Семестровоезадание
по курсу: Основыавтоматики и автоматизации металлургических процессов
тема: «Системаавтоматического регулирования уровня металла в кристаллизаторе машины непрерывноголитья заготовок»
Содержание
Введение
1.Описание технологического процесса
1.1 Объектпереработки
1.2 Основныекоординатные возмущения
1.3 Математическаямодель процесса
2.Описание управляемого объекта
2.1Описание элементов гидропривода уравнениями типовых динамических звеньев
2.2Кинематическая схема гидропривода стопорного затвора
2.3 Разработкафункциональной схемы
3.Выбор датчиков технологических измерений и преобразователей сигналов
4.Расчет динамических характеристик и передаточных коэффициентов элементовсистемы
5. Выборпринципа регулирования
6.Определение передаточной функции по каналу управления и построение структурнойсхемы
7.Оценка устойчивости системы автоматического регулирования
Литература
Введение
Целью данной работы является закрепление знаний иприобретение умения и навыков описания процессов, происходящих в системахавтоматического регулирования.
Объект изучения: Кристаллизатор и промежуточный ковш МНЛЗ.
Регулирование уровня металла в кристаллизаторе имеетпервостепенное значение для процесса непрерывной разливки, так как качествослитков в большой степени зависит от точности регулирования. Этот уровень впроцессе разливки должен находиться в довольно узких заданных пределах, чтообусловлено следующими причинами возникновения аварийных ситуаций: превышениеуровня может привести к переливу металла через верх кристаллизатора; понижениеуровня ниже допустимого предела приводит к получению в пределах кристаллизаторатонкой корочки слитка, ее разрыву и прорыву жидкого металла подкристаллизатором. Значительные колебания жидкого металла нарушают такжестабильность охлаждения слитка в кристаллизаторе, изменяют условиякристаллизации и сказываются на качестве непрерывнолитого слитка.
Способ непрерывного литья заготовок является одним изнаиболее важных достижений металлургии ХХ века и за сравнительно короткийпериод времени получил самое широкое распространение в мировом сталеплавильномпроизводстве. Сейчас примерно 40% мировой выплавки стали разливается на машинахнепрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
Принцип непрерывной разливки заключается в том, чтожидкую сталь из ковша заливают в интенсивно охлаждаемую сквозную формупрямоугольного или квадратного сечения – кристаллизатор, где происходитчастичное затвердевание непрерывно-вытягиваемого слитка, дальнейшее егозатвердевание происходит при прохождении зоны вторичного охлаждения. Процесснепрерывного литья позволяет получать заготовки (после резки) для прокатныхстанов, а также его можно совместить с непрерывной прокаткой в одном агрегате.
Основные преимущества непрерывного литья стали посравнению с разливкой в изложницы:
– повышенный выход годной стали за счёт меньшей обрезиголовной и донной части слитков на 6÷12%;
– нет необходимости в большом парке изложниц исталеразливочных тележек;
– нет необходимости в применении стрипперных кранов истационарных машин для извлечения слитков из изложниц, установок для охлажденияи подготовки составов с изложницами под разливку, в установке центровых иподдонов, а также блюмингов и слябингов, а в ряде случаев и заготовочныхстанов;
– снижаются эксплуатационные расходы и затраты электроэнергии,повышается выход годного металла вследствие минимальных потерь металла в скрап,ликвидации литников, резкого уменьшения расхода металла на обрезь в прокатныхцехах и т. д.;
– значительно повышается качество металла вследствиеуменьшения поверхностных пороков и улучшения структуры слитка.
– процесс непрерывного литья поддается полнойавтоматизации.
Существует пять основных типов МНЛЗ:
1) вертикальные;
2) вертикальные с изгибом слитка;
3) радиальные;
4) криволинейные;
5) горизонтальные.
