Измерение уровня жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ

коаксиальной линией связи от генератора, кристаллизатором и жидким металлом

промежуточной емкости. Струя жидкого металла в этом случае играет роль

короткозамкнутого отрезка, нижний конец которого образован электрическим

замыканием струи металла и жидкого металла в кристаллизаторе.

Кольцевой проводник датчика измерительного устройства, охватывая струю

металла, поступающего в кристаллизатор, образует с ней электрическую

емкость, через которую и осуществляется бесконтактный подвод

высокочастотной энергии от генератора к отрезку контура.

При индуктивном характере входного комплексного сопротивления отрезка,

образованного струей жидкого металла, емкость связи кольцевого проводника

образует с эквивалентной индуктивностью этого отрезка последовательный

колебательный контур, подключённый в качестве нагрузки к линии связи с

генератором возбуждения. Резонансная частота контура является функцией

величины эквивалентной индуктивности и, следовательно, положения уровня

металла в кристаллизаторе.

Теперешние требования к качеству стали обусловливают необходимость высокой

точности параметров процесса непрерывного литья. Между тем, особенно при

регулировании уровня жидкого металла в кристаллизаторе применявшиеся прежде

традиционные способы при некоторых ситуациях процесса удовлетворительных

результатов не давали. Описанная ниже модульная система регулирования

уровня жидкого металла реагирует на изменения процесса быстрее и

обеспечивает постоянство поддержания уровня

ДАТЧИКИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОДДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ МЕТАЛЛА В

КРИСТАЛЛИЗАТОРАХ МНЛЗ

Система автоматического поддержания уровня металла в кристаллизаторе

(САПУМК) МНЛЗ является одной из основных при разливке стали, определяющей

качество получаемого слитка.[4]

Типовым составом САПУМК является датчик уровня металла (ДУМ), содержащий

первичный преобразователь, преобразующий перемещение уровня металла в

электрический сигнал, и вторичный преобразователь, формирующий

нормированный выходной сигнал, микропроцессорное устройство, задающее закон

поддержания уровня и управляющие исполнительным устройством — приводом

стопорного механизма или шиберного затвора.

По физическим принципам измерения датчики уровня металла САПУМК

классифицируются:

"изотопные" ;

"электромагнитные" (токовихревые);

"тепловые" (с использованием встроенных в кристаллизатор датчиков

температуры;

"оптические";

"ультразвуковые";

"радиометрические";

"электромеханические".

Промышленно применимыми в САПУМК являются (по степени

распространенности): изотопные и электромагнитные. Остальные не нашли

широкого применения, например "тепловые", или являются "экзотическими".

Наибольшее распространение получили изотопные ДУМ, как наиболее

компактные и поддающиеся встройке в конструкцию кристаллизатора. Изотопные

ДУМ состоят из источника [pic]-из-лучения (Со60, Cz137) и точечного

приемника излучения, расположенного в стенках кристаллизатора. Изотопные

ДУМ позволяют измерить уровень металла в кристаллизаторе до 180 мм от среза

кристаллизатора при точности поддержания уровня по разным источникам: от ±5

мм до ±3 мм.

Недостатки изотопных ДУМ: радиационная опасность; относительно низкое

соотношение сигнал - шум; нелинейность характеристики; чувствительность к

шлакообразующей смеси.

Достоинства изотопных ДУМ: конструктивная и технологическая

"отработанность" приемника, излучателя и узлов встройки в кристаллизатор;

простота эксплуатации; простота калибровки, нечувствительность к

электромагнитным полям (возможно совмещение с системой перемешивания

металла в кристаллизаторе).

Основными поставщиками изотопных ДУМ в страны СНГ являются ПО

"Промавтоматика" (г. Киев) и фирма "Bertoldf, значительно укрепившая свои

позиции поставщика, после распада СССР. В настоящее время в связи

настойчивым желанием ряда металлургических комбинатов снизить количество

импортных поставок, появились разработки отечественных приемников и

источников [pic]-излучения, конструктивно повторяющие уже применяемые.

Предприятия атомной промышленности готовы поставлять источники и

производить перезарядку использованных источников. По этому пути, пошли

металлургические комбинаты: ОАО "ОЭМК" и ОАО "НТМК".

