Измерение уровня жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ

Датчики инфракрасного излучения для определения уровня металла в

кристаллизаторе

Наряду с использованием радиоизотопных измерителей уровня за рубежом

ведутся интенсивные поиски новых средств контроля уровня металла в

кристаллизаторе, более простых с точки зрения размещения их в составе

оборудования и более надежных в эксплуатации. [3] Так, фирмами «concast"

("Конкаст"), Швейцария и "Clesid" ("Клесид"), Франция, разработан датчик

инфракрасного излучения для определения уровня металла в кристаллизаторе,

которой располагается на разливочной площадке и механически не связан с

кристаллизатором. Предложенный измеритель уровня по данным фирм-

разработчиков, отличается простотой и надежностью, работает независимо от

состояния поверхности ванны жидкого металла в кристаллизаторе (наличие

шлаковых смесей, выбросы пламени и т.д.). Структурная схема инфракрасного

измерителя уровня металла в кристаллизаторе приведена на рис.6. [pic]

Рис.6. Схема измерителя уровня металла в кристаллизаторе,

разработанного фирмой "Клесид", Франция:

1 - кристаллизатор; 2 - датчик уровня; 3 - шкаф электронной

аппаратуры; 4 коммутирующая панель; 5 - блок первичной обработки сигнала; 6

- сигнальное устройство;7-переключатель, используемый при изменении

размеров кристаллизатора; 8 – ПИ (пропорционально-интегральный) регулятор;

9 - усилитель мощности; 10 - переключатель; II - контрольная лампа "Наличие

питания"; 12-индикаторная лампа работы в автоматическом режиме; 13 – кнопка

установки нуля; 14 - соединительный клеммник.

Аналогичный измеритель разработан фирмой "CEDA" ("ЧЕДА"), Италия.

Измеритель также работает на основе принципа инфракрасного излучения от

ванны жидкого металла в кристаллизаторе, однако в отличие от ранее

рассмотренного, не требует перенастройки при изменении размеров

кристаллизатора. Это обуславливается тем, что работа измерителя

основывается на представляющим интерес принципе облучения покрытой шлаком

ванны жидкого металла в кристаллизаторе мощным монохроматическим излучением

в области спектра, для которой слой шлака является достаточно прозрачным и

на который посторонние источники света не влияют. Отраженный от поверхности

чистого металла поток инфракрасного излучения детектируется оптоэлектронным

датчиком. При этом изменение температуры металла, интенсивности его

свечения, а также посторонние источники света и шлак не оказывают влияния

на показания прибора. Система используется в настоящее время на ряде

сортовых МНЛЗ заводов Италии, обеспечивая точность измерения уровня ±10 мм.

Метод контроля уровня металла в кристаллизаторе основанный на использовании

вихревых токов, индуктируемых катушкой, размещенной над зеркалом жидкого

металла в кристаллизаторе.

Интересный метод контроля уровня металла в кристаллизаторе предложен

фирмой "Ниппон кокан", Япония. Метод основан на использовании вихревых

токов, индуктируемых катушкой, размещенной над зеркалом жидкого металла в

кристаллизаторе.[3] Измерительная катушка получает питание от

высокочастотного генератора (50 кГц) через усилитель с положительной

обратной связью. В зависимости от положения зеркала металла полное

сопротивление измерительной катушки, зависящее от ЭДС, наводимой в ней

вихревыми токами, также изменяется, что служит мерой положения уровня

жидкого металла в кристаллизаторе. Измерительная катушка размещена в

защитном керамическом стакане, охлаждаемым воздухом. Постоянная времени

комплекта составляет менее 0,2 с, точностью измерения ±1 мм

На рис.7 приведена структурная схема устройства

[pic]

Рис.7. Схема измерителя уровня металла в кристаллизаторе,

разработанного фирмой "Ниппон кокан", Япония:

I - усилитель обратной связи; 2 - осциллятор; 3 - детектор; 4 -

реактивная катушка; 5 - основной блок; .6 - измерителная катушка; 7 -

зеркало ванны; 8 -магнитное поле; 9 - кристаллизатор; 10 - ванна жидкого

металла; II - вихревые токи.

В СССР также ведутся работы по поиску новых методов контроля уровня

жидкого металла в кристаллизаторе. Так, в Институте проблем управления

разработан датчик уровня жидкого металла в кристаллизаторе, использующий

энергию высокочастотных частотно-модулированных колебаний.

