Автоматизация теплового режима машины непрерывной разливки стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Непрерывная разливка стали в условиях ОАО «ЕвразТехника»

1.1 Техническая характеристика МНЛЗ

1.2 Краткое описание технологического процесса

1.3 Характеристика МНЛЗ как объекта автоматизации

1.4 Выбор средств автоматизации и регулирования

1.5 Описание функциональной схемы

1.6 Выбор средств автоматизации

2. Специальная часть

2.1 Принципиальная схема АСР расхода воды на ЗВО

2.2 Выбор закона регулирования и расчет настроек

регулятора

2.2.1 Статическая и динамическая настройка регулятора

2.3 Расчет регулирующего органа

2.4 Рекомендации по монтажу

2.4.1 Монтаж датчика Взлет ЭРСВ

2.4.2 Монтаж электропневматического позиционера

2.4.3 Монтаж пневматического регулирующего клапана Samson

2.4.4 Монтаж внешних соединительных линий

2.4.5 Монтаж и коммутация средств автоматизации на щите

3. Организация производства

3.1 Расчет численности слесарей КИП и СА

3.2 Расчет месячной заработной платы слесаря КИП и СА

3.3 График ППР КИП и СА внедрения АСР на 2015 год

4. Экономика производства

4.1 Расчет себестоимости одной у.п.е

4.2 Расчет экономического эффекта

4.3 Расчет заработной платы монтажной бригады

4.4 Расчет капитальных затрат на внедрение АСР

5. Охрана труда

5.1 Мероприятия по безопасности труда

5.2 Производственная санитария

5.3 Пожарная безопасность

5.4 Защита окружающей среды

Литература

Введение

Сложившаяся в настоящее время экономическая ситуация требует от предприятий черной металлургии выпуска продукции, конкурентоспособной на внутреннем и внешнем рынках. Конкурентоспособность во многом определяется стоимостью и качеством продукции, что в свою очередь обусловлено применяемой технологией, контролем за точностью ее соблюдения, а также количеством и стоимостью используемых в работе материалов.

Высокоэффективный способ производства стали по технологической схеме сталеплавильный агрегат - машина непрерывного литья заготовок в последнее время получил широкое распространение. Это можно объяснить преимуществами нового прогрессивного процесса (увеличение выхода годного, снижение себестоимости металла, повышение производительности и механизация труда и др.)

Увеличение производительности МНЛЗ, расширение марочного и размерного сортамента разливаемого металла, а так же повышение скорости разливки стали, привело к необходимости широкого использования средств и систем автоматизации для ведения процесса.

Технологическая структура современных МНЛЗ применительно к задачам автоматизации в настоящее время определилась достаточно твердо. Основные автоматизированные узлы машины: сталеразливочный поворотный стенд, промежуточная емкость, кристаллизатор, зона вторичного охлаждения с системой роликовой проводки, механизм перемещения затравки, машина газовой резки, отводящий рольганг и линия отделки.

Основной задачей системы автоматического управления машин непрерывного литья заготовок, является управление технологическим процессом на протяжении первых трех периодов разливки.

1. Непрерывная разливка стали в условиях ОАО «ЕвразТехника

1.1 Техническая характеристика МНЛЗ

В состав основного оборудования МНЛЗ входят:

- Стенд стальковша - подъемно-поворотный двухпозиционный с механизмами подъема и поворота. Привод поворота - электромеханический, привод подъема - гидравлический.

- Две тележки для перемещения промежуточных ковшей с электро-механическими приводами перемещения и гидравлическими подъема.

- Четырехстопорные промковши, устанавливаемые на тележки.

- Четыре водоохлаждаемых кристаллизатора с механизмами качания.

- Две секции вторичного охлаждения слитка на каждый ручей.

- Тянущие и тянуще-правильные клети, секция поддерживающих роликов, опускающиеся упоры.

- Рольганги перед гидравлическими ножницами.

- Гидравлические ножницы для резки заготовок.

- Сдвоенные рольганги с индивидуальным приводом для уборки заготовок после гидравлических ножниц.

- Транспортные рольганги, рольганг - тележка, холодильник.

- Затравка - гибкая, длиной 11м. Способ заведения затравки в кристаллизатор - снизу, Хранится затравка на специальном рольганге с отметкой верха бочки ролика +800 мм.

- Устройство для расцепления затравки и слитка.

- Автоматический маркировщик горячих заготовок (в перспективе).

Основные технические данные МНЛЗ

Тип машины - радиальная

Число ручьев, шт - 4

Базовый радиус, м - 12

Ёмкость сталеразливочного ковша, т - 130

Максимальный вес наполненного стальковша,т - 175

Масса порожнего стальковша, т - 57

Ёмкость промежуточного ковша, т - 27

Максимальный вес наполненного промковша,т - 50

Масса порожнего промковша, т - 23

Уровень металла в промковше:

рабочий - 600 мм

верхний аварийный - 700 мм

нижний аварийный - 400 мм

Длина кристаллизатора, мм - 1000

Базовый радиус кристаллизатора, м - 12

Диапазон регулирования частоты качания

кристаллизатора, кач/мин - 20-150

Ход кристаллизатора, мм - 5ч14.5

Уровень металла в кристаллизаторе от верхней кромки

медной стенки:

- рабочий, мм - 100мм;

- верхний аварийный, мм - 50 мм;

- нижний аварийный, мм - 150 мм

Технологическая скорость разливки:

-сечение 250х250 мм - 0,85...1м/мин

-сечение 300х330 мм - 0,65...0,8 м/мин

-сечение 300х400 мм - 0,65 м/мин

Длина порезки мерных слитков, м - 3 ч 6

Максимальный диапазон регулирования

скорости разливки, м/мин - 0,2 ч 1,5

Затравка гибкая, м - 11

Скорость ввода затравки м/мин - 0,2; 3

Скорость транспортирования заготовок

рольгангами, м/с - 0,82

Максимальное усилие гидравлических

ножниц, т - 1500

Режим работы - непрерывный круглосуточный с периодическими остановками для проведения работ по техническому обслуживанию

Годовой фонд рабочего времени МНЛЗ, сут - 320

Время разливки плавки массой 100т, мин - 45...70

Время подготовки МНЛЗ к приему плавки, мин - 45

Производительность двух МНЛЗ, тыс.т/год - 800

Марочный сортамент разливаемых сталей:

углеродистая обыкновенного качества, углеродистая, качественная, конструкционная, низколегированная, легированная конструкционная, рельсовая.

