CC BY
82
УДК 621.313.333
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ МНЛЗ С ЦЕЛЬЮ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРОРЫВА КОРОЧКИ НЕПРЕРЫВНО-ЛИТОГО СЛИТКА
C.И. Лукьянов, С.С. Красильников, Е.С. Суспицын,
Д.В. Швидченко, Р.С. Пишнограев
г. Магнитогорск, МГТУ
ELABORATION OF THE CONTINUOUS CASTER ELECTRIC DRIVES CONTROL SYSTEM FOR THE RUNOUT OF THE SINTERSKIN OF THE UNINTERRUPTEDLY-CASTED INGOT PREVENTION
S.l. Lukianov, S.S. Krasilnikov, E.S. Suspitsyn,
D.V. Shvidchenko, R.S. Pishnograev Magnitogorsk, Magnitogorsk State Technical University
Разработана методика выявления зависания корочки слитка в кристаллизаторе и предложена функциональная схема системы управления электроприводами МНЛЗ, позволяющая предотвращать прорывы непрерывно-литых слитков.
Ключевые слова: система управления электроприводом МНЛЗ, прорыв непрерыв-нолитных слитков.
A method of revelation of a sinterskin ingot hang-up in a crystallizer is elaborated. A functional diagram of an operating system of continuous caster which allows preventing runout of the uninterruptedly-casted ingots is offered.
Keywords: continuous caster electric drive control system, runout of the uninterruptedly-casted ingots.
Одним из основных факторов, определяющих производительность машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), является коэффициент её использования. Повышение значения коэффициента использования МНЛЗ прямо связано с сокращением времени простоя машины на выполнение ремонтных работ и ликвидацию последствий аварий. С целью сокращения времени простоя машины на современных МНЛЗ применяют системы технического диагностирования и контроля состояния отдельных агрегатов МНЛЗ, позволяющие сократить время выполнения ремонтных работ за счет оперативного обнаружения неисправностей оборудования и своевременной подготовки к выполнению ремонтов, и системы прогнозирования аварийных ситуаций, позволяющие на ранней стадии выявлять возникновение аварий и оперативно устранять причины их возникновения [1].
Прорыв корочки слитка является одним из самых распространенных и тяжелых видов аварии на МНЛЗ. До 80 % прорывов корочки слитка происходит из-за «приваривания» участка корочки слитка к стенке кристаллизатора (зависания корочки слитка). Прорыв корочки слитка приводит к разливу жидкого металла, температура которого составляет более 1500 °С, вынужденной остановке
машины и потере плавки. Экономические потери от одного прорыва металла с учетом затрат на восстановление оборудования и потерь производства могут достигать 1 млн рублей [2].
С целью предотвращения прорыва корочки слитка на большинстве отечественных и зарубежных МНЛЗ применяют системы раннего выявления зависания корочки слитка в кристаллизаторе. На большинстве МНЛЗ, установленных на территории Российской Федерации, используется система «Термовизор» производства НПП «Техноап» (г. Москва). Диагностическая информация от системы «Термовизор» поступает на пульт главного поста управления МНЛЗ в виде визуальных и звуковых предупреждающих сигналов, на основании которых оператор разливки, согласно технологической инструкции, в случае диагноза о зависании корочки слитка в кристаллизаторе сообщает об опасности прорыва на разливочную площадку и снижает скорость разливки до 0,4 м/мин. После этого персонал на разливочной площадке визуально проверяет достоверность диагноза о зависании корочки слитка и, в случае подтверждения диагноза, даёт команду на главный пост управления на остановку машины. Далее оператор поста управления в ручном режиме останавливает МНЛЗ. В
случае ложного диагноза оператор главного поста выполняет разгон МНЛЗ до рабочей скорости вытягивания слитка [3, 4].
В процессе эксплуатации системы «Термови-зор» на МНЛЗ №1-5 ОАО «ММК» выявлены следующие её недостатки [3]:
1. Низкая достоверность диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе. Так, в период с 01.01.2009 г. по 31.12.2009 г., в кисло-родно-конвертерном цехе (ККЦ) ОАО «ММК» зафиксировано 10 не выявленных системой случаев зависания корочки слитка в кристаллизаторе.