Разработка электромагнитных (токовихревых) ДУМ (ЭДУМ) была инициирована

проблемой повышения безопасности, используемого в металлургии оборудования.

Успешными разработками можно считать ЭДУМ конструкции фирмы "Ниппон

кокан" (Япония) и "Раутаруукки", устанавливаемых над зеркалом металла, а

также конструкция фирмы IRM , встраиваемая в кристаллизатор.

Конструкция ЭДУМ фирмы "Ниппон кокан" представляет собой две группы

обмоток (катушек), расположенных на магнитопроводе и защищенных от нагрева

со стороны разливочного стакана и жидкого металла керамическим кожухом.

Дополнительной защитой от нагрева является поток воздуха, подводящийся

извне от внешнего источника, и определенным образом циркулирующий вокруг

обмоток (катушек) внутри керамического кожуха. Первая группа обмоток,

включенная между собой согласно, является обмотками возбуждения, к которым

подводится питающие ЭДУМ переменное напряжение с частотой в диапазоне от

1,5 до 4 кГц. Вторая группа, являющаяся сигнальными обмотками, включена

между собой встречно. Указанный диапазон частот питающего напряжения

обеспечивает наименьшее влияние проводимости шлакообразующей смеси. Опытным

путем было получено, что при более высоких частотах питающего напряжения,

например, 20-50 кГц, ЭДУМ измеряет уровень расплавленного шлака, а не

расплавленного металла.

ЭДС, наведенная на сигнальных обмотках, зависит от расстояния между ЭДУМ

и зеркалом расплавленного металла по существенно нелинейному закону.

ЭДУМ конструкции фирмы "Ниппон кокан" закреплен на специальном штативе,

который перемещается разливщиками вручную и устанавливается при измерении

уровня металла на край кристаллизатора. Отличительной особенностью данной

конструкции является ее простота, что позволило ряду фирм, например, в

Китае и в России, повторить эту конструкцию в тех или иных вариантах.

Недостатки:

1. неудобство в работе из-за наличия кабелей связи и шланга, подводящего

охлаждающий воздух, которые в большинстве случае находятся непосредственно

на разливочной

площадке и подвержены механическим и тепловым воздействиям, а также могут

ограничивать действия разливщика;

2. неудобства в работе из-за появления дополнительных операций для

разливщика: "операции установки и снятия" ЭДУМ в начале и в конце разливки,

а также в аварийных ситуациях (дополнительно затрачивается от 5 до 15 с на

выполнение операций "снятие ЭДУМ" и

"уборка в безопасное место");

3. вариации величины коэффициента преобразования в функции "уровень — ЭДС"

при

изменение места установки ЭДУМ в плоскости зеркала металла;

4. трудоемкость калибровки ЭДУМ (возможна только косвенная калибровка из-за

разной

проводимости жидкой и закристаллизовавшейся стали);

5. необходимость подавления в сигнале ЭДУМ составляющей связанной с

периодически

ми колебаниями кристаллизатора относительно уровня металла (на частоте

качания кристаллизатора).

Также существенным недостатком рассмотренной конструкции является

значительный расход комплектующих (датчиков, кожухов, подставок, кабелей,

шлангов), особенно при низкой технологической дисциплине персонала.

В конструкции ЭДУМ фирмы "Раутаруукки" первичный преобразователь

установлен на специальном телескопическом кронштейне, выдвигающемся и

убирающимся по команде разливщика. При этом достигается:

6. сохранность датчика и комплектующих;

7. установка датчика все время в одном и том же месте над плоскостью

зеркала жидкого

металла;

8. отсутствие в полезном сигнале ЭДУМ составляющей, связанной с частотой

качания

кристаллизатора.

Данные о влиянии шлакообразующей смеси на работу ЭДУМ отсутствуют. Однако

эксплуатационные достоинства данной конструкции ЭДУМ снижаются

необходимостью:

1. определения зоны безопасности для размещения телескопического

кронштейна, что

затруднительно из-за ограниченности или отсутствия, в ряде случаев, места

на разливочной площадке;

2. требованием наличия еще одной гидравлической системы для управления

раздвижным

кронштейном.

