CC BY
25
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИ
УДК 62-523.2
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ШЛАКООБРАЗУЮЩЕЙ СМЕСИ В КРИСТАЛЛИЗАТОР МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК
К.В. Лицин, Д.М. Утямишев
В данной статье была исследована система автоматической подачи шлакооб-разующей смеси в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок. Описана необходимость использования шлакообразующей смеси в процессе получения стали. Представлена установка, которая реализует подачу шлакообразующей смеси (ШОС). Разработана 8СЛБЛ-система, позволяющая осуществлять контроль над эксплуатацией системы. Разработана имитационная модель электропривода шнекового дозатора, базирующая на управлении двигателем по активной составляющей тока статора. В модель входит блок электромеханической составляющей, отвечающий за работу самого шнекового дозатора. Внедрение автоматического устройства подачи шлакообразующей смеси уменьшит количество брака продукции на 3%, а также позволит сократить расход ШОС на 6%.
Ключевые слова: шлакообразующая смесь, кристаллизатор, 8СЛБЛ-система, шнек, электропривод.
В данный момент точность дозирования в автоматизированных системах является одним из главных требований производительности и экономичности [1]. Она зависит от большого числа систематических и случайных факторов: величины, формы и взаимного расположения отдельных частиц материала; коэффициента сцепления их друг с другом и с конструктивными элементами дозатора и т.д. [2-5].
Главная задача - это повышение эффективности управления автоматизированным электротехническим комплексом дозирования сыпучих материалов, так как ее решение позволит существенно увеличить его производительность и снизить неправильную дозировку особо ответственных, небольших по объему, но дорогостоящих компонентов [6-10].
Шлакообразующие смеси применяют в непрерывной разливке с целью: уменьшения отвода тепла через зеркало металла в кристаллизаторе и предотвращения образования в нём твердой корочки;
предотвращения вторичного окисления металла при контакте его зеркала с атмосферным кислородом;
повышения равномерности и регулирования теплоотвода от твёрдой корочки к стенкам кристаллизатора;
смазывания стенок кристаллизатора и уменьшения силы трения между стенками кристаллизатора и заготовкой за счёт наличия жидкой прослойки шлака;
повышения качества поверхности непрерывнолитой заготовки [11-14]. Цель работы это - повышение эффективности управления автоматической системы подачи шлакообразующей смеси в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок.
Достигнуть эту цель предлагается за счёт решения следующих задач: разработки алгоритма функционирования автоматической системы подачи шла-кообразующей смеси;
исследование работы электропривода шнекового дозатора на основе предложенного алгоритма работы.
На машине непрерывного литья заготовок №2, расположенной в электросталеплавильном цеху (ЭСПЦ) АО "Уральская Сталь" (г. Новотроицк, Оренбургская область) осуществляется разливка слябов сечением 190*1200 мм и 270*1200 мм [15]. С целью модернизации устройства предлагается механизм подачи ШОС в кристаллизатор МНЛЗ (рис. 1).
Рис. 1. Функциональная схема
Данное устройство функционирует на основе разработанного алгоритма (рис. 2). Процесс перемещения тележки контролируется концевыми датчиками, обозначенными на схеме «КВ» и «КН». Процесс перемещения в автоматическом режиме прекращается только в случае опустошения бункера со шлакообразующей смесью.
и Пущ»
Рис. 2. Алгоритм работы автоматической системы подачи ШОС
307
Работа объекта может быть остановлена при нажатии на кнопку «STOP», после чего сработает индикатор «Siren». Так же представлено главное окно разработанной SCADA - системы (рис. 3). Кнопка «Данные расхода» отображает накопленную информацию о процессе.
Автоматическая система перемещения тележки и подачи ШОСе кристаллизатор сэ :ПВ | S
Рис. 3. Внешний вид SCADA-системы
Основная идея управления заключается в том, что получить качественный металл возможно за счёт поддержания толщины слоя шлака на оптимальном уровне. Поддерживать толщину слоя шлака возможно за счёт разности температур стали и шлака [16]. Это объясняется тем, что теплопередача через слой шлака выполняется на основе закона Фурье, т.е. на величину разности температур оказывает влияние только толщина слоя шлака и его теплопроводность. Рост разности температур является признаком увеличения толщины слоя шлака, что приводит к необходимости уменьшения расхода смеси, а вместе с тем и скорости вращения шнекового дозатора [17]. Исходя из последнего, одним из критериев оптимальности работы предлагаемой системы является расход смеси, который определяет правильность протекания процесса, и себестоимость полученной стали.
На рис. 4 представлена имитационная модель электромеханической системы дозирования шлакообразующей смеси, управляемая по расходу смеси.