2. Высокое количество (до 70 %) ложных диагнозов о зависании корочки слитка в кристаллизаторе, что приводит к неоправданным снижениям скорости вытягивания слитка и, как следствие, к снижению производительности МНЛЗ, ухудшению качества слябов из-за нарушения технологии непрерывной разливки и нарушению ритмичности работы смежных технологических агрегатов.
3. Отсутствие технической возможности автоматического управления электроприводами. Процесс ликвидации зависания корочки слитка в ручном режиме на основе визуальной и звуковой информации приводит к возникновению прорывов, связанных с субъективными факторами.
На ряде зарубежных МНЛЗ применяются системы автоматического управления механизмами машин с целью предотвращения прорыва корочки слитка в кристаллизаторе. Однако конкретная информация о принципах работы указанных систем, а также систем диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе, отсутствует и является «секретом производства» фирм-конструкторов и производителей МНЛЗ.
Поэтому задача разработки системы диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе, обладающей высокой достоверностью диагнозов, и на её основе системы автоматического управления электроприводами механизмов МНЛЗ, позволяющей существенно снизить вероятность прорыва корочки слитка, является актуальной.
160 , 200 , 200 , 200,
а)
В мировой практике для анализа и контроля теплообменных процессов при формировании корочки слитка в кристаллизаторе наиболее часто применяется метод, основанный на измерении при помощи термопар температуры медных стенок кристаллизатора. Термопары располагают в несколько рядов по периметру кристаллизатора таким образом, чтобы в рабочем режиме разливки стали все термопары находились ниже уровня металла.
На МНЛЗ №1-5 ОАО «ММК», производства ОАО «Уралмаш», в стенки кристаллизаторов установлены 3 ряда термопар по 36 датчиков в каждом ряду (рис. 1, а). Информация с термопар поступает в автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУ ТП) МНЛЗ с дискретой съема сигналов от каждого датчика Дг = 0,85 с [3].
На рис. 1, б приведены типичные временные диаграммы изменения сигналов температур ^,
поступающих в АСУ ТП МНЛЗ от термопар, при зависании корочки слитка в районе 40-й термопары (рис. 1, а). Согласно рис. 1, б зависание корочки слитка (момент времени Ц ) в районе 40-й термопары приводит к росту значений температуры ^40 • После достижения температуры определённой экстремальной величины, наблюдается её снижение ниже значения, соответствующего нормальному режиму охлаждения металла в кристаллизаторе. Кроме этого, наблюдается аналогичное Т40 со сдвигом во времени изменение значений температур на смежных датчиках № 41 и№ 77.
В результате аналитического и статистического анализа временных диаграмм изменения значений температур Tj для нормальных режимов разливки стали и для случаев зависания корочки слитка в кристаллизаторе определены характеристические признаки зависания корочки слитка в кристаллизаторе: рост температуры на участке рабочей стенки кристаллизатора в зоне зависания корочки слитка; последующее снижение темпера-
0 15 30 45 60 75 90 105 120 % с
б)
Рис. 1. Зависание корочки слитка в кристаллизаторе: а - фрагмент медной стенки кристаллизатора; б - временные диаграммы изменения температуры Tj на термопарах № 40, 41, 77
Электромеханика
туры на данном участке ниже значения температуры, соответствующего нормальному режиму охлаждения металла в кристаллизаторе; аналогичное проявление изменения температуры на смежных датчиках с запаздыванием по времени.
При анализе временных диаграмм были статистически обоснованы и рассчитаны числовые характеристики и математические выражения для построения авторской методики диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе [5].
Предложена следующая методика выявления зависания корочки слитка в кристаллизаторе.
1. Формируется массив А[п,т] значений
температур Ti j для каждой термопары, где / = 0...п п = 121 - длина диагностического масси-
5
ва; у = 0...т , пг - количество термопар, находящихся в рабочем периметре кристаллизатора при отливке слябов конкретного сечения.
2. По данным массива А[п, ш] рассчитывается
и формируется массив В[к,т] (объемом
к-п-1 = 120) интенсивностей изменения температур (АТ / At)j J рабочей поверхности кристаллизатора:
(—) =-Н.....—(1)
I АГ )и А/
3. Выполняется проверка первого диагностического признака зависания корочки слитка: наличие роста интенсивности изменения температуры на каждом участке рабочей стенки кристаллизатора.