Энергия высокочастотных колебаний подводится от генератора к

резонансному контуру, образованному струей жидкого металла, которая

охватывается кольцевым проводником с подключенным к нему высокочастотной

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,

архивации и хранения основных параметров системы и режимах работы

Пульт разливщика ПР, привод ПС и датчик уровня металла ДУМ размещаются

на разливочной площадке. Блоки УФО, ВИП, находятся в шкафу вблизи

разливочной площадки. Остальные блоки расположены в помещении оператора

МНЛЗ.

После начала разливки, выполняемого в режиме ручного управления, на

кристаллизатор устанавливается датчик уровня металла ДУМ. После получения

от системы сигнала о готовности к работе в автоматическом режиме,

разливщик подает команду на включение автоматического режима

управления и при помощи муфты подключает исполнительный механизм - привод

ПС к штоку стопорного механизма промежуточного ковша. При изменении условий

разливки - температуры жидкого металла, изменении геометрических размеров

сливного отверстия промковша, изменении скорости вытягивания сляба -

изменяется уровень металла в кристаллизаторе.

Датчик уровня металла ДУМ преобразует уровень металла в

кристаллизаторе в электрический сигнал. Сигнал передается в основной

электронный блок системы - УФО. В этом блоке производится преобразование

сигнала ДУМ в цифровую форму и вычисляется текущее значение уровня металла

в кристаллизаторе. Результат вычисления сравнивается с установленным

программой значением. В зависимости от величины и знака рассогласования

вырабатывается цифровой сигнал управления приводом стопора. Сигнал

управления подается в блок силовой электроники привода ВИП, где он

преобразуется в аналоговую форму, усиливается по мощности и приводит в

движение механизмы привода стопора ПС. Привод ПС перемещает стопор в новое

положение, изменяя поступление жидкого металла в кристаллизатор, и тем

самым, восстанавливая заданный уровень металла, измеряемый датчиком ДУМ.

Датчик уровня металла ДУМ

Датчик ДУМ служит для измерения уровня жидкого металла в

кристаллизаторе машины непрерывного литья заготовок. Внешний вид датчика

показан на рисунке. Датчик ДУМ состоит из штатива и закрепленного на нем

чувствительного элемента. Штатив имеет основание, стойку с рисками и ручку

для переноски. На стойку одета муфта, несущая трубчатый кронштейн, с

фиксирующими штурвальчиками.

Правый штурвальчик (если смотреть со стороны штуцера) позволяет

фиксировать положение муфты на вертикальной стойке штатива. Освобожденная

муфта легко перемещается по стойке.

Левый штурвальчик фиксирует угловое и линейное положение трубчатого

кронштейна относительно муфты.

На трубчатом кронштейне с одной стороны закреплен через шарнир

чувствительный элемент датчика, а с другой - электрический разъем и штуцер

для подключения воздушного шланга.Шарнир дает возможность устанавливать

чувствительный элемент под разными углами относительно продольной оси

кронштейна.

Чувствительный элемент через крышку соединен трубкой с шарниром. По

этой трубке воздух попадает внутрь его. Крышка имеет отверстия для выхода

воздуха. Чувствительный элемент закрыт защитным кожухом. Кожух и

чувствительный элемент крепятся к крышке. Кожух крепится с помощью трех

губок, установленных на крышке, и хомута, затягиваемого винтом.

Для защиты от перегрева в датчик по шлангу подается воздух под

давлением от 2 до 3 атм. К аппаратуре системы "Уровень" датчик подключается

с помощью кабеля с электрическим разъемом. На трубчатый кронштейн, шарнир и

крышку ДУМ надевается брызгозащитный чехол из стеклоткани. Чехол

предназначен для предотвращения попадания брызг жидкого металла на элементы

конструкции ДУМ.

Крепление чехла осуществляется тесёмками, завязываемыми на трубчатом

кронштейне и на верхней части защитного кожуха чувствительного элемента. На

трубчатом кронштейне чехол не должен быть затянут плотно для обеспечения

выхода охлаждающего воздуха.

ПУЛЬТ РАЗЛИВЩИКА

Блок ПР является основным средством общения между пользователем -

разливщиком и системой "Уровень". Блок предназначен для:

выдачи разливщиком команд управления системе,

отображения на дисплее текущей информации техпроцесса,

отображения на дисплее аварийных ситуаций техпроцесса и выдачи

звукового сигнала.