1. Описание технологического процесса
Работа МНЛЗ происходит следующим образом. Для подготовкик литью качающийся рольганг из горизонтального положения переводят в верхнеенаклонное и цепным механизмом затравку подают на рольганг задающей машины.Перемещают машину к кристаллизатору и вводят в него затравку, одновременновращая ролики приводной проводки. Головку затравки устанавливают так, чтобы онаобразовала временное дно у кристаллизатора. Ковш со сталью после продувкиаргоном устанавливают краном на сталеразливочный стенд. Промежуточный ковш,предварительно нагретый на стенде газовыми горелками, перемещают тележкой врабочее положение над кристаллизаторами по пути, перпендикулярному оси МНЛЗ.Поворотом несущей балки сталеразливочного стенда ковш с металлом переводят изрезервного положения в рабочее над промежуточным ковшом. Открывают шиберныйзатвор сталеразливочного ковша и заполняют промежуточный ковш металлом наопределенную высоту. После этого открывают затвор промежуточного ковша инаполняют кристаллизатор металлом до рабочего уровня. Включают механизм качаниякристаллизатора и привод роликовой проводки. Начинается процесс литья. Околичестве металла, находящегося в сталеразливочном и промежуточном ковшах,судят по показаниям приборов электронных весоизмерительных систем, которымиоборудованы сталеразливочный стенд и тележка для промежуточного ковша. Послевыхода затравки из роликовой проводки она отсоединяется от слиткагидравлическим механизмом и по качающемуся рольгангу, находящемуся в нижнемнаклонном положении, перемещается вверх. После этого рольганг с затравкойпереводят в горизонтальное положение до следующего цикла литья.
На пути движения в роликовой проводке слиток подвергаетсяинтенсивному охлаждению водой, подаваемой форсунками. Правка слитка производитсяна начальном участке тянуще-правильной машины. Непрерывно вытягиваемый слитокпоступает к машине газовой резки, которая режет слиток на мерные длины,двигаясь вместе с ним. Заготовки уборочным рольгангом либо подают натележку-рольганг для дальнейшего передела, либо снимают с рольганга уборочнымкраном и складируют в штабеля.
Техническая характеристика МНЛЗ:
Вместимость сталеразливочного ковша, т…………………350
Размеры сляба, мм:
толщина……………………………………………….200-300
ширина………………..............................................1000-2500
Скорость литья, м/мин…………………………………...1,0-2,5
Продолжительность разливки ковша, мин……………....35-45
Годовая производительность, млн/т…………………….…..2,0
1.1 Объект переработки
Объектом переработки является жидкий металл. Основные технологическиесвойства: температура металла в пром. ковше Т = 1595 ± 5 °С (для нержавеющей стали)
1.2 Основные координатные возмущения
Основными координатными возмущениями, оказывающимивлияние на процесс разливки является скорость вытягивания слитка, износ стаканав промежуточном ковше, остывание металла, а следовательно, повышение вязкости идинамические отклонения стопора от установившегося значения. Но так кактемпература изменяется очень плавно и в малом диапазоне, данное координатноевозмущение незначительно. Наиболее важным и основным возмущением является износдонного стакана в пром. ковше, так как его состояние в каждый момент времениконтролировать невозможно.
1.3 Математическая модель процесса
Постоянный уровень металла в кристаллизаторе (hкр =const) обеспечивается путём изменения подачи металла в кристаллизатор стопорнымзатвором промежуточного ковша при постоянной скорости вытягивания слитка.
Изменение объёма металла в кристаллизаторе, который принеизменном уровне должен быть величиной постоянной для промежутка времени Dt, может быть записано ввиде [4]:
DQмеDt/ρме – Dhкр Fкр = 0 (1)
где DQме– изменение интенсивности подачи, м3/с;
Dt– отрезок времени, с;
ρме – плотность металла, кг/м3;
Dhкр– изменение уровня металла в кристаллизаторе, м;
Fкр – площадь живого сечения кристаллизатора, м2.
Из (1) получим:
/> (2)
Переходя к пределу при Dt®0,можно записать
/>, (3)
где
k = />.
