Смекни!
smekni.com

Hазработка системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей печью скоростного нагрева

1ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯЧАСТЬ

Мировой рынокпредъявляетвсе более высокиетребованияк показателямкачества опорныхвалков прокатныхстанов (твердость,глубина закаленногослоя, распределениеостаточныхнапряжений).

Известныследующиетехнологиизакалки прокатныхвалков: в электромасляныхваннах, токамипромышленнойчастоты, токамивысокой частоты,регулируемымохлаждениемводой, водовоздушнойсмесью и др.

Одним из такихпроцессовявляетсядифференцированнаятермическаяобработка (вдальнейшем– ДТО) опорныхвалков прокатныхстанов. Технологическийпроцесс ДТОнаправлен наснижение энергозатратпри нагревевалка до температурызакалки за счетнагрева невсего объемавалка, а лишьповерхностного(закаливаемого)слоя.

С


утьДТО заключаетсяв следующем(схема и этапырежима ДТОприведены нарисунке 1):

Рисунок 1.1 -Схема и этапырежима ДТО

Этап 1 – предварительныйподогрев валка.

Производитсяв термическойпечи с выкатнымподом с цельюперевода материаласердцевинывалка в болеепластичноесостояние,способноевыдержатьвысокие растягивающиенапряженияпри последующеминтенсивномнагреве в печискоростногонагрева (в дальнейшем– ПСН).

Рациональнаясреднемассоваятемпературапредварительногоподогрева длявсех типоразмероввалков находитсяв пределахТп500С.При более низкихтемпературахвелика опасностьразрушениявалка при быстромнагреве бочкииз-за недостаточнойпластичностислабо прогретойсердцевинывалка. С ростомтемпературыпредварительногоподогреваповышаютсяостаточныенапряженияпосле ДТО и,следовательно,растет вероятностьразрушениявалка послеокончаниярежима. Требуемаяравномерностьтемпературыпечи в концеподогрева 5С.

Этап 2 – градиентныйнагрев в ПСН.

Параметрынагрева валкаопределяютсямаркой стали,требованиямипо глубинеактивного(закаленного)слоя, уровнемтрещиностойкостиметалла центральнойчасти валкаи размерамивозможныхдефектовметаллургическогопроисхождения.

Оптимальнаятемпературанагрева Тнвыбираетсяиз расчетаполучить максимальнуюзакаливаемость,т.е. максимальнуютвердостьструктуры,образующейсяв поверхностномслое валка призакалке. Оптимальныйрежим нагревасостоит измаксимальноинтенсивногонагрева поверхностибочки до температурыТн ивыдержке приданной температуредо прогревана заданнуюглубину. Ограничитьинтенсивностьнагрева могутлибо возможностиоборудования(мощность ПСН)либо высокиерастягивающиенапряжения,которые возникаютв центральнойзоне валка приинтенсивномнагреве.

Этап 3 – выдержкадля обеспеченияпрогрева бочкивалка на заданнуюглубину в ПСН.

Продолжительностьвыдержки приподдержаниитемпературыбочки валкана уровне температурынагрева Тнзависти отжелаемой глубиныпрогреваповерхностногослоя. В своюочередь, оптимальнаявеличина прогревазависит отпрокаливаемостистали и интенсивностидальнейшегоохлаждения.

Этап 4 – транспортировкавалка из ПСНв спрейернуюустановку.

Продолжительностьпереноса валкаиз ПСН к спрейернойустановкедолжна бытьсведена к минимуму.Это обусловленотем, что на воздухеповерхностныйслой валкабыстро теряеттепло.

Этап 5 – интенсивноеводяное охлаждениев спрейернойустановке.

Производитсяс максимальновозможнойплотностьюорошения сцелью формированиянаиболееблагоприятнойструктуры имаксимальнойглубины активногослоя.

Этап 6 – мягкоерегулируемоеводовоздушноеохлаждениев спрейернойустановке сотогревомповерхности.

На этом этапепродолжаетсяпринудительныйтеплосъем споверхностивалка тепловогопотока, поступающегоиз внутреннихслоев. Продолжительностьводовоздушногоохлажденияопределяетсяпо условиюдостижениясреднемассовойтемпературывалка Т0(температурыкопежа).

Этап 7 – отпускв печи с выкатнымподом.

Температураи продолжительностьотпуска определяютсяисходя из требованийна твердостьбочки валка.

Новокраматорскиймашиностроительныйзавод – лидеротечественногомашиностроения– являетсяодним из ведущихпоставщиковвалков прокатныхстанов как дляУкраины, таки в страны ближнегои дальнегозарубежья.Заводом успешноосвоены перечисленныевыше технологии.

ТехнологияДТО реализованана участке ДТО,который включаетв себя дветермическиепечи с выкатнымподом, печьскоростногонагрева, спрейернуюустановку.

Автоматизированнаясистема управлениятехнологическимпроцессом ДТОпостроена набазе оборудованияфирмы «SIEMENS»по иерархическойструктуре.


    1. Теоретическиесведения обэтапе дифференцированной

термическойобработкипрокатныхвалков - градиентном

нагреве впечи скоростногонагрева


Параметрынагрева валкаопределяютсямаркой стали,требованиямипо глубинеактивного слоя,уровнем трещиностойкостиметалла центральнойчасти валкаи размерамивозможныхдефектовметаллургическогопроисхождения.Рассмотримболее подробнофакторы, влияющиена выбор параметровнагрева.

