автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование свойств электрошлаковой тигельной печи как объекта управления

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянопа

На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

05.09.03. «Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование»

05.09.10. «Электротехнология»

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АВТОРЕФЕРАТ

Чебоксары

1 9 90

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Чувашского государственного университета им. И. II. Ульянова.

Научный руководитель: члеп-корреспопдент РАЭП, доктор технических наук, профессор Ю. М. Л\иронов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор И. II. Романенко, кандидат технических наук В. В. Леонов

Ведущая организация — ОАО «Промтрактор—ЧЛЗ».

Защита состоится «. . 199 ¿г. в //^часов

п аудитории В-310 па заседании диссертационного совета К 064.15.03 Чувашского государственного университета им. И. Н. Ульянова (-128015, Чебоксары, .Московский проспект, 15).

(" диссертацией можно ознакомит!,ся в научной библиотеке университета.

¿<2, щы^иб

Автореферат разослан «' Учены» секретарь диссертационного совета

к. г. н., доиеш ^' Охоткин

- 3 -

'ОБЩАЯ•ХАРАКТЕРИСТИКА -РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В различных отраслях- промышленности ироко применяются прогрессивные электрошлаковые технологии. Одна з таких высокоэффективных ресурсосберегающих технологий - фасонов электрошлаковое литье (ФЗЛ) - позволяет получать литые заго-овки высокого качества. Сущность " ФЭЛ заключается "в сочетании пециалъных видов литья с приготовлением жидкого металла методом лектрошлаковой тигельной плавки (ЭШТП).

Однако эффективная реализация ЭШТП с получением высокого и табильного качества металла может быть достигнута лишь при высо-ом уровне автоматического управления процессом, для чего требу-тся отсутствующие на сегодняшний день достоверные .сведения о войствах установки ЭШТП как объекта управления (ОУ).

Кроме'того, существующие методы выбора электрического - режима ЩТП не предусматривают оптимизации- процесса, что снижает ффектизность ФЭЛ.

Таким образом, работы по исследован:«) установки ЭШТП как ОУ, также разработка методов выбора оптимального электрического ре— има установки ЭШТП являются высоко актуальными.

Цели работы и задачи исследований. Главной, целью диссертаци-нной"работы является оптимизация управления установкой ЭШТП в оставе технологического комплекса ФЭЯ для получения высоких тех-алогических и экономических показателей процесса.

Для ее достижения в работе решались следующие задачи:

- анализ свойств установки ЭШТП как приемника "электроэнергии их влияния на статические и динамические характеристики печи;

- анализ процессов в установке ЭШТП и создание математичес-ой модели ее как ОУ в' виде совокупности статических характерис-ик и передаточных функций (М>);

- разработка алгоритма управления установкой ЭШТП в составе ехнологического комплекса ФЭЛ для оптимизации электрических ре-имов печи при обеспечении заданных технологических-требований.

Методы исследования. В работе при решении поставленных задач рименялись методы математического моделирования.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие эвые научные результаты, которые выносятся на защиту:

1". Установлено, что условно-нелинейные свойства шлаковой

ванны (ШВ) как приемника электроэнергии оказывают значительное влияние на поведение печи при статических и динамических • воздействиях. Доказана необходимость существенного изменения подхода к управлению процессом ЭШТП по сравнению с ЭШП.

2. Впервые изучены свойства установки ЭШТП как ОУ, • получены количественные характеристики ПФ установки для спектра размеров тиглей. '

3. Предложен метод управления электрическим режимом установки ЭШТП с учетом ее работы в составе технологической линии ФЭЛ.

Практическая ценность. 1.' Изучены статические и динамические регулировочные характеристики установки ЭШТП, позволяющие анализировать поведение объекта при различных видах воздействия.

2. Разработан алгоритм управления установкой ЭШТП в составе технологического комплекса ФЭЛ.

3. Предложены частные алгоритмы управления для регуляторов электрического режима ЭШП на безе вычислительной техники, позволяющие учитывать особенности объекта - установки ЭШТП <

Реализация результатов работы.-Результаты работы реализованы в цехе ЭШЛ ОАО "Промтрактор-ЧЛЗ",

Апробация работы.' Основные положения и результаты работы докладывались. и обсуждались на: Международной конференции "Проблемы электротермии" (Новосибирск, 1993); IX и X Международных научных конференциях "Математические методы в химии и химической технологии" (Тверь, 1995, Тула, 1996); II Международном симпозиуме "Проблемы комплексного использования руд"' (Спб., 1996).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 статей, 1 статья, находится в печати.

Структура работы. .Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка' литературы.

СОДЕРКАНИЕ РАБОТЫ "

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели', научная и практическая ценность работы.

