автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование системы обнаружения шлака в струе расплавленного металла

На правах рукописи

ФОРМАКИДОВ АНТОН МИХАЙЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ШЛАКА В СТРУЕ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004 г.

Работа выполнена на кафедре «Электротехнические комплексы и системы» Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель

Официальные оппоненты

кандидат технических наук, с.н.с Трегубое Владимир Александрович доктор технических наук, профессор Кувалдин Александр Борисович, кандидат технических наук, доцент Никаноров Вадим Борисович

Ведущая организация

ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»

Защита состоится 17 сентября 2004 года в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « »

2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н., доцент

Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В производстве стали все более существенным является обеспечение ее чистоты и сокращение брака. При переливании жидкой стали из одной металлургической емкости (конвертер, сталь-ковш, промежуточный ковш) в другую, важным является обеспечение минимального попадания шлака, находящегося на поверхности стали, в нижнюю емкость.

Существо проблемы состоит в следующем. При отсутствии специальных автоматических средств обнаружение шлака в струе металла осуществляется визуально оператором, контролирующим процесс. Визуальное обнаружение шлака возможно при выходе шлака на поверхность струи, благодаря цветовому отличию шлака от металла. Однако в конце слива шлак сначала попадает в струю через воронку и протекает по центру, и при выходе на поверхность его цветовое отличие от стали настолько незначительно, что даже опытному сталевару или разливщику зачастую не удается вовремя остановить разливку, и большая часть шлака вытекает вместе со сталью. В ряде случаев наблюдение за струей усложняет запыленность воздуха и то, что сталевар находится в условиях сильного теплового излучения

Полностью исключить проникновение шлака возможно при заблаговременном окончании слива, однако при этом часть стали будет потеряна.

Таким образом, при стремлении производителя обеспечить высокое качество и конкурентоспособность стали, затруднено обеспечение ее чистоты при визуальном контроле переливания из одной емкости в другую.

Актуальность работы определяется следующими факторами.

• Существующие зарубежные автоматические системы обнаружения шлака, работающие на электромагнитном принципе, доказали свою эффективность. Отечественные металлурги сейчас проявляют к ним активный интерес. Однако эти системы имеют высокую стоимость приобретения и высокую стоимость обслуживания. Возник вопрос о создании отечественной системы.

• Технические описания существующих систем и материалы зарубежных печатных источников ограничены и не содержат достаточных сведений для проектирования, развития и успешной адаптации к отечественным условиям.

• Система обнаружения шлака в струе металла не может быть разработана в России без предварительного прикладного научного исследования.

• Потребность в приобретении системы автоматического обнаружения шлака, была объективирована Магнитогорским металлургическим комбинатом.

Экономическая эффективность и обоснование использования автоматической системы обнаружения шлака складывается, в основном, из следующих составляющих.

• Повышение качества стали.

• Снижение прямых затрат па ферросплавы и алюминий, добавляемых в сталь и вступающих в реакцию со шлаком.

• Уменьшение потерь при аварийных ситуациях, обусловленных уменьшением стойкости шиберного затвора сталеразливочного ковша при прохождении через него конвертерного шлака с высокой долей окислов.

• Снижение затрат на футеровку ковшей, разрушающуюся под воздействием шлака;

Разработка отечественной системы обнаружения шлака позволит получить более низкую ее стоимость по сравнению с зарубежными аналогами, в основном благодаря снижению составляющей интеллектуального труда разработки, удельный вес которой в цене системы довольно высок. Более низкая цена системы позволит производителю снизить цену стали, повышая теМ самым ее конкурентоспособность.

Область техники и науки, к которой относится работа

Работа относится к области электротехники, а именно к системам электрооборудования объектов технологических процессов, в частности, в металлургии, с использованием электромагнитных устройств, устройств преобразования и обработки сигналов, устройств отображения и хранения информации. Разрабатываемая электротехническая система входит в общий комплекс электрооборудования и автоматики конвертера.

Особенности, накладываемые областью применения на разработку, являются определяющими и связаны, прежде всего, с условиями эксплуатации системы обнаружения шлака, которые предполагают повышенную температуру и вероятность контакта с жидким металлом, конструктивные, технологические и эксплуатационные особенности объекта автоматизации.

Цель работы - разработка, исследование электротехнической системы обнаружения шлака в струе жидкой стали.

Основные научные задачи, поставленные в работе

• Научный анализ и теоретическое исследование характеристик элек-тромапгитного преобразователя, чувствительного к появлению шлака в струе металла.

• Формулировка требований и разработка алгоритма работы системы на основании теоретических и экспериментальных исследований сигналов электромагнитного преобразователя.

• Разработка рекомендаций для инженерного проектирования систем автоматического обнаружения шлака с электромагнитным преобразователем.

Научная новизна работы состоит в следующих основных положениях, которые выносятся на защиту.

• выбраны параметры электромагнитного преобразователя и рассчитаны его характеристики,

• разработан алгоритм работы системы и алгоритм обработки сигнала преобразователя;

• экспериментально подтверждены характеристики преобразователя и получены динамические параметры изменения его сигнала,

• предложена методика проектирования системы обнаружения шлака.

Использование научных средств анализа

При математическом моделировании использовался метод конечных элементов для расчета параметров магнитного поля преобразователя. При экспериментальных исследованиях применялось дискретное преобразование Фурье, цифровая фильтрация сигналов.

В качестве программных средств, для моделирования электромагнитного поля использовались программа Maxwell. Для проведения теплового расчета -программа Quick Feild. В экспериментальных исследованиях использовалась специализированная среда визуального программирования LabView.

Практические результаты работы состоят в разработке, промышленном испытании и внедрении системы автоматического обнаружения шлака при сливе стали из конвертера.

Достоверность результатов

Достоверность результатов теоретических исследований, полученных с помощью математической модели, подтверждается результатами, полученными при экспериментальных исследованиях макета преобразователя и при промышленных испытаниях преобразователей в реальных условиях работы.

Апробация работы

Результаты работы апробировались в виде докладов на конференциях и публикаций.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 печатные работы.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы,- количество страниц 115, иллюстраций 72, таблиц 22, число наименований использованной литературы 27.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена суть проблемы обнаружения шлака в струе металла, сформулированы цель и основные задачи работы.

Первая глава посвящена исследованию состояния проблемы обнаружения шлака, актуальности ее решения для отечественных предприятий, а также условий работы системы обнаружения шлака на конвертере. Рассмотрены требования, предъявляемые к системе, определены и сформулированы задачи, без решения которых невозможно ее создание.

Объект использования разрабатываемой системы - конвертер - предназначен для выплавки металла и слива его в сталь-ковш для последующей непрерывной разливки в заготовки. На Рис. 1 показан упрощенный эскиз конвертера и сталь-ковша во время слива металла. На поверхности металла в конвертере находится слой шлака, попадание которого в сталь-ковш нежелательно. В течение слива оператор наблюдает за струей металла и при необходимости довора-чивает конвертер на нужный угол. В конце слива, при обнаружении в струе

он возвращает конвертер в вертикальное положение. От внимания и реакции оператора зависит количество пропускаемого в сталь-ковш шлака.