Dhkp. Fkp = DQ ® Dh = />
Уравнение (3) – дифференциальное уравнениекристаллизатора МНЛЗ. Входной величиной при этом является x(t) = DQме, а выходной – уровеньy(t) = hкр, т.е. можно уравнение (3) записать в общем виде:
/> (4)
Подача металла в кристаллизатор в зависимости отперемещения стопора определяется из выражения [4]:
Q = μfxρ/>, (5)
где fx – текущее значение проходного сечения, зависящееот высоты подъёма стопора, м2;
g – ускорение свободного падения, м/сек2;
h – уровень металла в пром. ковше, принимаемый равным 500мм;
μ – коэффициент расхода, принятый, согласноэксперимантальным данным, равным 0,5;
ρ – плотность разливаемого металла, кг/м3.
2. Описание управляемого объекта
Управляемым объектом является стопорный затвор пром.ковша МНЛЗ, имеющий гидропривод, состоящий из гидравлического цилиндракороткого хода, золотникового клапана, самого стопора и провода, подводящегосяот магистрали насосной установки к золотниковому клапану. Для осуществлениязадачи автоматической системы регулирования уровня металла в кристаллизаторе,на стенке кристаллизатора выведены и зачеканены горячие спаи термопар.
2.1 Описание элементов гидропривода уравнениями типовыхдинамических звеньев
Стопор, гидроцилиндр и термопара являются апериодическимизвеньями, так как они инерционные. Передаточные функции для них можно записатьв виде [1]:
/>, (6)
где Кi – коэффициент передачи;
Тi – постоянная времени;
р – оператор Лапласа.
Передаточная функция термопары:
Wт = />
Передаточная функция гидроцилиндра:
Wгц = />
Передаточная функция стопора:
Wст = />
Кристаллизатор, золотниковый клапан и преобразовательныеустройства ПУ1 и ПУ2 являются безынерционными звеньями, так как постояннаявремени несоизмеримо мала по сравнению с другими элементами системы,следовательно, быстродействие несоизмеримо выше, поэтому их постоянную временипринимаем равную 0. Передаточные функции этих устройств имеют вид:
/>, (7)
где Кj – коэффициент передачи.
2.2 Кинематическая схемагидропривода стопорного затвора
Кинематическаясхема гидропривода стопорного затвора – см. рисунок 1.
/>
Рисунок 1. Кинематическая схема гидропривода стопорногозатвора: 1 – промежуточный ковш МНЛЗ, 2 – стопор, 3 – гидроцилиндр, 4 –золотниковый клапан, 5 – кристаллизатор
/>
Рисунок 2. Функциональная схема системы регулирования:
ЗУ – Задающее устройство;
ЗК – Золотниковый клапан;
ГЦ – Гидравлический цилиндр;
СЗ – Стопорный затвор;
КР – Кристаллизатор;
ИУ – Измерительное устройство;
ПУ1, ПУ2, – Преобразующее устройство.
3. Выбор датчиков технологических измерений ипреобразователей сигналов
Измерительное устройство
Для данной системы регулирования уровня металла вкристаллизаторе МНЛЗ в качестве измерительного устройства целесообразноприменить термопары, смонтированные в рабочих стенках на 10 уровнях от верхнеготорца. Эта система даёт точность измерения уровня металла, равную ±6 мм, а её инерционностьсоставляет £1 с.
Ток на термопаре в момент измерения температуры [6]:
I = 10-9 A,
ЭДС = 10 мВ.
Диапазон измеряемых температур составляет 0÷600°С.
Выбираем Хромель-копелевую термопару марки ТХК-146, стальХ18Н10Т, общая длина 500 мм [5].
Преобразовательное устройство ПУ1 – для преобразованиясигнала управления гидроприводом стопорного затвора.
Преобразовательное устройство ПУ2 – для преобразования и усилениясигнала от термопары.
Для данной системы регулирования подходит преобразовательноеустройство марки П9701, с рабочим током 20 мА [5].
4. Расчет динамических характеристик и передаточныхкоэффициентов элементов системы
1. Расчёт постоянных времени элементов системы.
Так как гидропривод «жёсткий», следовательно, времяработы гидроцилиндра и стопора одинаково:
Тгц = Тст
где Тгц – постоянная времени гидроцилиндра;
Тст – постоянная времени стопора.