Метод разливки: одиночными плавками; «плавка на плавку»

1.2 Краткое описание технологического процесса

Сталеразливочный ковш с жидким металлом передается из электропечного отделения от электродуговой печи в раздаточный пролет ОНРС по сталевозным путям самоходными сталевозами. В раздаточном пролете ОНРС перед разливкой сталь подвергается внепечной обработке на установках продувки стали аргоном и порошкообразными материалами, расположенных над сталевозными путями от электропечей № 1,2.

После внепечной обработки стали сталеразливочный ковш с металлом передается литейным краном на подъемно-поворотный стенд одной из МНЛЗ. Наличие поворотного стенда позволяет разливать металл по методу "плавка на плавку".

Перед приемом ковша с металлом МНЛЗ подготавливается к разливке. В кристаллизаторы снизу заводятся затравки. Затравки гибкие, цепные. Для заведения затравок сдвоенная рольганг-тележка устанавливается по оси МНЛЗ. Опускаются упоры № 1...4 (в районе клеймителей) и упоры № 5, 6 (между рольгангами сдвоенной рольганг-тележки и рольгангами затравок). По рольгангам рольганг-тележек затравки подаются на секции 2 рольгангов за ножницами. Верхние валки клетей ТК1...ТК4 подняты, после захода головной части затравки в зону клети ТК4 рольганги приемной линии отключаются. Опускается верхний валок клети ТК4, включаются механизмы вращения валков всех клетей. После входа затравки в каждую клеть опускается ее верхний валок, и затравка захватывается этой клетью. После заведения в кристаллизатор затравка удерживается клетью ТК1, а верхние валки остальных тянущих клетей поднимаются в верхнее положение.

Точная установка затравки в кристаллизаторе осуществляется верхней тянущей клетью ТК1 при управлении с рабочего места разливщика.

В район разливки (к промковшу в позиции разливки) подводится площадка разливщика с установленными на ней одним рабочим местом разливщика стальковша (РМС), четырьмя рабочими местами разливщика (РМР), одним рабочим местом для управления тележками промковшей (РМП).

Прекращается подача горючего газа к горелкам устройства разогрева промковша, подготовленного к разливке. Коллектор с горелками устройства для разогрева промковша поднимается в верхнее положение. После этого разогретый промежуточный ковш перемещается тележкой для промковша в рабочую позицию (над кристаллизаторами), под выпускные отверстия ковша устанавливаются четыре подогретых огнеупорных стакана. Промежуточный ковш - общий для четырех ручьев МНЛЗ, четырехстопорный. В обойму устройства для защиты струи металла от окисления на пути из стальковша в промковш вставляется предварительно нагретый защитный стакан.

На промковш навешиваются исполнительные механизмы (по одному на механизм подъема стопор), обеспечивающие возможность дистанционного ручного, а также автоматического управления стопорами.

Промковш опускается в нижнее рабочее положение. Сталеразливочный ковш литейным краном устанавливается на траверсу подъемно-поворотного стенда со стороны резервной позиции. Подъемно-поворотный стенд двухпозиционный, имеет общую для двух сталеразливочных ковшей траверсу, оборудован механизмами поворота и подъема траверсы. Поворотом траверсы на 180о сталеразливочный ковш перемещается в позицию «Разливка» (над промковшом). На один из шиберных затворов (стальковш имеет два шибера) навешивается управляющий гидроцилиндр.

Перед началом разливки открываются задвижки системы подвода воды к кристаллизаторам, вторичному охлаждению и оборудованию МНЛЗ.

Перед подачей металла на МНЛЗ с помощью локальной информационной системы производится контроль готовности всех систем МНЛЗ к разливке. При положительных результатах контроля начинается разливка - металл через шибер подается в промковш. Стальковш опускается в нижнее рабочее положение. После получения устойчивой струи шибер закрывается, обойма с защитным стаканом устройства защиты струи поднимается и прижимается к выпускному отверстию стальковша. Затем шибер открывается и продолжается наполнение промковша жидким металлом.

После наполнения промковша до номинального уровня управление шибером стальковша переводится на автоматическое в функции поддержания уровня металла в промковше в допустимых пределах. Стопоры промковша открываются вручную или с помощью исполнительных механизмов при ручном управлении с рабочих мест разливщика РМР, и металл подается в кристаллизаторы, затвердевает у их стенок, сцепляясь с затравкой.

После достижения заданного уровня металла в кристаллизаторе соответствующего ручья, разливщиками-операторами производится их запуск: включается механизм качания кристаллизатора, который сообщает кристаллизатору возвратно-поступательное движение для предотвращения зависания слитка, включается механизм вращения валков тянущих клетей для вытягивания затравки со слитком. В начальной фазе разливки вытягивание слитка из кристаллизатора осуществляется четырехвалковой клетью TK1. После прохождения передним концом слитка роликов TK1, вытягивание слитка осуществляется тянущими и тянуще-правильными клетями ТК2, ТКЗ, ТК4 (четырёхвалковая клеть в вытягивании слитка не участвует). Выходящие из кристаллизатора заготовки направляются и поддерживаются роликами. Вытягивание затравки со слитком начинается на минимальной скорости с плавным увеличением ее до заданной скорости. Полное затвердевание слитка должно заканчиваться до начала его разгиба. После выхода из кристаллизатора слиток попадает в зону вторичного охлаждения (ЗВО), причем первичная теплоотдача слитка происходит в водоохлаждаемом кристаллизаторе. В результате непосредственного водо-воздушного (водяного) охлаждения по заранее заданной программе слиток затвердевает по всему сечению. Количество воды и воздуха в ЗВО регулируется и поддерживается на заданном уровне автоматически в зависимости от скорости вытягивания слитка, марки стали, сечения кристаллизатора, температуры поверхности слитка после выхода его из секций вторичного охлаждения.

В системе вторичного охлаждения принято четырехзонное форсуночное водо-воздушное (водяное) охлаждение слитка. Подвод охлаждающей воды и воздуха к каждой зоне независимый, а расходы - регулируемые. При стабилизации процесса разливки на технологической скорости управление стопорами переводится на автоматическое в функции поддержания уровня металла в кристаллизаторах.