Оптимальнаятемпературанагрева ТНвыбираетсяиз расчетаполучить максимальнуюзакаливаемость,т.е. максимальнуютвердостьструктурымартенситаи остаточногоаустенита,образующейсяв поверхностномслое валка призакалке. С ростомтемпературынагрева ТНв легированныхвалковых сталяхувеличиваетсястепень растворениякарбидов и, какследствие,повышаетсяпрокаливаемостьстали и твердостьмартенситнойматрицы. Но приэтом одновременноувеличиваетсясодержаниеостаточногоаустенита взакаленнойструктуре, чтоведет к снижениютвердости.Действие этихдвух противоположнонаправленныхфакторов приводитк появлениюмаксимума накривой зависимоститвердостизакаленнойструктуры стализаданногосостава оттемпературынагрева.

Дополнительнымфактором, которыйограничиваетТНсверху, являетсяотрицательноевлияние перегревана рост зерна аустенита и,следовательно,огрублениеструктурымартенситапосле закалки.Кроме того,повышениетемпературынагрева увеличиваетуровень максимальныхрастягивающихостаточныхнапряжений.Для стали 90ХФоптимальнойтемпературойнагрева приДТО являетсяТН920С,для стали 75ХМТН950С.

Оптимальныйрежим нагревасостоит измаксимальноинтенсивногонагрева поверхностибочки до температурыТН ивыдержке приданной температуредо прогревана заданнуюглубину вышетемпературыаустенизацииАС3.Ограничиватьинтенсивностьнагрева могутлибо возможностиоборудования(мощность печискоростногонагрева - ПСН),либо высокиерастягивающиенапряжения,которые возникаютв центральнойзоне валка приинтенсивномнагреве.

KOBE STEEL (предприятие-разработчиктеории дифференцированнойтермическойобработкипрокатныхвалков - ДТО)рекомендуетследующий режимнагрева: до960Спо металлу за3ч и выдержкав течение 1чпри температуреповерхностивалка 960С.скорость нагрева(менее 140С/ч)довольно малаи ограничивается,по-видимому,возможностямиприменяемойсистемы отопленияс радиационнымигорелками. Притаком нагревевозникающиемаксимальныерастягивающиенапряжения,которые формируютсяв конце выдержки,очень малы (впределах 180 МПадля всех диаметров).Такимобразом, с точкизрения безопасностирежим градиентногонагрева существенноменее напряжен,чем режимпредварительногоподогрева. Призаданном режимеповерхностныйслой валковразных диаметровпрогреваетсяна 140-160 мм.

ПроектируемаяПСН, оборудованнаяскоростнымигорелками, поданным базовоговарианта можетобеспечитьскорость подъематемпературыповерхностибочки валкавплоть до 300С/ч(по металлу).Для определениярациональногодиапазонапараметровнагрева разработчикамибазового варианта(фирма «Термосталь»г. Санкт-Петербург)выполнен циклрасчетов нагревавалков из стали75ХМФ до 950Спо поверхностибочки с варьированиемдиаметра валковD=1200,1600, 2000 мм, температурыпредварительногоподогреваТП=400,450, 500Си скоростинагрева пометаллу VН=100,200, 300С/ч.При этом фиксировалсякритическийразмер дефектадля всех режимов.

Результатырасчетов приведенына рисунке 1.2,где хорошовидно влияниемасштабногофактора: с ростомдиаметра формазависимостикритическогодефекта отскорости нагреваменяется напротивоположную.Если для диаметра1200 мм ДКРуменьшаетсяпри увеличениискорости нагрева,для диаметра1600 мм зависимостьнемонотонна,то для диаметра2000 мм размеркритическогодефекта увеличиваетсяс ростом VН.

П


ривыборе оптимальногосочетания ТПи VНпредварительноможно руководствоватьсяформальнымограничениемна уровеньдопустимыхдефектов поОСТ 24.023.33-86 «Ультразвуковойконтроль ВХП»,который допускаетдля валковдиаметром свыше1200 мм одиночныенесплошностис эквивалентнымдиаметром до200 мм. Принимаяэто ограничение,можно видетьиз рисунка 1.2,что применениемаксимальновозможнойинтенсивностинагрева (300С/чпо металлу)допустимо приТП=480С,450Си 400Сдля валковдиаметромсоответственно1200, 1600 и 2000 мм.

Рисунок 1.2 –Распределениетемпературыв поверхностномслое валковдиаметром 1200,1600 и 2000 мм из сталитипа 75ХМФ в концеградиентногонагрева.


Следуетподчеркнуть,что реальноепроектированиережима нагревавозможно толькопосле определенияреально возможноймаксимальнойинтенсивностинагрева в ходетеплотехническихиспытаний ПСН,а также реальнойтрещиностойкостиметалла в сердцевиневалков из разныхмарок стали,подвергнутыхулучшению.

Продолжительностьвыдержки приподдержаниитемпературыбочки валкана уровне температурынагрева ТНзависит отжелаемой глубиныпрогреваповерхностногослоя до температурыаустенизацииАС3. Всвою очередь,оптимальнаявеличина прогревазависит отпрокаливаемостистали и интенсивностиохлаждения.Суть процессазаключаетсяв следующем.

При увеличенииглубины аустенизированногослоя растети глубина закаленногослоя, но толькодо определеннойвеличины,ограниченнойвозможностямистали (прокаливаемостью)и спрейернойустановки(максимальнойинтенсивностьюохлаждения).

Рост глубиныпрогрева свышеэтого оптимальногозначения приводитк накоплениюизлишнего теплав валке, чтоначинает снижатьскорость охлажденияна границезакаленногослоя, повышаеттемпературуна оси валкаи приводит кросту остаточныхнапряжений.Вкратце этотпринцип следуетохарактеризоватьтак: не следуетпрогреватьвалок большенеобходимого.

