СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ МЕТАЛЛА В ПРОМЕЖУТОЧНОМ КОВШЕ МНЛЗ

SYSTEM OF AUTOMATIC CONTROL OF THE LEVEL OF METAL IN THE LADDER OF THE CCM

Andrew Zagvozdin

Student, Department of Automated Control Systems, Nosov Magnitogorsk State Technical University,

Russia, Magnitogorsk

Vladimir Novak

Student, Department of Automated Control Systems, Nosov Magnitogorsk State Technical University,

Russia, Magnitogorsk

Elena Ryabchikova

Scientific supervisor, candidate of technical Sciences, associate professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University,

Russia, Magnitogorsk

АННОТАЦИЯ

Для максимизации прибыли с производства стали, весь процесс, начиная от выплавки металла и заканчивая охлаждением готовой продукции должен быть постоянен, то есть, все параметры, которые можно регулировать должны находиться в четко заданных, заранее посчитанных эмпирическими и теоретическими способами, границах. При нарушении постоянства параметров могут произойти аварийные ситуации, которые повлекут потерю прибыли. Одним из таких параметров является уровень металла в промежуточном ковше.

ABSTRACT

To maximize profits from production, the entire production process, from metal smelting and the end of cooling of finished products, must be constant, that is, all parameters that can be adjusted must be in strictly specified, pre-calculated empirical and theoretical conditions, at the boundaries. If the parameters of constancy are violated, emergency situations can lead to an increase in profits. One of these parameters is the level of metal in the tundish.

Ключевые слова: промковш, МНЛЗ, уровень, металл.

Keywords: tundish, CCM, level, metal.

Введение

Промежуточный ковш является важным технологическим агрегатом МНЛЗ. Его расположение и конструкция оказывает сильное влияние на качество изготавливаемой продукции. При неправильной эксплуатации, кладка ковша быстро приходит в негодность и приходится тратить время и средства на восстановление. Одним из наиболее частых примеров неправильной эксплуатации является перелив металла. В таком случае раскаленная сталь выливается на пол и рабочим приходится собирать ее, тратя свое время и теряя деньги от испорченной стали [1, с. 22]. Поддержание определенного уровня позволяет максимизировать качество изготавливаемой продукции, а это, в свою очередь, повышает спрос на данную продукцию, что ведет к большей прибыли. Данный параметр важен так же, для стабилизации процесса разливки стали в кристаллизаторе, поскольку сталь из промежуточного ковша вытекает благодаря гидростатическому давлению, которое можно регулировать, путем уменьшения или увеличения уровня металла. Ниже приведены способы измерения уровня металла.

Вихретоковый метод

Этот метод основан на силе Лоренца, который базируется анализе взаимодействия электромагнитных полей вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля этим полем с внешними электромагнитными полями. В качестве источника электромагнитного поля обычно используется катушка индуктивности, которая и называется вихретоковым преобразователем. При повышении уровня металла электропроводимость тока уменьшается и ток, действующий в катушках, уменьшается. Это происходит из-за того, что металл хуже воздуха проводит электричество. При уменьшении тока срабатывают датчики и по специальной отградуированной шкале смотрят уровень металла. Данный метод измерения очень чувствительный к температуре, поэтому любое изменение температуры от тех норм, на которые отградуирован прибор будет негативно сказывать на показаниях.

Данный метод применяется в зарубежных датчиках фирмы "Bruel & Kjaer Vibro Gmbh", Германия [2, с. 53].

К недостаткам вихретокового уровнемера можно отнести возможность контроля только электропроводящих изделий, поскольку сила Лоренца работает только в таких условиях, а также относительно невысокая глубина погружения [3, с. 60].

1 – чувствительный элемент в защитном кожухе; 2 – крышка; 3 – трубка; 4 – поворотный механизм; 5 – кронштейн; 6 – муфта; 7 – стойка; 8,9 – штурвальчики (ручки); 10 – корпус; 11 – штуцер; 12 – электрический разъем; 13 – плита штатива, 14 - ручка.

Рисунок 1. Внешний вид вихретокового уровнемера

Данный метод применяется в зарубежных датчиках фирмы "Bruel & Kjaer Vibro Gmbh", Германия.

