автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование системы управления электроприводами основных механизмов машины непрерывного литья заготовок

На правах рукописи

0Q4bUe.il с

КРАСИЛЬНИКОВ Сергей Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 /, ИЮН 2010

Магнитогорск - 2010

004606212

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор ЛУКЬЯНОВ Сергей Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ДЕВЯТОВ Диляур Хасанович

кандидат технических наук ЮДИН Андрей Юрьевич

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

Защита состоится 28 июня 2010 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «МГТУ». Автореферат размещен на сайте http://www.magtu.ru.

Автореферат разослан 26> мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Отливка заготовок для прокатных переделов на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) в настоящее время является неотъемлемой частью технологического цикла металлургического производства. Одним из основных факторов, определяющих производительность МНЛЗ, является коэффициент её использования. Повышение значения коэффициента использования МНЛЗ прямо связано с сокращением времени простоев машины на выполнение ремонтных работ по устранению последствий аварий по причине прорывов жидкого металла из-за «приваривания» участка корочки слитка к стенкам кристаллизатора (зависания корочки слитка).

С целью предотвращения прорывов жидкого металла на современных МНЛЗ применяются системы, в которых по характеру изменения значений температур участков медных стенок кристаллизатора диагностируется зависание корочки слитка в кристаллизаторе.

В случае выявления системой диагностирования зависания корочки слитка технологический персонал в ручном режиме выполняет управление электроприводами основных механизмов МНЛЗ с целью предотвращения прорыва жидкого металла. При этом по причине субъективных ошибок технологического персонала имеют место прорывы жидкого металла.

Анализ действующих систем диагностирования зависания корочки слитка и существующих систем управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ выявил следующие проблемы: отсутствуют конкретные технологические требования к системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ с позиций автоматического предотвращения прорывов жидкого металла; системы управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ построены без возможности предотвращения прорыва жидкого металла в автоматическом режиме; системы диагностирования не обеспечивают достаточную достоверность диагнозов о зависании корочки слитка в кристаллизаторе.

Создание системы автоматического взаимно-согласованного управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ на основе новой, более достоверной системы диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе позволит эффективно предотвращать прорывы жидкого металла, сократить время простоя машины на выполнение ремонтных работ и, как следствие, повысить производительность МНЛЗ.

Цель работы. Разработка системы автоматического взаимно-согласованного управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ, обеспечивающей увеличение производительности машины за счет предотвращения прорывов жидкого металла по причине зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

Достижение поставленной цели потребовало решения в диссертационной работе следующих основных задач:

- анализа известных технологических требований к электроприводам основных механизмов МНЛЗ, а именно, тянущих роликов тянуще-правильного устройства (ТПУ), механизма качания кристаллизатора, стопорного механизма промежуточного ковша с позиций предотвращения прорыва жидкого металла и возможностей их реализации существующими схемами электроприводов;

- анализа существующих способов диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе и оценки достоверности диагностической информации используемой на российских МНЛЗ системы «Термовизор»;

- статистического анализа временных диаграмм изменения температур участков медных стенок кристаллизатора в нормальном режиме разливки стали и при зависании корочки слитка;

- создания математической модели распределения по периметру кристаллизатора мгновенных значений температур участков его медных стенок;

- определения диагностических признаков зависания корочки слитка в характере изменения температур участков медных стенок кристаллизатора;

- разработки новых методики и алгоритма диагностирования зависания корочки слитка по характеру изменения температур участков медных стенок кристаллизатора;

- разработки новых технологических требований к системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ с позиций предотвращения прорывов жидкого металла;

- разработки функциональной схемы и алгоритма системы управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ, обеспечивающих предотвращение прорывов жидкого металла при зависании корочки слитка в кристаллизаторе;

- экспериментальной оценки эффективности предлагаемых методик и технических решений на действующих МНЛЗ.

Методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием аналитических и численных методов решения алгебраических и дифференциальных уравнений, методов интерполяции и триангуляции данных. Результаты работы базировались на большом объеме экспериментальных исследований, статистической обработке расчетных и экспериментальных материалов, полученных при исследовании электроприводов тянущих роликов ТПУ, электроприводов механизмов качания и электроприводов стопорных механизмов промежуточных ковшей МНЛЗ №1-5 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»),

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достоверностью диагнозов о зависании корочки слитка, полученных в результате опытно-промышленной эксплуатации внедренной системы технического диагностирования на МНЛЗ №1,5 ОАО «ММК», а также сопоставлением теоретических результатов с результатами экспериментальных исследований на действующих МНЛЗ ОАО «ММК».

К защите представляются следующие основные положения:

1. Результаты анализа известных технологических требований к электроприводам тянущих роликов ТПУ, механизма качания кристаллизатора и стопорного механизма промежуточного ковша с позиций предотвращения прорыва жидкого металла и возможностей их реализации существующими схемами электроприводов.

2. Результаты статистического анализа временных диаграмм изменения температур участков медных стенок кристаллизатора в рабочем режиме разливки стали и при зависании корочки слитка. Диагностические признаки зависания корочки слитка, основанные на дифференциальном и регрессионном анализе временных диаграмм изменения температур участков медных стенок кристаллизатора.

3. Методика, технические решения и алгоритм диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе, обеспечивающие высокую достоверность диагнозов.

4. Конкретные технологические требования к системе управления электроприводами тянущих роликов, механизма качания кристаллизатора и стопорного механизма промежуточного ковша с позиций автоматического предотвращения прорыва жидкого металла.

5. Система управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ, обеспечивающая предотвращение прорыва жидкого металла посредством целесообразного взаимно-согласованного управления электроприводами тянущих роликов, механизма качания кристаллизатора и стопорного механизма промежуточного ковша при получении диагноза о зависании корочки слитка в кристаллизаторе от системы диагностирования.

6. Алгоритм управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ с учетом технологических особенностей разливки стали на МНЛЗ.

7. Результаты опытно-промышленной эксплуатации предлагаемых методик и технических решений на действующих МНЛЗ №1,5 ОАО «ММК» и оценки их эффективности.

Научная новизна:

1. Разработаны конкретные технологические требования к системе управления электроприводами тянущих роликов ТПУ, механизма качания кристаллизатора и стопорного механизма промежуточного ковша с позиций предотвращения прорывов жидкого металла по причине зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

2. Определены диагностические признаки зависания корочки слитка в кристаллизаторе по характеру изменения температур участков его медных стенок.

3. Разработана функциональная схема системы управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ. Отличительной особенностью схемы является наличие в структуре системы блока управления электроприводами и диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

4. Разработан алгоритм управления электроприводами основных механизмов MHJI3, реализующий изменение режимов работы электроприводов в соответствии с технологическими требованиями.

Практическая значимость работы. Разработанная система управления электроприводами основных механизмов МГОТЗ на базе новой системы диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе позволяет в автоматическом режиме предотвратить прорывы жидкого металла под кристаллизатором.

Установлено, что функциональная схема системы диагностирования «Термовизор» применима для реализации разработанной программы диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

Результаты диссертационной работы переданы ОАО «ММК» и приняты к внедрению в ходе проводимой ОАО «Уралмаш» реконструкции действующих MHJI3. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанной системы управления электроприводами основных механизмов на МНЛЗ №1 ОАО «ММК» составляет 1,14 млн. руб.