Задача состоит в оснащении сталевара автоматической системой контроля появления шлака в струе металла.

Помимо быстродействия обнаружения шлака в струе металла важным является также время необходимое для прекращения слива. В данной работе рассматриваются существующие способы и устройства прекращения слива. Так при отвороте конвертера время прекращения слива стали (и шлака) обычно в среднем составляет 2-3 с. При использовании специальных отсечных устройств оно может составлять доли секунды.

При попадании шлака в сталь-ковш имеют место следующие отрицательные последствия..

• Сталь загрязняется частицами неметаллических включений, нарушается ее химический состав. Как следствие, ухудшаются физические свойства стали.

• Толстый слой конвертерного шлака на поверхности остывающего металла вызывает образование твердой корки, которая мешает проведению дополнительных операций по обработке металла в ковше.

• Высокий уровень окислов БеО и МпО в конвертерном шлаке приводит к высокому общему содержанию кислорода в стали. Неустойчивые оксиды в шлаке реагируют с легирующими добавками.

• Большое количество алюминия, требующееся для расщепления вышеуказанных оксидов конвертерного шлака, приводит к образованию глинозема (А124Оз), который засоряет сталевыпускной канал ковша.Его устранение требует дополнительных операций в ковше с использованием дорогостоящих материалов.

• Находящийся в конвертерном шлаке оксид железа (БеО) реагирует с огнеупорными материалами и разрушает их.

Система автоматического обнаружения шлака может быть построена на различных физических принципах. Сейчас для этих целей за рубежом применяются: электромагнитный, вибрационный и инфракрасный методы. Наибольшее распространение получил электромагнитный метод, который также успешно используется и для обнаружения шлака при сливе металла из сталь-ковша.

Система обнаружения шлака, работающая с использованием электромагнитного метода, согласно материалам зарубежных публикаций, состоит из электромагнитного преобразователя, блока измерения и контроля, панели индикации, блока диагностики и рабочей станции.

Основной элемент системы - электромагнитный преобразователь - размещается в летке конвертера. Размеры корпуса леточного узла и выпускного канала, а также схема футеровки определяют требования к размерам и форме преобразователя. При «холодном» ремонте производится обновление футеровки конвертера, и, поскольку, преобразователь встроен в футеровку, и его замена возможна только при замене футеровки, периодичность этого ремонта определяет требуемый срок службы преобразователя - 4-5 месяцев. При этом работа преобразователя связана с высоким уровнем вибраций и повышенной температурой.

В качестве прототипов для проектирования были выбраны два типа преобразователей: проходной преобразователь фирмы АМЕПА (Германия) и экранный преобразователь фирмы ЕМП (Швеция).

Для создания системы обнаружения шлака был определен следующий круг задач.

• Математическое моделирование электромагнитного преобразователя, определение характера и степени влияния различных факторов на чувствительность.

• Физическое моделирование электромагнитного преобразователя.

• Выбор типа и параметров преобразователя на основании результатов моделирования.

• Расчет рабочей температуры преобразователя.

• Разработка структуры и функций системы.

• Разработка алгоритма работы системы и алгоритма преобразования сигналов.

• Проведение промышленных испытаний системы. Выявление уровня „ шумовой составляющей в сигнале преобразователя. Определение эффективности работы системы.

Во второй главе рассмотрены результаты математического и физического моделирования электромагнитных преобразователей двух типов: проходного (см. рис.2) и экранного (см. рис.3).

Задачей этой части работы являлось исследование зависимостей сигнала преобразователей от измеряемого и мешающих факторов с целью выбора оптимальных параметров преобразователя и разработки методики обработки его сигнала.

Струя металла со шлаком моделируется комбинацией цилиндров: металлического и «воздушного», так как относительная магнитная проницаемость шлака близка к единице, а электропроводность пренебрежимо мала по сравнению с электропроводностью жидкой стали и сравнима с электропроводностью возду-

ха. Положение шлака в струе металла моделируется как центральное, смещенное и поверхностное (см. рис. 4).

Струя металла моделировалась неподвижной, поскольку было получено, что влияние движения струи при реальной ее скорости 3-5 м/с, на ЭДС в измерительной обмотке несущественно.

В литературе описано аналитическое решение задачи расчета параметров электромагнитного поля для случая бесконечных по оси Ъ цилиндрических сред - слоев вокруг и внутри витка, имеющего бесконечно малое сечение проводника. Используется интегральное преобразование Фурье для векторного потенциала А по координате Ъ в виде:

А'(Л,г) = ^А(г,2)со$(Аг)<к

Уравнение Гельмгольца для векторного потенциала имеет вид:

где д* = Л2 —к1, /„,- сое(Лг)сЪ- интегральное преобразование для плотности тока.

Однако воспользоваться аналитическим решением приведенных уравнений в данной работе не удалось, поскольку имеются существенные нарушения симметрии электропроводных сред в осевом направлении. По этому для решения

задачи было использовано математическое моделирование электромагнитного поля преобразователей, которое производилось с помощью программы Maxwell, реализующей метод конечных элементов. Для моделирования проходного преобразователя была использована осесимметричная модель, а для экранного - плоскосимметричная. В качестве исходных данных задавались геометрические размеры и физические свойства обмоток преобразователя, струи металла и конструктивных элементов, а также параметры источник электромагнитного поля - частота и амплитуда тока в обмотке возбуждения. Выходным параметром являлась комплексная величина магнитного потока в контуре измерительной обмотки преобразователя, которая затем пересчитывалась вЭДС.

При моделировании варьировались следующие параметры: частота питания преобразователяЛ диаметр преобразователя Dn, диаметр струи металла Dcmp, a также количество шлака и характер его проникновения в струю металла. Была произведена оценка влияния корпуса проходного преобразователя и корпуса легочного блока конвертера, а также влияние уровня металла в конвертере и образования воронки на поверхности металла на сигнал преобразователя.

Результаты представлены в виде удельных сигналов, соответствующих единичной МДС в обмотке возбуждения преобразователя, и при одном витке в измерительной обмотке. Для приведения результатов к реальным параметрам катушек легко может быть осуществлен пропорциональный пересчет.

На рис. 5 показаны зависимости приращения сигнала преобразователя от содержания шлака в струе металла. Характеристики приведены для двух случаев

проникновения шлака: по центру и по краю. На комплексной плоскости нулевой точке координатной плоскости соответствует 0% содержания шлака, а другой крайней точке годографа - 100% шлака. Амплитудные характеристики демонстрируют нелинейный характер характеристик сигнала по отношению к фактору содержания шлака.

При изменении содержания шлака в струе изменяется как амплитуда, так и фаза приращения сигнала. В качестве основного параметра для анализа была выбрана амплитуда приращения сигнала, так как именно амплитуда в большей степени отражает нелинейный характер чувствительности преобразователя к шлаку.

Для определения диапазона рабочих температур преобразователя был проведен тепловой расчет зоны легочного блока конвертера. Расчет был проведен с помощью программы Е1сШ:, также использующей метод конечных элементов.