р первой главе проведен анализ современного состояния и про-•мышленного применения технологии ■ фасонного. ■ электрошлакового литья. Этот способ получения'высококачественных отливок имеет ряд существенных преимуществ как перед традиционными литейными технологиями кокильного и центробежного литья, так и перед ставшими

классическими методами электрошлакового переплава и литья. ФЭЛ является эффективной ресурсосберегающей технологией. Сегодня ФЭЛ широко используется в промышленности для получения отливок самого ответственного назначения.

Технология ФЭЛ базируется на получении мидкого металла методом электроклаковой тигельной плавки. ч

Температуры жидкого металла и шлака, полученных а результате плавки, определяют качество отливок, а скорость плавки является определяющей для производительности всего процесса ФЭЛ.,

В отличие от установок ЗШП, в технологическом смысле автономных, оптимизация режимов установок 'ЭШТП возможна только в составе технологической линии ФЭЛ, так как продукт ЭШТП ' - жидкий -металл — является промежуточным.

Главным технологическим требованием, предъявляемым. ФЭЛ к ' ' ЭШТП,. является совпадение во временя в момент окончания плавки двух условий: накопления заданного количества жидкого металла и достижения-им заданной температуры. <

Возможны два варианта работы технологического комплекса.ФЭЛ, когда темп-работы комплекса определяется-, в первом. случае - тигельной плавкой, а во втором - литейным оборудованием. В первом случае необходимость повышения производительности, а ' во ' втором необходимость согласования плавильного и литейного оборудования ставят вопрос управления электрическим'режимом -ЭШТП не только с целью удовлетворения главного технологического требования, но и с целью минимизации.времени плавки в первом случае или с целью экончания ^плавки к заданному моменту времени во втором.

Обзор литературных данных показал, что существующие методики .. выбора электрического режима ЭШТП рассматривают установку отдельно, вне технологического комплекса ФЭЛ, что не-позволяет оптимизировать работу установки с точки зрения выполнения главного технологического требования для ЭШТП.

Решение вопросов'управления требует наличия описания элек-грошлакового тигля-накопителя как объекта управления. Если для

а

классического электрошлакового переплава этот 'вопрос достаточно гарошо разработан, то для установок ЭШТП в литературных источниках такой информации обнаружено, не было: ' '

По результатам анализа литературных данных сформулированы э'сновные задачи, исследования; определены пути их решения.

Во второй главе рассмотрена математическая модель процесс! электрошлаковой тигельной плавки.

Преобразователем электрической энергии в тепловую в электрошлаковой тигельной печи является шлаковая ванна. В ней проходя-сложные электрические, тепловые и магнитогидродинамические процессы. * . •

- Рассмотрены характер теплообмена, в ' ванне и распределена тепловых потоков в ней. Описана использовавшаяся в работе пр: проведении математических экспериментов с целью изучения свойст: электрошлакового тигля-накопителя как объекта управления разра ботанная на кафедре АЭТУС ЧувГУ математическая модель процесс ЭШТП, отражающая взаимосвязь между основными показателями гГлавк и технологическими параметрами процесса,' построенная на основ метода интегрального теплового баланса. На ее базе разработан математическая модель применительно к исследованию динамически свойств объекта в основной период. .

В третьей.главе рассмотрены регулировочные " характеристик установки ЭШТП. Оки отражают влияние на 'режим печи управлявши воздействий - изменения положения электрода в шлаке ' и иэменени питающего напряжения. С целью оценки влияния на нет теплово условной нелинейности шлаковой ванны построены^ статические регу лировочные характеристики с учетом и без учета нелинейности.

Особое значение имеет регулировочная характеристика при из менении положения электрода.в шлаковой ванне - одном из - основнь

воздействий при "динамическом управлении режимом установки.

*

В то же время прямое измерение межэлектродного промежуть затруднено, и для описания положения электрода в шлаке использ} ются косвенные параметры - ток или сопротивление шлаковой ваннь В связи с этим вместо регулировочной характеристики при изменен! положения электрода в шлаковой ванне обычно строятся регулирово1 ные характеристики в-функции, указанных косвенных параметров. Тг кие характеристики называются электрическими. Фактически о; являются Внешними характеристиками 'источника питания с добавочш сопротивлением в'виде'сопротивления токоподвода и не отража] электротехнологических процессов в самой ванне.

Связь параметров электрического режима ванны, определяемых помощью таких характеристик, с ее электротехнологией обычно ос; щеетвляется с помощью экспериментальной или расчетной зависимо

[ входного сопротивления ванны от положения электрода в ней.

Так как шлаковая ванна в общем случае является :ловяо-нелянейным элементом, зависимость величины межэлектродно— ) промежутка от сопротивления•ванны является неоднозначной.

Таким образом, регулировочная характеристика может быть >едставлена в виде совокупности электрической характеристики, гисывающей процессы в электрической цепи независимо от электро-!Хнологических режимов установки, и зависимости величины меж-1ектродного промежутка от сопротивления шлаковой.ванны, отражали влияние электротехнологических режимов ванны на ее электрички й режим.