Реализация работы. Экспериментально подтверждена эффективность методики и алгоритма диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе. Алгоритм диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе реализован на действующем оборудовании системы сбора данных температур участков медных стенок кристаллизатора МНЛЗ №1,5 ОАО «ММК» и внедрен в опытно-промышленную эксплуатацию. За время опытной эксплуатации на МНЛЗ №1 и №5 выявлено 18 и 26 зависаний корочки слитка соответственно, что позволило предотвратить прорывы жидкого металла.

По экспериментальным данным 125 случаев зависания корочки слитка в кристаллизаторе МНЛЗ №1-5 ОАО «ММК» (г. Магнитогорск), МНЛЗ №2 ОАО «Северсталь» (г. Череповец), МНЛЗ №1 ОАО «АМЗ» '(г. Аша) доказана эффективность алгоритма управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: III Международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (г. Челябинск, 2010 г.); IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2009 г.); III конгрессе металлургов Урала «Металлургия стали. Проблемы и решения» (г. Челябинск, 2008 г.); 66-ой, 67-ой, 68-ой научно-технических конференциях (г. Магнитогорск, 2008,2009,2010 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 7 печатных трудах, в том числе 1 статья в рецензируемом издании из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 51 наименования. Работа изложена на 132 страницах, содержит 41 рисунок, 10 таблиц и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и основные задачи работы.

В первой главе дан анализ технологических особенностей машин непрерывного литья заготовок и технологических требований к электроприводам тянущих роликов, механизма качания кристаллизатора и стопорного механизма промежуточного ковша. Безаварийная работа и производительность МНЛЗ прямо зависят от качества и степени исполнения электроприводами предъявляемых к ним технологических требований. Дана характеристика типовых электроприводов основных механизмов МНЛЗ. Отмечено, что системы управления указанными электроприводами не обеспечивают предотвращение прорывов жидкого металла при зависании корочки слитка в кристаллизаторе. Экспериментально проанализированы функциональные возможности применяемой на российских МНЛЗ системы диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе. Поставлена задача разработки системы управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ, обеспечивающей автоматическое предотвращение прорывов жидкого металла при зависании корочки слитка в кристаллизаторе.

В состав МНЛЗ криволинейного типа (рис. 1) входят следующие агрегаты: промежуточный ковш 1; кристаллизатор 2; ТПУ; система вторичного охлаждения 4; устройство порезки слитков на мерные длины 5. Основными механизмами МНЛЗ, непосредственно реализующими технологию непрерывной разливки стали, являются стопорный механизм промежуточного ковша 6, механизм качания кристаллизатора 7 и тянущие ролики ТПУ 3. Из промежуточного ковша 1 жидкий металл поступает в кристаллизатор 2. Дозировка металла из промежуточного ковша осуществляется стопорным механизмом 6, управляемым электродвигателем М1, в функции уровня металла. При попадании жидкого металла в кристаллизатор за счет интенсивного охлаждения стенок последнего формируется твердая корочка заготовки, кристаллизатору сообщается возвратно-поступательное движение механизмом качания, приводимым в движение электродвигателем М2. Электропривод тянущих роликов (МЗ-М70) осуществляет вытягивание слитка из кристаллизатора. Управление и согласование работы указанных механизмов выполняется операторами поста разливочной площадки ПРП и главного поста управления ГПУ.

Одной из самых распространенных и тяжелых аварий на МНЛЗ является прорыв корочки слитка под кристаллизатором. Прорыв корочки слитка приводит к разливу жидкого металла, повреждению механизмов машины, остановке разливки стали на МНЛЗ в среднем на 6-7 часов. Основной причиной возникновения прорыва жидкого металла (до 80% случаев) является зависание корочки слитка в кристаллизаторе. Экономический ущерб от одного прорыва жидкого металла достигает 15 млн. руб.

К электроприводам основных механизмов МНЛЗ предъявляются индивидуальные технологические требования поддержания с определенной точ-

ностью параметров работы отдельных механизмов (скорости вытягивания слитка, частоты качания кристаллизатора, уровня металла в кристаллизаторе и т.д.), выполнение которых позволяет отливать заготовки высокого качества.

ГПУ

ПУ

изс

Рис. 1

В результате анализа технологических требований и существующих систем управления электроприводами стопорного механизма промежуточного ковша, механизма качания кристаллизатора и тянущих роликов установлено: применяемые системы управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ обеспечивают лишь выполнение индивидуальных для каждого механизма технологических требований; в системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ не предусмотрена техническая возможность взаимно-согласованного автоматического управления механизмами МНЛЗ с целью предотвращения прорывов жидкого металла при зависании корочки слитка в кристаллизаторе; технологические требования к электроприводам тянущих роликов ТПУ, механизма качания кристаллизатора и стопорного механизма промежуточного ковша с точки зрения предотвращения

прорывов жидкого металла по причине зависания корочки слитка в кристаллизаторе не определены.

Исследование механизма прорыва жидкого металла по причине зависания корочки слитка в кристаллизаторе и способов диагностирования зависания корочки слитка показало: при зависании корочки слитка происходит её разрыв, который по мере поступательного движения слитка к ТПУ не восстанавливается; восстановление корочки слитка в месте разрыва возможно лишь в результате останова на определенное время процесса вытягивания слитка из кристаллизатора; предотвращение прорыва жидкого металла возможно только при своевременном обнаружении зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

На большинстве российских МНЛЗ используется система «Термовизор» разработки НПП «Техноап», в которой по характеру изменения показаний термопар 8, встроенных в медные стенки кристаллизатора (рис. 1), определяется область зависания корочки слитка в кристаллизаторе. Информация о зависании корочки слитка из системы «Термовизор» передается на посты управления МНЛЗ. При получении предупреждающего сигнала операторы постов управления в ручном режиме управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ выполняют прекращение подачи жидкого металла в кристаллизатор, останов электроприводов механизма качания кристаллизатора и тянущих роликов ТПУ и после регламентированного технологической инструкцией интервала времени возобновляют вытягивание слитка.

В результате анализа функциональных возможностей системы «Термовизор» установлено: имеется большое количество (до 50 сигналов в месяц на одной МНЛЗ) ложных диагнозов о зависании корочки слитка в кристаллизаторе; не обеспечивается надежное выявление зависания корочки слитка (за 2006-2009 гг. на МНЛЗ №1-5 ОАО «ММК» произошло шесть прорывов жидкого металла, не выявленных системой); имеют место прорывы жидкого металла по причине ошибочных действий технологического персонала.

В связи с изложенным предложено решение задачи предотвращения прорывов жидкого металла по причине зависания корочки слитка в кристаллизаторе средствами автоматизированного электропривода основных механизмов МНЛЗ выполнить в следующей последовательности: разработать и внедрить новую систему технического диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе, отличающуюся более высокой степенью достоверности диагностирования; определить технологические требования к системе управления основными механизмами МНЛЗ; разработать функциональную схему и алгоритм системы управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ, реализующие указанные технологические требования.

