1.1.1 Структура кислородно-конвертерного цеха

В настоящее время кислородно-конвертерный цех (ККЦ) открытого акционерного общества ”Магнитогорский металлургический комбинат” (ОАО "ММК") является крупным промышленным комплексом, оснащенным тремя трехсот семидесяти тонными конвертерами, пятью высокопроизводительными МНЛЗ, установками десульфурации чугуна и внепечной доводки стали, комбинированным вакууматором, установкой "печь-ковш", системами автоматизированного управления технологическими процессами [1].

Выплавка стали ведется в конвертерах, при загрузке в них жидкого чугуна, стального лома и извести. Стальной лом служит охладителем, так как при экзотермических окислительных реакциях тепла выделяется больше, чем нужно для нагрева стали и шлака до температуры выпуска. Известь применяют для формирования шлака. Заданный химический состав металла и его температура обеспечиваются при ковшевой обработке на агрегате доводки стали (АДС), установке “печь-ковш” и вакууматоре порционно-циркуляционного типа. Данные виды ковшевой обработки стали позволяют существенно улучшить качества металла и значительно расширить сортамент производимых сталей. После ковшевой обработки весь металл поступает на МНЛЗ для отливки слябов. Разделение непрерывнолитого сляба на мерные длины осуществляется на агрегате газокислородной резки. Слябы при помощи рольганг - тележки поступают на транспортно-отделочную линию (ТОЛ) и далее на стан горячей прокатки.

Рассматриваемая в данном проекте МНЛЗ №6, спроектированная компанией SMS-Demag была пущена в работу в конце 2009 г. МНЛЗ №6 способна выпускать слябы с различной толщиной: 190, 250 и 300 мм.

1.1.2 Технологический процесс и работа оборудования МНЛЗ

Перед приемом плавки все механизмы МНЛЗ приводятся в исходное положение. В кристаллизатор заводиться рабочая затравка. Включаются системы смазки, открываются задвижки систем охлаждения МНЛЗ.

Готовность оборудования и систем к разливке проверяется с помощью АСУ ТП.

При готовности МНЛЗ к разливке на дисплее оператора появляется информация: «МНЛЗ к разливке готова».

На подъемно-поворотный стенд в резервной позиции устанавливается стальковш. поворотом стенда стальковш переводиться в рабочую позицию.

Промежуточный ковш, предварительно разогретый, устанавливается в рабочую позицию.

В начале разливки, при наполнении промежуточного ковша до половины рабочего объема на зеркало металла в центральную часть и под каждый стопор присаживаться шлакообразующая смесь. При заполнении промковша металлом до рабочего уровня открывается стопорный затвор промковша и металл подается в кристаллизатор. При заполнении кристаллизатора до рабочего уровня осуществляется запуск МНЛЗ: включается механизм качания кристаллизатора, роликовые секции, верхние зоны вторичного охлаждения, система отсчета общей длины слитка и другие системы. Скорость разливки постепенно доводится до рабочей технологической. Подсистемы регулирования уровня металла в промковше и кристаллизаторе переводятся в автоматический режим.

По мере продвижения слитка автоматически включаются соответствующие зоны вторичного охлаждения. Расход воды при этом регулируется по зонам и граням слитка в функции скорости разливки и сечения слитка.

АСУ ТП осуществляет измерение и допусковый контроль технологических параметров разливки. При выходе затравки в район её отделения осуществляется отделение её головки от слитка и подъем ее в положение для хранения. При подходе переднего конца слитка к измерительному ролику производится переключение датчиков и корректировка общей длины слитка, а также автоматический расчет кратных и мерных длин заготовок

Резка слитка на заготовки мерной длины производится автоматически машиной газовой резки (МГР), управление которой осуществляется с поста управления. Программа раскроя реализуется АСУ ТП. Рольганг под МГР во время резки слитка совершается возвратно-поступательное движение во время прохождения над роликами резаков МГР. После отрезания заготовки приемный рольганг за МГР переводиться на транспортную скорость и заготовка передается к маркировщику, где на нее наносится маркировка (номер плавки, номер ручья, порядковый номер заготовки в ручье).