Если воздействия на стопор недостаточно для поддержания уровня металла в кристаллизаторе, осуществляется автоматическая коррекция скорости разливки в пределах 15% от заданной.

По мере входа хвостовой части затравки в клети ТК2, ТКЗ, ТК4 их валки опускаются, и клети последовательно включаются в процесс вытягивания. При этом после опускания верхнего валка клети ТКЗ поднимаются верхние валки клети ТК1, а после опускания верхнего валка клети ТК4 поднимается верхний валок клети ТК2. В установившемся режиме разливки вытягивание затравки со слитком, а затем и слитка производится клетями ТКЗ, ТК4.

После выхода места соединения затравки со слитком из клети ТК4 затравка отделяется от слитка специальным механизмом (поднимающимся роликом). Усилие на ролик и затем на головку затравки передается от гидроцилиндра. Отделенная от непрерывного слитка, затравка транспортируется на рольганг хранения затравки. В случае неотделения головки от слитка роликом, отделение затравки производятся резом на гидравлических ножницах.

Рольгангами приемной линии отделенная затравка транспортируется до поднятого упора №1...4. Аналогично транспортируются затравки на остальных трех ручьях. Рольганги приемной линии выполнены раздельно по ручьям. После точной установки сдвоенной рольганг-тележки по оси МНЛЗ затравки передаются на рольганги для затравок, где они хранятся до следующей разливки. Упоры №1...4 и упоры №5,6 перед рольгангами затравок устанавливаются в верхнее положение.

Слиток, выходя из ТК4, по рольгангам подается к гидравлическим пресс-ножницам для пореза его на мерные длины (3....6 м). Последний конец заготовки должен быть длиной 6....6,5м ( после выхода из последнего ролика ТК4).

Рез слитка осуществляется нижним ножом. При резе обойма ножниц движется в направлении хода слитка. После окончания реза ножи и обойма ножниц возвращается в исходные положения, а отрезанная заготовка рольгангом за ножницами транспортируется до поднятого упора (рольганг включается после окончания реза). Ролики рольганга перед ножницами проворачиваются движущимся слитком при отключенном приводе. Рольганг перед ножницами включается только для приема и выдачи затравки, а также для передачи конца слитка длиной 6 м на рольганг за ножницами. После того, как у поднятых упоров всех четырех ручьев соберутся четыре заготовки (от 2 до 4 заготовок при ручном управлении сдвоенной рольганг-тележкой), к данной МНЛЗ подходит сдвоенная рольганг-тележка. После ее точной установки по оси МНЛЗ опускаются упоры, а затем заготовки загружаются на сдвоенную рольганг-тележку. Тележка транспортирует заготовки на линию стеллажей транспортно-отделочного отделения (ТОО). После разгрузки тележка перемещается к другой МНЛЗ. В линии ТОО заготовки по передаточному рольгангу поступают в пролет отделки и складирования, где на участке порезки заготовок (УПЗ) производится дополнительная порезка заготовок на двух машинах газовой резки на длины 1,7 и 2,4 м, а также, при необходимости, отрезка темллетов и далее - осмотр заготовок на стеллажах по всем четырем граням. Заготовки со стеллажей убираются краном.

1.3 Характеристика МНЛЗ как объект автоматизации

При поступлении первых порций металла в кристаллизатор, образуется твердая оболочка слитка, сцепляющаяся с затравкой с помощью имеющегося в ней фигурного паза.

Кристаллизатор должен обеспечивать интенсивный отвод тепла от кристаллизующейся стали и образование по периметру корочки, которая на выходе должна выдерживать ферростатическое давление жидкой фазы. Поскольку в кристаллизаторе формируется оболочка слитка необходимой толщины и прочности, такие дефекты заготовок как наружные складки и ужимы находятся в прямой зависимости от конструктивных и теплофизических характеристик кристаллизатора, способа подачи металла в кристаллизатор и защиты от вторичного окисления.

Основные требования к тепловому режиму кристаллизатора сводятся к следующему:

- расход охлаждающей воды в кристаллизаторе должен исключать ее перегрев, вызывающий отложение солей и ухудшение теплоотвода от слитка;

- интенсивность охлаждения должна быть такой, чтобы при выходе слитка из кристаллизатора толщина твердой оболочки была достаточной для исключения прорыва металла из середины слитка;

- распределение интенсивности теплоотвода по длине и периметру слитка должно обеспечивать отсутствие больших градиентов температур и недопустимых термических напряжений, вызывающих образование трещин в оболочке слитка.

В процессе непрерывной разливки корочка затвердевшего в кристаллизаторе слитка по мере своего движения вниз претерпевает усадку и отходит от стенок. Зона плотного контакта корочки со стенками находится в верхней части кристаллизатора, вблизи зеркала жидкого металла. При определенных условиях в этой зоне происходит прилипание тонкой корочки к стенкам кристаллизатора. Если кристаллизатор будет неподвижным, а слиток будет вытягиваться с постоянной скоростью, то прилипшая корочка останется на месте (явление зависания корочки), а нижняя часть от места будет двигаться вниз. Иногда разрыв достигает нижней кромки кристаллизатора, при этом происходит порыв, выход жидкой стали из сердцевины слитка. Разливка с повышенной скоростью указала на необходимость создания в корочке металла знакопеременных напряжений, предусматривающих как её зависание, так и появление поперечных трещин на слитке. Для этого скорость опускания кристаллизатора задается больше скорости движения слитка, создавая так называемое отрицательное скольжение. Ниже кристаллизатора заготовку необходимо подвергать дополнительному охлаждению.

Одним из наиболее ответственных узлов МНЛЗ является система охлаждения поверхности непрерывного слитка. Это объясняется тем, что охлаждение в зоне вторичного охлаждения (ЗВО) является важным звеном технологического цикла получения непрерывных заготовок. От выбранного режима и способа охлаждения зависят качество поверхности непрерывного слитка, его структура, а также производительность МНЛЗ. На этом участке необходимо обеспечить затвердевание расплава по всему поперечному сечению слитка. Эта цель достигается сочетанием определенных значений скорости литья и интенсивности наружного охлаждения слитка. Основные характеристики ЗВО можно разделить на две группы.

К первой группе относятся параметры требуемого режима охлаждения - изменение температуры поверхности слитка в ЗВО вдоль технологической оси машины и по периметру слитка.