Для оценки достоверности результатов расчета, а также для выявления чувствительности системы измерения к содержанию шлака на фоне реальных шумов и нестабильно— стей аппаратуры было проведено физическое моделирование преобразователей. Оно производилось с использованием лабораторного стенда, упрощенная схема которого показана на рис. 6. Стенд представлял собой персональный компьютер со встроенной платой ЦАП-АЦП и подключенный к нему блок, где размещены усилители, фильтры, измерительный резистор, компенсационный трансформатор. Усилитель мощности представлял собой функционально законченное устройство, также выполненное в виде отдельного блока.

Компенсационный трансформатор, включенный в разрыв измерительного канала, был предназначен для увеличения динамического диапазона измерения путем компенсации постоянной трансформаторной составляющей в сигнале преобразователя.

Программное обеспечение стенда - приложение, разработанное на базе специализированной среды визуального программирования Lab View. Приложение позволяло формировать напряжение возбуждения на ЦАП заданной амплитуды и частоты, принимать и обрабатывать данные с АЦП, а также отображать и сохранять данные в требуемой форме. В приложении были реализованы алгоритмы дискретного преобразования Фурье, алгоритмы цифровой фильтрации, а также алгоритм автоматической компенсации сигнала.

и

Макеты электромагнитных преобразователей представляли собой катушки, намотанные на деревянных каркасах. Катушки экранного преобразователя имели различные размеры и устанавливались на разном расстоянии друг от друга. Размеры катушек проходного преобразователя были неизменны.

При физическом моделировании струя металла была представлена набором цилиндров из немагнитной стали 12Х18Н10Т, удельное электрическое сопротивление которой близко к диапазону сопротивлений жидкой стали. Часть цилиндров имели центральные и смещенные сквозные отверстия. Проникновение шлака имитировалось замещением сплошного цилиндра на цилиндр с отверстием.

На рис. 7 показаны характеристики, полученные при математическом и физическом моделировании проходного преобразователя. Положение максимума характеристик, очевидно, определяет оптимальную частоту работы преобразователя.

9.0Е-07

■ 8.0Е-07

0

§ 7.0Е-07

1 6.0Е-07 х

| 5.0Е-07

| 4.0Е-07 &

| 3.0Е-07

| 2.0Е-07

I

5 1.0Е-07 0.0Е+00

100 150 200 250 300 350 400 450 600 Частота напряжения возбуждения, Гц

Рис. 7. Зависимость чувствительности проходного преобразователя -к появлению 20% шлака от частоты (Dn = 600 мм)

По результатам моделирования преобразователей были сделаны следующие выводы.

• Минимальная чувствительность к шлаку у проходного и экранного преобразователей имеет место при центральном положении шлака в струе. При этом удельное приращение сигнала проходного преобразователя при проникновении по центру струи 20% шлака почти в 1000 раз больше, чем удельное приращение сигнала экранного преобразователя. В.связи с этим для дальнейшего проектирования был выбран проходной преобразователь.

• Отмечено уменьшение оптимальной частоты при увеличении диаметра струи металла, так для диаметра струи 140 мм она составляет 250 Гц, для диаметра 220 мм - 100 Гц.

• Влияние корпуса проходного преобразователя (толщина - 1 мм, материал -немагнитная сталь) не существенно сказывается на его чувствительности.

* ■ф г * " " ' - • .

* * 1 ■ i

- ♦ - ш пак а центре (физ модель) пак в центре (мат модель) пак смещенный (физ модель)

- * - U1J i

1

. " * -<

! ■ ■< N *

Так на частоте 200 Гц наличие корпса уменьшает чувствительность преобразователя не более чем на 5% Влияние корпуса леточного блока (толщина - 20 мм, материал - магнитная сталь) оказалось намного существеннее и выразилось в уменьшении чувствительности преобразователя в 2,5 - 3 раза.

• При увеличение температуры переднего торца корпуса летки в ходе слиза металла с 0 до 250 °С на частоте 100 Гц изменение сигнала преобразователя по величине эквивалентно его изменению при полном пропадании струи в выпускном канале. Это говорит о необходимости специальных мер для отстройки от данного фактора при определении количества шлака в струе.

• Тепловой анализ показал, что рабочая температура преобразователя зависит от его размера (внутреннего диаметра) и находится в диапазоне от 300 до 800 С.

, • Эксперименты с физическими моделями преобразователей подтвердили результаты, полученные расчетным путем. Расхождение величин сигналов составило не более 20%. Это обстоятельство подтверждает правомерность принятых при математическом моделировании допущений.

• По экспериментальным данным шум в сигнале преобразователя, связанный в основном с нестабильностью источника питания, составил для проходного преобразователя 30 мкВ, что для преобразователя с диаметром 1400 мм сравнимо с чувствительностью к 6-7% шлака, протекающего по центру струи металла. Это говорит о том, что порог чувствительности системы обнаружения шлака с таким преобразователем составляет 6-7%.

Третья глава работы посвящена системе обнаружения шлака, анализу ее структуры и функционального назначения блоков, разработке рабочего алгоритма.

Структурная схема системы обнаружения шлака показана на рис. 8. Помимо основной функции - контроля содержания шлака в струе металла, система должна иметь следующие функции:

• измерение угла наклона конвертера;

• индикация параметров системы на экране технологического пульта;

• звуковая сигнализация при превышении уровня шлака установленного порога;

• управление уровнем порога срабатывания звукового сигнала;

• выдача управляющего сигнала для срабатывания затвора (стопор, шибер и др.); -

• мониторинг, архивация и настройка параметров работы системы. Сигнал преобразователя подвергается специальной обработке направленной

на подавление случайных шумов и дрейфов, выделение полезного сигнала и получение искомой величины содержания шлака в струе металла.

На рис 9 показана схема преобразования данных, которая включает в себя: аналого-цифровое преобразование, дискретное преобразование Фурье, цифровую полосовую фильтрацию, вычисление модуля приращения сигнала, вычис-

ленке максимального приращения сигнала, нормирование приращения сигнала и вычисление содержания шлака в струе металла.

Дискретное преобразование Фурье направлено на определение амплитуды и фазы первой гармоники сигнала преобразователя. Число точек для ДПФ на период основной частоты было определено как 166. Параметры. цифрового фильтра xl и т2 исходя из предполагаемой динамики изменения сигналов были предварительно выбраны равными 1,5 и 15 с.

U(t)

АЦП Ui Фурье К) h Hi ■Е, Фт,

ФТ2

ЯсЕфц AReEi ЬпЕфи AlmEi

—Ф—>

ЯеЕфа 1тЕфз '

а +Ь

¿Ei

ДЕш

О

maxAEi

Мах

Fris*'

Slag

и(1) - напряжете с измерительной обмотки электромагнитного преобразователя на входе АЦП;

ОД - мгновенные значения оцифрованного сигнала преобразователя;

ЯеЕ„ ЬпЕ| - действительная и мнимая составляющие сигнала;

ЯеЕфц ЬпЕф,- фильтрованные действительная и мнимая составляющие сигнала;

¿КеЕ„ Л1тЕ|- фильтрованные приращения действительной и мнимой составляющих сигнала;

ДЕ| - модуль приращения сигнала;

тахДЕ - максимальное приращение сигнала;

ДЕц - нормированное приращение сигнала;

БЦЗ - вычисленное значение содержания шлака в струе металла.