По данным массива В[к,т] рассчитываются значения математических ожиданий (АТ / Ы)., дисперсий 5^77, доверительные интервалы генеральной дисперсии ст2(Д77Д^у на уровне значимости д = 1 - р = 0,05 и определяются верхние границы максимальных интенсивностей изменения температуры (ДГ / Аг)таху для каждой термопары [4].
Для всех значений интенсивностей массива В[к, т] проверяется условие:
(АТШ),,,>(&ГШ)т1 ■ га
4. Выполняется проверка второго диагностического признака зависания корочки слитка в кристаллизаторе. По данным А[п,ш] рассчитываются
коэффициенты наклона Ку аппроксимирующей зависимости (Г) = Kj^t + В•:
И- ( N Л К /=1 ) - (и \ IX V /=1 ) г > -кГ*
( N Л V /=1 ) (и \ - ь V /=1 У 2
Если К] <0, то можно сделать вывод о зависании корочки слитка в кристаллизаторе.
5. Выполняется проверка третьего признака зависания корочки слитка:
(4)
^раеч ]
где ®реал7 - реальное время задержки меж-
ду моментами увеличения температур 7^ на смеж-ных термопарах, с; ©расч/ = {у, ~У,-Х)1Ур - рас-
четное время задержки между моментами увеличения температур Tj на смежных термопарах, с; у- и
у^х - вертикальные координаты термопар, расположенных друг под другом, м; ¥р - скорость вытягивания слитка, м/мин; К = (0,75...2) - эмпирический коэффициент.
Если проверки по пп. 3-5 выполняются, то делается вывод о возникновении зависания корочки слитка в кристаллизаторе.
На основании предложенной методики была разработана и внедрена в АСУ ТП МНЛЗ №1, 5 ОАО «ММК» программа раннего выявления зависания корочки слитка в кристаллизаторе. За время эксплуатации с 24.04.2009 г. программа показала высокую достоверность диагнозов о зависании корочки слитка (100 %) при низком количестве (до 4 в месяц) ложных сигналов.
На основании проведенных исследований с учетом технологических особенностей разливки стали на МНЛЗ криволинейного типа определены технологические требования к электроприводам основных механизмов МНЛЗ с позиции предотвращения прорыва жидкого металла при зависании корочки слитка в кристаллизаторе:
1. Электроприводы тянущих роликов и механизма качания кристаллизатора должны иметь возможность синхронно, за минимально возможное время, осуществлять кратковременный останов механизмов при возникновении зависания корочки слитка в кристаллизаторе. Одновременно и синхронно с этим электропривод стопорного механизма промежуточного ковша должен обеспечить закрытие стопора и гарантированно обеспечить прекращение подачи металла в кристаллизатор.
2. В системе управления электроприводами механизма качания кристаллизатора, тянущих роликов и стопорного механизма промежуточного ковша должна быть предусмотрена возможность по истечении 20-30 секунд с момента останова электроприводов автономного асинхронного разгона указанных механизмов до скорости вытягивания слитка 0,2 м/мин.
Далее управление электроприводами МНЛЗ передаётся АСУ ТП машины.
С учетом указанных технологических требований разработана структурная схема системы
-380В
АСУТП
РЭЗ
Задание
частоты
качания
Значение уровня I металла
ПК
изп
а
РЭ2
0 а.
1 Ё*.
* I
& I
БОЗ
из
зи |-»ф—---------------►Грт
дт
:ряші
дс
І-/—ВшЦ—
/
(ТГ) -220В
й §
ОМ
Я- ►!
РС
£
►[рт}-
шип
дт
дс
Иш2
—[@ь^-/
/
ДИШ
дп
-380В
АСУ
РЭ1
PH РТ |
Н~ДТ~1
да
да
—сз—
М-
_Ид5_
-{@0-
ч@п-
Ч@Ь-|
Электропривод тянущих роликов
220
Рис. 2. Функциональная схема управления электроприводами МНЛЗ
В
ІІВІД
_КвЬсд_
Квп I
управления электроприводами МНЛЗ (рис. 2) и алгоритм управления электроприводами при зависании корочки слитка в кристаллизаторе.
Предложено реализовать функции диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе и управления электроприводами МНЛЗ с целью предотвращения прорыва корочки слитка в одном микропроцессорном устройстве - блоке определения зависаний (БОЗ). При выявлении зависания корочки слитка в кристаллизаторе по сигналу управления Из с помощью релейных элементов РЭ1-РЭЗ (рис. 2) осуществляется отключение систем управления электроприводами МНЛЗ от АСУ ТП машины и их подключение к управляющим выходам блока БОЗ. После разгона электроприводов МНЛЗ до скорости вытягивания слитка 0,2 м/мин блок БОЗ передает управление электроприводами МНЛЗ системе АСУ ТП.