Вторая глава посвящена разработке методики диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе по характеру изменения значений температур участков его медных стенок. Выполнен анализ временных диаграмм изменения температур участков медных стенок кристаллизатора в

нормальном режиме охлаждения слитка в кристаллизаторе и при зависании корочки слитка и статистический анализ изменения значений температур. Определены четыре диагностических признака проявления зависания корочки слитка в характеристиках изменения температур участков медных стенок кристаллизатора. Предложена математическая модель расчета распределения температур по периметру кристаллизатора на основе метода математической интерполяции. Предложена новая методика диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

Установлено, что зависание корочки слитка в кристаллизаторе приводит к изменению значений температур как в зоне зависания корочки слитка, так и по истечении времени на смежных по вертикали и горизонтали участках

медных стенок кристаллизатора (рис. 2, а). В результате статистического анализа изменения показаний отдельных термопар и распределения температур по периметру кристаллизатора установлено: изменение температур на отдельных термопарах во времени не соответствует нормальному закону распределения; анализ тепловых процессов в кристаллизаторе целесообразно выполнять по изменению во времени значений интен-сивностей изменения температур АТ / Дг участков медных стенок кристаллизатора (рис. 2, б), распределение которых соответствует нормальному закону; изменение во времени показаний различных термопар неоднородны, поэтому получить общие числовые характеристики, адекватно отражающие изменения температур на различных участках медных стенок кристаллизатора, невозможно; выход из строя одной или нескольких термопар существенно увеличивает вероятность ложного диагноза, поэтому с целью повышения достоверности диагностирования анализ изменения значений температур целесообразно проводить не по показаниям термопар, а по интерполированным значениям температур.

Для технологических параметров кристаллизаторов МНЛЗ ОАО «ММК» разработана математическая модель распределения мгновенных значений температур участков медных стенок по периметру кристаллизатора, состоящая из триангуляции двумерного пространства координатной сетки

^ °С.........Область..........|......Смежные по........Г"

зависания горизонтали!

80 ...............(................................Х^--..

0 20 40 60 а) 80 100 г, с

тат МО, °с/сск- •............Г......1 М/ЛО^/С/сек : ; Г Т и,с

-1-1-1-1-1- -1-1-1-1-Г

0 20 40 60 б) 80 100 120

С, °С/сск у V 1 ! ! 1 : | |

! ; 1 ъ с|

0 20 40 60 в) 80 100 120 Рис.2

термопар медных стенок кристаллизатора по принципу Делоне и двумерной интерполяции значений температур участков медных стенок кристаллизатора, измеренных исправными термопарами. Адекватность математической модели подтверждена сопоставлением результатов моделирования распределения мгновенных значений температур участков медных стенок кристаллизатора с распределением значений температур, полученного путем прямого измерения. Значение коэффициента парной корреляции указанных распределений г=0,966, максимальное значение относительной погрешности <5=4,1%.

В результате анализа изменения температур в нормальном режиме разливки стали установлено, что при изменении таких технологических факторов, как скорость вытягивания слитка, уровень металла в кристаллизаторе и длительность использования узлов кристаллизатора происходят рост и снижение температур отдельных участков медных стенок кристаллизатора, аналогичные по форме рис. 2, а. Поэтому диагностирование зависания корочки слитка в кристаллизаторе необходимо проводить не по одному из признаков, а по совокупности выполнения четырех диагностических признаков (рис. 2):

1. Наличие роста значений температур двух смежных участков медной стенки кристаллизатора, измеряемых /-ой и (/' + 1)-ой термопарами, оцениваемого как увеличение интенсивностей изменения указанных температур во времени (рис. 2, б):

|(АГ / Дг)и > (Д77 ; '

¡¿+\МАХ '

2. Наличие снижения температуры участка медной стенки кристаллизатора, измеряемой /-ой термопарой, по истечении определенного времени относительно события п.1, оцениваемого по снижению значения коэффициента К. . <0 аппроксимирующей прямой Г*,. ¡(К) = к1) -Ки+ ВК] (рис. 2, в).

3. Наличие роста температур участков медных стенок кристаллизатора, измеряемых смежными с /-ой по горизонтали термопарами, через определенный интервал времени относительно события п. 1 (рис. 2, а).

4. Наличие роста температур участков медных стенок кристаллизатора, измеряемых смежными с /-ой по вертикали термопарами, через определенный интервал времени относительно события п. 1. (рис. 2, а).

Разработана методика диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе. Методика содержит последовательность выполнения операций обработки массивов значений температур участков медных стенок кристаллизатора и проверки реализации четырех диагностических признаков зависания корочки слитка в кристаллизаторе. Разработаны методики проверки реализации указанных диагностических признаков.

В третьей главе разработаны функциональная схема, алгоритм и программа диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе. При-

ГПУ

ведены результаты испытания системы в лабораторных условиях и опытно-промышленной апробации на МНЛЗ №1,5 ОАО «ММК».

Функциональная схема системы технического диагностирования приведена на рис. 3, где УФО - блок усиления, фильтрации и обработки сигналов термопар; Д - диагностический сигнал. С целью сокращения капитальных затрат на модернизацию существующей системы диагностирования принято решение о реализации разработанной системы на аппаратной части рабочей станции диагностирования РСД системы «Термо-визор» ТВ в виде отдельного программного модуля «ТУ-ЬУ». При этом Рис. 3 обеспечена возможность работы новой

системы параллельно во времени с действующей системой «Термовизор» и предварительной отработки алгоритма и программы диагностирования в лабораторных условиях на персональном компьютере ПК.

На основании предложенной методики диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе разработаны и оптимизированы алгоритм и программа диагностирования с учетом логики смены режимов работы МНЛЗ, расположения рабочих термопар при разливке слитка определенного сечения и количества исправных термопар.

Таблица

Результаты проверки достоверности диагнозов о зависании корочки слитка в кристаллизаторе

Выполнена отладка и апробация разработанной программы в лабораторных условиях. С целью оценки эффективности диагностирования из сервера базы данных АСУ ТП МНЛЗ №1-5 ОАО «ММК» были выбраны данные об изменении температур участков медных стенок кристаллизатора при зависании корочки слитка. Кроме этого, по архивным данным, полученным от ОАО «Север-

Количество

МНЛЗ, предприятие зависаний корочки слитка

Всего Выявлено

МНЛЗ №1, ОАО «ММК» 31 31

МНЛЗ №2, ОАО «ММК» 29 29

МНЛЗ №3, ОАО «ММК» 13 13

МНЛЗ №4, ОАО «ММК» 18 18

МНЛЗ №5, ОАО «ММК» 26 26

МНЛЗ №2, ОАО «Северсталь» 4 4

МНЛЗ №1, ОАО «АМЗ» 4 4

сталь» и ОАО «Ашинский металлургический завод», были выбраны 8 случаев зависания корочки слитка в кристаллизаторе. В режиме чтения архивных данных выполнено диагностирование зависания корочки слитка в кристаллизаторе на указанных МНЛЗ (табл.).

Во всех случаях программой «ТУ-ЬУ» выявлены зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

В июле 2008 г. на двух ручьях МНЛЗ №5 и в апреле 2009 г. на четырех ручьях МНЛЗ №1 ОАО «ММК» программа «ТУ-ЬУ» внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию. За время опытно-промышленной эксплуатации системой диагностирования выявлены все случаи зависания корочки слитка в кристаллизаторе (18 на МНЛЗ №1 и 26 на МНЛЗ №5) при более низком, по сравнению с системой «Термовизор», количеством ложных диагнозов (в среднем на одном ручье 1 ложный диагноз в месяц). Доказано, что количество ложных диагнозов в системе «ТУ-ЬУ» в 12 раз меньше, чем в системе «Термовизор», что свидетельствует о достаточно высокой надежности новой системы и возможности её использования в качестве диагностического звена в системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ.

