Реферат: Измерение уровня жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ

Министерствообразования Российской Федерации

МагнитогорскийГосударственный Технический Университет

 им Г.И. Носова

 ФакультетАи ВТ

КафедраПромышленной Кибернетики и Систем Управления

Курсоваяработа

Подисциплине:Технические измерения и приборы

Натему: Измерение уровня жидкого металла в

кристаллизатореМНЛЗ

Выполнилстудент группы АМ-00-1:

СеребренниковД.Г.

            Проверил: СергеевА.И.

Магнитогорск2003

Содержание 1

Введение 2

Способы измерения уровня жидкогометалла в кристаллизаторе МНЛЗ 7

ИЗМЕРЕНИЕ   УРОВНЯ   С   ПОМОЩЬЮРАДИОАКТИВНЫХ   ИЗОТОПОВ 7

Область применения 7

Измерение уровня металла вкристаллизаторе посредством измерительного устройства,  работающего на основерадиоактивности 10

Датчики инфракрасного излучения дляопределения уровня металла в кристаллизаторе 14

Метод контроля уровня металла вкристаллизаторе основанный на использовании вихревых токов, индуктируемыхкатушкой, размещенной над зеркалом жидкого металла в кристаллизаторе. 16

Система уровень 23

Список литературы 34

             Стабилизация уровня металлав кристаллизаторе является важнейшей и наиболее сложной задачей автоматизации МНЛЗ.[1]

Рассмотримпараметры, оказывающие влияние на уровень ме­талла в кристаллизаторе.

На рис. 1 схематично показана частьтехнологической линии разливки металла от промежуточного ковша до тянущейклети. Жидкий металл, находящийся в промежуточном ковше, под дейст­вием силытяжести вытекает через стакан в ков­ше и попадает в кристаллизатор, гденачинаются кристаллизация и образование слитка.

Дальше металл сопределенной скоростью вытягивается из кристаллизатора, проходит зону вторичногоохлаждения и входит в ролики тяну­щей клети, которые обеспечивают его непрерыв­ноедвижение по технологической линии. Затвер­девший слиток после тянущей клетиразрезается на заготовки заданной длины.

Основныеособенности технологии разливки следующие.

/>

Рис.1.Технологическая схе­ма разливки ме­талла в крис­таллизатор: ПК — промежуточныйковш; К — кристал­лизатор; ТК — тянущая клеть; Р — резак.

Технологическийцикл имеет, как правило, по­стоянную длительность и большую часть време­нипроцесс является стационарным. Только дваж­ды, в начале разливки и в конце,имеет место нестационарный режим.

Переход отнестационарного режима к стацио­нарному можно охарактеризовать следующей си­стемойравенств:

/>(1)

где HT  и HЗ соответственно   текущий и заданный   уровень ме­талла в промежуточном ковше; VT и V3 — скороститянущей клети; hT и h3 — уровни металлав кристаллизаторе. Считается, что на установке могут быть обеспечены заданныезначения HЗ, V3 и h3.

Четвертоеравенство, характеризующее состояние теплового ба­ланса, не показано, поскольку,оно непринципиально для рассмат­риваемого случая.

Для подавляющегобольшинства МНЛЗ величины HЗ и h3   от разливки кразливке изменяются    незначительно.    Скорость v3 колеблется в  10 раз иболее.    Сечения кристаллизаторов также могут изменяться в  больших пределахот  100X100 мм до 250Х 1600 мм (от 0,01 м2 до 0,4 м2), т.е. в 40 раз.

 Однакоизменения скорости v3 разливки и сечений кристалли­заторов характерны дляразных типов МНЛЗ, а не конкретных, Для конкретной МНЛЗ эти параметры почти неизменныили из­меняются в более узких пределах, например, скорость — в 2 раза, сечение— в 4 раза.

Можно такжеотметить тенденцию к сохранению постоянства производительности МНЛЗ, т. е. сохраняетсяпроизведение

П = Vc • SK м3/мин,

где 1>с —скорость движения слитка; SK — сечение кристаллизатора.

При одинаковыхобъемах разливаемой стали это означает, что время разливки, а следовательно, ирасходные характеристики стопорных пар ковшей не изменяются.

Краткорассмотрим особенности применяемых стопорных пар промежуточных ковшей. Как правило,стаканы имеют комбиниро­ванные внутренние стенки. Верхняя часть стаканавыполняется по фор­ме коноидальной насадки, которая позволяет избежатьобразования внутреннего сжатия струи, значи­тельно уменьшает сопротивлениестакана, а также увеличивает рас­ход.