В качествеиллюстрациина рисунке 1.3для валка диаметром1200 мм показанызависимостиглубины аустенизированногослоя LАи закаленногослояLЗ(закаленнымслоем условнопринят слойс твердостьювыше 45HS,что соответствуетналичию в структурене менее 50%бейнитно-мартенситнойсмеси) от продолжительностинагрева притемпературеповерхностиТН=950С(сталь 75ХМФ) иТН=920С(сталь 90ХФ). Нагревдо температурыТНпроводилсясо скоростью300С/чпо металлу,охлаждение– с максимальновозможной дляданной спрейернойустановки,которая допускаетпроводитьохлаждениес максимальнойплотностьюорошения от1.14 кг/м2с(валок диаметром2000 мм) до 1.9 кг/м2с(валок диаметром1200 мм).


Р


исунок1.3 – Зависимостьглубины аустенизированногослоя LЗ(а) и температурыцентра ТЦ(б) от продолжительностипрогрева приградиентномнагреве валкадиаметром 1200мм.

Из рисунка1.3 видно, чтоувеличениепродолжительностипрогрева свыше1 ч практическине увеличиваетглубину закаленногослоя для валкаиз стали 75ХМФи 90ХФ. При этомпрогревсвыше 1.5 чдаже снижаетглубину закаленногослоя в валкеиз стали 90ХФ.Дополнительнымаргументомв пользу ограниченияпродолжительностинагрева служиттот факт, чтопри выдержкетемпературацентра растетдовольно интенсивно,что будетсопровождатьсяувеличениемостаточныхнапряжений.

При выбореоптимальнойпродолжительностипрогрева следуетучитывать, чтос ростом выдержкипри температуреаустенизацииувеличиваютсяостаточныенапряженияв валке послезакалки, поэтомуэтот параметрнадо выбиратьс учетом ограниченийна уровеньостаточныхнапряжений.

В свою очередь,уровень остаточныхнапряженийможно определить,только выбраврежим охлаждения,который зависитот режима нагрева.Таким образом,параметрынагрева и охлажденияоказываютсявзаимозависимыми.Это означаетнеобходимостьмноговариантных(многопараметрических)расчетов настадии проектированиярежима дляопределенияоптимальныхзначений параметровДТО.


    1. Назначение,структура исостав АСУПСН


1.2.1 Назначение


ПСНпредназначенадля скоростногонагрева бочкивалка (предварительноподогретогов печи с выкатнымподом до температуры400-550С)с постояннойскоростью100-300С/ч(по металлу) дотемпературызакалки 920-970Си последующейвыдержкой втечение 45-60 мин.В результатенагрева в ПСНв валке формируетсяградиентноераспределениетемпературыс прогревомповерхностногослоя на заданнуюглубину.

Спрейерпредназначендля регулируемогоохлаждениябочки валка,при этом напервом этапеиспользуетсяинтенсивноеводяное охлаждениес максимальнымрасходом водыв течение 30-60 мин.На втором этапеприменяетсямягкое водо-воздушноеохлаждениес регулируемымрасходом водыв течение 75-145 мин.

Оборудованиесистемы управления(СУ) ПСН предназначенодля управлениятепловым режимомпечи скоростногонагрева в ручноми автоматизированномрежиме.

ОборудованиеСУ спрейерапредназначенодля управлениярежимом охлажденияна спрейернойустановке вручном и автоматизированномрежиме.

Оборудованиесистемы управленияпредназначенодля работы вследующихусловиях:

  • номинальноезначениеклиматическихфакторов внешнейсреды по ГОСТ15150-69, ГОСТ 15543-70 дляклиматическогоисполненияУ;

  • температураокружающейсреды от +5Сдо +50С,окружающаясреда не взрывоопасная,с содержаниемкоррозионно-активныхагентов в атмосферетипов I и II по ГОСТ15150-69, верхняяконцентрацияинертной пыли(в т.ч. токопроводящей)в воздухе неболее 10 мг/м;

  • питаниеосуществляетсяот трехфазнойсети переменноготока;

  • колебаниянапряженияпитания относительнономинальногов пределах0,85 – 1,1;

  • по способуобслуживанияшкафов и пультовс размещеннымив них техническимисредствамиАСУ выполненыодностороннегообслуживанияс доступомспереди;

  • для защитыперсонала отпораженияэлектрическимтоком приприкосновениик электрооборудованиюи для уменьшенияпомех в цепяхуправленияпримененасистема шиндля заземленияи выравниванияпотенциалаPE, заземлениеэкранов кабелейи проводов.


1.2.2 Структураи состав АСУ


Работаавтоматизированныхсистем управленияСУ ПСН и СУ спрейераоснована напринципахуправлениятехнологическимипроцессамис использованиемодного микропроцессорногоконтроллера,осуществляющегоодновременноеуправлениеобеими установкамив реальноммасштабе времени.Для связи междуотдельнымиэлектроннымиустройствамисистемы управления(контроллер,децентрализованнаяпериферия,панель оператораи промышленныйкомпьютер)организованылокальные сетиуправленияMPI и Profibus DP(Европейскийстандарт EN 50 170).

Архитектурасистемы управленияпостроена подвухуровневойсхеме:

  • нижний уровеньуправления;

  • среднийуровень управления.