После маркировки заготовки подаются транспортным рольгангами к центрователю и далее на рольганг-тележку.

1.1.3 Конструктивные особенности и задачи управления непрерывной разливкой стали

Существует несколько способ разливки стали: разливка стали на МНЛЗ и разливка в изложницы. Основным преимуществом разливки стали на МНЛЗ по сравнению с разливкой в изложницы является повышенный (на 6-12 %) выход годной стали главным образом за счет меньшей обрези головной и донной частей слитков. При непрерывной разливке обрезается только конечная часть непрерывного слитка в самом конце разливки плавки. Эта обрезь еще больше уменьшается при разливке способом "Плавка на плавку". Вторым преимуществом можно считать возможность получения заготовок нужного сечения и формы, пригодных для прокатки на листовых и сортовых станах. При этом отпадает необходимость в крупных обжимных станах - слябингах и блюмингах и нагревательных колодцах, требующих очень больших капитальных вложений и текущих энергозатрат. Третье преимущество заключается в возможности достаточно полной автоматизации процесса и оборудования непрерывной разливки (разливка в изложницы автоматизации практически не поддается).

По конструкции МНЛЗ для разливки стали делятся на вертикальные, радиальные и криволинейные (разрабатываются горизонтальные МНЛЗ). Вертикальные МНЛЗ имеют прямой, расположенный вертикально, кристаллизатор; слиток перемещается вертикально вниз и в конце пути (в вертикальном положении) разрезается на мерные заготовки. Разновидностью вертикальных МНЛЗ являются машины с изгибом слитка. Изгиб производится после полного затвердевания слитка, режется он, находясь в горизонтальном положении.

За последние годы в черной металлургии получили распространение радиальные и криволинейные МНЛЗ, рисунок 1.

Особенностью радиальных машин является изгиб с определенным радиусом самого кристаллизатора, формирующего изогнутый слиток. После выхода из кристаллизатора слиток попадает в жесткий направляющий канал ЗВО, состоящий из роликовых секций, с охлаждением системой водяных форсунок (возможно охлаждение с помощью водоохлаждаемых экранов). В процессе кристаллизации заготовка проходит 1/4 окружности определенного радиуса. Радиус окружности рассчитывается таким образом, чтобы переход слитка в горизонтальное положение проходил после полного его затвердевания.

Особенностью криволинейных МНЛЗ является изгиб слитка с переменным радиусом и возможностью попадания жидкой фазы в горизонтальный участок. Эти машины предназначены, как правило, для отливки слябов больших размеров. Основным преимуществом радиальных и криволинейных МНЛЗ перед вертикальными является меньшая (в 2 - 3 раза) строительная высота и, следовательно, цехи меньшей стоимости

Рисунок 1 - Схема радиальной МНЛЗ

непрерывный литье заготовка сталь

Проектная производительность МНЛЗ составляет 1 250 тыс. т литых слябов в год, скорость вытягивания заготовки (0,62 - 1,15 м/мин.) (в зависимости от сечения сляба), продолжительность разливки одной плавки - 70 мин.

1.1.4 Режимы работы МНЛЗ

- Тепловой режим.

При поступлении первых порций металла в кристаллизатор образуется твердая оболочка слитка, сцепляющаяся с затравкой с помощью имеющегося в ней фигурного паза. Кристаллизатор должен обеспечивать максимальный теплоотвод от затвердевающего металла для быстрого формирования достаточно прочной оболочки слитка, не разрушающейся под действием ферростатического давления жидкого металла при выходе слитка из кристаллизатора.

Основной целью управления первой стадией кристаллизации слитка является получение достаточно толстой и прочной оболочки слитка на выходе из кристаллизатора.

Как правило, управление первой стадией кристаллизации сводится к управлению тепловым режимом кристаллизатора (при постоянной скорости разливки), заключающемуся в стабилизации разности (перепада) между температурой воды на выходе и входе в каналы кристаллизатора путем изменения расхода воды.