К недостаткам вихретокового уровнемера можно отнести возможность контроля только электропроводящих изделий, поскольку сила Лоренца работает только в таких условиях, а также относительно невысокая глубина погружения.

К преимуществам вихретокового уровнемера можно отнести высокую точность сбора информации, поскольку контроль происходит бесконтактным способом, а это значит, что преобразователь может спокойно передвигаться относительно объекта, а, следовательно, даже высокие скорости движения объектов не будут являться проблемами.

Радиоизотопный метод

Радиоизотопные уровнемеры используются для измерения уровня в разряженный средах, агрессивных и в тех, где невозможно использовать обычные приборы [4, с. 77].

Основной принцип работы заключается в поглощении радиоактивного излучения материалом, который мы измеряем. В начальный момент времени, когда материал не достиг нужного нам уровня, радиоактивное излучение полностью проходит воздух и попадает на приёмник, который фиксирует сигнал и преобразует его в электрические импульсы. Когда уровень металла достигнет такой отметки, что перегородит радиоактивный пучок, тогда поменяется проницаемость среды и радиоактивный пучок перестанет попадать в приёмник, а тот, в свою очередь, даст сигнал на реле, которое реагирует на чисто импульсов, о том, что уровень достиг нужного значения и пора уменьшат угол поворота заслонки

Для данного метода важно знать плотность металла, который состоит из чугуна, шихты и веществ, уменьшающих температуру плавки. От плотности металла будет зависеть гидростатическое давление, которое высчитывается по формуле (1)

                                                                                          (1)

P — гидростатическое давление;

p — плотность металла;

g — ускорение свободного падения (9,81);

h — высота металла (его уровень).

Учитывая, то, что мы знаем точные размеры промежуточного ковша, можно высчитать тот уровень, который нам нужен и установить там радиоизотоп. Радиоактивный элемент погружается на нужную нам высоту, а напротив него устанавливается приемник излучения, который улавливает радиоактивный сигнал. Как только уровень металла достигает такой заданной отметки, он перекрывает сигнал от радиоизотопа и срабатывает механизм, уменьшающий подачу металла.

К недостаткам радиоизотопных уровнемеров можно отнести невозможность использования данных уровнемеров для пищевых продуктов (например, при контроле уровня зерна); Повышенную опасность, которая связана с риском облучения персонала, а также дороговизну, поскольку радиационная аппаратура для обслуживания таких датчиков крайне дорогая [5, с. 62].

К преимуществам можно отнести крайне высокую надежность и долговечность работы датчика, поскольку данные датчики сконструированы так, что ломаться там абсолютно нечему, а, следовательно, и служить они будут очень долго.

Обычно в качестве источника радиоактивного излучения используется изотоп кобальта CO 60 или изотоп цезия CS 137, для защиты от воздействия агрессивных сред источник излучения, который выглядит в виде спирали, покрывают благородным металлом. Поскольку данная система является нелинейной, то для компенсации этой особенности, меняют шаг намотки спирали, при этом рассчитывая мощность для каждого случая в отдельности. В качестве приёмника излучения используется счётчик Гейгера [6, с. 24].

1- Источник радиоактивного излучения; 2- Приёмник радиоактивного излучения; 3 – Подъёмный механизм, обеспечивающий регулирование по нужному уровню; 4 – Сельсин датчик (аналог электрического двигателя); 5 – Механический редуктор; 6 – Индукционный датчик

Рисунок 2. Принцип работы радиоизотопного уровнемера

Рисунок 3. Показатели радиоизотопного и вихретокового датчиков

Данный метод применяется в зарубежных датчиках фирмы "BERTHOLD TECHNOLOGIES", Германия.

Вихретоковый датчик уровня металла измеряет реальный уровень стали без учета шлака. При использовании радиоизотопного датчика уровня погрешность измерения составляет 5-10 и более мм.

Вихретоковый датчик имеет сдвоенную конструкцию, что позволяет измерять средний уровень жидкой стали, а также исключить ошибку, связанную с локальными возмущениями и волнами на поверхности металла, на измеряемый уровень. Данная система может использоваться как запасная. При повреждении или сбое основной системы, в течении нескольких минут, система подключается к нужному ручью и на кристаллизатор устанавливается переносной датчик [7, с. 581].