Ко второй группе характеристик относятся параметры реализации требуемого режима охлаждения слитка - плотность орошения на единицу поверхности в среднем и по отдельным секциям ЗВО, распределение охладителя (воды) вдоль технологической оси и по периметру слитка, тип разбрызгивающих устройств (форсунок), их характеристики (угол раскрытия, зависимость расхода воды от давления) и способ размещения в ЗВО.

Режим охлаждения заготовки в ЗВО должен обеспечить минимальную длительность затвердевания и отсутствие дефектов заготовки.

Для реализации этих целей необходимо выдержать следующие условия в системе ЗВО:

непрерывное (монотонное) снижение температуры поверхности слитка вплоть до момента окончания затвердевания, чтобы свести к минимуму растягивающие напряжения во внутренних слоях (недопустим разогрев слитка на каких-либо участках);

равномерное распределение температуры по периметру слитка: соблюдение этот условия потребует различной плотности орошения по середине широкой грани слитка и в районе его узкой грани;

на всем протяжении ЗВО температура поверхности слитка должна находиться в области температур пластической деформации стали (более 800 );

недопустимы резкие изменения в интенсивности теплоотвода (главным образом его снижение) при выходе слитка из кристаллизатора в ЗВО;

должно быть исключено раздутие граней слитка в конце зоны затвердевания более 0,5% (на обе стороны) от ширины сляба;

возможность регулирования интенсивности охлаждения и протяженности ЗВО в зависимости от марки разливаемой стали, скорости разливки и глубины жидкой фазы. Интенсивность охлаждения в ЗВО следует выбирать так, чтобы полное затвердевание завершалось в конце ЗВО, но при этом температура поверхности слитка не снижалась ниже 800 °С.

Отклонение от необходимого режима охлаждения (локальное переохлаждение, излишняя или недостаточная протяженность активного участка охлаждения, неравномерное охлаждение по периметру и длине поверхности слитка) приводит к возникновению дефектов: продольных и поперечных паукообразных и сетчатых трещин на гранях и углах слитка, нарушению геометрии, внутренних дефектов (газообразных трещин, перпендикулярных узким граням и так далее).

По технологическим требованиям системы вторичного охлаждения должны иметь широкий диапазон регулирования с дифференциальным охлаждением по длине слитка, обеспечивающим непрерывное и плавное уменьшение температуры поверхности, не достигающей температуры перехода в область упругих деформаций.

Водяные системы вторичного охлаждения с гидравлическими форсунками не удовлетворяют необходимым требованиям охлаждения слитка, так как характеризуются неустойчивыми параметрами распыления (дисперсностью капель, углом раскрытия, равномерностью распределения хладагента в поле факела и так далее). Узкий диапазон регулирования расхода воды создает необходимость применять два вида расходных характеристик работы форсунок в зависимости от скорости разливки. При достижении некоторого минимального значения расхода воды, ниже которого форсунки работают неустойчиво, расход оставляют неизменным, либо подачу воды прекращают. В связи с этим в водяных системах охлаждения, состоящих из секций с гидравлическими форсунками, создаются условия для переохлаждения и разогрева поверхности слитка на отдельных участках при различных скоростях разливки.

Водо-воздушное охлаждение обеспечивает гибкий и более широкий диапазон интенсивности вторичного охлаждения за счет возможности изменения соотношения расходов воды, воздуха и смеси от 0 до 100 %. Существующие устройства и системы водо-воздушного охлаждения различаются способами формирования и подачи водо-воздушной смеси на охлаждаемую поверхность, по этим признакам их можно разделить на системы с внешним смешением потоков воды и воздуха на незначительном удалении от форсунки или непосредственно перед выходным отверстием сопла внутри форсунки, системы с предварительным формированием водо-воздушной смеси в виде эмульсии в специальных смесительных устройствах и транспортировкой ее по трубопроводам и коллекторам к гидравлическим форсункам, а так же секционные и дифференциальные водо-воздушные системы.

В дифференциальных системах (рисунок 1) водо-воздушного охлаждения обеспечивается требуемая подача воды и воздуха отдельно на каждую форсунку. В ней использован эффект дробления водяных струй в результате их столкновения с высокоскоростным потоком воздуха непосредственно в зоне охлаждения. Широкое применение системы затруднительно из-за формирования хладагента в виде облака над поверхностью заготовки, что приводит к малой эффективности его использования, не обеспечивается так же требуемый диапазон регулирования интенсивности охлаждения. Для обеспечения устойчивой работы системы необходимы значительные расходы воздуха.



Регулирующая

аппаратура воздуха

Регулирующая

аппаратура воды

Распылительные устройства

Рисунок 1 - Дифференциальная система водо-воздушного охлаждения

Для уменьшения числа контрольно-регулирующего оборудования воду и воздух подают через коллекторы на группу распыляющих устройств, образующих управляемую секцию (рисунок 2). В секционных системах вся зона вторичного охлаждения состоит из секций, в которые входит пять и более форсунок - распылителей, и каждая секция конструктивно имеет одинаковый расход водо-воздушной смеси на каждую форсунку.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 - Система водо-воздушного охлаждения, разделенная на секции

Разработанные системы позволяют уменьшить число средств регулирования, но имеют высокую металлоемкость, а наличие смесительного устройства перед каждой форсункой и высокие требования к конструктивным размерам при изготовлении и сборке, затрудняет обслуживание системы при большом числе форсунок.

1.4 Выбор схемы автоматизации и регулирования

Тепловой режим кристаллизатора.

Управление тепловым режимом кристаллизатора обычно заключается в стабилизации перепада температур охлаждающей воды на выходе и входе в кристаллизатор (датчик 1) путем изменения расхода воды с помощью ПИ-регулятора 3 (Рис. 3). Этот перепад задается максимально возможным по условиям отложения солей в кристаллизаторе с тем, что бы обеспечить минимальный расход охлаждаемой воды. Так температура воды на входе в кристаллизатор может меняться достаточно существенно, то применяется автоматическая коррекция с помощью устройства 4 задания регулятору 3 в сторону уменьшения при повышении температуры воды в магистрали и в сторону увеличения при уменьшении температуры воды (5 - задатчик расчетного значения температуры воды на входе).