В установках электрошлаконгого переплава нелинейностью шлако-)й занны часто можно пренебречь, что в значительной мере упроща-: расчеты электрических режимов печей. В установках электрошла->вой тигельной плавки ванна обладает существенной нелинейностью, возможность такого'упрощения требует специального анализа.

Проявление этой нелинейности из-за высокой -инерционности юцессов преобразования электрической энергии в- тепловую (см. иву 4) различно при разных скоростях изменения режимов. С этой >чки.зрения все задачи' управления установками ЭШТП можно разде-ггь на 2 группы: •

статические, связанные с выбором оптимальных режимов плавки; , динамические, связанные с анализом быстро изменяющихся режи->в-(например, при автоматическом регулировании режимов).

Для мощности ванны, как являющейся одним из параметров реящ-I шлаковой ванны, оператбрное уравнение в относительных отклоне— [ях, описывающее регулировочные характеристики как по положению' [ектрода в шлаке, так и по напряжению, имеет вид;

2 * Ф/С * ' '

др (р) = ---аа„(р) ---дМр), (1)

РТ ^ рт.

(е дРщ(р), ди2(р), дЬщ(р) - относитэльые отклонения мощности 1аковой ванны, вторичного напряжения трансформатора и межэлек-¡одного промежутка в операторной дорме соответственно; ф - ха-1ктерный параметр подводящей сети печи.

Здесь передаточная функция УГ Ср) выступает как- характеоис-

Р# л

/ - ' • : '

- в -

тика тешювой условной нелинейности шлаковой ванны ■ Поэтому при рассмотрении установки как квазилинейной можно считать V (р)«0.

Тогда выражение (1) превраоается в известное

* *

лРщ(р) - 2д112(р)+—- дЬш(р) , , (2)

где С «■ (Пщ/Ищ)'!! - коэффициент, зависящий от положения

электрода в шлаке; Иш - сШщ/сЗЬ.

При учете нелинейности для статических характеристик можнс вместо передаточной функции дару(р) использовать коэффициент передачи Крг (так как в установившемся режиме *,'рг^р'1|р..О*'Крг ). Тогда вместо (1) имеем „

• ' 2 * »/с '

Лр (Р)-----Ли„Ср) ---—--дЪСр) СЗ)

РУ. РТ

Зависимости межэлектродного промежутка от сопротивления шлаковой ванны имеют особое самостоятельное значение, поскольку со противление шлаковой ванны используется в качестве косвенного па ,раметра управления, отра«а»к;его величину мекэлектродного . проме жутка.

Считая постоянными химсостав и высоту шлаковой ванны и учи тывая, что для статических режимов (р)|р^о"крт. можно запк сать :

" *

ДЬ - С--«АЛ^. (4)

• 1+С-К. ' ш

РГ

Анализ уравнения показывает, что нелинейность шлаковой ваг .вы, влияние которой выражается- через коэффициент. -К .. уменьшен крутизну статической зависимости (рис. 1). Влияние нел!

нейности проявляется в различной, степени в зависимости от полож< ния' рабочей точки режима.-'' При приближении к режиму максимальн< мощности (.ф стремится к О) влияние нелинейности ослабевает.

Статическая зависимость сопротивления ванны от межэлектро. ного промежутка при учете нелинейности неоднозначна. Увеличен: мощности при росте питающего напряжения ' приводит к, увеличен:

02 & ае й& о 42 ■ цв ц!. ьт

яс.1 Статические . зависимости эпротйвленйя ШВ от межолек-родного промежутка (кривые -£) и регулировочные характеристики печи -по перемещению чектрода (кривые , ' по-гроенные с учетом нелинейно-ги ВАХ ШВ при различных зна-энйях питающего • напряжения «тзивые 1,5 - и=80 В; 2,6 -=84 В; 3,7 - и=100 В) и без. тета нелинейности при и=84 В <ривые 4,8).

Рис.2 Статическая (1) и динамические (2,3) зависимости ср-противления шлаковой ванны от межэлектродного промежутка (в стационарном режиме ф> 0 -кривая 2, 0 < О - кривая 3).

F

£о(/у9)

¿{/»«р.

1с.З Вид графика, типичного для изменения, основных параметров ютояния процесса ЗШТП в ходе плавки (I - начальный период, ; - основной период). , .

межэлектродного промежутка при неизменном сопротивлении ваннь ( см. ри'с. 1) .

■ Известно, что для электрошлаковых печей режим максимально{ мощности наступает независимо рт ступени напряжения при неизменном сопротивлении шлаковой ванны, ' равном полному сопротивления токоподвода, то есть при условии И /Ъ = 1.

Ш . Ш '

Для квазилинейных печей, где.сопротивление ванны однозначно определяется величиной П, максимум регулировочной характеристики РШ=£(Ю независимо от ступени, напряжения соответствует одному и тому же.значению й.