В четвертой главе предложены аналитические выражения для расчета временных интервалов работы электроприводов основных механизмов МНЛЗ с целью предотвращения прорыва жидкого металла, сформулированы технологические требования к системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ, разработаны функциональная схема и алгоритм системы управления указанными электроприводами, приведены результаты оценки эффективности предложенных технических решений.

Из условия недопустимости выхода участка слитка с поврежденной корочкой за пределы кристаллизатора получены выражения для расчета интервала времени Дг, торможения электропривода тянущих роликов с уровня рабочей скорости вытягивания слитка Урй до нуля и допустимого темпа тор-

где: 1т> - расстояние от границы области зависания корочки слитка до нижнего края кристаллизатора; / - передаточное число редуктора электропривода тянущего ролика; й - диаметр тянущего ролика.

Сформулированы конкретные технологические требования к системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ с позиций предотвращения прорывов жидкого металла по причине зависания корочки слитка в кристаллизаторе:

(2)

(д^/дОт„ Ч^оЧ-^М7200^--^)' (з)

тш

1. В системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ по характеристикам изменения температур участков медных стенок кристаллизатора должно выполняться диагностирование зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

2. Система управления электроприводами стопорного механизма промежуточного ковша, механизма качания кристаллизатора и тянущих роликов ТПУ должна иметь возможность автономного взаимно-согласованного управления указанными электроприводами с целью автоматического предотвращения прорыва жидкого металла в случае обнаружения зависания корочки слитка, а именно:

а) электропривод тянущих роликов ТПУ должен иметь возможность за время, не превышающее рассчитанное по выражению (2) значение А г,, выполнить останов электродвигателей;

б) электропривод механизма качания кристаллизатора должен иметь возможность автоматического останова электродвигателя при достижении скорости вытягивания слитка нулевого значения;

в) электропривод стопорного механизма промежуточного ковша должен обеспечить стабилизацию уровня металла в кристаллизаторе в процессе снижения скорости вытягивания слитка от рабочего значения до нуля с целью предотвращения перелива жидкого металла через верхний край кристаллизатора и, при достижении скорости вытягивания слитка нулевого значения, гарантированно прекратить подачу жидкого металла из промежуточного ковша в кристаллизатор.

3. Система управления электроприводами тянущих роликов ТПУ, механизма качания кристаллизатора и стопорного механизма промежуточного ковша должна обеспечить режим останова вытягивания слитка на период времени не менее 20 с. с целью восстановления поврежденной корочки слитка.

4. В системе управления электроприводами стопорного механизма промежуточного ковша, механизма качания кристаллизатора и тянущих роликов ТПУ должна быть предусмотрена возможность выполнения разгона механизмов до скорости вытягивания слитка 0,2 м/мин и поддержания данной скорости в течение времени не менее 80 с. с целью вытягивания слитка с поврежденной корочкой за пределы кристаллизатора.

В соответствии с указанными технологическими требованиями разработана функциональная схема системы управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ (рис. 4). Программу системы управления предложено реализовать в микропроцессорном блоке диагностирования и управления БДУ, который состоит из двух модулей: модуля диагностирования зависания корочки слитка МДЗ и модуля управления электроприводами МУЭП.

В нормальном режиме разливки стали управление электроприводами основных механизмов МНЛЗ осуществляется с пультов управления АСУ ТП. При выявлении зависания корочки слитка в модуле диагностирования МДЗ

вырабатываются логические сигналы £>/=1, по которым происходит переключение ключей РЭ1-РЭЗ из положения АСУ ТП в положение МУЭП. После предотвращения прорыва жидкого металла по сигналам £>/=0 управление передается АСУ ТП МНЛЗ.

Разработан алгоритм управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ с учетом логики смены режимов работы МНЛЗ и текущих пара-

Алгоритм обеспечивает расчет и выполнение требуемых временных интервалов работы электроприводов на различных стадиях процесса предотвращения прорыва жидкого металла и выработку управляющих сигналов в требуемой последовательности.

Рис. 4 С целью

оценки технической эффективности разработанной системы управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ на персональном компьютере была написана программа согласно разработанному алгоритму, и в имитационном режиме управления проверена корректность вырабатываемых управляющих воздействий. На вход системы управления в реальном масштабе времени из АСУ ТП МНЛЗ осуществлялся ввод информации об изменении температур участков медных стенок кристаллизатора и текущих параметров процесса вытягивания слитка. Одновременно с этим выполнялась запись на осциллографе токов нагрузки и скоростей вращения якорей исполнительных электродвигателей и управляющих воздействий операторов МНЛЗ. В результате проведенных экспериментов подтверждена эффективность принятых технических решений и разработанной программы.

Результаты работы переданы ОАО «ММК» с целью внедрения разработанной системы управления на МНЛЗ №1. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения предложенной системы управления электроприводами основных механизмов на МНЛЗ №1 составляет 1,14 млн. руб.

метров отливаемой заготовки (рис. 5).

" Зависание корочки слитка

Р\ = 1; £>2 = 0; £>3 = 1 [Г|

Цзс

Ур>

.31 Ур

ли = --

ТЕ

(

Л.

- 'о <

I

Нет/ЧГда

02 = 1 ^

X

(^Управление в АСУТгГмШ1£>

Рис. 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Анализ применяемых в настоящее время систем управления электроприводами таких основных механизмов МНЛЗ, как стопорный механизм промежуточного ковша, механизм качания кристаллизатора и тянущие ролики ТПУ показал, что они не позволяют выполнить в автоматическом режиме целесообразное управление указанными электроприводами с целью предотвращения одной из самых распространенных и тяжелых аварий на МНЛЗ -

прорыва жидкого металла по причине зависания корочки слитка в кристаллизаторе. На действующих в Российской Федерации МНЛЗ управление электроприводами их основных механизмов выполняется в ручном режиме, что из-за ошибочных, не всегда согласованных действий технологического персонала приводит к авариям.

2. Применяемые на отечественных МНЛЗ системы технического диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе не обеспечивают требуемую достоверность диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе в диапазоне рабочих скоростей вытягивания слитка. Это делает невозможным их использование в качестве информационного звена в системах управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ, обеспечивающих предотвращение прорывов жидкого металла при зависании корочки слитка в кристаллизаторе.

3. В результате анализа временных диаграмм изменения температур участков медных стенок кристаллизатора установлено, что в качестве диагностических признаков зависания корочки слитка в кристаллизаторе можно использовать четыре индикаторные характеристики изменения указанных температур, измеряемых как собственно в зоне зависания корочки слитка в кристаллизаторе, так и на смежных с данной зоной участках медных стенок кристаллизатора.

4. Разработана адекватная экспериментальным данным математическая модель расчёта распределения мгновенных значений температур участков медных стенок по периметру кристаллизатора, позволяющая интерполяционным методом определить значения температур участков медных стенок кристаллизатора с неисправными термопарами.