Второй вариант управления тепловым режимом кристаллизатора связан с использованием соотношения: перепад температур - расход охлаждающей воды (Рис. 4). Перепад температур с датчика 1 и заданное значение этого перепада с задатчика 2 поступает в регулятор 3, куда поступает сигнал от датчика расхода охлаждающей воды 4. При отклонении температурного перепада от заданного значения регулятор соотношения 3 воздействует на клапан подачи охлаждающей воды в направлении ликвидации этого отклонения, но не до нуля, а до некоторой величины, определяемой встречным сигналом от расходомера 4. преимуществом такой системы управления является малая чувствительность в возмущения по расходу воды. В случае изменения подачи воды, связанного, например, с изменением давления в трубопроводе, регулятор соотношения быстро восстанавливает нужный расход воды и при этом перепад температуры практически не меняется, поэтому в проекте предлагается использовать именно эту схему.

Рисунок 3 - Система управления тепловым режимом кристаллизатора с коррекцией по температуре охлаждающей воды.

Рисунок 4 - Система управления тепловым режимом кристаллизатора по соотношению: перепад температур - расход охлаждающей воды.

Тепловой режим вторичного охлаждения.

При управлении тепловым режимом зоны вторичного охлаждения могут использоваться несколько вариантов: 1) регулирование соотношения скорости разливки и расхода охлаждающей воды; 2) регулирование температуры поверхности непрерывнолитого слитка; 3) регулирование расхода охлаждающей воды с коррекцией по температуре поверхности слитка.

Рисунок 5 - Система управления тепловым режимом зоны вторичного охлаждения с коррекцией по расходу воды и скорости разливки.

В первом варианте (система 4 на Рис. 5) на каждую зону вторичного охлаждения и даже на части этих зон (большой и малый радиусы) устанавливается свой диапазон расхода охлаждающей воды, свой коэффициент пропорциональности ее скорости разливки. Поэтому система осуществляет для каждой секции зоны вторичного охлаждения изменение расхода воды по жесткой программе на основании общего сигнала, характеризующего скорость разливки (скорость вытягивания слитка). Программа для каждой секции разрабатывается на основании специальных исследований и имеет вид, показанный на рисунке 4.

Рисунок 6 - Изменение расхода охлаждающей воды на секцию зоны вторичного охлаждения в зависимости от скорости разливки.

Рисунок 7 - Система управления тепловым режимом зоны вторичного охлаждения с коррекцией по температуре поверхности слитка.

До определенной скорости разливки расход воды поддерживается на минимальном постоянном уровне Vmin, а в дальнейшем возрастает пропорционально скорости разливки. В последних секциях при скорости разливки менее Nmin водяное охлаждение вообще отсутствует.

Во втором варианте регулируется температура непрерывнолитого слитка, измеряемая цветовыми пирометрами после каждой секции ЗВО. Управляющим воздействием служит расход охлаждающей воды, который изменяется регулятором при отклонении температуры поверхности слитка от заданного значения.

В третьем варианте предусмотрен режим автоматической стабилизации расхода воды на каждую секцию вторичного охлаждения и ручная установка заданий регуляторам расхода при изменении размеров заготовки, марки стали и пр. В этом случае целесообразно использовать автоматическую коррекцию задания по температуре поверхности слитка позволяющую учесть отклонение скорости разливки от номинального значения. Регулятор 1 стабилизирует расход воды на одну из зон вторичного охлаждения, заданный задающим устройством 2. Корректирующий прибор 3 в зависимости от отклонения температуры поверхности слитка, измеренной пирометром, от заданной задатчиком 4 корректирует задание регулятору. Корректирующее воздействие может вводится в системы регулирования расходы воды на каждую зону вторичного охлаждения на основании измерения температуры поверхности слитка в одной точке после всей ЗВО. В проекте будет использован третий вариант схемы как наиболее полно учитывающий внешние возмущения.

1.5 Описание функциональной схемы

Температура охлаждающей воды до и после кристаллизатора измеряется термопреобразователем сопротивления медным типа ТСМ (поз. 1а, 1б). Измерение поверхности слитка после зоны вторичного охлаждения (ЗВО) проводится пирометром Marathon MR1SA (поз. 15а). С датчиков температуры сигналы поступают на вход микропроцессорного контроллера Seimens S7 - 400.

При превышении заданного значения температуры охлаждающей воды на выходе из кристаллизатора срабатывает световая сигнализация.

Расход и давление охлаждающей воды на кристаллизатор измеряется на диафрагме (поз. 2а), с неё сигнал поступает на датчик разности давления Метран 100-ДД (поз. 2б) и датчик давления Метран 100-ДИ (поз. 3а), и далее на вход контроллера. Эти два датчика питаются от общего блока питания Метран-602 (поз. 2в). С контроллера управляющий сигнал поступает на электропневматический преобразователь типа ЭПП (поз. 2г, 5г, 7г, 9г) который в свою очередь управляет регулирующим клапаном (поз. 5а, 7а, 9а, 2д).

Измерение расхода воды, поступающей на все три зоны вторичного охлаждения осуществляется первичным преобразователем расхода типа ППР (поз. 4б, 6б, 8б) и измерительным блоком с которого далее сигнал поступает на вход контроллера, с контроллера управляющий сигнал поступает на электропневматический позиционер типа 4763 (поз. 4г, 6г, 8г), который в свою очередь управляет пневматическим регулирующим клапаном Samson 241-1(поз. 4а, 6а, 8а), установленным на трубопроводе для управления расходом воды.

Расход воздуха измеряется диафрагмой (поз. 5б, 7б, 9б), от которой сигнал поступает в датчик разности давления Метран-100 ДД (поз. 5в, 7в, 9в), питающийся от блока питания Метран-602 (поз. 5д), с него электрический сигнал поступает на вход микропроцессорного контроллера, далее в контроллере вырабатывается командный сигнал для управления электропневматическим преобразователем (поз. 2г, 5г, 7г, 9г), который в свою очередь управляет регулирующем клапаном (поз. 5а, 7а, 9а, 2д).

Отбор давления воды и воздуха, поступающего на ЗВО, осуществляется до регулирующего клапана и измеряется датчиками давления Метран-100 ДИ поз. 10а, 10б., питающимися от общего блока питания Метран - 602 поз. 10в.

Давление воды, поступающей на ЗВО, после регулирующего клапана измеряется датчиком давления Метран-100 ДИ поз. 13а, 12а, 11а., питающиегося от блока питания Метран - 602 поз. 4д.

Сигналы от датчиков давления передаются в контроллер.