В случае учета нелинейности, хотя электрическая характеристика Рщ^^щ) и описанная для нее выше закономерность останутся справедливыми, регулировочная характеристика печи по перемещен!»«: электрода изменяется.'Нелинейность шлаковой ванны приводит при увеличении напряжения к . увеличению межэлектродного промежутка, соответствующего сопротивлению ванны ( ) в режиме макси-

мальной мощности (см. рис.1).

Аналогично увеличиваются .межэлектродные промежутки и в других режимах, что нарушает условия оптимальности технологии. Для снятия этого противоречия необходимо уменьшать сопротивление ванны, перемещаясь по характеристике'влево из зоны экономичных режимов (Кш>1),' что сужает зону режимов с пониженными расходами энергии. Учет этого явления особенно важен для крупных печей с повышенными сопротивлениями токоподводов и с низкими сопротивлениям! ванны. '

Эти положения позволяют сделать вывод о том, что при стабилизации сопротивления шлаковой'ванны проявление нелинейности будет вести к изменению положения электрода в шлаке.

Это явление^ необходимо принимать во ' внимание при наиболее распространенном на практике упраЕлении режимом, плавки со стабилизацией сопротивления шлаковой ванны. Во избежание отклонение положения электрода.в шлаке от заданного требуется введение 'в задание по 1?ш коррекции в функции мощности .-шлаковой ванны.

Исходя из выражения (3) можно сделать вывод 6 непосредственном влиянии нелинейности шлаковой ванны на ход статических регулировочных характеристик через коэффициент К Направленность 1 степень влияния нелинейности 'определяются положением рабочее

чкй режима, характеризуемым параметром ф.

Анализ (3) показывает, что нелинейность шлаковой ванны в рестности рабочего режима обуславливает большую крутизну харак-ристики Рш=£(1г) (см. рис.1)'..

По мере удаления от зоны рабочих режимов вглубь ванны (в орону уменьшения межэлектродного промежутка) и приближения к жиму максимальной мощности, когда значение характерного пара-^ тра ф стремится к нулю, проявление влияния нелинейности осла-аает, и крутизна характеристики Р =»£(й) уменьшается.

Отсюда следует, что влияние нелинейности ВАХ шлаковой ванны . ее мощность, описанное для статических характеристик коэффици-е'том наиболее существенно в начальный период плавки, ко-

¡а значение сопротивления подводящей сети печи из-за большей отны электрода велико, и режим максимальной мощности расположен

о

1Иболое близко к точке рабочего режима. .3 дальнейшем по мере главления электрода и уменьшения его сопротивления параметры >дводящей сети улучшаются, режим максимальной мощности смещает-I на характеристике влево (в нижнюю^ часть шлаковой ванны), и

шяние нелинейности ослабевает.

>

Применительно к одному и тому же периоду плавки влияние не- , шейности проявляется"сильнее на более крупных печах, характери-дзщихся' большими значениями сопротивлений подводящей сети печи. ' - Важным следствием вышесказанного может увиться то, что пре-гбреление нелинейностью ВАХ шлаковой ванны при расчетах не поз-злит определить момент возможного перехода через точку максиму-1 мощности при регулировании режима установки, что нарушает ра-зту регулятора режима из-за изменения направления отработки воз-у'щения и может привести к некорректной работе регулятора и воз-якновению аварийного режима.

Статические регулировочные характеристики, построенные в ункции напряжения источника питания при постоянном значении меж-лектродного промежутка, равного рабочему, необходимы для выбора ежима источника питания и для управления процессом.

При учете нелинейности квадратичная зависимость -ющности анны от напряжения трансформатора при неизменном положении элек-рода в шлаке; характерная для квази-линейных печей, соблюдается статике только в окрестностях режима максимальной мощности при = 0, когда коэффициент передачи (3) К.р2.

При выборе режима на экономичной ьетви характеристики (Нш>1).при отрицательном значении ф, что характерно, для ЭШТП, нелинейность шлаковой ванны вызывает более резкий рост- мощности, ь Кш<1 ^ ^ >0)' Рост мощности замедляется.

Из приведенного анализа ясно, что' при решении статических задач - выборе области оптимальных режимов установки ЭШТП - ' неучет влияния нелинейности шлаковой ванны как приемника электроэнергии ' вносит значительные погрешности, в расчеты. .' .

Так, максимальная погрешность определения мощности шлаковой ванны при анализе всего диапазона изменения положения электрода в ванне достигает 15%. Вблиз'и рабочего для ЭШТП режима (малое заглубление электрода в шлак) при отклонении межэлектродного промежутка 'на 10% погрешность определения мощности ванны составляет.

5-8%. Для массовой скорости плавки значения погрешностей аналогичны :

Значения соответствующих погрешностей для .напряжения шлаковой ванны составляют 40й и 20%, а для ток& печи - 30% и 6г-8%.