Рис. 9. Схема преобразования данных е системе обнаружения шлака

Процедура нормирования сигнала обеспечивает инвариантность результата к размеру струи металла. В начале слива осуществляется измерение приращения сигнала при появлении струи металла в выпускном канале (ДЕтах) и далее при расчете содержания шлака текущие приращения сигнала делятся на ДЕ,,,,«.

На рис. 10 приведена полученная средняя нормированная характеристика и ее аппрокси-мационный полином для частоты питания преобразователя 200 Гц. Характеристика получена путем расчета среднего количества шлака при одном сигнале преобразователя для двух крайних случаев протекания шлака: по центру и по

краю.

При этом нормированный сигнал преобразователя вычисляется следующим образом:

Щ =—- Ие£0)2 + (Ьп£( - 1т£0)2,

тпах

где АЕ,^ - величина приращения ЭДС преобразователя при появлении в выпускном канале струи металла, ЯеЕо и 1тЕо - составляющие ЭДС сигнала при отсутствии шлака в струе металла.

Основная задача, решаемая системой, - обнаружение шлака в струе металла - стоит перед системой в течении 5-10 мин, когда конвертер находится в режиме слива стали. В остальное время система не используется. С учетом этого и других факторов при разработке системы ее функционирование было разделено на несколько режимов:

Режим «ожидание» - режим, в котором система находится в «ожидании» слива металла. Производится контроль угла наклона конвертера.

Режим «измерение» - основной режим работы, в котором производится расчет содержания шлака в струе металла и, при превышении определенного порога, включается звуковой сигнал. В этом режиме работы осуществляется архивация сигналов для последующего анализа.

Режим «калибровка» предназначен для измерения величины максимального приращения сигнала при появлении струи металла для проведения нормирования приращений.

Режим «тест» - режим, в котором осуществляется проверка соответствия параметров преобразователя и его источника питания их нормальным значениям.

,—1-1-1-1-J -1у ■ 6В5 58/ • 2710.2/ ♦ 2М2 - ИМ 7*1 ♦ 3»7 07« « 0 295»^-

0,00 0.20 0,40 0 60 0,80 1,00 Нормировании* приращения сигнала преобразователя _(Ц/|тихДЕ)_

Рис. 10. Нормированная характеристика электромагнитного преобразователя (/"= 200Ги)

В четвертой главе рассмотрены результаты промышленных испытаний разработанной системы на конвертере ОАО «ММК».

Структурная схема системы с указанием мест размещения оборудования приведена на рис. 11.

Электромагнитный преобразователь размещался в летке конвертера. Кабель от него прокладывался по опорному кольцу конвертера и выводился наружу через внутреннее отверстие цапфы конвертера. Температурные условия внутри опорного кольца конвертера потребовали использования специального термостойкого кабеля, имеющего рабочую температуру не менее 250°С.

Датчик угла наклона конвертера был размещен на выходном конце цапфы конвертера. Это место предполагает нормальные температурные условия и возможность технического обслуживания датчика угла, который был объединен с кроссблоком, стыкующим термостойкий кабель преобразователя с основной кабельной трассой.

В помещении поста оператора слива конвертера размещались блоки усиления и обработки, а также технологический пульт оператора. Рабочая станция мониторинга и блок питания • находились в помещении автоматики.

В составе системы были испытапы различные конструкции электромагнитных преобразователей круглой и квадратной формы, имеющие различные габаритные размеры.

Было установлено, что с точки зрения удобства встройки преобразователь должен иметь прямоугольную форму, а размеры преобразователя должны составлять не менее чем 780x830 ММ Однако требуемая стойкость из-за частых протечек жидкого металла между футеро-вочными кирпичами в область установки преобразователя была достигнута только при размерах 1250x1250 мм.

Измеренная рабочая температура преобразователя с размером 1250x1250 мм составила 380 °С.

При сравнении результатов математического и физического моделирования с результатами натурного эксперимента различие в величинах приращения сигнала преобразователя составило не более 20%. Это подтверждает, что допущения, которые были сделаны при моделировании (в частности, допущение статичности струи металла) не существенно повлияли на результат расчета.

Анализ динамических характеристик изменения сигнала преобразователя по-требозал коррекции постоянных времени цифрового фильтра, которые в итоге составили: Х\ = 0,5 с, т2 = 8 с.

При изучении шумовой составляющей в сигнале преобразователя было установлено, что значительная ее часть возникает по причине пульсаций струи металла. Величина сигнал/шум минимальна при «новой» летке, когда диаметр выпускного канала минимальный, а пульсации струи велики из-за неровностей внутренней поверхности выпускного канала. При этом эквивалентный шум вычисляемого параметра [Шлак] может составлять до 20%. Для уменьшения пульсаций струи металла может быть использована специальная конструкция выпускного канала.

На рис. 12 приведен фрагмент архива системы. На рисунке приведены тренды изменения параметра угла наклона конвертера и параметра содержания шлака в струе. При превышении параметра [шлак] установленного порога (30%) включился звуковой сигнал и оператор закончил слив, повернув конвертер в вертикальное положение.

(мартарШ 27 0Э.2ШЗ

■ш>

----— ---------:1И

__I I т

Рис. 12. Фрагмент архива системы обнаружения шлака.

Типичное окончание слива при обнаружении шлака в струе-

Для оценки эффективности работы системы производилось сравнение моментов времени обнаружения шлака оператором и системой. Результаты анализа приведены в табл. 1. На рис. 13-16 представлены фрагменты архивов системы для различных величин времени запаздывания оператора по сравнению с системой.

м то

«Ч- 120-г---—----, — .---

1104- , - | —- -X ---

7М- 1054-------------

Средний выигрыш по времени определения момента проникновения шлака в струю металла системой, по сравнению с оператором составил 3,2 секунды. При этом средняя расчетная величина эквивалентного количества шлака, которое могло быть пропущено за это время составляет 0,476 тонны.

Учитывая, что время необходимое для прекращения течения струи стали и шлака при отвороте конвертера составляет в среднем 2-3 секунды, установка специальной системы «отсечки» шлака позволит увеличить эффективность по предотвращению попадания шлака в сталь-ковш почти в 2 раза. При этом следует, безусловно, учитывать стоимость обслуживания таких «отсечных» устройств, которые, как правило, содержат расходные элементы.

Пятая глава содержит методические рекомендации по проектированию системы обнаружения шлака, которые позволяют выбрать параметры проходного преобразователя и системы при заданных размерах леточного блока, диаметре струи металла, требованию к минимальной величине обнаруживаемого шлака, а также к сроку службы преобразователя. Приведенные характеристики соответствуют диапазону диаметра корпуса леточного блока от 1000 до 2000 мм, и диаметру струи - от 100 до 180 мм.

