Управление тепловым режимом зоны вторичного охлаждения МНЛЗ

Дата добавления: 2014-05-29 | Просмотров: 1788

Процессы затвердевания непрерывного слитка в зоне вторичного охлаждения (ЗВО) оказывают решающее влияние на его внутреннюю структуру.
В связи с этим в процессе развития МНЛЗ уделялось большое внимание влиянию таких факторов, как интенсивность теплоотвода, скорость разливки, марка стали на теплообмен и кристаллизацию слитка в зоне вторичного охлаждения.

На ранней стадии развития процесса непрерывного литья стали получило распространение струйное вторичное охлаждение, при котором вода подается на слиток в виде отдельных струй. При этом отводилось преимущественно тепло затвердевшей оболочки слитка, в результате чего температура поверхности падала до 200 – 300 ºC, резко понижаясь в первые моменты, а затем оставаясь практически постоянной.

Таким образом затвердевшая оболочка переходила из области пластических в область упругих деформаций, что вызывало появление трещин вблизи фронта кристаллизации.

Стремление снизить удельные расходы воды и вместе с тем предотвратить раздутие слитка под действием ферростатического давления привело к созданию форсуночно – роликовой системы вторичного охлаждения, при которой по всей длине ЗВО были установлены опорные ролики или продольные поддерживающие брусья, что предотвращало раздутие слитка. Вода в такой системе вторичного охлаждения подается на слиток форсунками с большим завихрением потока и достаточно распыленным факелом.

Такое решение вторичного охлаждения позволило значительно снизить интенсивность охлаждения и, вместе с тем, избежать раздутия слитка, удержав температуру его поверхности на уровне 600 – 700 ºC, то-есть в зоне пластических деформаций.

Зону вторичного охлаждения разбивают на отдельные секции, руководствуясь следующими соображениями:

- число секций должно быть минимальным чтобы уменьшить количество регулирующей аппаратуры;

- длина каждой секции должна быть равной или кратной длинам роликовых секций так как это улучшает условия их облуживания, монтажа и демонтажа.

Современные системы управления вторичным охлаждением непрерывного слитка строятся как двухуравневые многоконтурные системы с использованием регулирующих микропроцессорных контроллеров Ремиконт, на нижнем уровне управления и микроЭВМ на верхнем уровне распределенной АСУТП ( рис. 9р ).

Рис. 9р. Схема управления вторичным охлаждением заготовки на МНЛЗ

Каждая секция управления расходом воды обслуживается отдельным ПИ-алгоритмом контроллера. Оптимизация управления осуществляется УВК подсистемы «Охлаждение» АСУТП. Здесь же решаются задачи управления в переходных режимах работы МНЛЗ, когда изменяется скорость разливки Vр.

По сигналу «начало разливки новой плавки» подсистема «Охлаждение» запрашивает марку стали для определения кода группы охлаждения и зависимости заданных расходов воды на секции ЗВО Q^зі(vp) от скорости разливки Vр.

Это основной принцип управления вторичным охлаждением слитка в ЗВО – принцип управления по возмущению, главным из которых является изменения скорости разливки Vр.

Даже наличие информации о температуре слитка по мере его перемещения по ЗВО не меняет дела. Такая информация приходит в систему управления охлаждением с запаздываниями, исчисляемыми десятками минут и по этой причине не может использоваться в контуре обратной связи автоматических систем управления расходами воды в ЗВО.

Весь сортамент разливаемого металла разбит на три группы охлаждения, в каждой из которых максимальная скорость охлаждения ограничена некоторой величиной, не вызывающей опасных для слитка термических напряжений:

1. Мягкие марки стали с содержанием углерода См < 0,1%, допускают охлаждение с достаточно высокой скоростью;

2. Среднеуглеродистые , в том числе трубные марки стали , с См = 0,1 - 0,3 %, занимают промежуточное положение;

3. Высокоуглеродистые марки (См > 0,3% ) и нержавеющие стали, которые надо охлаждать с минимальной скоростью.

Управление охлаждением слитка в ЗВО в стационарном режиме разливки

Под стационарным (установившимся) режимом разливки стали на МНЛЗ понимают такой режим, при котором некоторый элемент поверхности непрерывного слитка проходит весь путь охлаждения, начиная с уровня мениска металла в кристаллизаторе, с одинаковой скоростью.