Наиболее существенна погрешность определения сопротивления шлакоЕой ванны - максимальная погрешность достигает 80%, а при •10%-ном отклонении ст рабочего режима погрешность доходит до

6-10%.

Приведенные данные не оставляют сомнений в том, что для целей статического анализа установки ЭШТП должны исполььоваться регулировочные характеристики, полученные при представлении шлаковой ванны как приемника электроэнергии условно-нелинейным элементом. •

Часть динамических-задач, когда'изменение.режима обусловлено проявлением воздействий (в первую очередь, возмущающих), Которые не превышают -зоны нечувствительности регулятора, может быть стне-сена- к 1-й группе, и для анализа процессов могут быть использованы статические регулировочные характеристики.

Однако в большинстве своем динамические з'адачи могут быть отнесены ко.2-й группе, когда возмущения режима, ^вызванные 'ь первую очередь управляющими воздействиями, превышают зону нечувствительности автоматического регулятора. Благодаря высокому быстродействию регуляторов'переходные электротехнологические про-цессй в. ванне-практически.не начинаются из-за ее высокой инерционности {см.- главу 4). Сдельная электропроводность ванны за время

регулирования не будет успевать изменяться, и динамические задачи могут решаться при допуренки квазй-линейности ваяны.

При динамическом изменении межэлектродного промежутка сопротивление ванны будет совпадать со статическим только . в режиме, совпадающем со стационарным. Динамическая зависимость сопротивления ванны от межэлектродного' промежутка характеризуется меньшей крутизной (рис.2). Это приводит к искажению динамической регулировочной характеристики по сравнению со статичёской. Режим максимальной мощности сдзигается в направлении от точки стационарного режима. При этом вид характеристики не зависит от того, на какой ее ветви был выбран стационарный режим. Зона однозначного динамического управления, когда коэффициент передачи системы'

¿Р „

- не меняет знака, на нелинейных печах-расширяется, а сам коэффициент передачи и крутизна характеристики снижаются.

. Нелинейность ванны оказывает влияние и на регулировочную характеристику по напряжению. В отличие' от статической, относи-гельная д^чемическая'характеристика не зависит от точки ,рабочего >ежииа, а коэффициент передачи всегда равен 2.

В четвертой главе'изучены закономерности динамики режимов и троведена идентификация установки ЭШТП как объекта управления..

Установка ЭШТП представляет собой объект с распределенными ¡араметрамн, в котором количество величин, характеризующих его гостоянйе, достаточно велико. Однако, проанализировав значимость' >а:-.лнчнкх параметров состояния процесса ЭШТП для качества металла : технико-экономических показателей плавки, с точностью," необхо-;имой для решения задач синтеза законов управления технологичес-;им режимом, установку ЭШТП можно считать системой, которая характеризуется следующими параметрами^состояния: температурой шла-озой и жидкой металлической ванны (вмассовой скоростью :лавки'((5) и массой накопленного металла (М).

В целом электрошлаковый тигель-накопитель является нестацио-арйым объектом. Однако анализ семейства графиков изменения ос-озкых параметров состояния процесса Э31ТП ( 0щ В ходе плав-

и при неизменной вводимой мощность, полученных в результате магматических экспериментов (рис.3), позволяет условно разделить роцесс Э12ТП на два периода - начальный и основной, в . которые войства объекта управления коренным образом различаются.

В начальный период объект проявляет себя как резко нестацио-

нарный. Это связано с начальным прогревом футеровки и расходуемого электрода, в результате чего значительно изменяются такие составляющие энергетического баланса, как тепловые, потери в футеровку, потери излучением с открытой поверхности шлаковой ванны и потери на прогрев расходуемого электрода.

Однако длительность начального периода составляет лишь около 8% времени всей плавки.при номинальном значении вводимой мощности, незначительно возрастая с ее увеличением. Что еще существен-, нее, масса накопленного за период жидкого металла очень мала и составляет лишь около 2.5?; массы' металла, накопленного за всю плавку. , ,

Большая часть плавки с накоплением свыше 95%. массы жидкого металла приходится на основной период. Поэтому интерес представляет исследование свойств объекта-управления именно в этот пери-,од.

Основной период характеризуется относительно слабой тепловой нестацгонарностыо. Проведенные математические эксперименты позволяют утверждать, что к- его началу устанавливаются температурные поля поддона и футеровки в зоне шлаковой и жидкой металлической ванн, что определяет и стабилизацию тепловых потерь в этих зонах.. Поэтому"слабая тепловая нестационарность, свойственная .основному периоду ЭШГП, обусловлена 'преимущественно действием силового некомпенсированного возмущения - увеличения массы накапливаемого в процессе плавки жидкого металла, ведущего к росту тепловых потерь от ИМВ в футеровку.