Конструкция ЭДУМ фирмы IRM, встроенная в кристаллизатор, полностью

лишена указанных недостатков и приближается по эксплуатационным

характеристикам к изотопным датчикам. Данный ЭДУМ представляет собой

группу обмоток, размещенных в специальном водоохлаждаемом кожухе,

устанавливаемом на кристаллизатор, таким образом, что обмотки охватывают

по периметру зеркало жидкого металла. Однако при достаточно больших

размерах кристаллизатора конструкция ЭДУМ становится конструктивно

громоздкой и не эффективной из-за необходимости подведения большой

мощности питающего напряжения к обмоткам возбуждения. Оптимальными для

применения данной конструкции ЭДУМ являются кристаллизаторы с сечением не

более 500x500 мм.

Особенностью всех конструкций ЭДУМ является необходимость правильного

выбора соотношения величины питающего напряжения и величины полезного

сигнала, так как от этого зависит коэффициент усиления тракта

преобразования сигнала первичного преобразователя ЭДУМ. Величина полезной

составляющей ЭДС сигнальных обмоток, зависит от уровня металла в

кристаллизаторе и при удалении датчика от зеркала жидкого металла в

диапазоне от 50 до 150 мм составляет не более 2-5 % от полного сигнала

(зависит от геометрических размеров датчика, размеров кристаллизатора и

др.). Например, коэффициент усиления в тракте преобразования "величина

уровня металла - нормированный сигнал (4-20 мА, 0-5 В и т. д.)" для ЭДУМ,

при габаритах первичного преобразователя: длина первичного преобразователя

200 мм, диаметр обмоток 30 мм, площади зеркала жидкого металла 200x200

мм, над которым установлен первичный преобразователь, и питающем

напряжении 10-15 В, составляет несколько сотен единиц. При таких значениях

величины коэффициента усиления во вторичном преобразователе необходимо

принимать меры по подавлению внутренних шумов усилителя, а также применять

ряд полосовых фильтров, подавляющих электромагнитные помехи (в первую

очередь помехи от переменного напряжения частотой 50 Гц). Все это приводит

к снижению полосы пропускания и увеличению постоянной времени тракта

преобразования сигнала ЭДУМ. В оптимальных конструкциях ЭДУМ запаздывание

в преобразовании сигнала первичного преобразователя составляет не более 1

с. Большой коэффициент усиления в тракте преобразования сигнала ЭДУМ также

накладывает ограничения по электромагнитной совместимости с другими

электромагнитными устройствами, применяемыми на разливочной площадке.

Такими устройствами могут быть мобильные радиостанции, системы

электромагнитного перемешивания стали и т. д.

Применение вблизи ЭДУМ источника электромагнитных волн может вызвать

аварийные ситуации, например, несанкционированное открывание или

закрывание дозирующего устройства.

Для ЭДУМ характерна существенная нелинейность функции преобразования

"уровень металла — ЭДС". Различная чувствительность датчиков, зависящая от

расстояния до зеркала жидкого металла, является их методической

погрешностью ЭДУМ. Нелинейность характеристики ЭДУМ, как и других ДУМ,

приводит к переменному петлевому коэффициенту в тракте системы

автоматического регулирования — САПУМК, что приводит к различию в точности

поддержания уровня металла в требуемом по технологии рабочем диапазоне.

Добиться линеаризации характеристики ЭДУМ можно следующими способами:

калибровкой ЭДУМ во всем рабочем диапазоне и последующим использованием

полученной калибровочной характеристики;

схемотехническими решениями во вторичном электронном преобразователе,

например, путем использования устройств с нелинейной характеристикой;

алгоритмически.

Способ прямой калибровки ЭДУМ прост в исполнении, но имеет ограничения по

точности линеаризации, так как существует отличие проводимости жидкой и

закристаллизовавшейся стали, а для ЭДУМ на штативе возможно изменение

положения первичного преобразователя в плоскости зеркала жидкого металла и

относительно стенок кристаллизатора. Данный способ наиболее пригоден для

конструкций датчиков фирмы "Раутаруукки" и "IRM", в которых первичные

преобразователи устанавливаются в одно и то же положение относительно

кристаллизатора и других металлических конструкций.