Нижний уровеньуправления(НУУ) включаетв себя модулимикропроцессорногоконтроллераSIMATIC S7 - 315 DP с цифровымии аналоговымивходами-выходамии его децентрализованнуюпериферию(удаленныевходы-выходы),объединеннуюсетью PROFIBUS DP. ОборудованиеНУУ осуществляетсбор информациис пультов, шкафови датчиков, еепредварительнуюобработку ипередачу насредний уровеньуправления,а также выдачууправляющихвоздействийна исполнительныемеханизмыустановки взависимостиот алгоритмауправления.

Среднийуровень управления(СУУ) представляетсобой промышленныйкомпьютерSIMATIC RI25P, панель оператораОР7 и микропроцессорныйконтроллерSIMATIC S7-315DP объединенныесетью MPI. ОборудованиеСУУ предназначенодля ввода параметровтехнологическогопроцесса,программногоуправления,контроля, диагностикии протоколированияхода технологическогопроцесса .

В составсистемы управлениявходят:

  • шкаф контроллера;

  • шкаф электрооборудования,КИП и А;

  • шкаф компьютерный;

  • пульт управления;

  • датчикитехнологическихпараметрови электрооборудованиена механизмахПСН и спрейернойустановки.


1.2.3Управлениетепловым режимомПСН с помощьюсистемы управленияна базе микропроцессорногоконтроллера


Системауправлениятепловым режимомПСН реализованана принципахуправлениятехнологическимпроцессом врежиме реальноговремени на баземикропроцессорногоконтроллераи предназначенадля решенияследующихзадач:

  • подготовкии задания переменныхтехнологическогопроцесса инастройкипараметроврегулирования;

  • управленияавтоматикойбезопасностипечи;

  • управлениярозжигом горелок;

  • регулированиятемпературыповерхностибочки прокатноговалка илитемпературыпечи;

  • регулированиясоотношения«газ-воздух»;

  • регулированиядавления врабочем пространствепечи;

  • визуализации,контроля,диагностикии протоколированияхода технологическогопроцесса.

В составсистемы управленияфункциональновходят следующиеподсистемы:

  • подсистемаизмерениятехнологическихпараметров;

  • подсистемавизуализации,контроля,диагностикии протоколирования;

  • подсистемаавтоматическогорегулирования;

  • подсистемаавтоматикибезопасности.


1.2.4 Подсистемаизмерениятехнологическихпараметров


Подсистемаизмерениятехнологическихпараметровпредназначенадля сбора иобработкиинформацииот аналоговыхи дискретныхдатчиковтехнологическогопроцесса.

К контролируемыманалоговымпараметрамотносятся:

  • температурагазовой средыв трех точкахрабочегопространствапечи (околоторцевых стеноки посерединепечи);

  • температураповерхностинагреваемогометалла;

  • температураотходящихгазов переддымовым клапаном;

  • температураотходящихдымовых газовпосле воздушногоклапана нады­мопроводе;

  • давлениев рабочемпространствепечи:

  • расход газана печь;

  • расход воздухана печь;

  • положениезаслонок газа,воздуха идымоудаления.

Контрольтемпературыв рабочемпространствепечи осуществляетсяс помощью термопартипа ТПР-1788.

Контрольтемпературынагреваемогометалла производитсяавтоматическимоптическимпирометромARDOCELL PZ20 фирмы Siemens.

Контрольтемпературыотходящих газовосуществляетсяс использованиемтермопар ТХА-2388.

Давлениев печи измеряетсяизмерительнымпреобразователем«Сапфир-22М-ДИВ»

Расход газаи воздуха измеряетсяперед регулирующимиорганами комплектомприборов, состоящихиз зондов измерениярасхода SDF фирмыSKI и измерительныхпреобразователейSITRANS P фирмы Siemens, размещен­ныхпо месту натрубопроводахгаза и воздуха.Применениезондов обусловленонеобходимостьюминимиза­циипотерь давленияпо воздушномутракту печии существенноболее ши­рокимв сравнениис измерительнымидиафрагмамидиапазономизмерения.Программойконтроллерапредусматриваетсядемпфирова­ниемгновенных(текущих) измеренийзначений расходагаза и воздухадля сглаживанияпульсациирезультатов.

Положениязаслонок газа,воздуха идымоудаления,связанных черезтяги с исполнительнымимеханизмамиконтролируетсяблоками БСПТ-10встроеннымив МЭО.

Кконтролируемымдискретнымпараметрамотносятсяинформационныесигналы:

  • положениеи состояниевспомогательныхмеханизмовпечи;

  • минимальноеи максимальноеоткрытие МЭО;

  • наличиесрабатыванияэлектромагнитныхклапанов горелок;

  • наличиеконтроля факелагорелок и сигналовс датчиковавтоматикибезопасности;

  • текущеесостояниекнопок управления.

Информацияо положениии состояниивспомогательныхмеханизмовпечи поступаетна входы контроллерас сухих контактовпромежуточныхреле и служитдля целейдиагностики.

Сигналы оминимальноми максимальномоткрытии МЭОпоступают присрабатыванииих встроенныхконечных выключателейи служат дляограниченияхода исполнительныхмеханизмов.

Наличиесрабатыванияэлектромагнитныхклапанов фирмыKromschroederконтролируетсявстроеннымиуказателямиположения.

Наличиепламени факелагорелок контролируетсяприборамиФ34.3.

Текущеесостояниекаждой кнопкиуправленияпостоянноотслеживаетсяконтроллероми при его изменениипроизводятсядействия всоответствиес функциональнымназначениемсоответствующейкнопки.