Согласно методике, последовательно выбираются частота, размеры, числа витков и ток возбуждения преобразователя. Оптимальная частота выбирается исходя из условия максимума приращения сигнала по заданному диаметру струи металла и требованию к чувствительности (10, 20, 30% шлака). Диаметр преобразователя выбирается из ограничения минимального срока службы и минимального относительного сигнала преобразователя. Эти критерии являются противоречивыми, и их анализ выявляет допустимый диапазон диаметра преобразователя. Числа витков и ток возбуждения определяются из отношения удельного сигнала преобразователя, полученного при математическом моделировании, и желаемой величины полезного сигнала на измерительной обмотке преобразователя.

Рекомендованные нормированные характеристики для расчета содержания шлака в струе металла показаны на рис. 17.

В главе приведены также рекомендации для проектирования системы обнаружения шлака при сливе металла из сталь-ковша в части размещения электромагнитного преобразователя и алгоритма работы системы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ проблемы обнаружения шлака в струе металла показал целесообразность и актуальность ее решения. Для создания системы обнаружения шлака потребовалось проведение исследований в области электромагнитного преобразователя и создания алгоритмов работы.

2. Математическое моделирование электромагнитного преобразователя проведено с использованием метода конечных элементов для анализа магнитного поля, реализованного в программе Maxwell. В результате моделирования получены семейства характеристик двух типов преобразователей: проходного и экранного. Сравнение характеристик позволило сделать выбор в пользу проходного преобразователя. Амплитуда вносимой ЭДС преобразователя нелинейно изменяется при изменении содержания шлака в струе металла и при этом зависит от диаметра струи металла и характера проникновения шлака в струю.

3. Физическое моделирование преобразователей подтвердило с достаточной точностью результаты расчета и позволило получить характеристики преобразователей при несимметричном течении шлака в струе металла.

4. Результаты исследований электромагнитного преобразователя позволили выбрать его размеры, параметры обмоток, частоту и амплитуду напряжения питания преобразователя, а также сформулировать требования к обработке его сигнала и отстройки от мешающих факторов.

5. На основании сведений о зарубежных аналогах и результатов собственных исследований проведена функциональная детализация системы, сформулированы требования к отдельным функциональным блокам. Разработаны алгоритм работы системы и последовательность преобразования сигналов.

6. Промышленные испытания разработанной системы были проведены на конвертере Магнитогорского металлургического комбината. В результате испытаний подтвердились характеристики преобразователей, полученные при моделировании. Был отработан алгоритм работы системы. Получены данные о динамике изменения сигналов, что позволило скорректировать параметры цифровой фильтрации.

7. При оценке эффективности работы системы выявлено опережение сигнала системы по сравнению с обнаружением шлака оператором в среднем на 3,2 секунды, что эквивалентно 0,476 тонны пропускаемого в сталь-ковш шлака. Добавление к системе специального устройства «отсечки» шлака может увеличить эффективность системы почти в 2 раза, но и при

»129 7 ё

этом увеличит расходы на ее эксплуатацию, связанные с расходными элементами «отсечного» устройства.

8. На основании проведенных исследований, результаты которых подтверждены промышленными испытаниями, была предложена методика проектирования аналогичной системы обнаружения шлака с другими исходными данными (размер легочного блока, диаметр струи металла, требования по чувствительности системы к шлаку).

9. Система обнаружения шлака сдана в промышленную эксплуатацию на трех конвертерах ОАО «ММК».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Разработка и промышленная эксплуатация на ОАО «ММК» системы раннего обнаружения шлака «ДШ-К» фирмы ЗАО «ТЕХНОАП». Тахаутди-нов Р.С., Носов АД, Бузинник В. М., Бодяев Ю. А., Сорокин А.Н., Формакидов А.М. // Черные металлы.- 2002.- №5.- С. 12-14.

2. Система раннего обнаружения шлака. Носов А.Д., Дьяченко В.Ф. Бузинник В.М., Формакидов А.М. Труды седьмого конгресса сталеплавильщиков.- г. Магнитогорск, 2002. - С. 238 - 242.

3. Формакидов A.M. Результаты создания системы электромагнитного детектирования шлака в струе жидкого металла.: Тез. докл. Радиотехника, электроника и энергетика // VII Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. - М.: Издательство МЭИ, 2001. - Т. 2. - С. 93.

4. Формакидов А.М. Математическое моделирование при разработке вихре-токового датчика.: Тез. докл. Радиотехника, электроника и энергетика // VIII Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. - М.: Издательство МЭИ, 2002. - Т. 2. - С. 62.

Подписано в печать btC4> (1-Ълк.ЛС*4 Тир. /ССШл. £<\6~ Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ.

1.1. Вопросы чистоты стали.

1.2. Выпуск металла из конвертера в сталь-ковш и проблема обнаружения шлака в струе металла.

1.3. Зарубежные разработки систем обнаружения шлака.

1.4. Актуальность разработки системы обнаружения шлака.

1.5. Постановка задач.

1.6. Геометрические, тепловые и технологические требования к системе.23 Выводы.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

2.1. Описание электромагнитных преобразователей.

2.2. Разработки в области электромагнитного контроля несплошных сред. Методы анализа.

2.3. Схема замещения электромагнитного преобразователя.

2.4. Математическое моделирование электромагнитного преобразователя

2.5. Используемые методы и средства математического моделирования.

2.6. Допущения, принятые при математическом моделировании.

2.7. Результаты математического моделирования.

2.8. Расчет теплового поля в леточном блоке конвертера.

2.9. Физическое моделирование электромагнитных преобразователей.

Выводы.

3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ШЛАКА.

3.1. Разработка структуры системы.

3.2. Разработка алгоритма работы системы.

Выводы.

4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМЫ.

4.1. Общие сведения.

4.2. Результаты испытаний.

4.3. Оценка эффективности работы системы.

4.4. Анализ архивов работы системы.

Выводы.

5. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ШЛАКА В СТРУЕ МЕТАЛЛА.

5.1. Постановка задачи и исходные данные.

5.2. 1-й шаг. Выбор частоты питания преобразователя.

5.3. 2-й шаг. Выбор диаметра преобразователя.

5.4. 3-й шаг. Выбор параметров преобразователя и источника питания.

5.5. Рекомендации по обработке сигнала преобразователя.

5.6. Особенности системы обнаружения шлака при сливе металла из сталь-ковша.

В производстве стали все более существенным является обеспечение ее чистоты и сокращение брака. При переливании жидкой стали из одной металлургической емкости (конвертер, сталь-ковш, промежуточный ковш) в другую важным является обеспечение минимального попадания шлака, находящегося на поверхности стали, в нижнюю емкость.

Существо проблемы состоит в следующем. При отсутствии специальных автоматических средств обнаружение шлака в струе металла осуществляется визуально оператором, контролирующим процесс. Визуальное обнаружение шлака возможно при выходе шлака на поверхность струи благодаря цветовому отличию шлака от металла. Однако шлак в начале слива попадает в струю через воронку и протекает по центру. При выходе на поверхность его цветовое отличие от стали настолько незначительно, что даже опытному сталевару зачастую не удается вовремя остановить разливку, и большая часть шлака вытекает вместе со сталью. В ряде случаев наблюдение за струей усложняет запыленность воздуха и то, что сталевар находится в условиях сильного теплового излучения.