5. Разработаны методика и алгоритм диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе, на основании которых создана программа диагностирования. Указанная программа внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию на МНЛЗ №1,5 ОАО «ММК» и за 1,5 года эксплуатации показала относительно высокую достоверность диагнозов: выявлено 44 из 44 случаев зависания корочки слитка в кристаллизаторе, прорывов жидкого металла допущено не было. Количество ложных диагнозов по сравнению со штатной системой диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе МНЛЗ №1, 5 снижено в 12 раз.

6. Определены конкретные технологические требования к системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ с позиций предотвращения прорывов жидкого металла по причине зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

7. Разработана функциональная схема системы управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ, позволяющая выполнять их целесообразное в автоматическом режиме управление в процессе предотвращения прорыва жидкого металла при зависании корочки слитка в кристаллизаторе.

8. Разработан алгоритм управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ с учетом технологических особенностей и параметров непрерывной разливки стали и логики смены режимов на слябовых МНЛЗ.

9. Результаты диссертационной работы переданы ОАО «ММК» и приняты к внедрению в ходе проводимой ОАО «Уралмаш» реконструкции действующих МНЛЗ. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанной системы управления электроприводами основных механизмов на МНЛЗ №1 ОАО «ММК» составляет 1,14 млн. руб.

Публикации автора по теме диссертации

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК

1. Разработка системы управления электроприводами МНЛЗ с целью предотвращения прорыва корочки непрерывнолитого слитка / С.С. Красиль-ников, С.И. Лукьянов, Е.С. Суспицын и др. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Энергетика»,-2010.-№14 (190).- С.52-56.

Публикации в других изданиях

2. Обобщенный алгоритм управления электроприводами МНЛЗ при зависании корочки слитка в кристаллизаторе / С.С. Красильников, Е.С. Суспицын, Д.В. Швидченко и др. // Материалы докладов IV международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». - Казань: ГОУ ВПО «Казанский гос. техн. ун-т». - 2009. - Том 3. - С. 167 - 169.

3. Красильников С.С., Лукьянов С.И., Швидченко Д.В. Определение требований к системе управления электроприводом ТПУ с позиций предотвращения прорыва корочки слитка // Оптимизация режимов работы электротехнических систем: Межвуз. сб. науч. тр. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т. -2008.-С. 160- 163.

4. Система управления электроприводом ТПУ МНЛЗ с обратной связью по тепловому потоку кристаллизатора / С.С. Красильников, С.И. Лукьянов, Е.С. Суспицын и др. // Материалы докладов 67-ой научной конференции. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». - 2009. - С. 104-107.

5. Красильников С.С., Лукьянов С.И., Суспицын Е.С. Анализ существующей системы предотвращения прорыва корочки слитка и ее взаимосвязь с электроприводом ТПУ МНЛЗ // ГОУ ВПО «Магнитогорск.гос.техн.ун-т». -Магнитогорск, 2008. - 14 е.: ил.9. - Библиогр. 4 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 24.06.08, № 527-В2008.

6. Красильников С.С., Лукьянов С.И. Оценка способов получения информации о состоянии корочки слитка // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. - 2009. - Вып. 17. С.140-142

7. Красильников С.С., Лукьянов С.И. Исследование распределения моментов вытягивания литой заготовки по технологической оси ЗВО МНЛЗ №5 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» // Материалы III Конгресса металлургов Урала. Металлургия стали, проблемы и решения. - 2009. -С. 80-82.

Подписано в печать 24.05.2010. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 432.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К ЭЛЕКТРОПРИВОДАМ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ МНЛЗ.

1.1 Анализ технологических особенностей непрерывной разливки стали и основных механизмов МНЛЗ.

1.2 Характеристика типовых электроприводов основных механизмов МНЛЗ и предъявляемых к ним технологических требований.

1.2.1 Электропривод механизма качания кристаллизатора.

1.2.2 Электропривод тянущих роликов ТПУ.

1.2.3 Электропривод стопорного механизма промежуточного ковша.

1.3 Исследование механизма возникновения прорыва жидкого металла при зависании корочки слитка в кристаллизаторе.

1.4 Анализ функциональных возможностей системы «Термовизор».

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЗАВИСАНИЯ КОРОЧКИ СЛИТКА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ МНЛЗ.

2.1 Анализ временных диаграмм изменения значений температур участков медных стенок кристаллизатора МНЛЗ.

2.2 Статистический анализ изменения значений температур участков медных стенок кристаллизатора и интенсивностей изменения значений температур

2.3 Математическая модель расчета распределения по периметру кристаллизатора мгновенных значений температур участков медных стенок кристаллизатора.

2;4 Разработка методики диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

2.4.1 Методика проверки реализации первого диагностического признака.

2.4.2 Методика проверки реализации второго диагностического признака.

2.4.3 Методика проверки реализации третьего диагностического признака.

2.4.4 Методика проверки реализации четвертого диагностического признака.

2.4.5 Обобщенная методика диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе МНЛЗ.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЗАВИСАНИЯ КОРОЧКИ СЛИТКА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ.

3.1 Разработка функциональной схемы системы технического диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

3.2 Разработка алгоритма диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе МНЛЗ.

3.3 Промышленные испытания системы диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе и оценка её технической эффективности.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ МНЛЗ С ЦЕЛЬЮ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРОРЫВОВ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА.

4.1 Методика расчета времени торможения электропривода тянущих роликов ТПУ при зависании корочки слитка в кристаллизаторе.

4.2 Технологические требования к системе управления электроприводами основных механизмов MHJT3.

4.3 Разработка функциональной схемы системы управления электроприводами основных механизмов MHJI3.

4.4 Разработка алгоритма управления электроприводами основных механизмов MHJI3.

4.5 Экспериментальная оценка технической эффективности предложенных решений.

ВЫВОДЫ.

Развитие сталеплавильного производства в последнее десятилетие связано с интенсивным применением процесса разливки стали на машинах непрерывного литья заготовок (MHJI3). Благодаря технологии непрерывной разливки стали появилась возможность организовать высокопроизводительный, полностью автоматизированный процесс производства заготовок по профилю и размерам пригодных для непосредственного их использования в прокатном производстве, расширить сортамент производимых сталей и снизить себестоимость продукции [1-3].

В таких странах, как Япония, США и Италия, доля стали, разлитой методом непрерывного литья, превышает 95% [3-5].

Конструкция MHJI3 и технология непрерывного литья постоянно совершенствуются в направлении повышения качества отливаемых заготовок и производительности машин.

Ключевыми факторами, определяющими производительность MHJI3, являются коэффициент её использования (отношение времени, в течение которого производилась разливка стали, к общему времени эксплуатации MHJI3) и массовая скорость разливки (произведение сечения заготовки на скорость вытягивания слитка). Повышение величины коэффициента использования MHJI3 прямо связано с сокращением времени простоя машины на выполнение ремонтных работ и ликвидацию последствий аварий [5].

Прорыв жидкого металла на MHJI3 является одной из самых распространенных и тяжелых аварий. При возникновении прорыва происходит разлив жидкого металла, температура которого составляет 1560 °С, что приводит к повреждению механизмов MHJ13 и к длительной остановке машины. Основной причиной возникновения прорывов жидкого металла является «приваривание» участка корочки слитка к стенке кристаллизатора [6-9]. В технической литературе «приваривание» участка корочки слитка к стенке кристаллизатора получило название «зависание корочки слитка».