Для данной системы подходит стандартный гидроцилиндр сдиаметром 200 мм и ходом плунжера 50 мм [7].
P = /> /> = 198 Н (8)
где P – усилие на штоке, Н;
/>– давление масла в поршневойполости, Па;
/> – диаметр плунжера, м.
Масса стопора m = 300 кг [6].
P = m a ®a = />= />= 0,66 м/с2 (9)
где а – ускорение штока.
S = />/> (10)
Так как начальная скорость штока равна нулю,следовательно формула будет иметь вид
S = /> ® t = /> = /> = 0,38 с
Следовательно, Тгц = Тст = 0,38 с.
Термопара [5] Тт = 10 с.
2. Расчёт передаточных коэффициентов элементов системы.
Преобразовательное устройство ПУ1
Давление масла в системе 6,3 МПа, питание осуществляетсяот сети переменного тока напряжением 220 В с частотой 50 Гц.
k1 = /> = />= 2,8. 104 />
где /> – давление масла, подаваемое наклапан, Па;
/>– напряжение, В.
Золотниковый клапан k2 = 1
Гидроцилиндр
k3 = /> = /> = 3,14. 10-4 />
где /> – усилие на штоке, кгс;
/> – давление масла в гидроцилиндре,Па.
Стопор
Шток гидроцилиндра и стопор выполнены как одно целое,следовательно, k4 = 1
Кристаллизатор
k5 = 1 />
Термопара
k6 = /> = />= 6,26. 10-13 />
где /> – измеряемая температура, °С;
/> – ток на термопаре, А.
Преобразовательное устройство ПУ2
k7 = /> = /> = 2. 107
где />– ток преобразовательногоустройства ПУ2, А;
/> – ток на термопаре, А.
5. Выбор принципа регулирования
В данной системе автоматического регулированияцелесообразно применить принцип компенсации ошибки, так как основноекоординатное возмущение – износ стакана пром. ковша, невозможно контролироватьв каждый момент времени. Данный принцип даёт возможность компенсировать идругие возмущения, оказывающие непосредственное влияние на процесс непрерывнойразливки стали (минимизация динамических отклонений стопора, и др.).
6. Определение передаточной функции по каналу управления
Передаточная функция системы определяется по формуле [1]:
/>, (11)
/>
/>
W(p) = />
В результате алгебраических преобразований формула имеетвид:
/>
Так как свободный коэффициент /> по сравнению с 1 являетсянесоизмеримо малой величиной, следовательно, ей можно пренебречь.
Структурная схема системы регулирования представлена нас. 14.
7. Оценка устойчивости системы автоматическогорегулирования
1,444р3 + 7,744р2 + 10,76р + 1 = 0
Так как характеристическое уравнение третьего порядка,следовательно, при оценке устойчивости системы можно воспользоваться критериемВышнеградского.
По этому критерию для устойчивости системы третьегопорядка необходимо и достаточно выполнение двух условий:
·все коэффициенты характеристического уравнения должны быть положительными
1,444 >0; 7,744 > 0; 10,76> 0; 1 > 0;
·произведение средних коэффициентов должно быть больше произведения крайних
/>83,32
/>1,444
83,32 >1,444
Согласно критерию Вышнеградского, система устойчива.
Литература
1. ГОСТ6540-68. Цилиндры гидравлические и пневматические.
2. ЦеликовА. И. Машины и агрегаты металлургических заводов. Том 2.– М.: Металлургия,1987. 440с.
3. Г.М. Глинков, В. А. Маковский. АСУ ТП в чёрной металлургии. – М.: Металлургия,1999. 310 с.
4. Б.И. Краснов. Оптимальное управление режимами непрерывной разливки стали. – М.:Металлургия, 1970. 240 с.
5. М.Д. Климовицкий, А. П. Копелович. Автоматический контроль и регулирование вчёрной металлургии. Справочник. – М.: Металлургия, 1967. 788 с.
6. Системастабилизации уровня металла в кристаллизаторах МНЛЗ челябинскогометаллургического комбината. Техническое описание и инструкция по эксплуатации(2ж2, 570, 043 ТО).