Исключить проникновение шлака возможно при заблаговременном окончании слива, однако при этом часть стали будет потеряна.

Таким образом, при стремлении производителя обеспечить высокое качество и конкурентоспособность стали затруднено обеспечение ее чистоты при визуальном контроле переливания из одной емкости в другую.

Актуальность работы определяется следующими факторами.

Существующие зарубежные автоматические системы обнаружения шлака, работающие на электромагнитном принципе, доказали свою эффективность. Отечественные металлурги сейчас проявляют к ним активный интерес. Однако эти системы имеют высокую стоимость приобретения и высокую стоимость обслуживания. Возник вопрос о создании более дешевой и удобной в эксплуатации отечественной системы.

Описания существующих систем и материалы зарубежных печатных источников ограничены и не содержит достаточных сведений для их реализации, развития и успешной адаптации к отечественным условиям.

Поэтому система обнаружения шлака в струе металла не может быть разработана в России без предварительного прикладного научного исследования.

Потребность в создании и внедрении отечественной системы автоматического обнаружения шлака, была объективирована Магнитогорским металлургическим комбинатом (ОАО «ММК»), выступившим в качестве заказчика настоящей работы.

Экономическая эффективность и обоснование использования автоматической системы обнаружения шлака складывается, в основном, из следующих составляющих.

• Повышение качества стали.

• Снижение прямых затрат на ферросплавы и алюминий, добавляемых в сталь и вступающих в реакцию со шлаком.

• Уменьшение потерь при аварийных ситуациях, обусловленных уменьшением стойкости шиберного затвора сталеразливочного ковша при прохождении через него конвертерного шлака с высокой долей окислов.

• Снижение затрат на футеровку ковшей, разрушающуюся под воздействием шлака;

Разработка отечественной системы обнаружения шлака позволит получить более низкую ее стоимость по сравнению с зарубежными аналогами, в основном благодаря снижению составляющей интеллектуального труда разработки, удельный вес которой в цене системы довольно высок. Более низкая цена системы позволит производителю не повышать заметно цену стали, обеспечивая тем самым ее конкурентоспособность.

Область техники и науки, к которой относится работа

Работа относится к области электротехники, а именно к системам электрооборудования объектов технологических процессов, в частности, в металлургии, с использованием электромагнитных устройств, устройств преобразования и обработки сигналов, устройств отображения и хранения информации. Разрабатываемая система входит в общий комплекс электрооборудования и автоматики конвертера.

Особенности, накладываемые областью применения на разработку, являются определяющими и связаны, прежде всего, с условиями эксплуатации системы обнаружения шлака, которые предполагают повышенную температуру и вероятность контакта с жидким металлом, конструктивные, технологические и эксплуатационные особенности объекта автоматизации.

Цель работы - разработка и исследование системы обнаружения шлака в струе жидкой стали, промышленное испытание образца системы.

Основные научные задачи, поставленные в работе:

• Научный анализ и теоретическое исследование характеристик электромагнитного преобразователя, чувствительного к появлению шлака в струе металла.

• Формулировка требований и разработка алгоритма работы системы на основании теоретических и экспериментальных исследований сигналов электромагнитного преобразователя.

• Разработка рекомендаций для инженерного проектирования систем автоматического обнаружения шлака с электромагнитным преобразователем.

Научная новизна работы состоит в следующих основных положениях, которые выносятся на защиту.

• выбраны параметры электромагнитного преобразователя и рассчитаны его характеристики,

• разработан алгоритм работы системы и алгоритм обработки сигнала преобразователя,

• экспериментально подтверждены характеристики преобразователя и получены динамические параметры изменения его сигнала,

• предложена методика проектирования системы обнаружения шлака.

Использование научных средств анализа

При математическом моделировании использовались методы конечных элементов для расчета параметров магнитного поля преобразователя. При экспериментальных исследованиях применялось дискретное преобразование Фурье, цифровая фильтрация сигналов.

В качестве программного средства для моделирования электромагнитного поля использовалась программа Maxwell. Для теплового расчета - программа Quick Feild. В экспериментальных исследованиях использовалась специализированная среда визуального программирования LabView.

Практические результаты работы состоят в разработке, промышленном испытании и внедрении системы автоматического обнаружения шлака при сливе стали из конвертера.

Достоверность результатов

Достоверность результатов теоретических исследований, полученных с помощью математической модели, подтверждается результатами, полученными при экспериментальных исследованиях макета преобразователя и при натурных испытаниях в реальных условиях работы.

Апробация работы

Результаты работы апробировались в виде докладов на конференциях и публикаций.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 печатные работы: [24] -[27].

Выводы

1. Разработанная система обнаружения шлака прошла испытания на Магнитогорском металлургическом комбинате. В составе системы были испытаны различные конструкции электромагнитных преобразователей круглой и квадратной формы, имеющие различные габаритные размеры.

2. Минимальные размеры преобразователя с точки зрения удобства встройки должны составлять не менее, чем 780x830 мм. Требуемая стойкость преобразователя была достигнута только при размерах 1250x1250 мм.

3. При сравнении результатов математического и физического моделирования с результатами натурного эксперимента различие в величинах приращения сигнала преобразователя составило не более 20%. Это подтверждает, что допущения, которые были сделаны при моделировании (в частности, допущение статичности струи металла) не существенно повлияли на результат расчета.

4. Анализ динамических характеристик изменения сигнала преобразователя потребовал коррекции постоянных времени цифровых фильтров, которые в итоге составили т\ = 0,5 с, т2= 8 с.

5. При изучении шумовой составляющей в сигнале преобразователя было установлено, что значительная ее часть возникает по причине пульсаций струи металла. Величина сигнал/шум минимальна при «новой» летке, когда диаметр выпускного канала минимальный, а пульсации струи велики из-за неровностей внутренней поверхности выпускного канала. При этом эквивалентный шум вычисляемого параметра [Шлак] может составлять до 20%.

6. Средний выигрыш по времени определения момента проникновения шлака в струю металла системой по сравнению с оператором составил 3,2 секунды. При этом средняя расчетная величина эквивалентного количества шлака, которое могло быть пропущено за это время, составляет 0,476 тонны.

5. Методика проектирования системы обнаружения шлака в струе металла.

5.1. Постановка задачи и исходные данные

В данной работе осуществлено проектирование системы обнаружения шлака для 375-тонного конвертера и связанных с ним параметров леточного блока и струи металла. Методические рекомендации, приведенные в этой главе, позволят выбрать параметры проходного преобразователя и системы при заданных размерах леточного блока и диаметре струи металла, требованию к минимальной величине обнаруживаемого шлака, а также к сроку службы преобразователя. Приведенные характеристики соответствуют диапазону диаметров корпусов леточного блока от 1000 до 2000 мм и диаметру струи - от 100 до 180 мм.