На лицевой панели пульта расположены кнопки управления системой,

световые индикаторы и дисплей. Внешний вид пульта разливщика показан на

фотографии.

Кнопки "стрелка вверх" и "стрелка вниз" (правый верхний угол) служат

для регулировки номинального значения уровня металла в кристаллизаторе,

поддерживаемого системой в режиме СТАБИЛИЗАЦИЯ.

Кнопка "ПРИВОД" (левый нижний угол) служит для дистанционного

включения и выключения блока силовой электроники ВИП и привода ПС.

Кнопка "РЕЖИМ" (справа от кнопки "РЕЖИМ") служит для перехода из

режима ТЕСТИРОВАНИЯ в режим ОЖИДАНИЕ.

Кнопка "СИГНАЛ" (под кнопками "стрелка вверх" и "стрелка вниз") служит

для подтверждения разливщиком действий, необходимых для включения системы.

Кнопка "СТАБ."(правый нижний угол) зарезервирована для дальнейшего

расширения возможностей системы.

Электролюминесцентный дисплей служит для отображения текстовой и

графической информации о работе системы.

Светодиодный индикатор "ПРИВОД" светится, если привод включен.

Светодиодный индикатор "СТАБИЛИЗАЦИЯ" светится, если система находится

в режиме автоматической стабилизации уровня металла.

Светодиодный индикатор "ПР-2000" светится, если на пульт подается

питающее напряжение.

БЛОКИ ПС и ВИП

Блоки ПС и ВИП предназначены для управления стопором в системе

стабилизации уровня металла. Блок ВИП устанавливается между исполнительным

механизмом системы ПС и блоком УФО.

Привод стопора ПС Привод ПС является исполнительным механизмом системы

автоматической стабилизации уровня жидкого металла в кристаллизаторе машины

непрерывного литья заготовок. Привод устанавливается на промковш. К

аппаратуре системы привод подключается кабелем.

Привод имеет два органа управления: вращающуюся ручку на муфте и тумблер

"СТАБИЛИЗАЦИЯ".

Ручка на муфте позволяет управлять механическим соединением привода со

стопорным механизмом. Затянув муфту с помощью ручки, Вы жестко связываете

привод с механизмом стопора. Отпущенная муфта разрывает связь привода и

стопора, дает возможность управлять положением стопора вручную.

Тумблер "СТАБИЛИЗАЦИЯ" включает режим автоматического управления уровнем

металла. Над тумблером находится одноименный индикатор. Индикатор светится,

если система находится в режиме автоматической стабилизации или при

прохождении теста привода в режиме тестирования.

Испытания системы стабилизации уровня металла в кристаллизаторе МНЛЗ №4

ККЦ-1 НЛМК с электромагнитным датчиком уровня металла, предоставленным

фирмой ТЕХНОАП

Цель испытаний

Цель испытаний - оценить точность поддержания уровня металла в существующей

системе для датчиков, построенных на разных принципах действия и получить

сравнительную оценку работы системы стабилизации. Первый датчик уровня -

радиоизотопный, установлен на МНЛЗ в соответствии с проектом, второй датчик

построен на электромагнитном принципе.[5]

Основные отличия электромагнитного датчика

. Электромагнитный датчик не чувствителен к толщине слоя шлакообразующей

смеси, покрывающей поверхность расплавленного металла в

кристаллизаторе МНЛЗ;

. Ширина полосы пропускания электромагнитного датчика существенно

превышает аналогичный параметр радиоизотопного датчика;

. Уровень собственного шума радиоизотопного датчика относительно высок.

Его стандартное отклонение составляет около 1,5 мм. Шум датчика хорошо

виден при пустом кристаллизаторе перед началом разливки. Система

стабилизации принципиально не может обеспечить ошибку стабилизации

меньше уровня собственного шума датчика.