Весовые датчики

Данный метод основан на измерении уровня металла по его массе. Поскольку нам известна масса промковша и плотность металла (радиоизотопный метод), мы можем посчитать объем, занимаемым металлом. Для минимизации ошибок на неоднородность металла будем использовать 4 весовых датчика, которые расположим крестом (под 90 градусов друг к другу). Общий вес металла складывается из разности общей суммы показаний всех весовых датчиков и массы промковша. Далее, так как мы предполагаем, что все параметры постоянны, то мы можем рассчитать объем металла

                                                                                          (2)

Vм — Объем металла;

Mм — масса металла;

Pм — плотность металла (с учетом добавок в виде извести и шихты).

Поскольку мы знаем заданный уровень, мы можем посчитать тот объем, который должен занимать металл при наших параметрах.

                                                                                               (3)

Vм` — Нужный нам объем металла;

Mм` — Нужная нам масса металла;

Pм` — нужная нам плотность металла (с учетом добавок в виде извести и шихты).

Далее сравнивается сигнал, который мы задали и сигнал, который нам приходит с весовых датчиков и формируется управляющее воздействие.

Данный метод применяется в отечественных датчиках фирмы ООО «ШЕНК ПРОЦЕСС РУС», Россия [8, с. 60].

К недостаткам весовых датчиков можно отнести сложность монтажа датчиков при ремонте футеровки, а также погрешность в виде относительного непостоянства параметров, влияющих на плотность металла [9, с. 51].

К преимуществам весовых датчиков можно отнести независимость от внешних воздействий, возможность работы в экстремальных условиях, в том числе и при отключении электроэнергии (благодаря аккумулятору), а также возможность включить и отключить датчики.

Заключение (Выводы)

Существует гораздо больше методов измерения уровня металла, но они или дают показания с большой погрешностью или очень дорогие, что делает их использование нецелесообразным. Наиболее точным методом является измерения с помощью весовых датчиков, но, в то же время, он является и самым сложным в плане реализации, поскольку для его точной работы нужно постоянство параметров, которое крайне сложно обеспечить. На практике, как правило, применяют вихретоковый метод, поскольку он наиболее универсальный. Радиоизотопный метод наиболее часто встречается при тех измерениях, где не важен фактор облучаемости измеряемой среды.

Список литературы:

1. Газизова В.А., Толстова Ю.С., Мухина Е.Ю. Обзор методов и средств измерения уровня металла в кристаллизаторе МНЛЗ. Магнитогорск: Автоматизированные технологии и производства, 2019. -  21-24 с.
2. Мёрман Д., Шмид Й., Спагнул С. Быстрое и точное измерение уровня металла на установках непрерывной разливки стали. М.: ОАО «Черметинформация», 2012. - 52-58 с.
3. Мёрман Д., Шмид Й., Спагнул С. Быстрое и точное измерение уровня металла в кристаллизаторах машин непрерывного литья. Москва: Изд. дом «Руда и металлы», 2012. - 53-61 с.
4. Мухина Е.Ю., Бондарева А.Р. Автоматизация технологических процессов: практикум. Магнитогорск: ФГБОУ ВПО МГТУ им. Г.И. Носова, 2017. - 110 с.
5. Фабрицциоли М., Михелон Г., Дель Корсо Ф. Новый радиометрический датчик измерения уровня жидкого металла в кристаллизаторе. М.:Черные металлы, 2015. - 54-62 с.
6. Мухина Е.Ю., Федорова М.В. Выбор метода измерения уровня жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ. Уфа: Издательство Аэтерна, 2015. - 23-24 с.
7. Фрайден Дж. Современные датчики: учебное пособие. М: Техносфера, 2006. - 588 с.
8. Терехин И.В., Чернова Е.А. Вихретоковый преобразователь для контроля уровня металла в сортовом кристаллизаторе при разливке со шлакообразующей смесью. М.: Контроль. Диагностика, 2021. - 60-64 с.
9. Самарина И.Г., Мухина Е.Ю., Бондарева А.Р. Метрология и технические измерения: практикум. Магнитогорск: ФГБОУ ВПО МГТУ им. Г.И. Носова, 2021. - 57 с.