5.2. 1-й шаг. Выбор частоты питания преобразователя

Частота питания преобразователя определяет глубину проникновения электромагнитного поля в струю жидкой стали. Требуемая глубина проникновения связана с размером струи металла и минимальной величиной содержания шлака в струе, которое требуется обнаружить.

Анализ характеристик проходного преобразователя, полученных путем математического моделирования, показал, что каждому диаметру струи металла соответствует некоторая оптимальная частота, не зависящая от размера преобразователя, при которой абсолютное приращение сигнала максимально. Кроме того, оптимальная частота зависит от минимальной величины содержания шлака. На Рис. 67 представлены характеристики, с помощью которых можно осуществить выбор оптимальной частоты питания преобразователя для конкретных условий. Так, например, для диаметра струи металла 180 мм и минимального содержания шлака, равного 20%, оптимальная частота составляет 200 Гц.

Рис. 67. Зависимость оптимальной частоты питания преобразователя от размера струи металла

5.3. 2-й шаг. Выбор диаметра преобразователя

Выбор размера преобразователя производится путем анализа двух противоречивых факторов: чувствительность и срок службы. Под чувствительностью понимаем величину относительного изменения сигнала на измерительной обмотке преобразователя при появлении 20% шлака в струе металла.

Срок службы определяется рабочей температурой преобразователя, которая зависит среднего размера его обмоток. Для примера, рассмотрена зависимость срока службы провода ПОЖ-700 от рабочей температуры (см. Рис. 68). Рассмотрено три варианта размеров корпуса леточного блока (Элет = 1000, 1500, 2000 мм) и струи металла (DcTp = 100, 140, 180 мм). Для каждой пары размеров построена зависимость относительной чувствительности (Рис. 69) и срока службы (Рис. 70).

Рис. 68. Зависимость срока службы провода ПОЖ-700 от температуры.

Для выбора диапазона допустимых размеров преобразователя необходимо установить два ограничения - минимальная чувствительность преобразователя и минимально допустимый срок службы.

4.5Е-04 4.0Е-04 х 3.5Е-04

I 3.0Е-04 о. я | 2.5Е-04 I | 2.0Е-04

I 3

I 1.5Е-04 g 1.0E-04 5 5.0E-05 0,0E+00

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Диаметр преобразователя, мм йлет = 2000мм, dctp= 180мм —Рлет = 1500мм, Dctp=140mm .

Элет= 1000мм, Dct р=100мм

N

N *

Рис. 69. Относительное изменение сигнала преобразователя при появлении 20% шлака в струе металла в зависимости от размера преобразователя при разных размерах корпуса летки и струи металла.

100000

10000

ЗР 1000 с; 100 о о. о

10

1 -------1-1-

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Диаметр преобразователя, мм

•—DneT = 2000мм, DcTp= 180мм —•—Элет = 1500мм, DcTp= 140мм — йлет = 1000мм, DcTp= 100мм

I

Рис. 70. Зависимость срока службы преобразователя от его диаметра при разных диаметрах корпуса летки и струи металла.

Предел по минимальной чувствительности преобразователя может быть связан с разрядностью АЦП. Так 16-ти разрядный АЦП предполагает 32768 десятичных единиц на амплитуду измеряемого гармонического сигнала. Таким образом, АЦП позволяет измерить относительное изменение сигнала, равное 1 / 32768 = 3,05 -10"5. Величина требуемого срока службы определяется технологией работы с футеровкой, периодичностью ее ремонта. Так для конвертера ОАО «ММК» этот срок нами принят равным 5 месяцам или 3600 часов.

По Рис. 69 можно определить, что для леточного блока с диаметром 2000 мм и струей металла с диаметром 180 мм, при ограничении минимальной относительной чувствительности к 20% шлака равной 3 -10"5 диаметр преобразователя должен быть не более 1200 мм. А по Рис. 70 видно, что срока службы преобразователя не менее 3600 часов возможен при диаметре преобразователя не менее 1100 мм. Выбираем из этого диапазона максимальный размер Dn = 1200 мм, руководствуясь желанием обеспечить лучшую защиту преобразователя от жидкого металла.

5.4. 3-й шаг. Выбор параметров преобразователя n источника питания

Выбранный для проектирования проходной электромагнитный преобразователь имеет в своем составе две концентрично намотанных обмотки: обмотку возбуждения и измерительную обмотку. Обмотка возбуждения подключена к источнику переменного напряжения. Необходимо выбрать число витков обмоток и требуемую величину тока возбуждения.

При математическом моделировании преобразователя были получены величины удельного сигнала. Величина полного сигнала при этом рассчитывается следующим образом:

АЕ2о = АЕ2оуд ' Ib'Wb-Wh , где

1в - амплитуда тока возбуждения, Wb - число витков обмотки возбуждения, Wh — число витков измерительной обмотки.

Характеристики величины удельного сигнала в зависимости от диаметра преобразователя приведены на Рис. 71.

Рассмотрим возможные параметры преобразователя со средним диаметром катушек 1200 мм при размере леточного блока 2000 мм и диаметре струи металла 180 мм. Удельный сигнал такого преобразователя при 20% шлака в струе по металла будет равен 8*10" В (см. Рис. 71)

Рис. 71. Удельное изменение сигнала преобразователя при появлении 20% шлака в струе металла в зависимости от размера преобразователя при разных размерах корпуса летки и струи металла.

Если задаться требуемой величиной приращения сигнала АЕ2о = 0,1 мВ, можно записать:

Ib-Wb-Wh = ДЕ2о / АЕ20уд = 0, МО'3/ 8-10"8 = 1250. Выбираем следующие величины параметров: Wb = Wh = 30,1в = 1,4 А. Этот выбор основан на желании использовать обмоточный провод и электрический кабель с небольшим сечением жил. При выборе меньшего числа витков обмотки возбуждения ее полное сопротивление будет мало и сравнимо с сопротивлением соединительного кабеля.

Рассчитаем электрические параметры обмоток преобразователя.

При диаметре медной жилы обмоточного провода <1ж = 1,5 мм, удельном соЛ противлении меди рм = 0,017 Ом мм /м, длине витка 1в = 1200*4 = 4,8м, активное сопротивление катушки определяется следующим образом: Rk = рм • 1вит / Wk = 0,017- 4,8 / (я • 1,52 / 4) • 30 Rk = 1,38 0м

Расчет индуктивности катушки производим по методике описанной в [3]. Lk = 3,25 мГн

При частоте напряжения возбуждения fB = 200 Гц, рассчитаем полное сопротивление катушки:

Zk = (Rk2 + (2- я • fB • Lk)2) = 4,31 Ом

Напряжение питания обмотки возбуждения преобразователя составит: Un = lb-ZK= 1,4-4,31 =6,0В

Мощность источника питания: Рп = Un • 1в = 6,0 -1,4 = 8,4 ВА.

Таким образом, преобразователь для конвертера с диаметром леточного блока 2000 мм и диаметром струи металла 180 мм будет иметь характеристики, приведенные в таблице (Таблица 22). Аналогично можно выбрать параметры для других исходных данных.

