторым избыточным давлением нейтрального газа и с вакуумированием металла непосредственно в потоке.[2]

При разливке под давлением в среде защитного газа исключается возможность интенсивного окисления металла кислородом окружающей атмосферы; при разливке под разрежением, кроме того, удается выделить и удалить из разливаемого металла нежелательные газовые компоненты»

Однако осуществление предложенных схем в связи с необходимостью тщательной герметизации всего тракта разливки требует усложнения конструкции машин и полной автоматизации системы управления, поскольку в этом случае ручное управление практически исключается.