Методика проведения испытаний

Основные метрологические характеристики электромагнитного датчика

(коэффициент преобразования и уровень металла в кристаллизаторе, при

котором он считается наполненным на 100%) были установлены равными

соответствующим показателям изотопного датчика. Электромагнитный датчик был

дооснащен аналоговым выходом в виде тока 4-20 мА. Через этот выход

электромагнитный датчик подключался к системе стабилизации уровня металла

вместо радиоизотопного датчика. В процессе разливки была предусмотрена

возможность переключать датчики, использующиеся для управления уровнем

металла в кристаллизаторе. Во всех режимах работы системы стабилизации

уровня показания обоих датчиков регистрировались синхронно

быстродействующей цифровой измерительной системой. Данные измерений в виде

абсолютных значений уровня металла, отмеренных от верхнего среза медных

плит кристаллизатора, выраженные в миллиметрах сохранялись в архиве.

Статистическая обработка всех результатов измерений проводилась

единообразно. Для обработки использовались электронные таблицы EXCEL, в

которые импортировались данные из архивов, полученных в процессе разливки.

Для выбранных фрагментов записей вычислялось стандартное отклонение.

Результаты

23 января 2003 испытания проводились при разливке перитектической стали.

Система стабилизации уровня металла работала первоначально с радиоизотопным

датчиком, а под конец разливки был подключен электромагнитный датчик

уровня.

Наилучший результат был достигнут при работе с электромагнитным датчиком.

Для этого потребовалось уменьшить (в четыре раза по сравнению с

радиоизотопным датчиком) постоянную времени фильтра нижних частот на выходе

электромагнитного. Фрагмент архивной записи окончания разливки приведен

ниже. Сигнал изотопного датчика отображается линией черного цвета, а сигнал

электромагнитного датчика - серого.

Стандартное отклонение уровня металла в кристаллизаторе, измеренное

электромагнитным датчиком уровня, на указанном временном интервале менее 1

мм. Аналогичный параметр сигнала радиоизотопного датчика на том же

временном интервале немного превышает 2 мм.

На представленном фрагменте хорошо видны моменты подачи шлакообразующей

смеси в кристаллизатор. После подачи шлакообразующей смеси выходной сигнал

изотопного датчика резко возрастает и далее медленно уменьшается по мере ее

расхода.

[pic]

На следующем рисунке приведен 20 секундный фрагмент реализации. Сигнал

датчика Berthold показан черным цветом, датчика ТЕХНОАП (ТА) - серым.

Управление уровнем в это время производилось от датчика ТЕХНОАП.

[pic]

Отчет о разработке и промышленных испытаниях

датчика уровня металла "ДУМ бортовой"

Датчик уровня металла ДУМ-бортовой (далее - датчик) предназначен для

измерения уровня металла в кристаллизаторах МНЛЗ при работе в составе

системы автоматического поддержания уровня металла типа "Уровень".

Конструкция датчика предполагает его встройку в воротник

кристаллизатора.[5]

ЦЕЛЬ РАЗРАБОТКИ

Целью разработки являлось улучшение эксплуатационных и потребительских

свойств системы "Уровень" за счет создания встроенного датчика уровня

металла, обладающего следующими преимуществами по сравнению со штативным

датчиком (ДУМ-07):

. Упрощение работы технологического персонала УНРС

Нет необходимости устанавливать датчик и снимать его при замене

погружного стакана.

. Улучшение условий работы с кристаллизатором

Зеркало металла полностью открыто для наблюдения и подсыпания

шлакообразующей смеси

. Повышение надежности кабельной и воздушной трассы датчика

Электрический кабель и шланг с воздухом прокладывается под разливочной

площадкой и не подвергается воздействию искр и брызг металла. Кроме то-

го, кабели не мешают работе на разливочной площадке.

. Увеличение информативности системы "Уровень"

Появляется возможность получения информации о изменениях уровня

металла во время замены разливочного стакана, при перековшовке, а

также в других ситуациях, когда штативный датчик необходимо снимать с

кристаллизатора.

ЗАДАЧИ РАЗРАБОТКИ

Основные задачи разработки состояли в следующем:

. разработка чувствительного элемента датчика, отвечающего требованиям

диапазона и точности измерения уровня металла в кристаллизаторе.

. разработка корпуса датчика и деталей его крепления к корпусу

кристаллизатора;

. разработка защитного экрана, защищающего датчик от сильного нагрева и

брызг металла;

. разработка методики работы с датчиком; обеспечение возможности

использования резервного штативного датчика (ДУМ-07) при аварийном

выходе из строя встроенного датчика.

МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ

Разработка датчика состояла из следующих этапов:

. Математическое моделирование и макетирование датчика.

На этом этапе проектировались основные параметры датчика, его обмоток

и корпуса.