Заключение

Анализ проблемы обнаружения шлака в струе металла показал целесообразность и актуальность ее решения, в частности, для отечественных предприятий. Зарубежные разработки в данной области технически не раскрыты, они использовались в работе в качестве исходного материала на уровне принципов действия. Для создания отечественной системы потребовалось проведение самостоятельных исследований в области электромагнитного преобразователя и создания алгоритмов работы.

Математическое моделирование основного звена системы - электромагнитного преобразователя проведено с использованием метода конечных элементов в двумерной плоскостной и осесимметричной модели поля, реализованной с использованием программы Maxwell. В результате моделирования получены семейства характеристик двух типов преобразователей: проходного и экранного. Сравнение характеристик позволило сделать выбор в пользу проходного преобразователя. Величина вносимой ЭДС преобразователя нелинейно изменяется при изменении содержания шлака в струе металла, зависит от диаметра струи металла и характера проникновения шлака в струю.

Физическое моделирование преобразователей подтвердило результаты расчета и позволило получить характеристики преобразователей при несимметричном течении шлака в струе металла.

Результаты анализа электромагнитного преобразователя позволили выбрать его размеры, параметры обмоток, частоту и амплитуду напряжения питания, а также сформулировать требования к обработке сигналов и отстройки от мешающих факторов.

На основании сведений о зарубежных аналогах и в результате собственных исследований проведена функциональная детализация системы, сформулированы требования к отдельным функциональным блокам. Разработаны алгоритм работы системы и последовательность преобразования сигналов.

Промышленные испытания разработанной системы были проведены на конвертере Магнитогорского металлургического комбината. В результате испытаний подтвердились характеристики преобразователей, полученные при моделировании. Был отработан алгоритм системы. Получены данные о реальной динамике изменения сигналов, что позволило скорректировать параметры цифровой фильтрации. При оценке эффективности работы системы выявлено опережение сигнала системы по сравнению с обнаружением шлака оператором в среднем на 3,2 секунды, что эквивалентно 0,476 тонны пропускаемого в сталь-ковш шлака.

На основании проведенных исследований, результаты которых подтверждены промышленными испытаниями, приведены рекомендации для разработки системы обнаружения шлака с другими исходными данными (размер леточного блока, диаметр струи металла, требования по чувствительности системы к шлаку).

Разработанная система обнаружения шлака испытана и сдана в промышленную эксплуатацию на трех конвертерах ОАО «ММК» (акт внедрения прилагается).

1. Абламунец И.Г., Шатерников В.Е. Параметры вихретоковых преобразователей расположенных над движущейся пластиной // Дефектоскопия.- 1977.-№1.-С. 14-20.

2. Герасимов В.Г., Клюев В.В., Шатерников В.Е. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий-М.: Энергоатомиздат, 1983. 272 с.

3. Калантаров П.Л., Цейтлин J1.A. Расчет индуктивностей. Справочная книга.— JL: Энергоатомиздат, 1986. 488 с.

4. Классен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике М.: Постмаркет, 2002. - 352 с.

5. Массманн П., Гартен JI. Опыт эксплуатации системы раннего обнаружения шлака ESD 100 фирмы «АМЕПА» // Сталь.- 1999г.- №3.- С. 13 15.

6. В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, В.В. Сухоруков. Неразрушающий контроль. Электромагнитный контроль. Практическое пособие: В 5 т.- М.: Высшая школа, 1992 Т. 3.- 402 с.

7. Процессы непрерывной разливки: Монография / Смирнов А.Н., Пилюшенко B.JL, Минаев А.А., Момот С.В., Белобров Ю.Н. и др. Донецк: ДонНТУ, 2002.-536 с.

8. Смольский С.М., Филиппов Л.И. Научное исследование и диссертация как регулярный процесс. М.: Издательство МЭИ, 2002.- 124 с.

9. Стрельцов К.К., Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. М.: Энергоатомиздат, 1996.- 426 с.

10. Ю.Терехов Ю.Н. Электромагнитный контроль параметров цилиндрических изделий проходными преобразователями: Дис. . канд. техн. наук. М., 1974г. -212 с.

11. Технология производства стали в современных конвертерных цехах / Колпаков С.В., Старов Р.В., Смоктий В.В. и др.- М.: Машиностроение, 1991.544 с.

12. Эффективность методов отсечки шлака при сливе металла из конвертера Штилькеринг Б. // Металлургическая и горнорудная промышленность.-2002.-№10.-С. 38-41.

13. Bolger D., KrauseP. Automated tundish drain control. Steelmaking conference proceedings, 1997 p. 245 - 247.

14. Bolger D., Gutrie R.I.L., Kings D.H.M. Ladle shroud slag detector. Steelmaking conference proceedings, 1996 p. 481 - 484.

15. Dauby P.H., Havel D.F. A Steel quality lapfrog-detection and elimination of la-dle-to-tundish slag carru-over. I&SM, July, 1990 - p. 2732.

16. Device for detecting slag flowing with molten metal through an outlet opening in a metallurgical vessel: U.S. Patent 4,887,798 / Edmund Julius (Fed. Rep. of Germany). -7c.: ил.

17. Downey M., Conte J., Gordon P. Ladl-tandish slag detector using Vibration measurements. Steel Times, September, 1992 - p. 416 - 417.

18. Fritz F., Grabner H. A system for slag separation, slag coating and automatic tapping of the BOS converter. Steel Times, April, 1994.- p. 143 - 146.

19. Krajcik W.J, Kelly J.E. First year's results using the R.A.D.A.R. Vibra-acoustic ladle slag detector system at inland's №1. Slab caster-steelmaking conference proceedings, 1996. p. 475 - 480.

20. Julius E. Betribsergebnisse und Weiterentwicklungen bei der elektromag-netischen schlackenerkennung. Steel and Metals Magazin, Vol.27, № Vi, 1989. -p. 60-64.

21. Julius E., Bertermann K. Advances in Furnace Tapping. Steelmaking conference proceedings, 2002.- p. 583 594.

22. Method and apparatus for the detection of slag co-flowing with a streame of molten metal: U.S. Patent 4,816,758 / Wolfgang Theissen (Fed. Rep. of Germany). -9 е.: ил.

23. Slag sensor taphole assembly: U.S. Patent 4,718,644 / John P. Hoffman (Fed. Rep. of Germany). -6c.: ил.

24. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

25. Разработка и промышленная эксплуатация на ОАО «ММК» системы раннего обнаружения шлака «ДШ-К» фирмы ЗАО «ТЕХНОАП». Тахаутдинов Р.С., Носов А.Д., Бузинник В. М., Бодяев Ю. А., Сорокин А.Н., Формаки-дов A.M. // Черные металлы 2002 - №5 - С. 12 - 14.

26. Система раннего обнаружения шлака. Носов А.Д., Дьяченко В.Ф. Бузинник В.М., Формакидов A.M. Труды седьмого конгресса сталеплавильщиков.— г. Магнитогорск, 2002. С. 238 - 242.