Математическая модель, на основании которой УВК подсистемы «Охлаждение» производит расчет заданного расхода воды для і-й секции ЗВО, в стационарном режиме разливки имеет вид:

0 при Vр = 0;

Q^зі(vp) = Q₀і γ при 0 < Vр < Vр кр;

Q₀і +β (Vр - Vр кр) при Vр ≥ Vр кр,

где: Q^зі(vp) – заданный расход воды на і - ю секцию ЗВО;

Q₀і – начальный расход воды на і - ю секцию ЗВО;

γ – коэффициент, определяемый типом модели охлаждения; принимает значение 0 или 1;

β – угловой коэффициент модели охлаждения;

Vр кр – «критическая» скорость разливки.

Смысл приведенной выше математической модели управления расходами воды на каждую секцию ЗВО лучше всего иллюстрирует график ( рис.11р ).

Рассчитанная по модели величина Q^зі(vp) передается в виде сигнала задания на вход ПИ-алгоритма регулирующего микропроцессорного контроллера, обслуживающего і-ю секцию ЗВО, который и выполняет задание.

.

Рис. 11р. Зависимость заданных расходов воды для охлаждения слитка в зоне

вторичного охлаждения МНЛЗ от скорости разливки.

Расчеты расходов воды Q^зі(vp) на каждую секцию ЗВО производится на основании информации, введенной в УВК:

- марка стали ( код группы охлаждения);

- сечение кристаллизатора Sкр;

- температура метала в промковше;

- температура поверхности слитка в ЗВО;

- скорость розливки Vр;

При расчетах режимов охлаждения используются, как правило, инженерные модели затвердевания слитка, основанные на уравнениях теплового баланса, либо более сложные модели. С их помощью рассчитывается температура слитка в процессе затвердевания, глубина жидкой фазы, толщина оболочки слитка.

Такие модели можно использовать как при проектировании МНЛЗ и расчете технологических режимов разливки, так и в алгоритмах управления.

Представленная выше модель используется для оперативного управления расходами воды на ЗВО.

Сложность ее применения в том, что все параметры модели: Q₀і, β, Vр кр

различны для каждой секции ЗВО и даже для большого и малого радиусов одной и той же секции. На практике численные значения этих параметров определяют експериментально и постоянно уточняют по мере накопления данных о результатах розливок.

Массивы параметров модели охлаждения для каждой секции сохраняют в архиве УВК верхнего уровня АСУТП МНЛЗ и используют перед началом розливки очередной плавки.

Управление охлаждением слитка в ЗВО в нестационарном режиме разливки

Под нестационарным режимом разливки стали на МНЛЗ понимают такой режим, при котором некоторый элемент поверхности непрерывного слитка проходит весь путь охлаждения, начиная с уровня мениска металла в кристаллизаторе, с различными скоростями.

Анализ переходных процессов, возникающих в ЗВО при нестационарных условиях разливки, показал, что для поддержания оптимальных условий охлаждения слитка при скачках скорости разливки расходы воды на ЗВО необходимо изменять не мгновенно, а в течение определенного времени.

Величина этого времени зависит от направления и величины скачка скорости, а также от расстояния до данной секции ЗВО от мениска металла в кристаллизаторе.

Для учета переходных процессов в ЗВО при нестационарных условиях разливки используют способ управления режимом охлаждения непрерывного слитка, основанный на понятии «условной скорости разливки» – V(τ,i), которая определяется как: V(τ,i) = Zi/t(τ,i),

где:

- i – номер секции ЗВО;

- τ – текущее время от момента скачка скорости разливки;

- Zi – расстояние от мениска металла в кристаллизаторе до средины i-й секции ЗВО;

- t(τ,i) – отрезок времени, прошедшего с начала охлаждения элемента поверхности слитка, который в момент времени τ находится в средине i-й секции ЗВО.

Понятие условной скорости разливки, очевидно, будет различным для каждой секции ЗВО и позволяет следить за всеми колебаниями скорости литя без непосредственного анализа направления и величины скачка сорости.

Рассмотрим понятие «условной скорости разливки» подробнее.

Пусть в момент времени τ₀ произошел мгновенный скачок скорости разливки с V₀ до V₁ (рис.12р-а) . Тогда время t(τ,i), прошедшее с начала охлаждения элемента поверхности слитка, который находится в момент времени τ в средине i-й секции ЗВО, будет изменяться по линейному закону (смотри рис 12 р-б).

Рис.10р-а. Изменение скорости разливки

Рис.10 р-б. Изменение отрезка времени t(τ,i) при скачке скорости разливки

Переходный процесс в i-й секции ЗВО будет продолжаться до тех пор, пока в средину этой секции не придет элемент поверхности, разлитый с новой скоростью V1. Очевидно, длительность этого процесса будет составлять Zi / V1.