/>

Рис. 2.Характеристика сто­порной пары:

Qn,hС, h'c, h«c— координа­ты рабочей точки; Qn —значение расхода при разли­ве стопорной пары и фик­сированном положениистопора;

h 0, hQ —смещение ко­ординаты положения стопо­ра при его закрытии.

Форма стопора в большинстве случаевопределяется требования­ми высокой стойкости при дроссели­ровании металла черезстопорную пару.

Результирующая расходная ха­рактеристикаявляется сложной кривой. На ней можно выделить три основных участка (рис. 2).

Первый (нижний)характерен для случая сравнительно высокого сопротивления стопорной пары. Струяжидкого металла неплотная, имеет малую кинетическую энергию и тенденцию к периодическимдви­жениям по стенкам стакана.

Второй (средний)характеризует резкое увеличение расхода через стопорную пару вследствие эффектаподсасывания стакана. Сопротивление стопорной пары остается сравнительновысоким, кинетическая энергия струи возрастает. Поэтому стопорная парадостаточно сильно подвержена разрушающему действию жидкого металла.

Третий (верхний)характеризует выход стопора из зоны интен­сивного дросселирования. Сопротивлениежидкому металлу умень­шается. Струя почти полностью заполняет стакан, стопор неока­зывает никакого сопротивления потоку металла, и расход опреде­ляется толькосечением стакана и гидростатическим напором (кри­вая переходит в прямую линию).

Для  определения   расхода   при   полностью   открытом   стопоре  можно воспользоватьсяизвестной из гидравлики формулой

Qm =μSc/>2gHT,      (2)

 Где  Sc — сечение стакана;

         g — ускорениесвободного падения.

          Величина уровня металла впромежуточном ковше HПК  должна отсчитываться от центратяжести столба металла в стакане.

Как показываетопытная проверка, для спокойных марок стали в нормальных условиях разливки   μ=0,9/> 

        Общая протяженность расходнойхарактеристики  для  стопор­ной пары при наибольшей устойчивости размывунебольшая, около 15 мм. Из них на наиболее крутую и линейную часть приходитсяа..-7 мм.  Изменяя  геометрию   и  форму  стопорной пары,  можно расширитьлинейную часть, однако в процессе разливки при недостаточной  стойкости  огнеупоров могут  произойти  необратимые изменения   конфигурации    стопора  и  стакана   и   соответственно существенные искажения всей формы расходнойхарактеристики.

         Поэтому   часто   оказывается  целесообразным   выбрать   такую форму дросселирующей пары, при которой еегеометрические раз­меры в процессе разливки не изменяются. В этом случае видкривой  расходной характеристики также не изменяется, она только перемещаетсяпараллельно самой себе влево вдоль оси hC   (кри­вые 1,2, 3).

Все  сказанноеотносится прежде всего к стопору, поскольку в основном он подвержен размывуструей металла. Положение усложняется, когда значительно размывается стакан.

Одним из важныхмоментов перехода к стационарному режиму разливки является правильный выборположения рабочей точки на расходной характеристике. Кроме того, дляобеспечения нор­мального режима дросселирования необходимо, чтобы это поло­жениесохранялось фиксированным от разливки « разливке.

Выполнение этихтребований создает дополнительные труд­ности, а иногда, при частом изменениизаказов на слитки, оказы­вается чрезвычайно сложным.

Действительно,для того чтобы рабочая точка при достижений стационарного режима находилась взаданном положении, необ­ходимо:

1)строгособлюдать допуски на изготовление стаканов и стопоров;

2)сохранятьпостоянной производительность МНЛЗ при изменениях размеров слитка,  когда  сечения стаканов остаются неизменными;

3)стабилизироватьзаданное значение уровня металла в промежуточном ковше;

4)обеспечитьпостоянство вязкости стали в определенных пределах.

Одним  из вариантов  технологического  режима  является  раз­ливка через стакан бездросселирования, так называемая разливка

с дозатором. Вэтом случае стопор выводится из зоны дросселиро­вания и расход определяется в соответствиис формулой  (2).

Такой режимприменяется при получении слитков малых сече­ний и обеспечивает хорошую струюметалла <из промежуточного ковша. Соответствующим выбором материалаогнеупора достига­ется высокая стойкость стакана и отсутствие размыва. Притакой разливке требования, перечисленные в пунктах 1, 3, ,4, остаются в силе.Невыполнение одного из них приводит к нарушению ре­жима разливки и может крайненеблагоприятно сказаться на ка­честве слитка.

Рассмотренные технологические    особенности  разливки  стали имеют большое значение для проектированиясистем автоматизации МНЛЗ, в частности, системы автоматического регулированауровня металла в кристаллизаторе. Одним из важных технологических требованийявляется стабилизация уровня металла в кристаллизаторе,  качество которой  необходимооценивать в первую очередь по амплитудному критерию.