1.2.5 Подсистемавизуализации,контроля, диагностикии протоколирования


Подсистемавизуализации,контроля, диагностикии протоколированияпредназначенадля организациидоступа в диалоговомрежиме оператора-технологаи мастера КИПи А печи к выполнениюоперацийпредусмотренныхтехнологиейпри работе ПСН.В состав подсистемыфункциональновходят промышленныйкомпьютерSIMATIC RI 25P (компьютер)и панель оператораSIMATIC OP7 (панель оператораОР7), работающиепод управлениемконтроллераSIMATIС S7-315 DP (контроллер),все оборудованиефирмы Siemens.

Компьютери панель оператораОР7 выполняютфункцию отображенияпеременныхтехнологическогопроцесса(температура,давление ит.д.), ввода технологии,параметров(задания регуляторам,настроечныекоэффициентыи т.д.) и служаткак средстводля выдачиуправляющихкоманд на контроллерпод управлениемоператора-технолога.

Для мастераКИП и А предусмотренавозможностьизменениянастройкипараметроврегуляторов,параметроввентиляции,розжига и т.д.,а также измененияконфигурациикомпьютераи панели оператораОР7 (работа саварийнымисообщениями,изменениепаролей, установкавремени и т.д).

При работеПСН системадиагностикиконтроллераосуществляетнепрерывнойконтроль засостояниеммеханизмови параметровтехнологическогопроцесса иуправляетвыдачей текстовыхсообщений намонитор компьютераи панель оператораОР7, а также световойи звуковойсигнализацией.

После запускарежима печипо температурно-временномуграфику производитьсяпротоколированиехода технологическогопроцесса сзаписью нажесткий дискпамяти промышленногокомпьютера.


1.2.6 Подсистемаавтоматическогорегулирования


Подсистемаавтоматическогорегулированияпредназначенадля управлениятепловым режимомпечи и включаетв себя три контурарегулирова­ния:

  • контуррегулированиятемпературыпечи,

  • контуррегулированиясоотношения«газ-воздух»;

  • контуррегулированиядавления впечи.

Регулированиетемпературыв печи осуществляетсяпутем воздействияна исполнительныймеханизм, связанныйрегулируемойтягой с заслонкойна газопроводе,в функции изменениятемпературыпечи по температурно-временномуграфику нагрева.Задание регуля­торуформируетсяв контроллерепо алгоритмууправленияв виде единичныхзначений взависимостиот заданнойтехнологии(изменениезадания температурыпо скоростиили во времени).

Регулированиесоотношения“газ – воздух”осуществляетсяпутем воздействияна исполнительныймеханизм, связанныйрегулируемойтягой с заслонкойна воздушномтрубопроводе,в функции каскаднойсхемы регулированиясоотношениягазовоздушнойсмеси. По этойсхеме ведущийрегулятор(температуры)работает вфункции изменениятемпературыпечи по температурно- временномуграфику нагреваи при этом формируеттекущее заданиеведомому (соотношения“газ-воздух”)по графикусоотношениярасходов газаи воздуха, аведомый регуляторв свою очередьформируетуправляющеевоздействиена исполнительныймеханизм.

Регулированиедавления врабочем пространствепечи осуществляетсяв функции поддержанияпостояннымзаданногодавления впечи, путемвоздействиемна исполнительныймеханизм связанныйрегулируемойтягой с заслонкойдымоудаления.

Элементыподсистемыавтоматическогорегулированияунифицированыи состоят избесконтактныхтиристорныхреверсивныхпускателейПБР и исполнительныхэлектрическихмеханизмовМЭО. Контрольположенияисполнительногооргана ведетсячерез токовыйдатчик обратнойсвязи и индицируетсяна соответствующемэкране компьютераили панелиоператора ОР7.

Управлениеисполнительнымимеханизмамивозможно и приотключенныхрегуляторах- в ручном режиме,дистанционно,с технологическойклавиатурыпанели оператораОР-7 или с клавиатурыкомпьютера.


1.2.7 Подсистемаавтоматикибезопасности


Подсистемаавтоматикибезопасностипредназначенадля эксплуатациив составеоборудованияпечи скоростногонагрева. Функциональноаппаратнаячасть автоматикибезопасностиработает автономноот контроллераи управляетэлектромагнитом,устанавливаемымна предохранительно-запорномклапане навводе газа кпечи.

Схема безопасностиреализованана базе контроллера“LOGO!” фирмы Siemens .Контроллер“LOGO! “ представляетсобой логическоеустройствос 12 дискретнымивходами (24В),8релейнымивыходами иреализуеталгоритм управленияотсечным газовымклапаном печии аварийнойзвуковой исветовойсигнализацией.

Включениеэлектромагнитаотсечногогазового клапанаосуществляетсякнопкой «Отсечнойклапан. Включить».Включениеотсечногоклапана возможнов том случае,если не выполняютсяусловия отсечкигаза.

Отсечка газаосуществляетсяв следующихслучаях:

  • при понижениидавления газапосле регуляторадавления нижедопустимогопредела;

  • при повышениидавления газапосле регуляторадавления вышедопустимогопредела;

  • при понижениидавления воздухав воздухопроводепечи нижедопустимогопредела;

  • при нажатиикнопки «Отсечнойклапан. Отключить»;

  • при нажатиикнопки «Аварийныйстоп»;

  • при сигналеот контроллера«Газ отключить»(данный сигналвыдаетсяконтроллеромпри погасаниифакелов горелокили при падениидавления впечи ниже аварийнодопустимогопредела).