Вторая стадия кристаллизации (в ЗВО) определяет внутреннюю структуру, т.е. качество непрерывного слитка, и поэтому автоматизации этого процесса уделяется большое внимание.

- Гидравлический режим.

Металл от сталеплавильного агрегата подается к МНЛЗ в сталеразливочных ковшах разливочной емкости. Поступление металла из ковша в промежуточный ковш происходит через донный разливочный стакан, перекрываемый стержнем - стопором, футерованным огнеупором.

Первая задача управления гидравлическим режимом заключается в поддержании постоянного уровня металла в промежуточном ковше, обеспечивающем стабильное состояние струи металла и, следовательно, одинаковое качество разливки. Решается эта задача путем изменения подачи металла из сталеразливочного ковша при регулировании расхода металла стопорным или скользящим затвором.

Вторая, но наиболее важная задача управления гидравлическим режимом состоит в поддержании постоянного уровня металла в кристаллизаторе. Этот уровень в процессе разливки должен находиться в довольно узких заданных пределах, что обусловлено следующими причинами возникновения аварийных ситуаций: превышение уровня может привести к переливу металла через верх кристаллизатора; понижение уровня ниже допустимого предела приводит к получению в пределах кристаллизатора тонкой корочки слитка, ее разрыву и прорыву жидкого металла под кристаллизатором.

- Энергосиловой режим.

В процессе вытягивания слитка между его поверхностью и стенками кристаллизатора возникают значительные силы трения, которые могут привести к возникновению "зависания" верхней части слитка и разрыву его оболочки. Для предотвращения этого явления на МНЛЗ применяют качающиеся (подвижные) кристаллизаторы, совершающие возвратно-поступательные движения с определенной цикличностью. В течение примерно 3/4 времени цикла кристаллизатор двигается вниз (на 15 - 25 мм) со скоростью, равной или несколько превышающей скорость вытягивания слитка, и после этого возвращается в верхнее положение со скоростью, (в 2-3 раза) большей скорости вытягивания.

1.1.5 Зона вторичного охлаждения МНЛЗ

Вторичное охлаждение служит для форсуночного охлаждения слитка в зоне от низа кристаллизатора до выхода слитка на горизонтальный участок МНЛЗ с помощью форсунок, обеспечивающих большие завихрения и распыленность потока. Такое конструктивное решение позволяет снизить интенсивность охлаждения, не опасаясь раздутия слитка, и удерживать температуру поверхности на уровне 600 - 700 °С, т.е. в зоне пластических деформаций. Для увеличения равномерности охлаждения иногда используют комбинированное водо-воздушное охлаждение, при котором вода в форсунках распыливается сжатым воздухом.

Таким образом, задачей управления зоной вторичного охлаждения является создание условий охлаждения, предотвращающих чрезмерное охлаждение оболочки слитка, и вместе с тем обеспечивающих равномерное затвердевание слитка с получением твердого слитка на всю его толщину по всей ЗВО.

Единственным управляющим воздействием тепловым режимом при постоянной скорости разливки является расход охлаждающей воды и его равномерное распределение ЗВО.

Поскольку количество тепла, которое нужно отобрать у слитка, практически пропорционально скорости разливки, то и количество воды должно быть пропорционально этой скорости. Поэтому рационально построение следящей системы скорости разливки - расход охлаждающей воды.

1.1.6 Управление тепловым режимом зоны вторичного охлаждения

При управлении тепловым режимом ЗВО могут использоваться несколько вариантов:

- регулирование соотношения скорости разливки и расхода охлаждающей воды;

- регулирование температуры поверхности непрерывнолитого слитка;

- регулирование расхода охлаждающей воды с коррекцией по температуре поверхности слитка [1].

В первом варианте на каждую зону вторичного охлаждения и даже на части этих зон (большой и малый радиусы) устанавливается свои диапазон расхода охлаждающей воды, свой коэффициент пропорциональности ее скорости разливки. Поэтому система осуществляет для каждой секции зоны вторичного охлаждения изменение расхода воды по жесткой программе на основании общего сигнала, характеризующего скорость разливки (скорость вытягивания слитка). Программа для каждой секции разрабатывается на основании специальных исследований.