Этот вывод подтверждается также тем, что нормированные статические характеристики изменения основных параметров ' состояния процесс,а ЗШТП в функции массы накопленного металла в основной период аппроксимируются с .коэффициентом корреляции сзнше 0.98 линейными зависимостями:'

■ Р .= 1 +• ар( 1 - т ), (5)

где Г = _ относительное значение параметра состояния по

отношению к его .значению в конце плавки;

га = _ относительная текущая масса жидкого металла то

отношению к массе жидкого металла, накопленного к концу плавки;

вр - коэффициент, не зависящий от уровня вводимой мощности-, а определяющийся только'емкостью тигля (см. таблицу).

Таблица

Параметр Емкость, тигля, кг

состояния 50. 100 125

0м G 0.021 0. 058 0.121 0.015 0.050 0.074 0.012 " 0.040 0.060

Расчета показывают, что статические' нормированные характеристики зависят только .от емкости тигля и практически не зависят от уровня ввол::мой в ылак мощности. Так, максимальная ошибка при использовании нормированных- характеристик составляет не более 5% при изменен:::: мощности на +30% от номинальной. Примем необходимо отметить, что максимальные ошибки относятся к началу основного периода и к его'окончанию стремятся к нулю. С технологической же. точки зрения наиболее важным представляется определение "значений параметров'состояния процесса именно в конце плавки, перед заливкой металла в литейную форму.

Как показывают расчеты, в основной период изменение параметров состояния процесса может быть представлено в виде двух составляющих - статической и динамической:

F(t) = FCT(t) + AF(t), < (6)

где FCT(t) ~ статическая составляющая, характеризующая зависимость параметра состояния от времени при- условии неизменности управляющих и возмущающих .воздействий на протяжении всего процесса накопления металла;

ЛГ(t) - динамическая составляющая, характеризующая отклонение параметра состояния от статического при изменении управляющих и возмущающих воздействий.

Учет статической составляющей'в виде нормированной характеристики (5) позволяет скомпенсировать силовое параметрическое воздействие и свести таким образом нестационарный объект к квазистационарному .

• Это дает возможность проводить исследование динамики объекта при действии основного управляющего воздеГтствия - изменения вводимой, модности, не учитывая искажения пер.еходг.их-процессо.в за

счет параметрического воздействия.

Идентификация динамических составляющих параметров состояния осуществлена методом временных характеристик при ступенчатом изменении вводимой мощности. По виду переходных характеристик для динамической составляющей выбран вид передаточных функций при изменении вводимой мощности и неизменном положении электрода в ШВ:

- для температуры шлаковой ванны

Ав (р) . 1 + р(а Т + а Т )

' • „ Гр) - -^ . к . Р 2 ^ Ш2 . ; (7)

ДР (р) Ш (1 + РТЩ1)С1 + ртШ2).

- для температуры жидкой металлической ванны

да'(р) ' е_рт

ТГ (р)--5- » Км - ; (8)

м ДР (р) ; м 1 + Ртм

- для массовой скорости плавки п

Дй*(р) . . Ь.р2 + Ь р + 1

И_(р> = -,- = Кг -¿---—п ; (9)

Ь . ДР (р) Ь . (1 + РТШ)(1 + ртШ2)(1 рТэ)

- для массы накопленного металла

ДМ'(Р> " Иг(р)

•*и(р) = -—г— - —^—, ' , (Ю).

ДР (р) ' р

где Двш(р) , Д0щ(р)ДМ Чр), ÄG (р) - изобраяения относительны: приращений температур шлаковой и жидкой металлической ванн, масс] накопленного металла и массовой скорости плавки;-

ДР (р) - изображение относительного приращения вводимой ) шлак„мощности; ' '•

КЩ,;КМ, Kg - коэффициенты передачи; • .

Тш, -Тм, Тэ - постоянные времени; t - время запаздывания,

а1<аг - коэффициенты (аi =0.65, аг = 0.35' для тиглей ' ем костью 50-150 кг) .

Переходные 'характеристики определялись при ступенчатом изме 4 «

нении мощности различной величины. .

Параметры передаточных функций получены путем обработки пе реходных характеристик по методу наименьших квадратов.

Анализ полученных результатов показывает, что параметры передаточных функций слабо зависят от величины входного воздействия, что свидетельствует о высокой степени линейности объекта.

Параметры передаточных функций для тиглей емкостью 50-^150 кг приведены на рис.4,5.

Зависимости параметров передаточных функций отражают сложную взаимосвязь режимов шлаковой и металлической ванн. Совпадение по величине постоянной времени шлаковой ванны Т и времени запаздывания для"температуры ЖМВ и их линейная зависимость от массы шлака тшл доказывают прямое воздействие теплового режима шлаковой ванны на тепловой режим жидкой металлической ванны.

•Линейная зависимость другой постоянной времени шлаковой ванны Т - от относительной массы накопленного в тигле металла шме свидетельствует об обратном влиянии жидкой металлической ванны на режим шл'акоаой ванны:

Тш2 " 250шме " 33т'шя ~ 175 • с (11)

1 Правильность представления о природе тепловой нестационарности при электрошлаковой тигельной плавке, обусловленной изменением массы накопленного жидкого металла, подтверждается линейной зависимостью постоянной времени ЖМВ Тм от текущего значения его

абсолютной массы т . .