При срабатыванииотсечногоклапана выдаетсязвуковой сигнали загораетсялампа, сигнализирующаяо причине отсечкигаза:

  • при понижениидавления газапосле регуляторадавления нижедопустимогопредела – лампа«Давление газамало»;

  • при повышениидавления газапосле регуляторадавления вышедопустимогопредела – лампа«Давление газавелико»;

  • при понижениидавления воздухав воздухопроводепечи нижедопустимогопредела - лампа«Давлениевоздуха мало»;

  • при нажатиикнопки «Отсечнойклапан. Отключить»,при нажатиикнопки «Аварийныйстоп» и присигнале отконтроллера«Газ отключить»- лампа «Отсечкагаза».


    1. Анализсуществующейсистемы управленияи

постановказадачи проектирования


Существующаяв базовом вариантесистема управленияпечью ПСН обладаетрядом достоинстви недостатков.К достоинствамследует отнестицентрализованноеуправлениевсем участкомДТО от одногоконтроллера,высокую степеньавтоматизациипроцесса нагревавалка и механизациизагрузочно-разгрузочныхработ.

К недостаткамтакой системыможно отнестиследующие:

  • применениеэлектроприводоввращения иориентирования,имеющих значительныегабариты, стоимостьи обладающиезначительноменьшей надежностьюв сравнениис аналогичнымигидравлическимиприводами;

  • применениеэлектрическихрегулирующихмеханизмовв магистраляхподачи газаи воздуха,обеспечивающихрегулированиев очень узкомдиапазоне;

  • отсутствиесинхронизацииработы приводови регуляторовподачи газовоздушнойсмеси;

  • отсутствиеконтроля потребленияэнергоносителей(природногогаза и электроэнергии);

  • применениев системе управлениядорогостоящегоимпортногооборудования.

Следовательно,проектируемаясистема должнабыть, по возможностиизбавлена отэтих недостатковили, по крайнеймере, сводитьих к минимуму.Основнымизадачамипроектированияявляются:

  • разработкаследящей системырегулирования,контроля ирегистрациипотребленияэнергоносителейдля снижениясебестоимостиконечногопродукта –валков дляпрокатныхстанов;

  • заменаэлектрическихприводов нагидравлические,обладающиеменьшими габаритами(не требуетсяустановкиредукторови других передаточныхмеханизмов),стоимостью(реализованына аппаратуреотечественногопроизводства)и надежностью;

  • установкарегуляторовподачи газовоздушнойсмеси с пропорциональнымэлектрическимуправлением,обеспечивающихрегулированиев широком диапазонес высокой точностью;

  • обеспечениесинхронизацииработы приводови регуляторовподачи дляподдержанияпроцесса прогревавалка с оптимальнымипараметрами;

  • обеспечениеминимальныхзатрат на установкусамой системыпутем возможноминимальногоизменения ужесуществующей– т.е. без измененияобщей структурыучастка в целоми печи в частности.


2РАСЧЕТНО-КОНСТРУКТОРСКАЯЧАСТЬ


2.1 Проектированиегидроприводоввращения валкаи торцовогоориентирования


2.1.1 Гидроприводвращения валка


Позаданномузначению усилияна опорныхроликах приводаМмакс=1300Нми заданной(максимальной)скорости вращениявалка Vмакс=1с-1выбираемисполнительныйорган – гидромоторвысокомоментныйтипа ГРВ-600, имеющийследующиетехническиехарактеристики(таблица 2.1).

Таблица2.1 – ТехническиехарактеристикигидродвигателяГРВ-600

Параметр

Ед.изм.

Значение

Максимальныйвращающиймомент на валуротора

Нм

1650

Номинальныйвращающиймомент на валуротора

Нм

1500

Рабочеедавление

МПа

32

Максимальнаячастота вращениявала ротора

С-1

4

Рабочийобъем

М3/об

52610-6

Номинальныйрасход рабочейжидкости

М3

0,87

МеханическийКПД


0,975

ОбъемныйКПД


0,87

Максимальнодопустимаятемпературарабочей жидкости

С

120

Рекомендуемыетипы рабочейжидкости


И20,И40, АИМ


Определениевходных и выходныхпараметровисполнительногооргана (ИО).

Давлениена входе ИО(при условии,что давлениена выходе равно0):

14,83(МПа)(2.1),

где МMAX– моментсопротивленияна валу мотора,Нм;

VГ– рабочий объеммотора, м3/об;

М– механическийКПД мотора.

Расходрабочей жидкостина входе и выходегидромотора:

3/с)(2.2);

3/с)(2.3),

где MAX– максимальнаяскорость вращенияротора, с-1;

О– объемный КПДгидромотора.

Потеридавления подлине трубопроводаи в местныхгидравлическихсопротивленияхпо данным проектноговарианта печи(Фирма «Термосталь»г. Санкт-Петербург)составляютпорядка pLИС=0.64МПа.

Выборгидравлическойаппаратурыи определениепотерь давленияв гидроаппаратах.По полученнымзначениямдавления (2.1) ирасхода (2.2) выбираемгидравлическуюаппаратуру(гидравлическаяпринципиальнаясхема приведенана листе 3 графическойчасти дипломногопроекта):

Фильтрнапорный типа1П110.19.00.190;

Гидравлическийзамок типаЗГД-10-4;

Регуляторрасхода типаДВП-25;

Дросселирующийраспределительтипа РП-20.

Техническиехарактеристикигидроаппаратовприведены втаблицах 2.2 и2.3.