Фирмой "Ниппон кокан" разработан ЭДУМ, в котором путем схемотехнических

решений во вторичном преобразователе удалось добиться квазилинейной

характеристики преобразования сигнала во всем рабочем диапазоне датчика (0-

150 мм).

Примером одного из промышленно-применимых алгоритмических способов

линеаризации характеристики преобразования ЭДУМ является способ, в котором

используется составляющая сигнала первичного преобразователя, связанная с

наличием периодических колебаний кристаллизатора относительно слитка. В

данном способе первичный преобразователь устанавливается на кристаллизатор

или встраивается в кристаллизатор. Так как амплитуда и частота качания

кристаллизатора известны и программно задаются в процессе разливки, то

величина амплитуды составляющей полного сигнала первичного преобразователя

может использоваться в качестве "пробного" воздействия для определения

крутизны ЗДУМ в каждый период качаний кристаллизатора. Выделить "пробный"

сигнал из сигнала первичного преобразователя можно путем полосовой

фильтрации сигнала первичного преобразователя на частоте качания

кристаллизатора, причем как на этапе аналоговой обработки сигнала, так и в

цифровом виде. Амплитуда сигнала, прошедшего полосовую фильтрацию,

пропорциональна амплитуде качаний кристаллизатора. Аналоговое устройство,

реализующее выделение "пробного" сигнала, представляет набор полосовых LC

или RC фильтров, настроенных на разные частоты, соразмерные с частотой

качания кристаллизатора включаемые по команде извне по мере перехода с

одной частоты качания кристаллизатора на другую. Однако более

предпочтительной является фильтрация сигнала в цифровом виде, так как

методы цифровой фильтрации позволяют реализовать полосовые фильтры близкие

к идеальным. На следующих стадиях алгоритма, после фильтрации, проводится

измерение амплитуды "пробного" сигнала. Измеренная величина сопоставляется

с известной (заданной или независимо измеренной) величиной амплитуды

качаний кристаллизатора, на основании чего может быть вычислена крутизна в

каждой точке характеристики ЭДУМ, На основании вычисленных значений

крутизны на следующих стадиях алгоритма корректируется коэффициент усиления

для приведения характеристики ЭДУМ к линейному виду. Данный способ

позволяет добиться линейности характеристики ЭДУМ во всем рабочем диапазоне

с высокой степенью точности, ограниченной степенью гармоничности колебаний

поверхности зеркала жидкого металла относительно кристаллизатора. При

возникновении негармоничных колебаний, например, связанных с размыванием

отверстий разливочного стакана появляется погрешность в определении

величины амплитуды "пробного" сигнала, которая может достигать значительной

величины. Для устранения данной погрешности амплитуду "пробного" сигнала

следует вычислять на нескольких периодах колебаний, а в качестве

калибровочного значения использовать величину, вычисленную как среднее

значение измеренных амплитуд. Недостатками алгоритмического способа

линеаризации характеристики ЭДУМ являются:

методическая ошибка, появляющаяся из-за вычисления значения коэффициента

усиления на основании предыдущих замеров амплитуды "пробного" сигнала;

повышенная величина постоянной времени тракта преобразования сигнала

ЭДУМ, например, по сравнению ЭДУМ, в котором линеаризация достигается путем

использования калибровочной характеристики;

возможностью аварийных ситуаций при нерегулярности поведения зеркала

жидкого металла в кристаллизаторе.

На рисунке8, представлена блок-схема ЭДУМ, реализующего способ измерения

уровня металла в кристаллизаторе с использованием алгоритмической

линеаризации характеристики ЭДУМ.

[pic]

Рис.8 Блок-схема ЭДУМ, реализующего способ измерения уровня металла в

кристаллизаторе с использованием алгоритмической линеаризации

характеристики ЭДУМ.

Перспектива развития ДУМ:

миниатюризация; повышение удобства эксплуатации и надежности;

снижение эксплуатационных расходов и стоимости комплектующих; повышение

безопасности работы; повышение точности измерения. Для выполнения этих

требований рассмотренные ДУМ должны совершенствоваться в

следующих направлениях.

Изотопные ДУМ. Снижение мощности источника радиационного излучения;

повышение помехозащищенности приемного тракта; переход на другие виды

радиационного излучения, например, с использованием нейтронных генераторов

или генераторов рентгеновского типа, управляемых и не имеющих последействия

(вторичного радиационного излучения).