До определенной скорости разливки расход воды поддерживается на минимальном постоянном уровне, а в дальнейшем возрастает пропорционально скорости разливки. В последних секциях при меньшей скорости разливки водяное охлаждение вообще отсутствует. Скорость разливки определяется по скорости вращения тянущих роликов.

Расчет задания регулятору может осуществляться в одном из двух режимов: безынерционном и с расчетным запаздыванием. При безынерционном режиме изменение скорости разливки вызывает немедленное изменение расхода воды по всем секциям ЗВО. В режиме с расчетным запаздыванием изменение скорости разливки приводит к изменению расхода воды с некоторым запаздыванием, зависящим от установившегося значения скорости разливки. Первый режим применяется при небольших, второй - при существенных изменениях скорости разливки.

Во втором варианте управление тепловым режимом ЗВО происходит с помощью регулирования температуры поверхности непрерывнолитого слитка. Эта температура измеряется цветовыми пирометрами после каждой секции ЗВО. Управляющим воздействием служит расход охлаждающей воды, который изменяется регулятором при отклонении температуры поверхности слитка от заданного значения.

В третьем варианте управление тепловым режимом ЗВО происходит с помощью регулирования расхода охлаждающей воды по скорости разливки металла с коррекцией по температуре поверхности слитка.

1.1.7 Динамическая вычислительно-управляющая система отвердевания

Одним из определяющих факторов, влияющих на качество непрерывнолитого слитка, является оптимальная организация его охлаждения, особенно при разливке сталей, склонных к трещинообразованию [4]. Самые прогрессивные из разработанных в последнее время систем управления вторичным охлаждением основаны на динамическом моделировании температурного поля заготовки. Технологией непрерывной разливки предусмотрена работа при изменяющейся скорости вытягивания слитка (разгон, перековшовка, замена разливочного стакана, нештатные ситуации и др.), при этом необходим выбор оптимальных режимов охлаждения и точная их реализация на МНЛЗ, что ставит вопрос об оснащении машины системой динамического управления вторичным охлаждением. Динамическая вычислительно-управляющая система отвердевания (ДВУСО) учитывает влияние следующих факторов: изменение скорости вытягивания слитка, изменение температуры поверхности слитка.

ДВУСО должна выполнять следующие функции:

- при установившейся скорости разливки поддерживать заданные по зонам расходы воды и воздуха, обеспечивая оптимальный режим охлаждения непрерывно литого слитка;

-и при работе машины с переменной скоростью вытягивания обеспечить соответствующее изменение расходов воды и воздуха по зонам МНЛЗ, исключив значительный разогрев или охлаждение слитка.

Математическая модель ДВУСО решает задачу расчета заданий и уставок для подачи водо-воздушной смеси в постоянном и переходном режимах разливки. Первичное охлаждение слитка (формирование «корочки») осуществляется в кристаллизаторе путем пропускания через его корпус потока воды, пропорционального типоразмеру слитка. Вторичное охлаждение предназначено для продолжения охлаждения слитка путем подачи водо-воздушной смеси через систему форсунок.

Объем охлаждающего компонента, подаваемого на слиток, зависит от скорости разливки и ее изменения, типоразмеров слитка, температуры жидкого металла и марки разливаемой стали. Подача охлаждающего компонента регулируется таким образом, чтобы температура поверхности слитка постоянно снижалась по ходу разливки в соответствии с заданной зависимостью, что приведет к получению качественной поверхности слитка и исключит возможность появления внутренних дефектов.

Модель ДВУСО основана на математическом моделировании процесса затвердевания слитка, экспериментальных данных по возникающему теплообмену водяного и водо-воздушного факелов со слитком и опытно-промышленной эксплуатации системы вторичного охлаждения на МНЛЗ.

Идеология управления системой вторичного охлаждения при переходных режимах разливки заключается в том, чтобы, воздействуя на формирование слитка через температуру поверхности, сводить к минимуму последствия от изменения скорости.