Таблица2.2 – Техническиехарактеристикигидроаппаратуры

Параметр

Ед.изм

Фильтр1П110.19.00.190

ЗамокЗГД-10-4


1

2

3

4

Давлениепаспортное

МПа

32

25

Расходрабочей жидкостипаспортный

М3

23,310-4

6,6710-4

Потеридавления

МПа

0,2

0,7

Утечкирабочей жидкости

М3

4,110-6

7,310-6


Таблица2.3 – Техническиехарактеристикигидроаппаратурыс пропорциональнымэлектрическимуправлением

Параметр

Ед.изм.

ДВП-25

РП-20

Давлениеноминальное

МПа

32

32

Расходпаспортный

М3

3310-4

5010-4

Потеридавления

МПа

0,3

0,7

Потерирабочей жидкости

М3

-

1310-6

Диаметрусловногопрохода

м

2510-3

2510-3

Площадьсечения условногопрохода (средняя)

М2

4,910-4

4,910-4

Ходзолотникауправления

м

1,610-3

0,810-3

Диаметруправляющегозолотника(диаметр проходнойщели)

м

1010-3

(0,810-3)

Диаметррегулирующегозолотника

м

2510-3

4510-3

Коэффициентобратной связи

А/мм

0,26

0,23

Массауправляющегозолотника

кг

1

2,3


Определяемпотери давленияв гидроаппаратах:

в напорномфильтре:

(Па);

в гидравлическомзамке:

(Па);

в регуляторерасхода:

(Па)

Суммарныепотери давленияв гидроаппаратуре:

(Па).

Выборрегулирующегооргана: порассчитаннымзначениямдавления ирасхода выбираемдросселирующийгидравлическийраспределительс пропорциональнымэлектрическимуправлениемтипа РП-20, имеющийследующиетехническиехарактеристики(таблица 2.3). Потеридавления вгидрораспределителе

:

(Па).

Определяемпараметрынасосной установки.

Максимальноедавление навыходном патрубкенасоса:

(Па);

минимальное:

(Па).

Требуемаяподача насоса:

,

гдеQУ=QФ+QГЗ+QГР=24,410-63/с)–утечки рабочейжидкости вгидроаппаратах(паспортные);

3/с).

М


еханическиеи скоростныехарактеристикиспроектированногогидроприводарассчитаемс помощьюпрограммногопродукта SPEED(ДП10.00094.01ПД)– рисунки 2.2 и2.3.

Р


исунок2.2 – Механическиехарактеристикипривода вращениявалка

Рисунок2.3 – Скоростныехарактеристикипривода вращениявалка


2.1.2 Гидроприводторцовогоориентирования


Гидравлическаяпринципиальнаясхема приведенана листе 3 графическойчасти дипломногопроекта.

По заданномузначению усилияна штоке гидроцилиндрапривода торцовогоориентированияFMAX=425.76кН и допустимойскорости движенияштока приориентированииMAX=0.005м/с выбираемисполнительныйорган – гидроцилиндр 1П110.16.10.000производстваНКМЗ (разработандля шахтногопроходческогокомбайна среднейсерии 1П110, приводподъема стрелыс резцовымикоронками),имеющий следующиетехническиехарактеристики– таблица 2.4. Однимиз существенныхпреимуществданного гидроцилиндраявляются егонезначительныегабариты прибольшом развиваемомусилии, чтоособенно важно– привод торцовогоориентированияпредполагаетмалые перемещения(до 500 мм) довольнотяжелых прокатныхвалков (массойдо 150000 кг).

Определениевходных и выходныхпараметровгидроцилиндра.Давление рБна входев поршневуюполость (приусловии, чтодавление навыходе рВ=0):

(Па),(2.4)

где SБ– площадь поршневойполости гидроцилиндра,м2;

М– механическийКПД гидроцилиндра.

Расходна входе и выходегидроцилиндра:

3/С),(2.5)

3/С).

Таблица2.4 – Техническиехарактеристикигидроцилиндра1П110.16.10.000

Параметр

Ед. изм.

1П110.16.10.000


1

2

3

Количество

Шт.

2

Рабочеедавление

МПа

14

Диаметрпоршня

мм

220

Диаметрштока

мм

110

Ход поршня

мм

550

Объемпоршн. полости

л

20.9

Объемшток. полости

л

15.8

Усилиетолкающее

кН

532.2

Усилиетянущее

кН

399.1

Площадьпоршн. полости

м2

0.038

Площадьшток. полости

м2

0.0285

Ном. расход

л/мин

69


Потеридавления подлине трубопроводаи в местныхгидравлическихсопротивленияхпо данным базовоговарианта печисоставляютрдс=0.083106Па.

Выборгидравлическойаппаратурыи определениепотерь давленияв гидроаппаратах.По полученнымзначениямдавления (2.4) ирасхода (2.5) выбираемнеобходимуюаппаратуру[1]:

  • фильтрнапорный Ф1типа 1П110.19.00.190 сэксплуатационнымихарактеристиками– таблица 2.5

  • замкигидравлическиеЗМ2, ЗМ3 типаЗГД-10-4 с эксплуатационнымихарактеристиками– таблица 2.5

  • дросселиодносторонниеДРК1, ДРК2 типаП110.16.00.140 с эксплуатационнымихарактеристиками– таблица 2.5

  • регуляторрасхода РП спропорциональнымэлектрическимуправлениемтипа ДВП25 схарактеристиками– таблица 2.6

Таблица2.5 – Техническиехарактеристикигидроаппаратуры


РК,МПа

QК3

рК,МПа

QУ3

1П110.19.00.190

32

23.310-4

0.2

4.110-6

ЗГД-10-4

25

6.6710-4

0.7

7.310-6

П110.16.00.140

25

23.310-4

0.43

1.510-6

П110.16.00.160

25

6.310-4

0.2

0.910-6


Таблица2.6 – Техническиехарактеристикигидроаппаратурыс пропорциональнымэлектрическимуправлением

Параметр

Ед. изм.