Скорость вытягивания слитка измеряется тахометрическим датчиком с которого сигнал поступает на вход контроллера, с него сигнал поступает на узкопрофильный миллиамперметр М1730А (поз. 14а), который находится на рабочем месте разливщика.

1.6 Выбор средств автоматизации

В состав системы автоматического регулирования входят следующие устройства

Наименование устройства	Тип	Кол - во
Электропневматический позиционер	4763	3
Датчик разности давления	Метран-100ДД	4
Блок питания	Метран-602	4
Термопреобразователь сопротивления	ТСМ	2
Сужающее устройство	ДК	4
Датчик давления	Метран-100ДИ	6
Расходомер электромагнитный	Взлет ЭРСВ-110	3
Первичный преобразователь расхода	ППР	3
Измерительный блок	ИБ	3
Пневматический регулирующий клапан	Samson 241-1	3
Преобразователь электропневматический	ЭПП	3
Регулирующий клапан	Samson	3
Арматура сигнальная	АСКМ-0	1
Пирометр	Marathon MR1 SA	1

Этот выбор основан следующими предпосылками.

Для измерения расхода возможно использование следующих методов:

a) Метод переменного перепада, основан на создании и измерении перепада давления на сужающем устройстве ( сопле, диафрагме), установленном в измерительном трубопроводе, при протекании потока через это устройство. Перепад давления, по которому судят о расходе, измеряют с помощью дифманометра.

b) Динамический метод, используется только при исследованиях или когда длина не достаточна для установки сужающего устройства.

c) Метод постоянного перепада, менее точен, чем метод переменного перепада.

d) Скоростной метод, при его использовании необходима постоянная вязкость вещества.

e) Объёмный метод, при его использовании необходимо очищать и подготавливать жидкость перед измерением.

Отдаём предпочтение методу переменного перепада давлений.

Измерение расхода с высокой точностью возможно только при использовании стандартных сужающих устройств. Для измерения расхода охлаждающей воды применяем нормальное сужающее устройство (камерную диафрагму). Перепад давлений в сужающих устройствах, устанавливаемых в трубопроводах, зависит от скорости, а следовательно, и расхода вещества. При протекании вещества через дроссельное устройство увеличиваются его скорость и кинематическая энергия. Это в свою очередь приводит к соответствующему уменьшению потенциальной энергии, т. е. статическое давление в суженном сечении дроссельного устройства будет меньше, чем до него. Разность этих давлений тем больше, чем больше скорость протекающего вещества, и, следовательно, может служить мерой расхода. Диск диафрагмы выполняют из стали 12Х13. Толщина диска 2 мм при D50мм. Камерная диафрагма обеспечивает надёжное выравнивание давлений до и после нее. Отбор давления производится через кольцевые камеры.

Исходя из стоимости и диаметра трубопровода выбираем камерную диафрагму в качестве сужающего устройства. Камерная диафрагма обеспечивает надёжное выравнивание давлений до и после диафрагмы.

Методы измерения температуры основаны на измерении физических свойств теплоприёмников при воздействии на них температурного поля измеряемой среды.

Температурой называют физическую величину, характеризующую степень нагретости тела.

В зависимости от диапазона измеряемых температур могут быть использованы:

a) термометры расширения (-200-500 С)

b) манометрические термометры (-50-600 С)

c) термометры сопротивления (-200-500 С)

d) термоэлектрические термометры (0-2500 С)

e) радиационные пирометры (700-2500 С)

f) оптические пирометры (800-6000 С)

g) фотоэлектрические пирометры (100-4000 С)

h) пирометры спектрального отношения (300-2200 С)

Для измерения температуры воды предлагается использовать медные термометры сопротивления, так как у них невысокая цена и температура измеряемой среды составляет 30 С. Так же выбираем инфракрасный пирометр спектрального отношения серии Marathon, для измерения температуры движущегося слитка, так как он обеспечивает высокую точность при работе с высокими температурами.

В качестве регулирующего органа применяем регулирующие клапаны типа Samson, которые при управлении пневматическим исполнительным механизмом позволяют осуществить более точное позиционирование затвора регулирующего органа и тем самым улучшить качество регулирования. Т.к на выходе контроллера формируется токовый управляющий сигнал, для его преобразования в пневматический применяем:

а) электропневматический преобразователь в случае изменения расхода воздуха на зоны вторичного охлаждения и на изменение расхода воды поступающей в кристаллизатор;

б) электропневматический позиционер Samson в случае изменения расхода воды на ЗВО.

Регулирующим органом в САР называют устройство, сочленённое с исполнительным механизмом и непосредственно воздействующий на регулируемую среду. Регулирующее воздействие заключается в том, что с изменением его проходного сечения (степени открытия) существенным образом изменяется гидравлическое сопротивление, вызывающее изменение потери напора в РО и в следствии этого изменение количества вещества, проходящего через него.

В проекте применяется программируемый контроллер Siemens S7-400 - это модульный программируемы контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации средней и высокой степени сложности. Контроллер помогает выбрать режим управления, функциональные блоки контроллера могут принимать различные сигналы. К контроллеру можно подключить компьютер для визуального наблюдения, что позволяет исключить из схемы вторичные приборы.

2 Специальная часть

2.1 Принципиальная схема АСР расхода воды на ЗВО

Стабилизация теплового режима ЗВО подразумевает изменение подачи охлаждающей воды на каждую секцию. В зависимости от марки стали, скорости вытягивания слитка и номера секции ЗВО устанавливается заданный расход воды (см. табл.1,2.3) и воздуха (см. табл.4) .