С целью предупреждения прорывов жидкого металла на современных MHJI3 применяются системы технического диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе. Оперативный контроль процесса формирования корочки слитка в кристаллизаторе на российских MHJ13 осуществляется системой «Термовизор» разработки НПП «Техноап» (г. Москва) [7, 8].

При получении диагноза о зависании корочки слитка в кристаллизаторе технологический персонал в ручном режиме осуществляет останов процесса литья заготовки посредством одновременного взаимно-согласованного управления электроприводами основных механизмов MHJI3 [7, 9, 10].

К основным механизмам MHJI3 относятся стопорный механизм промежуточного ковша, механизм качания кристаллизатора и тянущие ролики.

Эксплуатация системы «Термовизор» и анализ существующих систем управления электроприводами основных механизмов MHJI3 выявили следующие проблемы: отсутствуют конкретные технологические требования к системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ с позиции автоматического предотвращения прорывов жидкого металла; системы управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ построены без возможности предотвращения прорыва жидкого металла в автоматическом режиме [6, 8, 10-18]. Система «Термовизор» не обеспечивает достаточную достоверность диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе в рабочем диапазоне скоростей вытягивания слитка. Имеют место прорывы жидкого металла по причине субъективных ошибок технологического персонала при ручном управлении электроприводами основных механизмов МНЛЗ [6, 7, 9].

Создание системы автоматического взаимно-согласованного управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ на основе новой, более достоверной системы диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе позволит эффективно предотвращать прорывы жидкого металла, сократить время простоя МНЛЗ на выполнение ремонтных работ и, как следствие, повысить производительность МНЛЗ [6].

В связи с изложенным, целью настоящей работы является разработка системы автоматического взаимно-согласованного управления электроприводами основных механизмов MHJI3, обеспечивающей увеличение производительности машины за счет предотвращения прорывов жидкого металла по причине зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

Достижение поставленной цели потребовало решения в диссертационной работе следующих основных задач: анализа технологических требований к электроприводам тянущих роликов ТПУ, механизма качания кристаллизатора, стопорного механизма промежуточного ковша с позиций предотвращения прорыва жидкого металла и возможностей их реализации существующими схемами электроприводов;

- анализа существующих способов диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе и оценки достоверности диагностической информации системы «Термовизор»;

- статистического анализа временных диаграмм изменения температур участков медных стенок кристаллизатора в нормальном режиме разливки стали и при зависании корочки слитка в кристаллизаторе;

- создания математической модели распределения по периметру кристаллизатора мгновенных значений температур участков его медных стенок; определения диагностических признаков зависания корочки слитка в характере изменения температур участков медных стенок кристаллизатора; разработки новых методики и алгоритма диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе по характеру изменения температур участков его медных стенок;

- разработки конкретных технологических требований к системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ с позиций предотвращения прорывов жидкого металла; разработки функциональной схемы и алгоритма системы управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ, обеспечивающих предотвращение прорывов жидкого металла, при зависании корочки слитка в кристаллизаторе;

- экспериментальной оценки эффективности предлагаемых методик и технических решений на действующих MHJI3.

К защите представляются следующие основные положения:

1. Анализ технологических требований к электроприводам тянущих роликов ТПУ, механизма качания кристаллизатора и стопорного механизма промежуточного ковша с позиций предотвращения прорыва жидкого металла и возможностей их реализации существующими схемами электроприводов.

2. Результаты статистического анализа временных диаграмм изменения температур участков медных стенок кристаллизатора в рабочем режиме разливки стали и при зависании корочки слитка. Диагностические признаки зависания корочки слитка в кристаллизаторе, основанные на дифференциальном и регрессионном анализе временных диаграмм изменения температур участков медных стенок кристаллизатора.

3. Математическая модель распределения по периметру кристаллизатора мгновенных значений температур участков его медных стенок на основе метода математической интерполяции.

4. Методика и алгоритм диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе, отличающиеся высокой достоверностью диагнозов.

5. Конкретные технологические требования к системе управления электроприводами тянущих роликов ТПУ, механизма качания кристаллизатора и стопорного механизма промежуточного ковша с позиций автоматического предотвращения прорыва жидкого металла.

6. Функциональная схема и алгоритм системы управления электроприводами основных механизмов MHJI3 на основе системы диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе, учитывающие технологические особенности непрерывной разливки стали.

7. Результаты опытно-промышленной эксплуатации предлагаемых методик и технических решений на действующих МНЛЗ №1,5 ОАО «ММК» и оценки их эффективности.

Научная новизна работы заключается в разработке и реализации технологических требований к системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ с позиций предотвращения аварий по причине прорыва жидкого металла под кристаллизатором.

В первой главе диссертации выполнен анализ технологических особенностей МНЛЗ и электроприводов их основных механизмов на примере типовой МНЛЗ № 1 ОАО «ММК».

Отмечено, что безаварийная работа МНЛЗ возможна только при взаимно-согласованной работе электроприводов тянущих роликов ТПУ, механизма качания кристаллизатора и стопорного механизма промежуточного ковша.

Показано, что типовые технические решения построения электроприводов основных механизмов МНЛЗ и их систем управления обеспечивают выполнение лишь обязательных для технологии непрерывной разливки стали технологических требований. Согласование работы электроприводов основных механизмов МНЛЗ осуществляется в ручном режиме, что приводит к аварийным ситуациям вследствие ошибочных действий технологического персонала. Проанализированы функциональные возможности системы «Тер-мовизор».

Анализ функциональных возможностей электроприводов основных механизмов МНЛЗ и системы «Термовизор» показал:

1. Технологические требования к системам управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ с точки зрения предотвращения прорывов жидкого металла, вызванных зависанием корочки слитка в кристаллизаторе, и алгоритмы реализации данных требований не определены.

2. В системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ не предусмотрена техническая возможность взаимно-согласованного автоматического управления механизмами МНЛЗ с целью предотвращения прорывов жидкого металла по причине зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

3. Низкая достоверность диагностической информации системы «Тер-мовизор» не позволяет ее использование в качестве информационного звена в системе автоматического управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ.

Поставлена задача разработки системы автоматического взаимно-согласованного управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ, обеспечивающей увеличение производительности машины за счет предотвращения прорывов жидкого металла по причине зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

Вторая глава диссертации посвящена разработке методики диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе, основанной на непрерывном анализе характера изменения значений температур участков его медных стенок. Выполнен анализ временных диаграмм изменения измеренных термопарами значений температур участков медных стенок кристаллизатора.

Предложено с целью повышения достоверности диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе значения температур участков медных стенок кристаллизатора, измеренные неисправными термопарами, заменить рассчитанными на математической модели значениями температур.

Разработана математическая модель распределения по периметру кристаллизатора мгновенных значений температур участков его медных стенок, основанная на методе математической интерполяции. Доказана адекватность указанной математической модели путем сопоставления результатов моделирования распределения мгновенных значений температур участков медных стенок кристаллизатора с распределением значений температур, полученным путем прямого измерения.

Предложено диагностирование зависания корочки слитка в кристаллизаторе выполнять по изменению во времени значений интенсивностей изменения температур участков медных стенок кристаллизатора.