Электромагнитные ДУМ. Уменьшение габаритов первичных преобразователей

(наружный диаметр первичных преобразователей 10-20 мм — для датчиков

устанавливаемых над зеркалом жидкого металла на край кристаллизатора);

применение материалов и разработка конструкций, приводящих к снижению цены

для приближения к цене традиционно расходных материалов (футеровка,

термопары разового действия, пробоотборника и др.); интеграция конструкция

ЭДУМ в систему перемешивания металла в кристаллизаторе для устранения

влияния перекрестных электромагнитных полей; разработка конструкций ЭДУМ,

пригодных для закрепления на промковшах; уменьшение количества коммуникаций

(электрический кабель, шланг системы охлаждения), подсоединяемых к ЭДУМ.

Система уровень

В документе приняты следующие обозначения:

УФО - блок контроллера, устройство формирования и обработки сигналов

ПР - пульт разливщика с монитором

ПС - исполнительный механизм привода стопора

ВИП - блок силовой электроники привода стопора

ДУМ - датчик уровня металла

ДПК - датчик положения кристаллизатора

ВиА - стойка визуализации и архивации

НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМЫ

Система УРОВЕНЬ предназначена для автоматического поддержания

заданного уровня расплавленного металла, контроля и программного изменения

уровня в кристаллизаторе МНЛЗ. Аппаратура системы предназначена для

эксплуатации в условиях цеха металлургического предприятия. При этом часть

блоков располагается в помещении автоматики МНЛЗ, остальные размещаются на

разливочной площадке.[5]

Условия эксплуатации

|Показатель |Значение |

|Температура воздуха на разливочной площадке |от -25 до +60 °С |

|Относительная влажность на разливочной площадке |до 98% при |

| |температуре 35°С |

|Атмосферное давление на разливочной площадке |750 ±75 мм рт. ст.|

|Температура воздуха в помещении автоматики |от -5 до +40 °С |

|Относительная влажность в помещении автоматики |до 98% при |

| |температуре 25 °С |

|Атмосферное давление в помещении автоматики |750 ±75 мм рт. ст |

Технические характиристики

|Показатель |Значение |

|Диапазон значений уровня металла в кристаллизаторе, |от 20 до 150 мм |

|удерживаемых системой (отмеренных от верхнего края медных| |

|стенок кристаллизатора) | |

|Погрешность поддержания установленного значения уровня |±1 |

|металла (среднестатистическое интегральное значение) | |

|Динамическая погрешность поддержания уровня при |±1,5 мм |

|ступенчатом изменении скорости вытягивания сляба на 10% | |

|(при скорости сляба 1 м/мин) | |

|Длительность переходного процесса, вызванного скачком |не более 12 |

|скорости вытягивания сляба | |

|Тип интерфейса для связи между контроллером и рабочей |RS-485 |

|станцией | |

|Время восстановления системы после аварии (только при |не более 30 мин |

|типовой комплектации) | |

|Максимальное усилие, развиваемое приводом |не менее 6000 Н |

|Предельная температура корпуса ПР и ПС от теплопередачи и|не более 60 |

|излучения, °С | |

|Сетевое напряжение питания с частотой 50 Гц, В |198 - 242 |

|Максимальная мощность, потребляемая от сети, ВА |700 |

УСТРОЙСТВО И РАБОТА СИСТЕМЫ

Система "Уровень" является следящей системой, поддерживающей заданный

уровень металла в кристаллизаторе МНЛЗ. Блок-схема системы показана

ниже.

[pic]

Основными функциональными элементами системы, показанными на рисунке,

являются:

датчик уровня жидкого металла в кристаллизаторе ДУМ,

электронный блок УФО , объединяющий большую часть электронных

элементов системы,

электропривод, включающий электромеханический привод ПС и блок силовой

электроники ВИП - исполнительное устройство системы,

пульт разливщика ПР - основное устройство управления системой и

отображения ее работы в процессе разливки,

датчик положения кристаллизатора ДПК, измеряющий частоту и амплитуду

качания кристаллизатора,

стойка Визуализации и Архивирования (ВиА) служит для отображения,

Страницы: 1, 2, 3, 4