ме •

Регулирование электрического режима установки ЭШТП, как и при- ЭШП, возможно двумя способами - изменением положения электрода в шлаке и изменением напряжения источника питания. Однако возможности регулирования режима с .помощью - изменения положения электрода в шлаке ограничены ввиду малой относительной глубины шлаковой ванны, и на практике обычно применяется .второй способ. Положение электрода в шлаке при этом с очень высокой степенью точнее;: стабилизируется системой управления приводом подачи электрода .

При этом технологический алгоритм управления необходимо конвертировать ' в алгоритм управления источником питания, для чего требуется -знание свойств установки ЭШТП, рассматриваемой как совокупность .электрошлакового тигля-накопителя и источника питания с токоподводом.

■ Для этого полученное*математическое описание- электрошлаково-■ \ •

с

30

¿r ¿o

/sf

/с

у

"

г

*

Рис.4

аЗш

' А&, ае

* *

' аГ.

*

л11ш, û.e

к 2.

о- 0\ -0,2- -¿ -qr-4

Zt,e see

£ЛЗ

4tX?

заа ¿м

А»

y

y

У

/

'À

У

/f Л7шл,мг.

SO

ao /пт.хг

Рис.5

.A&" Artaj - АЗШ г.

-Л& -\Г лР

se Q /С M fSv ю ti

\ * лйш

■ V. - ■

Рис.-. 6

го тигля-накопителя как объекта1 управления было дополнено матема гическим описанием звена источника питания.

Передаточные функции источника'питания для различных выходят: величин - мощности ШВ, напряжения на ШВ, тока, сопротивления ПЕ - имеют вид:

*ир(р) =

Ии1(р)

1 + «иуур)

1 + е°ш*т<р> ,

1 + Мвш*ш(Р>

"ии.

(р) -

1Гга(р) -

Вв V (р) ш ш у

1 + ^0шкш(р)

- Д*>шур?

1 + ^Эвшиш(Р)

(12)

где $ - коэффициент температурной зависимости удельной электро-1роводности шлака.

Передаточные функции установки ЭШТП для изменения температур ИВ и ЙМВ и массовой скорости плавки с учетом звена источника пи-гания при реально применяемом управляющем воздействии - изменении напряжения источника питания:

ив.

(р) =

2»ш(р).

1 + меш*ш(р)

"ием(р)

2П( р)

1 +

2Н6(р)

(13):

1 + ^0ш\(р)

Полученное математическое описание »установки ЭШТП как ОУ позволяет с использованием известных методов рассчитывать элек-гротехнологичес'кие переходные процессы при сложных входных воздействиях, на практике имеющих место,в установках ЭШТП.

В качестве примера на рис:6 приведены графики переходных процессов, построенных для относительных изменений ряда выходных параметров установки ЭШТП при типовом воздействии - единичном ступенчатом изменении вторичного напряжения печного трансформа-гора (тигель емкостью 100 кг).

Пятая глаза посвящена совершенствованию алгоритмов управления установкой ЭШТП в составе технологического комплекса ФЭЛ.

Определено, - что в процессе плавки САУ ЭШТП должна осущест-

влять двухконтурное управление печью, обеспечивая стабилизации сопротивления шлаковой ванны путем воздействия на привод перемещения электрода и управление активной•мощностью шлаковой ванны з: (.счет изменения напряжения Источника питания.

Разработан частный алгоритм, позволяющий осуществлять коррекцию ' задания по сопротивлению ШВ во.избежание отклонения положения электрода в шлаке от требуемого вследствие влияния условно! нелинейности шлаковой ванны-.

Эффективность работы комплекса.ФЭЛ во многом зависит от пра-- , * . вильности технологического и временного согласования режимов работы установки ЭШТП и литейного оборудования.

Технологическим условием согласования является накопление моменту окончания плавки ъ заданного количества -жидкого металл при заданной его температуре :

M(t ) = м ; ■ 9 (t ) » е i да . • ' '

к' . к зад' • м ку мк„зад . мк . с

Принципиально возможны два варианта временных условий согла сования решшов: . -

1. Производительность комплекса определяется производитель ностью плавильной установки. В этом случае критерием оптимальное ти управления установкой Э'ЛТП является ее максимальная производи тельность.

2. Производительность комплекса ..определяется производител! ностью литейного оборудования.. Тогда момент окончания плав* определен временен цикла работы литейного оборудования. Критерии оптимизации является подготовка заданного количества металла заданной температурой к заданному моменту времени!