В результате статистического анализа изменения значений температур участков медных стенок кристаллизатора и значений интенсивностей изменения указанных температур выявлены четыре индикаторные характеристики изменения температур участков медных стенок кристаллизатора, которые приняты в качестве диагностических признаков зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

Разработаны методики проверки реализации указанных диагностических признаков и обобщенная методика диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

В третьей главе разработан алгоритм диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе.

Установлено, что функциональная схема системы «Термовизор» пригодна для реализации разработанного алгоритма. Представлены результаты опытно-промышленной апробации системы диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе на действующих МНЛЗ №1,5 ОАО «ММК».

В четвертой главе предложена методика расчета времени торможения электродвигателей тянущих роликов ТПУ при зависании корочки слитка в кристаллизаторе.

Определены конкретные технологические требования к системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ с позиций предотвращения прорывов жидкого металла.

Разработана функциональная схема и алгоритм системы управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ, реализующие автоматическое предотвращение прорывов жидкого металла при зависании корочки слитка в кристаллизаторе.

Представлены результаты оценки эффективности предложенных алгоритмов и технических решений.

Основные результаты работы переданы технологическому персоналу ОАО «ММК» с целью внедрения разработанной системы управления электроприводами на МНЛЗ №1.

5. Основные результаты работы переданы ОАО «ММК» с целью внедрения системы управления на МНЛЗ №1. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанной системы управления электроприводами основных механизмов на МНЛЗ №1 ОАО «ММК» составляет 1 142,37 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана система управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ, позволяющая увеличить производительность МНЛЗ за счет сокращения времени её простоев на устранение последствий аварий по причине прорывов жидкого металла, вызванных зависанием корочки слитка в кристаллизаторе. Неотъемлемой составляющей частью системы управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ является авторская система технического диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе, отличающаяся от известных более высокой достоверностью диагнозов в рабочем диапазоне скоростей вытягивания слитка.

Получены следующие основные результаты:

1. Анализ применяемых в настоящее время систем управления электроприводами таких основных механизмов МНЛЗ, как стопорный механизм промежуточного ковша, механизм качания кристаллизатора и тянущие ролики ТПУ, показал, что они не позволяют выполнить в автоматическом режиме целесообразное управление указанными электроприводами с целью предотвращения одной из самых распространенных и тяжелых аварий на МНЛЗ -прорыва жидкого металла по причине зависания корочки слитка в кристаллизаторе. На действующих в Российской Федерации МНЛЗ управление электроприводами их основных механизмов выполняется в ручном режиме, что из-за ошибочных, не всегда согласованных действий технологического персонала приводит к авариям.

2. Применяемые на отечественных МНЛЗ системы технического диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе не обеспечивают требуемую достоверность диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе в рабочем диапазоне скоростей вытягивания слитка. Это делает невозможным их использование в качестве информационного звена в системах управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ, обеспечивающих предотвращение прорывов жидкого металла при зависании корочки слитка в кристаллизаторе.

3. В результате анализа временных диаграмм изменения температур участков медных стенок кристаллизатора установлено, что в качестве диагностических признаков зависания корочки слитка в кристаллизаторе можно использовать четыре индикаторные характеристики изменения указанных температур, измеряемых как собственно в зоне зависания корочки слитка в кристаллизаторе, так и на смежных с данной зоной участках медных стенок кристаллизатора.

4. Разработана адекватная экспериментальным данным математическая модель расчёта распределения мгновенных значений температур участков медных стенок по периметру кристаллизатора, позволяющая интерполяционным методом спрогнозировать значение температур участков медных стенок кристаллизатора с неисправными термопарами.

5. Разработаны методика и алгоритм диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе, на основании которых создана программа диагностирования. Указанная программа внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию на МНЛЗ №1,5 ОАО «ММК» и за 1,5 года эксплуатации показала относительно высокую достоверность диагнозов: выявлено 44 из 44 случаев зависания корочки слитка в кристаллизаторе, прорывов жидкого металла допущено не было. Количество ложных диагнозов по сравнению со штатной системой диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе МНЛЗ №1,5 снижено в 12 раз.

6. Определены конкретные технологические требования к системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ с позиций предотвращения прорывов жидкого металла по причине зависания корочки слитка в кристаллизаторе:

1) система управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ по характеристикам изменения температур участков медных стенок кристаллизатора должна выполнять диагностирование зависания корочки слитка в кристаллизаторе;

2) система управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ должна иметь возможность автономного взаимно-согласованного управления электроприводами в строго заданной последовательности;

3) в системе управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ должна быть предусмотрена возможность реализации конкретных временных интервалов работы электроприводов на различных этапах процесса предотвращения прорыва жидкого металла.

7. Разработана функциональная схема системы управления электроприводами основными механизмами МНЛЗ, позволяющая выполнять их целесообразное в автоматическом режиме управление в процессе предотвращения прорыва жидкого металла при зависании корочки слитка в кристаллизаторе.

8. Разработан алгоритм управления электроприводами основных механизмов МНЛЗ с учетом технологических особенностей и параметров непрерывной разливки стали и логики смены режимов на слябовых МНЛЗ.

9. Результаты диссертационной работы переданы ОАО «ММК» к внедрению в ходе проводимой ОАО «Уралмаш» реконструкции действующих МНЛЗ. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения разработанной системы управления электроприводами основных механизмов на МНЛЗ №1 ОАО «ММК» составляет 1 142,37 тыс. руб.

1. Нисковских В.М. Машины непрерывного литья слябовых заготовок /

2. B.М. Нисковских С.Е. Карлинский., А.Д. Беренов — М.: Металлургия, 1991.-272 с.

3. Глинков Г.М. АСУ ТП в черной металлургии: учебник для вузов 2-е изд., перераб. и дополн. / Г.М. Глинков, В.А. Маковский. М.: Металлургия, 1999.-310 с.

4. Смирнов А.Н. Процессы непрерывной разливки: Монография / А.Н. Смирнов, В.Л. Пилюшенко, А.А. Минаев и др. Донецк: ДонНТУ, 2002. -563 с.

5. Смирнов А.Н. Теория и практика непрерывного литья заготовок / А.Н. Смирнов, В.Л. Пилюшенко, А.А. Минаев и др. Донецк: ДонНТУ ООО «Лебедь», 2000. 364 с.

6. Лукьянов С.И. Автоматизированная система контроля и управления МНЛЗ: Монография / С.И., Лукьянов, Д.Х. Девятов, О.С. Логунова и др. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - 640 с.

7. Лукьянов С.И. Разработка системы управления электроприводами МНЛЗ с целью предотвращения прорыва корочки непрерывнолитого слитка /

8. C.И. Лукьянов, С.С. Красильников, Е.С. Суспицын // Вестник ЮжноУральского государственного университета. Серия «Энергетика». -2010. №14 (190). - С.52-56.

9. Буланов Л.В. Машины непрерывного литья заготовок. Теория и расчет / Л.В. Буланов, Л.Г. Корузин, Е.П. Парфенов. Казань: «Идеал-Пресс», 2003.-319 с.

10. Разливка стали на машинах непрерывного литья заготовок кислородно-конвертерного цеха№1. Технологическая инструкция. ТИ 101-СТ-ККЦ-10-2007 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». — Магнитогорск, 2007 46 с.

11. Чумаков С.М. Возможности автоматического предупреждения о прорывах на выходе кристаллизатора / С.М. Чумаков, Б.А. Делекторский, А.Н. Сорокин и др. // Сталь. 1998. -№5. С.22-26.