. Изготовление и испытание макета датчика.

Испытания проводились на специальном стенде, имитирующем

кристаллизатор, жидкий металл и механизм качания.

. Изготовление и испытание промышленного образца датчика.

Проведение испытаний на стенде. Тепловые испытания.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ

Устройство и работа датчика

Общие сведения

Датчик содержит обмотки, размещенные в корпусе из нержавеющей стали.

Передняя стенка изготовлена из термостойкого неэлектропроводного материала.

На задней стенке размещен электрический разъем и штуцер для подключения

шланга с воздухом (см. рис.1). На верхней грани датчика предусмотрены штыри

для фиксации защитного экрана.

Датчик с помощью монтажного комплекта устанавливается на широкой стенке

кристаллизатора, заменяя тем самым часть воротника кристаллизатора. Лицевая

стенка датчика, таким образом, расположена в одной плоскости с медной

стенкой кристаллизатора.

Защитный экран предназначен для защиты датчика от теплового излучения и

брызг металла.

Общие сведения

|Диапазон измерения уровня металла (от среза кристаллизатора), мм|от 30 до |

| |130 |

|Масса датчика с комплектом крепления и с защитным экраном, кг, |5 |

|не более | |

|Давление в трассе воздушного охлаждения, атм |2/3 |

|Габариты датчика |200х120х60 |

Подготовка к работе. Монтаж датчика на кристаллизаторе

Для установки датчика необходимо предварительно произвести доработку

деталей кристаллизатора, воротника и защитной плиты. Благодаря

существующему разнообразию конструкции кристаллизаторов и их деталей,

чертежи встройки датчика для каждого типа кристаллизатора должны

разрабатываться отдельно и согласовываться с заказчиком.

Общие требования к установке датчика заключаются в следующем:

. место установки датчика на кристаллизаторе должно определяться из

минимума вероятности повреждения датчика при аварийных ситуациях и

максимального расстояния от разливочного стакана, а также удобства

обслуживания мениска металла во время работы установки;

. датчик должен быть установлен на кристаллизаторе таким образом, чтобы

его передняя стенка находилась в одной плоскости с медной стенкой

кристаллизатора;

. крепление датчика к кристаллизатору должно быть надежно и обеспечивать

неподвижность датчика относительно кристаллизатора при работающем

механизме качания кристаллизатора;

. защитная плита кристаллизатора должна быть установлена таким образом,

чтобы исключить ее вибрации относительно кристаллизатора;

Подготовка датчика к работе включает в себя следующее:

1. Проверка технического состояния.

Проверка технического состояния датчика производится перед установкой его

на кристаллизатор и предполагает внешний осмотр и проверку параметров

датчика. При внешнем осмотре необходимо убедиться в целостности корпуса

датчика, в отсутствии видимых повреждений. Проверка параметров датчика

предполагает замер сопротивлений обмоток датчика на его электрическом

разъеме и сверка этих параметров с данными, указанными в Руководстве по

эксплуатации.

2. Монтаж ДУМ на кристаллизаторе.

Установка датчика на кристаллизаторе может осуществляться как на участке

подготовки кристаллизатора, так и на разливочной площадке во время

переподготовки УНРС.

Датчик необходимо закрепить к кристаллизатору с помощью болтов или шпилек

(см. рис.2). При этом необходимо установить датчик так, чтобы его лицевая

стенка находилась в одной плоскости с медной стенкой кристаллизатора.

Нижняя грань датчика должна плотно прилегать к торцу медной стенки

кристаллизатора.

3. Подключение электрического кабеля и шланга трассы воздушного охлаждения.

Электрический кабель и шланг воздушного охлаждения необходимо подключить до

установки защитной плиты кристаллизатора. После подсоединения шланга

включить подачу воздуха и убедится, что воздух выходит из отверстий на

задней стенке датчика. При установленном воротнике кристаллизатора (см.

рис.3) необходимо заложить пространство между датчиком и воротником

шнуровым асбестом.

4. Установка защитного экрана

. После заведения в кристаллизатор затравки необходимо установить на датчик

защитный экран (см. рис.4).

Эксплуатация датчика ДУМ-бортовой

При эксплуатации датчика в составе системы "Уровень" необходимо

придерживаться следующих правил:

. Во время автоматической стабилизации уровня металла запрещено

подносить металлические предметы к датчику ближе 30 см.