'При-работе по "первому варианту необходимо оптимизировав

производительность установки. Согласно' принципу-максимума Понтр;

гина и теореме Фельдбаум.а оптимальное по быстродействию управл<

■ние для данного 0У, при ряде допущений представляющего собой л1

нейную систему второго порядка с сосредоточенными параметра;

(см. главу 4), обеспечивается релейным законом регулирования, ci

стоящим из■двух.интервалов, на каждом из которых подводимая moi

ность принимает предельные (максимальное и минимальное) значени:

Синтез закона управления при этом сводится к определению мо'мен

переключения t и момента-окончания плавки t : s к

Было исследовано влияйие уровней вводимой мощности и пара-гтров конечного состояния плавки - температуры жидкого металла - вмк и массы накопленного металла = мк - на время

эоцесса, время переключения, энергетические показатели плавки.

Как показали исследования, максимально допустимый уровень зщности яолжен определяться исходя из условия бездугового харак-;ра электрошлакового процесса, а минимально допустимый -' исходя з условия поддержания шлака в жидком состоянии. Такое управле-1е, обеспечивая максимальную производительность, одновременно. 5ляе'тся энергетически выгодным.

Также доказано, что рациональнее как с точки зрения увеличе-1Я производительности, так и из соображений снижения энергоза-)ат вести процесс так, чтобы при оптимальном по быстродействию фавлении к концу плавки достигать, верхней границы интервала ;мператур металла, заданного для конечного состояния плавки ' ис— >дя из технологических требований.'

*

Исследования показали. Что исходя из соображений -снижения ¡ерго'затрат при работе по второму варианту необходимо сохранить [алогичный закон управления. При этом окончание плавки к задан->му моменту времени обеспечивается сдвигом во времени момента [чала плавки. „

Процесс электрошлакового накопления металла при предложенном [равлекни протекает в - 1.2 — 2 .7 раза быстрее., чем при управле—; [и с неизменной мощностью. При этом в 1.2-1.8 раза снижаются траты электроэнергии.

Основные выводы:

1. Впервые' предложена концепция управления установкой ЭШТП к составной частью технологического комплекса ФЗЛ.

2. На основе анализа статических и динамических регулировоч-х характеристик доказано, что условная нелинейность ВАХ шлако-й анны как приемника электроэнергии существенно влияет на ре-циал печи на основные управляющие воздействия. Определены облас-

кспользования статических и динамических характеристик. Дока-но, что для ЭШТП проявление нелинейности ВАХ шлаковой ванны ебует изменения широко применяемого в электрошлаковой техноло-и алгоритма управления электрическим режимом в функции сопро-вления шлака. Разработан соответствующий частный ' алгоритм равлениг:

3. Впервые проведено исследование установки ЭШТП как объекта управления. Дано математическое описание объекта, представленное в виде совокупности статических и динамических составляющих; что пqзвoлилo свести объект к квазистационарному. Получены передаточные функции, приведены их параметры для ряда размеров тиглей.

4. Разработан алгоритм управления установкой ЭШТП в составе технологического комплекса ФЭЛ.

Основное содержание- диссертации опубликовано в- следующих работах:

1. Лавин. И.А. Аналого-цифровая модель переплавной электропечи как объекта управления // Научная конференция молодых ученых и специалистов г. Чебоксары: Тез. докл.-Чебоксары', 1990. С. 143.

2. Миронов Ю.М. , Лавин И.А. Свойства электрошлаховой тигельной печи как объекта управления //"Проблемы электротермии". Труды Международной конференции.- Новосибирск, 1993.- С.17-21.

3. Миронов Ю.М., Лавин И.А. Исследование передаточных ' Чк-ций установки электрошлакавой тигельной плавки // IX Международная научная конференция "Математические методы в химии и химической технологии": Тез. докл., Тверь, 29 мая - 1 июня 1995. -Тверь, 1995.- С.201-202.

4. Миронов Ю.М., Козлов А.И., Лавин И.А. Выбор электротехнологических режимов многошлаковых электропечей с учетом их условной нелинейности на базе -математического моделирования // XI Международный симпозиум "Проблемы комплексного использования руд", С.-П., 19-24 мая 1996.; Тез. докл. - СПб., 1996. - С. 226.

5. Миррнов Ю.М. , Козлов А.И.. , Лавин Й.А.. Математическое-моделирование электродных печей с объемным резистивным нагревом с учетом их условной нелинейности .// X Международная научная конференция' "Математические методы в химии и химической технологии", Тула, 26-28 июня 1996.: Тез. докл. - Тула, 1996.- С.194,-

6. Миронов Ю.М., Лавин И.А. Идентификация установки электро-,шлаковой тигельной плавки как объекта управления ■// Элементы I системы оптимальной идентификации и управления " технологическим! процессами: Межвуз. сб.. / Тульский гос. техн. ун-т. - Тула, 1996, - С.12-20. : • • ;

7. Миронов Ю.М. , Лавин И..А. Переходные процессы в установка: электрошлаковой тигельнЬй плавки // Электричество. 1997. N1. ( I печати).