Кроме того, сцелью повышения надежности оборудовании необходимо обеспечить медленные(низкочастотные) колебаний уровня, чтобы повысить надежность оборудования.Поэтому лучшей является система, которая позволяет получить минимальные поамплитуде и частоте изменения уровня.    

Величина уровняметалла в кристаллизаторе связана с поступ­лением жидкой стали из промежуточногоковша (QП) и выходом слитка из кристаллизатора (QK).Уровень металла в кристаллизаторе будет неизменным, если в единицу временибудет поступать и вы­ходить одинаковое количество стали, т. е.

QП —QK = 0. (3)

Самыенезначительные отклонения этой разности от нуля при­ведут к неограниченному повышениюили понижению уровня ме­талла.

Величины QПи QK не зависят от уровня металла в кристалли­заторе, поэтому рассматриваемыйобъект регулирования не обла­дает самовыравниванием. На низких частотах онописывается дифференциальным уравнением первого порядка. Решение уравненияпоказывает, что реакция на выходе (уровень металла в кристалли­заторе)представляет собой интеграл от входной функции (соот­ношения расходов металла QПи QK). Таким образом, объект яв­ляется интегрирующим и,следовательно, создает сдвиг по фазе между уходом и выходом  />.

Для выполнения(3) необходимо воздействовать на QП или QK, т. е.изменить положение стопора или скорость вытягивания слит­ка. В небольшихпределах изменение может быть достигнуто за счет повышения или понижения уровняметалла в промежуточном ковше.

Анализ  возмущающихвоздействий  показывает, что  в  стационарном режиме разливки нет интенсивныхвозмущений.

Незначительныеизменения QK вызываются возмущениями по нагрузке на тянущую клеть, при которыхскорость вытягивания слитка может изменяться не более чем на 5%.

Изменения QKмогут быть вызваны колебаниями уровня метал­ла в промежуточном ковше, а такжеразмывом стопора. Оба воз­мущения являются низкочастотными, т. е. медленноизменяют зна­чение QK, при этом величина влияния на условия разливки пер­вого незначительна.

Таким образом,основной задачей является обеспечение высо­кой устойчивости в системе автоматическогорегулирования уров­ня путем применения соответствующих регуляторов.

С этой точкизрения системы автоматического регулирования со стопором или тянущей клетьюимеют несколько разные возмож­ности.

Выше отмечалось,что при размыве стопора расходная харак­теристика смещается. Изменения расхода,связанные с этим сме­щением, могут быть весьма большими.

Прииспользовании пропорционального регулятора из-за суще­ственной нелинейностирасходной характеристики, а также инте­грирующих свойств объекта для получениядостаточного запаса устойчивости приходится снижать коэффициент усиления. Это всвою очередь приводит к значительному увеличению статиче­ской ошибки.

Для уменьшениястатической ошибки необходимо ввести кор­рекцию по интегралу. Однако при этомснижается запас устойчивости и в системе возникают колебания. Таким образом,значи­тельное смещение расходной характеристики — явление весьма нежелательное,однако избежать его в системе со стопором прак­тически невозможно.

В системерегулирования уровня металла стопором имеются и другие трудности. Это высокий коэффициентрегулирующего органа (стопорной пары) и значительные его изменения при изме­ненииположения рабочей точки на расходной характеристике. Первое, как известно, всистемах регулирования нежелательно, так как требует высокой точности работы регулирующегоприбора, исполнительного механизма и регулирующего органа. Кроме того; недопускаются запаздывание, гистерезис, зона нечувствитель­ности.

Практически этоозначает необходимость выполнения достаточ­но высоких требований для элементовсистемы, что, естественно, удорожает их изготовление и эксплуатацию. Еслидобавить к это­му, что исполнительный механизм и регулирующий орган (стопорныймеханизм) работают в условиях резкого перепада температур, то станут яснымитехнические трудности выполнения системы.

Не менеесущественным в этих условиях является стабильность общего коэффициента усиленияв системе, величина которого зависит от положения рабочей точки на расходнойхарактеристике. Изменение ее положения может привести к резкому ухудшению процессарегулирования. Поэтому во время разливки недопустимо понижение уровня впромежуточном ковше ниже определенного значения, а также повышение скоростиразливки выше рабочей для данного сечения слитка.

В системе стянущей клетью можно получить более высокий запас устойчивости, что объясняетсяследующим: во-первых, харак­теристики в системе являются линейными в широкомдиапазоне величин сигналов, что позволяет увеличить коэффициент усиле­ния пропорциональнойчасти регулятора; во-вторых, вследствие высокой стойкости стакана изменениярасхода незначительны, и, следовательно, статическая ошибка ограничена.Введение ин­теграла в закон регулирования ухудшает запас устойчивости системы несущественно.