Интенсивность охлаждения поверхности слитка изменяется с помощью форсуночной системы, не допуская отклонений в температуре поверхности в сторону как разогрева, так и переохлаждения, учитывая предысторию формирования каждого участка слитка.

Управление охлаждением слитка осуществляется ДВУСО, которая циклически получает данные о скорости разливки и оценке теплового состояния слитка. Выходным параметром является расход воды в реальном времени по зонам в зависимости от скоростного графика разливки.

Расчет расхода воды по зонам основывается на скоростном графике работы машины, оптимальной температурной кривой по длине машины для групп марок стали, конструктивных особенностях машины и форсуночной системы, расходных характеристиках форсуночной системы. Управляющая программа допускает работу как с обратной связью по температуре поверхности слитка, так и без этой связи.

Математическая модель расчета процесса затвердевания непрерывного слитка и распределения его температурного поля основана на решении сеточными методами системы нестационарных двумерных дифференциальных уравнений теплопроводности в двухфазной среде, состоящей из твердой стали, жидкого расплава и переходного слоя. Для этой системы уравнений ставится начально-краевая задача с граничными условиями, отображающими переменный по времени и вдоль технологической оси поток тепла, отводимый через поверхность сляба, либо заданную температуру на поверхности.

1.2 Система управления процессом непрерывного литья заготовок

1.2.1 Система взвешивания стальковша на поворотном стенде

Система предназначена для непрерывного измерения массы металла в стальковше на стенде в процессе разливки, ввода служебной информации, в том числе веса порожнего стальковша, цифровой индикации результата измерения на посту управления и выносном крупногабаритное табло.

Усилие от массы стальковша с металлом через опорные элементы передается на четыре тензометрических датчика, преобразующих усилие в электрический сигнал. Сигналы от датчиков через соединительные коробки поступают на вход электронного весоизмерительного блока контроллера.

Диапазон взвешивания - 400 т. , номинальная нагрузка на датчик - 200 т. , точность взвешивания - 0,5 % от общего диапазона взвешивания.

1.2.2 Система взвешивания металла в промковше

Система предназначена для непрерывного измерения текущего значения массы металла в промковше в процессе разливки, автоматической компенсация массы порожнего промковша, цифровой индикация результата измерения на посту управления и выносном крупногабаритном табло.

Усилие от массы промковша с металлом через опорные элементы передается на два тензометрических датчика, преобразующих усилие в электрический сигнал. Сигналы от датчиков через соединительные коробки поступают на вход электронного весоизмерительного блока контроллера.

Диапазон взвешивания - 60 т., номинальная нагрузка на датчик - 50 т. , точность взвешивания - 3 % от общего диапазона взвешивания.

1.2.3 Система измерения температуры жидкого металла в промковше

Система предназначена для периодического измерения температуры жидкого металла в промковше в процессе разливки, индикации измеренных значений в местах использования, цифровой индикации результата измерения на посту управления и выносном крупногабаритном табло.

Измерение температуры металла в промковше осуществляется термопреобразователями с термопарами разового использования.

1.2.4 Система регулирования уровня металла в кристаллизаторе

Система предназначена для автоматической стабилизации уровня металла в кристаллизаторе в процессе разливки, автоматическом поддержание уровня металла при разливке с возможностью задания требуемого уровня.

Реализуется с использованием индукционного датчика для измерения уровня.

Чувствительным элементом системы является датчик уровня металла индукционного типа, устанавливаемый на защитной плите кристаллизатора и измеряющий расстояние до поверхности расплавленного металла.

Исполнительным элементом системы является привод стопора, представляющий собой электромеханическое устройство, преобразующее вращательное движение исполнительного двигателя постоянного тока в поступательное движение штока стопорного механизма.

Диапазон стабилизации уровня поверхности жидкого металла от верхнего края медной пластины кристаллизатора в пределах 50...100 м, точность поддержания установленного уровня металла: +2 мм.

1.2.5 Система контроля работы кристаллизатора

Система предназначена для определения и отображения параметров, влияющих на качество разливки металла в кристаллизаторе, регистрации отклонения усилия вытягивания слитка из кристаллизатора от среднего значения, определения качества работы механизма качания, прогнозирования ранней стадии угрозы подвисания металла. Система основана на компьютерном анализе сигналов датчиков, характеризующих параметры ускорения и вибрации кристаллизатора в процессе качания.