Рис. 4. Имитационная модель электромеханической системы дозирования шлакообразующей смеси: 1 — подсистема формирования фазных напряжений;
2 — подсистема шнекового дозатора
В качестве входного сигнала имитационной модели служит величина удельного расхода шлакообразующей смеси. Согласно [18] она составляет 0,45 кг/м2 при производстве слябов. Блок формирования фазных напряжений реализован на основе управления по активной составляющей тока статора [19]. С целью минимизации потерь на различных частотах статора необходимо варьировать напряжение согласно моменту нагрузки
так, чтобы скольжение имело критическое значение. Формирование преобразователя частоты со скалярным управлением по активной составляющей тока статора описывается выражениями (1) - (3):
2 Rr
mPUs — (1) Мэ =--s-, (1)
W [R + — )2 + (+ Xr )2 ]
s
2 2
v = 1 акт h- [(ws • Lk) + (ws • Lk) ] (2)
V2 ws ■ Lk
1 акт = !sa • cosY + ¡Sfi ' sinY (3)
где р - число пар полюсов; Rs,R',xs,xr - параметры схемы замещения двигателя; s - скольжение; Мэ - электромагнитный момент двигателя; Lk = Ls + Lr - сумма индуктивности статора и приведённой индуктивности ротора; Wr - скорость вала двигателя; Ws- круговая частота; Us , Is - напряжение и ток фазы статора; cos9- коэффициент мощности; g - угловое положение обобщающего вектора напряжения, формируемого системой управления; Isa, Isb- проекции обобщающего вектора тока статора в неподвижной системе координат.
Более подробно разработка представленной системы преобразователя частоты описана в [20].
Механическая система шнекового дозатора основана на вычислении величины расхода смеси (Q1) при входном сигнале, представляющем собой электромагнитный момент двигателя (Me) и скорость двигателя (Wr). Подсистема шнекового дозатора включает в себя:
передаточное число редуктора;
коэффициент передачи шнекового питателя;
интегратор, позволяющий учитывать массу материала в бункере, которая накапливается в течение времени работы.
временную задержку при падении материала.
Шнековый питатель описывается пропорциональным звеном, которое вычисляется на основе выражения (4):
Кш = D-R3 -Фн -Y0, (4)
где S - шаг винта; D - внешний диаметр шнека; R - радиус винта; фн - коэффициент производительности, для представленного вида горизонтального шнека 0,724 [21]; уо - насыпная объемная масса материала.
Представленная подсистема шнекового дозатора уже апробировалась в работе авторов и более подробно представлена в [22].
Адекватность разработанной имитационной модели проверена с помощью проведения сравнительного анализа удельного расхода смеси (Q1), полученного на модели и аналогичного показателя, результаты которого были взяты на базе реально проведённого эксперимента при имеющемся оборудовании (рис. 5).
Из рис. 5 следует, что отклонение результатов удельного расхода составляет 4,11 %, что вполне допустимо для дальнейшего исследования модели. Подобная разница связана с тем, что на точность технологического процесса дозирования сыпучих материалов оказывает существенное влияние следующие факторы: угол наклона шнекового дозатора к линии горизонта, физико-механические свойства материала, коэффициент заполнения корпуса шнека и т.д.
1.2
О о
с
1
0.8 0.6
0.4
0.2 0
-0.2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
1.С
Рис. 5. Результаты экспериментов на имитационной модели на экспериментальной установке: 1 — скорость двигателя шнека (в относительных единицах); 2 — расход смеси (эксперимент);
3 — расход смеси (имитационная модель)
Автоматизированное устройство подачи ШОС на технологической линии МНЛЗ-2 электросталеплавильного цеха АО «Уральская Сталь» уменьшит количество брака продукции на 3%, а также позволит сократить расход ШОС на 6%. В ходе проведения экономических расчетов установлено, что при внедрении предложенной системы произойдёт уменьшение себестоимости стали на 8,35 руб. Величины чистой приведенной стоимости (NPV=233,3 тыс.руб.) и индекса рентабельности инвестиций (PI=1,31) позволяют сделать вывод о прибыльности проекта. Срок окупаемости разработанного решения составит 11 месяцев.
Список литературы
1. Сивак Б. А., Наливайко А.В. Актуальные направления и задачи развития металлургического машиностроения России // Вестник ЮНИДО в России. 2014. №13. С. 33-36.
2. Смирнов А.Н., Куберский С.В., Штепан Е.В. Непрерывная разливка стали: учебник. Донецк: ДонНТУ, 2011. 482 с.
3. Вдовин К.Н., Точилкин В.В., Ячиков И.М. Непрерывная разливка стали: монография. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорский государственный технический университет, 2012. 540 с.
4. Бровман М.Я. Кристаллизаторы установок непрерывного литья металлов. М.: Теплотехник, 2011. 432 с.
5. Лякишев Н.П., Шалимов А.Г. Развитие технологии непрерывной разливки стали. М.: ЭЛИЗ, 2002. 208 с.
6. Куклев А.В., Лейтес А.В. Практика непрерывной разливки стали. М: Метал-лургиздат, 2011. 432 с.
7. Смирнов А.Н., Куберский С.В., Штепан Е.В. Непрерывная разливка стали: учебник. Донецк: ДонНТУ, 2011. 482 с.