Таким образом, время t(τ,i) для некоторой i-й секции ЗВО можно выразить следующим образом:

t(τ,i) = при );

и, следовательно, условная скорость разливки V(τ,i) = Zi/t(τ,i) будет составлять:

V(τ,i)=V до момента , тобто до скачка скорости разливки;

V(τ,i)= в переходном режиме;

V(τ,i)=V после окончанияпереходного режима.

Из приведенных доказательств следует, что в установившемся режиме разливки условная скорость V(τ,i) в каждой секции ЗВО будет постоянной, независящей от номера секции и равной истинной скорости разливки Vр.

При изменении последней по ступенчатому закону условная скорость разливки V(τ,i) и зависящие от нее расходы воды на і-ю секцию ЗВО будут плавно изменяться по кусочно – гиперболической или кусочно – линейной зависимости до тех пор, пока в средину і-й зоны не попадет элемент поверхности слитка, разлитый с новой постоянной скоростью V1.

Очевидно, что зависимость V(τ,i)= в координатах

V(τ,i)=F( τ) является гиперболой, поскольку V₀Zi=const.

График изменения V(τ,i) представлен рисунком 10 р-в.

Рис. 10р-в. Изменение условной скорости разливки в переходных режимах

Длительность переходного процесса в і -й секции ЗВО:

τп = Zi/ V1.

Таким образом, переходный процесс в системе охлаждения слитка в ЗВО закончится раньше в первой по ходу слитка секции и позже в последней секции.

Для определения требуемых расходов воды на ЗВО используют линеаризованные зависимости Q=f(Vp ), полученные экспериментально для данной секции охлаждения и сечения кристаллизатора (смотри рис. 11р).

Поскольку в нестационарных условиях разливки процесс литья определяется условной скоростью разливки V(τ,i) то и расходы воды по секціям ЗВО будут определяться условной скоростью.

При этом расход воды на і –ю секцию ЗВО в момент τ может быть выражен как:

Q(τ,i)=

Из этого выражения и рис. р легко видеть, что расходы воды при любых возмущениях скорости разливки будут плавно изменяться по зависимости близкой к кусочно – линейной в течение времени, соответствующего времени переходного процесса для данной секции ЗВО.

Использование понятия «условная скорость разливки» для каждой секции ЗВО позволяет реализовать логически простой способ управления расходами охлажающей воды, который учитывает изменение условий охлаждения слитка при нестационарных режимах разливки.

Одним из параметров, оказывающих сильное влияние на скорость разливки, является температура металла, поступающего в кристаллизатор. Известно,что увеличение (снижение) температуры металла в промковше на 10 ºC по сравнению с оптимальной требует уменшения (увеличения) скорости разливки на 0,1 м/мин, или, что то же самое, соответствующего увеличения (снижения) расходов воды при неизменной скорости разливки.

Поэтому, изменение температуры металла в промковше должно быть учтено соответствующим изменением условной скорости разливки:

V^*(τ,i) = V(τ,i) + δ(t⁰пк – t^фпк),

где: V^*(τ,i) – скорректированная условная скорость разливки;

t⁰пк и t^фпк – заданная и фактическая температура металла в промковше;

δ = 0,01 м/мин/ºC – коэффициент пропорциональности.

На практике, однако, любая модель управления содержит различные неточности и погрешности, которые моделью не учитываются (например, несимметричный теплоотвод в кристаллизаторе).

Поэтому обеспечить удовлетворительное качество управления можно только использованием информации о фактическом значении температуры поверхности слитка на выходе из секций ЗВО.

Расхождение между заданной и фактической температурой слитка используется либо для адаптации коэффициентов математической модели охлаждения, либо для коррекции расходов воды через параметр – условная скорость разливки V^**(τ,i).

Трудность такой коррекции заключается в том, что по информации от одного параметра необходимо скорректировать задание для всех работающих секций ЗВО.

Расчет величины изменения расхода воды в зависимости от температуры поверхности слитка, измеренной пирометром излучения, осуществляется через коррекцию условной скорости разливки для каждой секции по формуле:

V^**(τ,i) = V(τ,i) (1+αi Kt),

где: V^**(τ,i) – скорректированное значение V(τ,i) с учетом измеренной температуры непрерывного слитка после ЗВО;

αi – коэффициент влияния (весового вклада) i-й секции ЗВО в величину температурной ошибки;

Kt – коэффициент коррекции, зависящий от величины отклонения температуры поверхности слитка от номинальной (заданной технологией):

Kt = К( t^фпов – t^номпов ) .