Принцип работы системы заключается в анализе информации о частоте и амплитуде колебаний, а также об ускорениях, возникающих на кристаллизаторе в процессе взаимодействия между кристаллизатором и непрерывным слитком во время разливки.

Акселерометр устанавливается на горизонтальной базовой поверхности крепежного кронштейна, закрепленного на корпусе кристаллизатора.

Индуктивный датчик перемещения закрепляется между приводной подвижной рамой кристаллизатора и неподвижным основанием механизма качания.

Помимо информации об амплитуде и частоте колебаний, формируется информация об искажении формы колебаний, характеризующая увеличение трения в кристаллизаторе, подсчитывается мощность трения.

1.2.6 Система определения теплосъема с кристаллизатора

Система предназначена для контроля, стабилизации расхода, постеночного измерения разности температур и давления охлаждающей воды. Система предупреждает о разгерметизации и загрязнении (зарастании) охлаждающих каналов.

Система осуществляет контроль разности температур воды на входе и выходе каждой стенки кристаллизатора, сигнализацию о превышении установленного уровня, поддержание расхода охлаждающей воды в кристаллизаторе в заданных пределах.

1.2.7 Система слежения за слитком

Система формирует позаготовочную информацию, осуществляется сбор информации следующих видов:

- о качестве подаваемого на разливку металла:

- марка стали; хим.состав; температура;

- о технологических режимах разливки: сечение слитка, скорость разливки, теплосъем (охлаждение) в кристаллизаторе, вторичное охлаждение слитка, уровень металла в кристаллизаторе, работа шлакообразующих смесей в кристаллизаторе, уровень металла в промковше;

- о состоянии оборудования: работа механизма качания кристаллизатора, охлаждение оборудования, состояние форсуночного охлаждения (форсунок) перед и после разливки,

- о событиях на МНЛЗ: смена разливочных стаканов, смена промковшей. остановка МНЛЗ (снижение скорости до 0.2 м/мин), смешение плавок, время разливки плавки;

Вся собранная информация «привязывается» к длине отливаемого слитка и используется при формировании паспорта отрезанной заготовки и выдачи необходимой информации на маркировщик, а также для представления оперативному персоналу.

1.2.8 Система машины газовой резки (МГР)

Система предназначена для управления механизмами МГР и измерения мерных длин заготовок.

Функции, выполняемые подсистемой «МГР»:

- контроль состояния параметров МГР;

- управление МГР:

- управление резаками:

- постановка суппорта на кромку;

- подогрев кромки по таймеру;

- рез сляба в одно и двух ручьевом режиме;

- порезку сляба с перемычкой;

- управление отклоняющими роликами;

- управление гидросмывом шлама (смыв шлама через определенное количество резов);

- управление перемещением тележки МГР;

- управление упорами МГР;

- срабатывание блокировок при аварийной ситуации;

1.2.9 Система маркировки слитков

Система осуществляет маркировку слитков в следующем порядке: номер плавки, номер ручья, порядковый номер заготовки в ручье.

1.2.10 Автоматическая система контроля работы электрооборудования (АСКР)

Автоматическая система контроля работы электрооборудования (АСКР) выполняет следующие функции:

- контроль готовности к работе электроприводов (ЭП) механизмов, электрооборудования систем смазки и гидроприводов (ЭОСГ), а также контроль наличия отдельных механизмов МНЛЗ перед началом разливки в исходных положениях;

- контроль состояния и нагрузок ЭП, порядок и цикличность работы ЭОСГ в процессе разливки;

- представление информации о состоянии оборудования на цветном дисплее дежурному персоналу в КМДЭ;

- формирование и передача массивов информации о работе электрооборудования по локальной сети для представления технологическому персоналу в помещении поста управления ГПУ (по вызову);

1.3 Схема автоматизации регулирования расхода воды в зону вторичного охлаждения