12. Марголин Ш.М. Электропривод машин непрерывного литья заготовок / Ш.М. Марголин М.: Металлургия, 1987. - 279 с.

13. Патент 2114715 RUB22D 11/16 Система регулирования уровня металла в кристаллизаторе / В.Г. Батаргин, С.М. Чумаков Заявка № 97114046/02 от 26.08.1997.

14. Лукьянов С.И. Исследование электропривода кристаллизатора МНЛЗ ОАО «ММК» / С.И. Лукьянов, Е.В. Астафьев // Электротехнические системы и комплексы / Межвузовский сборник научных трудов. Магнитогорск: МГТУ. 2007. - вып. 14. С.70-73.

15. Лукьянов С.И. Электропривод тянуще-правильного устройства МНЛЗ: Монография / С.И. Лукьянов. Магнитогорск: МГТУ, 2002. -100 с.

16. Лукьянов С.И. Автоматизированный электропривод тянуще-правильного устройства МНЛЗ: Монография / С.И. Лукьянов, А.Е. Васильев, Д.С. Лукьянов. Магнитогорск: МГТУ, 2004. 179 с.

17. Лукьянов С.И. Стабилизация технологических параметров вытягивания непрерывнолитого слитка электроприводом тянущих роликов / С.И.

18. Лукьянов, Д.В. Швидченко, А.В. Белый. Монография: МГТУ, 2004. -141 с.

19. Носоченко О.В. Исследование процессов разрушения оболочек непре-рывнолитых стальных слябов / О.В. Носоченко, Ю.Я. Скок, Л.С. Лепи-хов и др. // Процессы литья. — 1999. №4. С.36-41.

20. Нормантон А.С. Тепловой контроль кристаллизатора для литья блюмов и слябов / А.С. Норманотон, Н.С. Хантер // Черная металлургия. 2003. - Дек., с. 43-50.1. Emling W.H. Breakout

21. Emling W.H. Breakout prevention / W.H. Emling // Iron and Steelmaker. -1994.-№6 (21). C.43-44.

22. Emling W.H. Breakout prevention / W.H. Emling // Iron and Steelmaker. -1994.-№5(21). C.50-51.

23. Emling W.H. Breakout prevention / W.H. Emling // Iron and Steelmaker. -1994.-№8(21). C.41-42.

24. Патент 9843033 A1 DE B22D 46/00 Die folgendenangabensind den voman-meldereingereichtenentnommen / Hemmeric Muller Заявка № 19843033.7 от 19.04.1998.

25. Лукьянов С.И. Оценка способов получения информации о состоянии корочки слитка / С.И. Лукьянов, Е.С. Суспицын, Д.В. Швидченко, М.В.

26. Коновалов, С.С. Красильников //Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. 2009. — Вып. 17. С.140-142

27. Emling W.H. Breakout prevention / W.H. Emling // Iron and Steelmaker. — 1994.-№7(21). C.47-48.

28. Патент 617904 B1 US B22D 11/16 Method and apparatus for the early recognition of ruptures in continuous casting of steel with an oscillating mold / Fritz-Peter Pleschiutschning. Заявка № 00617904IB 1 от 10.06.1998

29. Патент 4949777 US B22D 11/18 Process of and apparatus for continuous casting with detection of possibility of break out / Seiji Itoyama, Kichio Tada, Tsukasa Telashimanflp. Заявка № 251410 от 29.09.1988.

30. Патент 2003/0150584 US B22D 11/16 Method and device for early detection of rapture in a continuous casting plant / JurgenAdamy, Martin Koenemund, UveSturmer. Заявка №09/623609 от 18.02.1999.

31. Авторское свидетельство 1214317 AB22D 11/16 Устройство автоматического управления режимом работы кристаллизатора / Б.И. Краснов, B.JI. Сайкович, Л.Н. Ашихина. Заявка №3752580/22-02 от 13.06.1984 // 22.06.1988 Бюл. №8.

32. Патент 5548520 US B22D 11/16 Breakout prediction system in continuous casting process / Tsuyoshi Nakamura, KozuhoKodaira, Katsushiro Higuchi -Заявка №363352 от 23.12.1994.

33. Emiling W.H Breakout prevention / W.H. Emilling // Iron and Steelmaker. -1994 -№21. C.57-58.

34. C.B. Сорокин Контроль теплосъема в кристаллизаторе в системах управления машинами непрерывного литья заготовок / С.В. Сорокин, Н.И. Шестаков, С.В. Лукин // Вестник Череповецкого государственного университета. Череповец: ЧТУ. 2008. - №3. С.88-91.

35. Казнов В.Ф Система мониторинга слитка в кристаллизаторе / В.Ф.Казнов, В.А. Солнцев, Сорокин А.А и др. // Труды 8 Конгресса сталеплавильщиков. М. 2008. - С.533-535.

36. Мойсюк Б.Н. Основы теории планирования эксперимента: Учеб. Пособие. / Б.Н. Мойсюк М.: Издательство МЭИ, 2005. - 464 с.

37. Венцель Е.С. Теория вероятностей: Учеб.для вузов. 6-е изд. стер. / Е.С. Венцель. М.: Высш. шк., 1999. - 576 с.

38. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. Пер. с англ. / Дж. Тейлор. М.: Мир, 1985.-272 с.

39. Лукьянов С.И. Основы инженерного эксперимента: Учеб.пособие / С.И. Лукьянов, А.Н. Панов, А.Е. Васильев Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГНТУ», 2006. - 94 с.

40. Скворцов А.В. Триангуляция Делоне и её применения / А.В. Скворцов. -Томск: Изд-во Том.ун-та, 2002. 128 с.

41. А.В. Скворцов Обзор алгоритмов триангуляции Делоне / А.В. Скворцов. // Вычислительные методы и программирование. 2002. - ТЗ. С.14-39.

42. Шишкин А.В. Компьютерная графика. Полигональные модели / А.В. Шишкин, А.В. Борешков. М.: «Диалог МИФИ», 2001. - 464 с.

43. Митчел Э. Метод конечных элементов для уравнений с частными при-зводньши / Э. Митчел, Р. Уэйт. М.: «МИР», 1981. - 216 с.

44. Биргер И.А. Техническая диагностика / И.А. Биргер. М.: «Машиностроение», 1978. -240 с.

45. Патент 2039801 RUB22D 11/00 Способ непрерывной разливки металлов / В.И. Лебедев, А.П. Щеголев, В.А. Тихановский Заявка №92012864/02 от 18.12.1992 // 09.07.1995, Бюл. №19

46. Зайцев А.И. Управление теплоотводом в кристаллизаторе при отливке непрерывнолитых заготовок перитектической стали / А.И. Зайцев, А.В. Лейтес // Технологии металлургии. 2004. - №6. С.2-6.

47. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода / М.Г. Чиликин, А.С. Санд-лер. М.: Энергоиздат, 1981. - 576 с.

48. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов / В.И. Ключев. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 560 с.

49. Лукьянов С.И. Обобщенный алгоритм управления электроприводом тянущих роликов машины непрерывного литья заготовок / С.И. Лукьянов, А.Е. Васильев, А.В. Белый и др. // Вестник МГТУ. Магнитогорск: МГТУ. 2005. - №3. С.30-34.