Рассмотрим ещеодин момент, важность и влияние которого одинаковы для систем регулирования состопором и тянущей клетью, а именно, работу систем при изменении сеченийразливае­мых слитков, т. е. при изменении поперечных размеров кристалли­заторов.Частота такой смены может быть различной (несколько раз в день, один раз внеделю, месяц, год).

Интереспредставляет прежде всего частая смена сечений, так как это наиболее сложный иобщий случай. Уже отмечалось, что для МНЛЗ одного типа площади сечения слитковмогут изменяться, примерно в 4 раза. Дальнейшее расширение диапазона  сечений — нецелесообразно по технологическим и конструктивным соображе­ниям, поэтомуназванную величину можно считать предельной,

Известно, чточувствительность объекта к возмущению обрат­но пропорциональна площади поперечногосечения резервуара, т. е. коэффициенту емкости. Чем больше площадь сечения, тембольше коэффициент емкости и тем меньше чувствительность объекта к возмущению.Это означает, что коэффициент усиления в системе автоматического регулированиятакже изменяется в 4 раза.

В связи с этиммогут быть применены различные способы, ста­билизирующие работу систем, однаконаиболее простым является улучшение фазовых характеристик систем регулированияи повы­шение общего коэффициента усиления без изменения запаса устойчивости.

Если такаянастройка будет выполнена для самого высокого коэффициента усиления в системе,то снижение его в 4 раза только увеличит запас устойчивости. При этом качестворегулирования останется достаточно высоким, так как одновременно с пониже­ниемкоэффициента усиления чувствительность уровня к возму­щениям уменьшается.

Хорошиерезультаты можно получить, используя другие вариан­ты компромиссной настройки,а также ступенчатое изменение коэффициента  усиления  при  переходе  от  одного диапазона   сечения к другому.

Применениесистемы автоматического регулирования уровня металла в кристаллизаторе при получениислитков малых сечений не встречает особых трудностей.

Увеличениекоэффициента усиления в системе, связанное с уменьшением сечениякристаллизатора, может быть скомпенси­ровано. В системе со стопором частичнаякомпенсация происходит в связи с уменьшением диаметра стакана, так как длямалых се­чений производительность машин МНЛЗ все-таки снижается. Рас­ходнаяхарактеристика становится более пологой.

При стабилизацииуровня с помощью тянущей клети снижение коэффициента усиления может бытьдостигнуто за счет регулирую­щего органа.

В обоих случаяхвыбор требуемого коэффициента усиления можно осуществить с помощью регулирующегоприбора. Тем не менее хорошее качество регулирования уровня может быть достиг­нутотолько за счет улучшения фазовых характеристик, поэтому целесообразноприменение корректирующих цепей.

В статьерассмотрены в основном все особенности систем автоматического регулированияметалла в кристаллизаторе, вытекающие   из   технологических   режимов  работы   МНЛЗ,   применяемых в настоящее время.

   Выводы из вышеизложенного могут бытьследующие.

1)В силуширокого диапазона технологических режимов работы МНЛЗ, а также конструктивныхрешений оборудования в настоящее время применяются системы автоматическогорегулирования с использованием стопора и тянущей клети. Это необходимоучитывать при  проектировании систем.

2)Системыавтоматического регулирования должны предусматривать особенноститехнологических режимов и конструкцию оборудования  и  обладать  необходимой для  этой  цели  универсальностью.

3)Анализособенностей в системах регулирования со стопором и тянущей клетью показывает,что правильным и возможным для реализации универсальности является применениевариантных решений проектирования с использованием типовой аппаратуры.

В последнеевремя разработаны новые методы непрерывной разливки стали, в соответствии с которымиразливаемый металл до образования наружной корки не подвергается воздействию ок­ружающейатмосферы. Предложены две технологи­ческие схемы разливки: под некоторымизбыточ­ным давлением нейтрального газа и с вакуумированием металла непосредственнов потоке.[2]

При разливке поддавлением в среде за­щитного газа исключается возможность интен­сивного окисленияметалла кислородом окружа­ющей атмосферы; при разливке под разрежением, крометого, удается выделить и удалить из раз­ливаемого металла нежелательные газовыекомпо­ненты»

Однакоосуществление предложенных схем в связи с необходимостью тщательной гермети­зациивсего тракта разливки требует усложнения конструкции машин и полной автоматизациисис­темы управления, поскольку в этом случае ручное управление практическиисключается.

В условияхизбыточного давления нейтраль­ного газа между промежуточной емкостью и кри­сталлизаторомважное значение приобретает стабилизация уровня жидкого металла в кристалли­заторе.