Таблица 1. Режимы вторичного охлаждения для малоуглеродистой стали (С<0,35%)

Скорость разливки ,м/мин	I секция, расход воды,м3/ч	II секция, расход воды,м3/ч	III секция, расход воды, м3/ч
0,2	1,1	0,0	0,0
0,3	1,45	0,0	0,0
0,4	1,8	1,0	0,0
0,5	2,15	1,35	0,8
0,6	2,50	1,7	1,05
0,7	2,85	2,05	1,3
0,8	3,2	2,4	1,55
0,9	3,55	2,75	1,8

Таблица 2. Режимы вторичного охлаждения для среднеуглеродистой стали (0,35% <С< 0,5%)

Скорость разливки, м/мин	I секция, расход воды, м3/ч	II секция, расход воды, м3/ч	III секция, расход воды, м3/ч
0,2	1,1	0,0	0,0
0,3	1,3	0,0	0,0
0,4	1,6	0,9	0,0
0,5	1,9	1,2	0,8
0,6	2,2	1,5	1,0
0,7	2,5	1,8	1,2
0,8	2,8	2,1	1,4
0,9	3,1	2,4	1,6

Таблица 3. Режимы вторичного охлаждения для высокоуглеродистой стали (С>0,5%)

Скорость разливки, м/мин	I секция, расход воды, м3/ч	II секция, расход воды, м3/ч	III секция, расход воды, м3/ч
0,2	0,9	0,0	0,0
0,3	1,15	0,0	0,0
0,4	1,4	0,8	0,0
0,5	1,65	1,05	0,8
0,6	1,90	1,3	0,95
0,7	2,15	1,55	1,1
0,8	2,4	1,8	1,25
0,9	2,65	2,05	1,4

Таблица 4. Расходы воздуха для зоны вторичного охлаждения

Скорость разливки, м/мин	I секция, расход воздуха, м3/ч	II секция, расход воздуха, м3/ч	III секция, расход воздуха, м3/ч
0,2…0,9	120	180	200

АСР расхода воды на секции аналогичны, поэтому рассматривается схема регулирования подачи воды на одну из зон.

Принципиальная схема АСР подачи воды на зону представлена на листе 2 графической части проекта.

Расход воды измеряется при помощи электромагнитного расходомера-счетчика «Взлет ЭРСВ-4», в состав которого входят первичный преобразователь расхода ППР (поз. 4б) и измерительный блока ИБ (поз. 4в).

ППР представляет собой датчик в виде полого цилиндра из немагнитного материала с обмотками электромагнита и электродами для съема измерительного сигнала. Внутренняя поверхность ППР футерована электроизоляционным материалом фторопластом. ППР встраивается в трубопровод и практически не препятствует потоку жидкости.

Расходомер-счетчик электромагнитный «ВЗЛЕТ ЭР» предназначен для измерения среднего объемного расхода и объема электропроводящих жидкостей в широком диапазоне температуры и проводимости.

Принцип действия основан на измерении ЭДС индукции в электропроводящей жидкости, движущейся в магнитном поле, создаваемым электромагнитом. ЭДС электромагнитной индукции пропорциональна средней скорости потока жидкости, расстоянию между электродами (внутреннему диаметр ППР и электромагнитной индукции.

ЭДС, наведенная в жидкости и зависящая от скорости потока, с помощью электродов подается в измеритель, где вычисляется расход, объем жидкости, прошедшей через сечение трубопровода за единицу времени. Значение ЭДС не зависит от температуры, вязкости и проводимости жидкости при условии, что проводимость превышает значение, указанное в технических характеристиках.

Значение расхода преобразуется на выходе расходомера в последовательность импульсов с частотой, пропорциональной расходу. Токовый выход расходомера выполняется по заказу в виде внешнего адаптера, преобразующего импульсную последовательность в выходной ток, пропорциональный расходу.

Измерительный блок включает в себя источник питания, плату вычислителя, а также может включать модуль направления потока.

Плата вычислителя обеспечивает:

a) обработку измерительного сигнала (ЭДС индукции) и вычисление значения среднего расхода;

b) преобразование измеряемого значения среднего объемного расхода в

последовательность выходных импульсных сигналов;

c) определение направления потока и вывод сигнала направления потока в виде логического сигнала через модуль направления потока;

d) накопление объема и времени наработки нарастающим итогом;

e) управление индикатором;

f) хранение установочных данных, а также параметров накопления; период обновления параметров накопления в памяти - 1 мин; время хранения архива данных при отсутствии питания - не менее года.

Источник питания обеспечивает питание («накачку») обмоток электромагнита ППР и питание платы вычислителя. Питание расходомера осуществляется напряжением постоянного тока номинальным напряжением 24 В. непрерывный литье автоматизированный регулирующий

Сигнал, пропорциональный измеренному расходу, с выхода расходомера передается в контроллер. Во входном аналоговом модуле этот сигнал преобразуется в цифровой и передается в процессор, где формируется управляющее воздействие по стандартному ПИД - закону регулирования.

С выходного аналогового модуля контроллера управляющий сигнал поступает на вход электропневматического позиционера типа 4763 (поз. 4г) на расходомер то же.

Электропневматический позиционер предназначен для координации положения клапана (регулируемая переменная) и управляющего сигнала (задающая величина). При этом управляющий сигнал, поступающий от регулирующего или управляющего устройства, сравнивается с ходом исполнительного клапана, и выдается исполнительный импульс в виде пневматического давления (выходная величина).

Принципиальная схема позиционера представлена на рисунке 8

Позиционер состоит из электропневматического преобразовательного блока (21) и пневматического узла с рычагом (1), вала (1.1) и измерительной пружины, а также регулирующего узла, состоящего из сопла, отражательной пластины и усилителя. Поступающий от регулирующего устройства командный сигнал (входной сигнал), который представляет собой сигнал постоянного тока подается на электропневматический преобразовательный блок (i/p-преобразователь) и преобразуется там в пропорциональный сигнал давления.

Рисунок 8 - Принципиальная схема позиционера

При изменении сигнала тока пропорционально изменяется также подводимое в пневматический регулирующий узел давление воздуха. В свою очередь, давление воздуха создает на измерительной мембране перемещающее усилие, которое сравнивается с усилием пружины. Перемещение измерительной мембраны (8) передается через подвижный штифт (9.1) на заслонку (10.2), регулируя сопло (10.1). Изменения командного сигнала или положения клапана вызывают изменение давления в последовательно включенном за соплом усилителе (12), и отрегулированное в нем давление исполнительного импульса вызывает перемещение штока клапана в положение, соответствующее задающему воздействию. Регулируемый дроссель (13) служит для оптимизации контура регулирования позиционера.

Сменная измерительная пружина (6) подбирается в соответствии с номинальным ходом штока и номинальным диапазоном задающей величины.

Рисунок 9 - Вид позиционера со снятой крышкой

Пневматический командный сигнал с выхода позиционера подается через входной штуцер в пневматический привод регулирующего клапана (поз 4а), который состоит из односедельного проходного клапана и пневматического привода.

Мембранный привод и проходной односедельный клапан представлены на рисунке 10.