ДВП-25

РП20

Ном.давление

МПа

32

32

Ном. расход

м3

3310-4

5010-4

Потеридавления

МПа

0.3

0.7

Расходутечек

м3

-

1310-6

Диаметрусловногопрохода

мм

25

25

Площадьусловногопрохода

м2

4.910-4

4.910-4

Диаметросновногозолотника

мм

25

45

Ходосновногозолотника

мм

6.2

3.5

Диаметрзолотникауправления

мм

10

0.8(диаметрсопла)

Ходзолотникауправления

мм

1.6

0.8

Коэффициентобратной связи


0.26

0.23

Массаосновногозолотника

кг

1

2.3


Потеридавления внапорном фильтре:

(Па);

потеридавления вгидравлическомзамке:

(Па);

потеридавления вдросселеодностороннем:

(Па);

потеридавления нарегуляторерасхода:

(Па).

Суммарныепотери давленияв гидроаппаратуре:

рАП=рФ+рГЗ+рДР+рРП=0.196106(Па).

Выборрегулирующегооргана. Порассчитаннымзначениямдавления ирасхода выбираемдросселирующийгидравлическийраспределительс пропорциональнымэлектрическимуправлениемтипа РП20, имеющийследующиехарактеристики– таблица 2.6 потеридавления вгидрораспределителе:

(Па).

Определяемвыходные параметрынасосной установки.Максимальноедавление навыходном патрубке:

рАМАХ=рАП+рДС+рГРБ=12.1106(Па);

минимальное:

рАМIN=рАП+рДС+рГР=0.282106(Па).

Требуемаяподача насоса:

QAMAX=QБ+QУ,

гдеQУ=QУ.АП=25.910-6м3/с– суммарныйрасход утечекв гидроаппаратах.

QАМАХ=3.4210-4+25.910-6=3.6710-43/с).

Площадьусловногопрохода дросселя:

м2.

М


еханическиеи скоростныехарактеристики(рисунки 2.4 и 2.5)рассчитаемс помощью программыSPEED.

Р


исунок2.4 – Механическиехарактеристикипривода торцовогоориентирования

Рисунок2.5 – Скоростныехарактеристикипривода торцовогоориентирования

2.1.3 Определениепараметровнасосной установки


Исходяиз анализаработы печи,делаем вывод,что одновременнаяработа трехгидравлическихприводов (вращениявалка, торцовогоориентированияи подъема крышки)невозможна.Тогда необходимаяподача на выходномпатрубке насосабудет равнанаибольшемуиз расходовгидроприводов(привода вращениявалка, в которомустановленыдва гидромотора),а требуемоедавление –наибольшемуиз требуемыхдавлений наисполнительныхорганах (гидродвигателипривода вращениявалка):

QАМАХ=QБМАХ=5.2610-42=10,5210-43/с),

рАМАХБМАХ=14.83106(Па),

гдеQБМАХ– наибольшийиз расходовприводов;

рБМАХ– наибольшееиз давленийв приводах.

Позначениямрасхода и давлениявыбираемтрехсекционныйшестеренныйнасос типаНШ-63-63-50 с номинальнымдавлением рА=16МПа и расходамипо секциям(14.5-14.5-11.5) м3/с.

Определимнеобходимуюмощность навалу насоса:

(кВт),

где

=0.86– полный КПДнасоса.

Выбираемприводнойдвигатель длянасосной установкитипа 2ЭДКОФ250М4У2.5исполненияJM4001.

Однасекция насосас расходом14.510-4м3/сработает напривод вращениявалка, другаяс расходом14.510-4м3/сработает напривод торцовогоориентированияи третья – напривод подъемакрышки печи(в данном проектене расчитывался).

2.1.5 Динамическийрасчет гидроприводов


С


оставляемрасчетнуюфункциональнуюсхему гидропривода:

Рисунок2.6 – Расчетнаяфункциональнаясхема гидропривода

- передаточнаяфункция генераторатока управления,

kY= IВЫХ/UВХ= 0.85/10 = 0.085(А/В) - коэффициентпередачи генераторатока;

ТУ= 0.002 с - постояннаявремени генераторатока.

Такимобразом:

.

- передаточнаяфункция пропорциональногоэлектромагнита,

kПЭ= x0/IВЫХ= 1.610-3/0.85= 1.8810-3(м/А) - коэффициентпередачиэлектромагнита;

ТЭ= LМАГН/RМАГН= 0.01c - постояннаявремени электромагнита.

Такимобразом:

.

-передаточнаяфункция гидравлическогопотенциометрас обратнойсвязью,

- коэффициентпередачипотенциометра:

=538.08 (м2/c);

kД= kPx0/pВХ= 538.0810-3/14.1106= 0.0310-65с);

=15.910-42);

=64.05105(Н/м);

тогдаkП =4.52;

=210-3(с) -постояннаявремени потенциометра;

- относительныйкоэффициентдемпфированияколебаний.

Тогда:

.

- передаточнаяфункция основногозолотника.

Для приводавращения валка:k3 =QБ/L= 0.098;

для приводаторцовогоориентирования:k3 =QБ/L= 0.049.

- передаточнаяфункция гидроцилиндраи гидромотора.

Для приводаторцовогоориентирования:

=26.31 (м-2)- коэффициентпередачигидроцилиндра;

=22.1103(Н/м) - жесткостьгидроцилиндра;

=1.23 (с) - постояннаявремени гидроцилиндра;