На рис. 2 приняты следующие обозначения: БОЗ - блок определения зависания корочки слитка в кристаллизаторе; РЭ - релейный элемент; ПК -программируемый контроллер; ЗИ - задатчик интенсивности; РП - регулятор положения; РС - ре-
гулятор скорости; РТ - регулятор тока; ДТ - датчик тока; ДС - датчик скорости; ДН - датчик напряжения; ДП - датчик положения; ОМ - ограничитель момента; ДПШ - датчик положения штока привода стопора.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенной системы управления, рассчитанный по данным за 2009 год, составил 2,8 млн руб. в год.
Литература
1. Лукьянов, С. И. Электропривод тянущеправильного устройства МНЛЗ: монография / С.И. Лукьянов. — Магнитогорск: МГТУ, 2002. — 100 с.
2. Машины непрерывного литья заготовок. Теория и расчет / Л.В. Буланов, Л.Г. Корзунин, Е.П. Парфенов и др. // ГУП-ПИК «Идеал-Пресс», 2003. - 299 с.
3. Анализ существующей системы предотвращения прорыва корочки слитка и ее взаимосвязь с электроприводом ТПУ МНЛЗ / С.И. Лукья-
Электромеханика
нов, Е.С. Суспицын, Д. В. Швидченко др. — Магнитогорск: МГТУ, 2008. - 14 с. - Деп. в ВИНИТИ 24.06.08, № 527-В2008.
4. Обобщенный алгоритм управления электроприводами МНЛЗ при зависании корочки слитка в кристаллизаторе / Е.С. Суспицын, Д.В. Швидченко, С. С. Красильников др. // Материалы докладов IV международной молодежной научной конференции «Тинчринские чтения». -
Казань: Казанский гос. техн. ун-т. — 2009. — Т. 3. -С 167-169.
5. Определение требований к системе управления электроприводом ТПУ с позиций предотвращения прорыва корочки слитка / С. С. Красильников, С.И. Лукьянов, Е.С. Суспицын и др. // Оптимизация режимов работы электротехнических систем: межвуз. сб. науч. тр. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т. - 2008. - С. 160-163.
Поступила в редакцию 04.02.2010 г.
Лукьянов Сергей Иванович - доктор технических наук, профессор, проректор по инновационным технологиям и инвестициям ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный университет им. Г.И. Носова». Область научных интересов - общепромышленный электропривод.
Lukyanov Sergey Ivanovich is Dr. Sc. (Engineering), Professor, Vice-Rector for innovation technologies and investments of Magnitogorsk State Technical University. Research interests: general industrial electric drive.
Красильников Сергей Сергеевич - аспирант кафедры электроники и микроэлектроники ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный университет им. Г.И. Носова». Область научных интересов - общепромышленный электропривод.
Krasilnikov Sergey Sergeevich is a post-graduate student of the Electronics and Microelectronics Department of Magnitogorsk State Technical University. Research interests: general industrial electric drive.
Суспицын Евгений Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры электроники и микроэлектроники ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный университет им. Г.И. Носова». Область научных интересов - общепромышленный электропривод.
Suspitsin Euvgeny Sergeevich is Cand. Sc. (Engineering), Associate Professor of the Electronics and Microelectronics Department of Magnitogorsk State Technical University. Research interests: general industrial electric drive.
Швидченко Дмитрий Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры электроники и микроэлектроники ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный университет им. Г.И. Носова». Область научных интересов - общепромышленный электропривод.
Shvidchenko Dmitry Vladimirovich is Cand. Sc. (Engineering), Associate Professor of the Electronics and Microelectronics Department of Magnitogorsk State Technical University. Research interests: general industrial electric drive.
Пишнограев Роман Сергеевич - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры электроники и микроэлектроники ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный университет им. Г.И. Носова». Область научных интересов - общепромышленный электропривод.
Pishnograev Roman Sergeeevich is Cand. Sc. (Engineering), senior lecturer of Electronics and Microelectronics Department of Magnitogorsk State Technical University. Research interests: general industrial electric drive.