Командный пневматический сигнал воздействует на мембрану привода, перемещение которой приводит к перемещению штока привода 8.1. Шток привода соединен с плунжером 3 проходного клапана.

Положение плунжера определяет расход среды, проходящий через седло клапана 2. Положение плунжера 3 определяется величиной управляющего давления, действующего на мембрану привода. Плунжер 3 соединен со штоком привода 8.1 с помощью соединителя 7 и уплотняется поджатым пружинами сальником 4.2. Таким образом, осуществляется изменение расхода охлаждающей воды на секцию ЗВО.

Рисунок 10 - Мембранный привод и проходной клапан

2.2 Выбор закона регулирования и расчет настроек регулятора

2.2.1 Статическая и динамическая настройка регулятора

Статическая и динамическая настройка включает в себя следующие работы:

1) Определение статических и динамических характеристик объекта;

2) Расчёт по полученным данным настроек регулятора;

3) Определение статических настроек регулятора;

4) Установку и включение регулятора в работу с рассчитанными значениями настроек;

5) Корректировку параметров настройки на действующем технологическом оборудовании.

По динамической характеристике определяем параметры объекта:

1) Коэффициент передачи статического объекта К_ОБ. Он представляет собой изменение выходной величины объекта при переходе из начального в новое установившееся состояние, отнесенное к единичному возмущению на входе. Максимальный в условиях эксплуатации коэффициент передачи объекта управления

К_ОБ = 3 м³/ч / %х.р.о.;

2) Постоянная времени Т_ОБ . Т_ОБ - это условное время, в течение которого выходная величина изменилась бы от начального до нового установившегося значения, если бы это изменение происходило со скоростью, постоянной и максимальной для данного переходного процесса. Т_ОБ = 4 с;

3) Запаздывание _об . Запаздывание определяется временем, необходимым для передачи возмущающего воздействия. _об = 1 с.

Технологическим персоналом установлены следующие показатели качества:

1) Максимальное допустимое динамическое отклонение регулируемой величины х1 = 20 м3/ч;

2) Статическая ошибка = 5 м3/ч;

3) Время регулирования tрег = 16 с;

4) Максимальное возмущение по каналу регулирования

УB =15% х.р.о..

Чтобы получить требуемый характер процесса, необходимо выбрать закон регулирования.

Определяем величину об /Тоб

об /Тоб меньше 0,2 меньше 1,0 больше 1,0

Тип регулятора релейный непрерывный импульсный

об /Тоб = 1/4 = 0,25

Так как отношение об / Тоб больше 0,2 и меньше 1,0, следует выбрать непрерывный регулятор.

Обычно нежелательно иметь большие и длительные отклонения регулируемой величины от заданного значения, ориентировочно выбираем типовой переходный процесс с 20%-ым перерегулированием.

Определим динамический коэффициент регулирования, который может обеспечить заданное максимальное динамическое отклонение Х1.

Для статических объектов

RД = (1)

RД = = 0,4

а - апериодический процесс; б - процесс с 20 % - ным перерегулированием; в - процесс с min dt; 1-И регулятор; 2-П регулятор; 3- ПИ регулятор; 4-ПИД регулятор.

Рисунок 11 - График выбора закона регулирования при статических объектах

По рисунку 11(б) определяем точку, соответствующую полученному Rд. Все кривые лежащие ниже этой точки соответствуют законам регулирования удовлетворяющее заданное требование.

По графику зависимости RД = f (об / Тоб) находим, что расчетному значению RД удовлетворяют П-, ПИ-, ПИД-законы регулирования.

Для П-регулятора необходимо проверить величину прогнозируемой ошибки регулирования, поэтому по рисунку 12 находим значение относительной статической ошибки хст1= 0,28, следовательно отсюда получаем что

хст= хст1 · Ув · К об (2)

хст= 0,28 · 15 · 3 = 12,6 м2/ч

т,е хстхст1

Рисунок 12 - Относительная статическая ошибка при применении П- регулятора на статических объектах для типовых процессов (обозначение те же, что на рисунке 11)

Т.к. величина прогнозируемой ошибки регулирования больше заданной, и П-регулятор использовать нельзя, проверяем возможность использования ПИ-регулятора.

По рисунку 13 (б) определяем прогнозируемое время регулирования

Рисунок 13 - Относительное время регулирования на статических объектах (обозначения те же, что на рисунке 11)

tрег/об = 12

tрег = 12 об = 12 · 1 = 12 < 16 c (3)

Прогнозируемое время регулирования меньше заданного значения, поэтому выбираем для работы ПИ-регулятор.

По табличным формулам таблицы 5 определяем приближенные настройки регулятора.

Таблица 5 - Формулы для определения настроек регуляторов на статических объектах

Регулятор	Типовой переходный процесс
	Апериодический	С 20 %-ным перерегулированием	Min
И
П
ПИ	Ти=0,6 Тоб	Ти=0,7 Тоб	Ти=Тоб
ПИД	Ти=2,4 Тпр=0,4	Ти=2,0 Тпр=0,4	Ти=1,3 Тпр=0,5

р = 0,7/ КОБ(об / Тоб), (4)

где Кр - коэффициент регулирования

Кр = 0,7/ 3 · 0,25 = 0,93 %х.р.о./ м3/ч

Ти =0,7 · Тоб , (5)

где Ти - время изодрома

Ти = 0,7 · 4 = 2,8 с

Статическая настройка включает в себя определение зоны нечувствительности регулятора и диапазона действия задатчика. Зону нечувствительности выбираем в пределах 1,6 - 2,4 % по инструкции на эксплуатацию регулятора РП4, а для определения диапазона действия задатчика, воспользуемся статическими характеристиками датчика и задатчика.

Рассчитываем диапазон действия задатчика по статическим характеристикам датчика и задатчика.

Статическая характеристика Статическая характеристика

датчика для измерения расхода задатчика

Рисунок 14 Рисунок 15

Из рисунка 15 видно, что полный диапазон задатчика (20%) 5 мА. Этот ток соответствует изменению расхода на 2,5 м3/ч (Рисунок 13). Следовательно, при повороте ручки задатчика на 1 % от положения равновесия, задание регулятору изменится на 0,2 м3/ч.

2.3 Расчет регулирующего органа

Рисунок 16 - Схема технологического участка трубопровода

Исходные данные для расчета

Регулируемая среда - вода

...