. При проведении технологических операций на кристаллизаторе, при замене

раз-ливочного стакана стараться избегать попадания на датчик капель

металла. При повреждении защитного экрана датчика (сильная деформация,

налипание капель металла и др.) его следует заменить на новый.

. Избегать попадания воды в зону установки датчика.

. При повреждении датчика во время разливки необходимо подключить к

системе "Уровень" резервный датчик на штативе (ДУМ-07). Во время

переподготовки УНРС заменить встроенный датчик на новый из комплекта

ЗИП.

Ремонт и техническое обслуживание датчика ДУМ-бортовой

При повреждении датчика во время аварии на УНРС его следует снять с кристал-

лизатора, очистить налипших на него капель металла и шлака, проверить его

параметры согласно Руководству по эксплуатации.

При отсутствии видимых повреждений корпуса датчика и полном соответствии

всех параметров, указанных в Руководстве по эксплуатации, нормальным

значениям датчик можно вновь использовать в работе. В противном случае его

следует заменить на исправный.

Поврежденный датчик подлежит ремонту только специалистами ТЕХНОАП.

Результаты промышленных испытаний

Начиная с 1.03.02 г. по 31.03.02 г. проводились опытно-промышленные

испытания датчика ДУМ-бортовой. Датчик работал в составе системы "Уровень

НЛМК" в режимах "ВЫСТАВКА" (измерение) и "СТАБИЛИЗАЦИЯ" (автоматическое

поддержание заданного уровня металла). В режиме "СТАБИЛИЗАЦИЯ" система

работала с 3.03.02 г. по 31.03.02 (около 270 часов ~ 185 плавок).

На рисунках 5 и 6 представлены фрагменты архивов работы системы с бортовым

датчиком. На рисунке 6 показан момент замены погружного разливочного

стакана с уменьшением скорости разливки.

[pic][pic]

Замечания

В результате проведенных испытаний были выявлены следующие замечания:

. При существующей конструкции защитной плиты и кристаллизатора возможно

повреждение датчика и крепежного кронштейна, при снятии и установке

защитной плиты на кристаллизатор.

. Электрический кабель и шланг воздушного охлаждения датчика,

находящиеся внутри горячей камеры, должны быть проложены в специальном

защитном коробе.

. При работе с датчиком использовался дополнительный модифицированный

блок обработки сигналов, вместо штатного блока.

. Погрешность поддержания заданного уровня металла должна быть не хуже,

чем у штатного датчика ДУМ-07

. Трасса сжатого воздуха для охлаждения датчика должна быть оснащена

отдель-ным вентилем и манометром.

. Сравнительно небольшой срок службы защитного кожуха. Недостаточная на-

дежность крепления защитного кожуха к датчику.

ВЫВОДЫ

1) Разработанный фирмой ЗАО "ТЕХНОАП" встроенный датчик уровня металла ДУМ-

бортовой может эксплуатироваться в составе системы Уровень как штатный.

2) Датчик ДУМ-бортовой позволяет улучшить условия работы технологического

персонала, а также избавляет их от необходимости снимать и устанавливать

датчик во время технологических операций (замены разливочного стакана,

смены промковша и др.).

3) Для обеспечения лучшей защищенности датчика и кабельной трассы, а также

для упрощения его установки необходимо:

. модифицировать детали крепления датчика к кристаллизатору, конструкцию

воротника, защитной плиты и кристаллизатора;

. поместить кабель и воздушный шланг датчика, проложенные в горячей

зоне, в защитный короб.

Список литературы

1. Автоматизация непрерывной разливки стали. Под редакцией Б.Б.Тимофеева.

Киев 1968 г.

2. Системы слежения за перемещением затравки и заготовки и регулирования

уровня метала в кристаллизаторах МНЛЗ. Под редакцией Г. Шмитза.BBC –

Nachrichten, 1977.

3. Черная металлургия. Серия Автоматизация металлургического производства.

Автоматизация МНЛЗ в СССР и за рубежом. Москва 1983 г.

4. Труды шестого конгресса сталеплавильщиков А.П.ЕВТЕЕВ, А.ЛЖНАТОВ (НПО

"Техносталь", ГУ/7 "Зарубежчермет-Арсенал"). Москва 2001г.

5. http://www.technoap.ru

Страницы: 1, 2