8. Бесекерский В. А., Попов В.Е. Теория автоматического управления. 2003.
752 с.
9. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: Ивановский государственный энергетически университет имени В.И. Ленина, 2008. 298 с.
10. Бурулько Л.К., Дементьев Ю.Н. Электрооборудование промышленности. Электроприводы промышленных механизмов и устройств: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. 180 с.
11. Ляпушкин С.В. Повышение эффективности управления электроприводом автоматизированного комплекса дозирования сыпучих материалов дис.канд.техн.наук: 05.09.03. Томск, 2015. 146 с.
12. Ганин Д.Р., Нефедов А.В., Мурзич М.И. Механизация подачи шлакообразу-ющих смесей в кристаллизатор МНЛЗ - 2 АО «Уральская Сталь» // Механическое оборудование металлургических заводов. № 1 (8). 2017. С. 34 - 41.
13. Лицин К.В., Царуш К.А., Утямишев Д.М. Разработка системы автоматического процесса подачи слябов на продольную порезку в условиях электросталеплавильного производства // Электрометаллургия. М.: ООО. Наука и технологии. 2019. № 11. С. 33-39. DOI: 10.31044/1684-5781-2019-0-11-33-39.
14. Емельянов А.П., Чуркин Б.А. Скалярное управление асинхронным коротко-замкнутым двигателем по активной составляющей тока статора // Вестник ЮУрГУ. Серия Энергетика. 2014. Т. 14, № 3. С. 85-90.
15. Лицин К. В. Разработка частотного электропривода с активной составляющей тока статора устройства подачи смеси // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 9. С. 602-611.
16. Baskov S.N., Litsin K.V. Determination of the angular position of the rotor of a synchronous motor by connecting a high-frequency signal in the excitation winding (2015). International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2015. Proceedings 2015. P.101 - 104.
17. Baskov S.N., Litsin K.V. Research of vector-pulse start system of synchronous motor with intermediate transformer and sensorless determination of angular rotor position with mathematical methods. 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2016. Proceedings. P. 214 - 217.
18. Ключев В.И. Теория электропривода учебник для вузов. М.: Энергоатомиз-дат, 1998. 704 с.
19. Патент 1294463 СССР, МПК B 22 D 11/06. Способ регулирования подачи шлакообразующей смеси в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок и устройство для его осуществления / Н.И. Шестаков, В.М. Паршин, Е.А. Нечаев, Ю.И. Жаворонков, А.П. Щеголев, А.Г. Лунев; заявитель Череповецкий металлургический комбинат им. 50-летия СССР. № 3928255/22-02; заявл. 12.07.1985; опубл. 07.03.1987. Бюл. № 9.
20. Исаев А.Л., Куров А.В. Машинная графика в среде программирования Delphi: учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2006. 65 с.
21. Лицин К.В., Гусев А. А., Ковальчук Т.В., Исследование электропривода системы подачи шлакообразующей смеси в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок // Известия высших учебных заведений. Электромеханика Издательство: Южно-Российский государственный политехнический университет (НИИ) имени М.И. Платова (Новочеркасск). 2018. Т.61. № 5. С. 38-43.
22. Ганин Д.Р., Лицин К.В., Шевченко Е.А. Обзор и анализ устройств для подачи шлакообразующих смесей в кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация». 2018. № 1. С. 58-65.
Лицин Константин Владимирович, канд. техн. наук, доцент, декан, danil-utyamishev@,mail. ru, Россия, Новотроицк, НФ НИТУ «МИСиС»,
Утямишев Данил Марселевич, студент, danil-utyamishev@mail. ru, Россия, Новотроицк, НФ НИТУ «МИСиС»
INCREASE OF OPERATING EFFICIENCY AUTOMATIC FEED SYSTEM SLAG-FORMING
MIXTURE IN THE MOLD CONTINUOUS CASTING MACHINE BILLET
K. V. Litsin, D.M. Utyamishev
In this article, the system of automatic feeding of the slag-forming mixture into the mold of a continuous casting machine is investigated. The necessity of using a slag-forming mixture in the process of steel production is described. An installation that implements the supply of a slag-forming mixture (SCO) is presented. A SCADA system has been developed that allows monitoring the operation of the system. A simulation model of an electric drive of a screw dispenser is developed. It is based on motor control on the active component of the static current. The model includes an electromechanical component unit that is responsible for the operation of the screw dispenser itself. The introduction of an automatic device for feeding the slag-forming mixture will reduce product defects by 3%, and will also reduce the consumption of SCO by 6%.
Key words: slag-forming mixture, crystallizer, SCADA system, screw, electric drive.
Litsin Konstantin Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, dean, danil-utyamishev@,mail. ru, Russia, Novotroitsk, NF NUST «MISiS»,
Utyamishev Danil Marselevich, student, danil-utyamishev@,mail. ru, Russia, Novotroitsk, NF NUST «MISIS»
