Автоматизация непрерывной разливки стали

В работе машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) можно выделить три режима: гидравлический, связанный непосредственно с разливкой жидкого металла и наполнением кристаллизатора; тепловой, определяющий кристаллизацию и охлаждение непрерывного слитка; энергосиловой, характеризующий работу всех механизмов и приводов МНЛЗ.

Гидравлический режим. Металл к МНЛЗ от сталеплавильного агрегата подается в сталеразливочных ковшах. Поступление металла из этих ковшей в промежуточный ковш происходит через разливочный стакан, перекрываемый для регулирования расхода металла стопорным или скользящим затвором (поворотного или шиберного типа).

Промежуточный ковш должен обеспечивать подачу стабильной струи жидкого металла и возможность регулирования поступления металла в кристаллизатор. Кроме того, промежуточный ковш позволяет вести разливку одновременно в несколько кристаллизаторов (ручьев).

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.

Подача металла из промежуточного ковша в кристаллизатор производится в основном двумя способами: открытой струей через данные стаканы с регулированием расхода металла стопорным или скользящим затвором и закрытой струей через данные погружные стаканы (опущенные в кристаллизатор ниже уровня металла). Регулирование расхода металла в этом случае мажет производиться как при первом способе или за счет изменения уровня металла в промежуточном ковше (стопорный или скользящий шиберный затворы служат только запорными устройствами). Второй способ обеспечивает отсутствие брызг и охлаждения металла и поэтому лучшее качества слитка. Разрабатываются и другие способы регулирования истечения металла. Например, при электромагнитном способе вокруг разливочного стакана размещаются индукционные катушки, взаимодействие магнитных полей которых с металлом вызывает сужение струи металла и его торможение, что изменяет в итоге расход жидкого металла.

Вторая, 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: превышение уровня может привести к переливу металла через верх кристаллизатора; понижение уровня ниже допустимого предела приводит к получению тонкой корочки слитка, ее разрыву и прорыву жидкого металла под кристаллизатором. Значительные колебания уровня металла нарушают также стабильность охлаждения слитка в кристаллизаторе, изменяют условия кристаллизации и сказываются на качестве слитка. Решается эта задача путем изменения подачи металла в кристаллизатор стопорным или скользящим затворами промежуточного ковша. Другой вариант заключается в изменении скорости вытягивания слитка при примерно постоянной подаче металла из промежуточного ковша. Может применяться и комбинированное управление с использованием обоих управляющих воздействий.

Рассмотренные особенности и задачи управления гидравлическим режимам относятся к установившемуся режиму работы МНЛЗ. Вместе с тем определенное время занимают режимы работы МНЛЗ, связанные с ее пуском и остановкой.

В пусковой период главным является гидравлический режим заполнения металлом промежуточного ковша, а затем кристаллизатора. Заполнение промежуточного ковша производится при полном открытии затвора сталеразливочного ковша до номинального уровня с последующей выдачей сигнала на открытие затворов промежуточного ковша и включением регулятора уровня металла в промежуточном ковше.

Тепловой режим. В этом режиме кристаллизатор должен обеспечивать максимальный теплоотвод от затвердевающего металла для быстрого формирования достаточно прочной оболочки слитка, чтобы она не разрушалась под действием ферростатического давления жидкого металла при выходе слитка из кристаллизатора. Основные требования к тепловому режиму кристаллизатора и слитка сводятся к следующему:

- расход охлаждающей воды в кристаллизаторе должен исключать ее перегрев, вызывающий отложение солей и ухудшение теплоотвода от слитка;

- при выходе слитка из кристаллизатора толщина твердой оболочки должна быть достаточной для исключения прорыва металла из середины слитка;

- распределение интенсивности теплоотвода на длине и периметру слитка должно обеспечивать отсутствие больших градиентов температур и недопустимых термических напряжений, вызывающих образование трещин в оболочке слитка.

На теплообмен между слитком и кристаллизатором и, следовательно, на формирование твердой оболочки слитка влияют очень многие факторы: марка стали, температура металла, скорость разливки, конструктивные параметры кристаллизатора и др. Наибольшее значение имеют конструктивные особенности кристаллизатора: размеры граней, конусность и толщина стенок, режим охлаждения. Из всех перечисленных параметров для данного кристаллизатора переменным является режим охлаждения (расход и температура охлаждающей воды) и именно он является управляющим воздействием на режим кристаллизации слитка.

Изменение теплового потока в определенной степени соответствует изменению температуры поверхности слитка, которая быстро падает до 800-900 ^оС в начальный момент, затем немного возрастает при отходе оболочки от стенок кристаллизатора и далее остается примерно постоянной.

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

Управление первой стадией кристаллизации сводится к управлению тепловым режимом кристаллизатора, заключающемуся в стабилизации перепада температур воды на выходе и входе в каналы кристаллизатора (при постоянной скорости вытягивания слитка) путем изменения расхода воды. Величина перепада температур выбирается максимальной по предельно допустимой температуре нагрева воды по условиям отложения солей.

Вторая стадия кристаллизации в зоне вторичного охлаждения определяет внутреннюю структуру и, в конечном итоге, качество непрерывно литого слитка. Поэтому автоматизации этого процесса должно уделяться большое внимание. Управление второй стадией кристаллизации осуществляется путем изменения интенсивности охлаждения поверхности слитка. При чрезмерно интенсивном охлаждении температура оболочки слитка падает до 200…300 ^оС, и при этом деформации переходят из пластической в упругую область, что может вызвать появление трещин. С другой стороны, недостаточная интенсивность охлаждения и, следовательно, низкая скорость роста оболочки может вызвать раздутие слитка из-за внутреннего ферростатического давления.

В современных МНЛЗ применяется форсуночно-роликовая система вторичного охлаждения, при которой по всей длине зоны вторичного охлаждения устанавливаются опорные ролики, предотвращающие раздутие слитка. Такая конструкция позволяет снизить интенсивность охлаждения и поддерживать температуру поверхности слитка в пределах 600…700 ^оС, т. е. в области пластических деформаций. Вода в такой системе охлаждения подается между роликами с помощью форсунок, обеспечивающих хорошее распыление жидкости.

Таким образам, задачей управления вторичным охлаждением слитка является создание условий, предотвращающих чрезмерное охлаждение оболочки слитка и вместе с тем обеспечивающих равномерное затвердевание слитка с окончанием затвердевания по всей его толщине к концу зоны вторичного охлаждения. Единственным управляющим воздействием при постоянной скорости вытягивания слитка служит расход охлаждающей воды и его распределение по секциям зоны вторичного охлаждения. Поскольку количество тепла, которое нужно отобрать у слитка, пропорционально скорости разливки, то и расход воды должен быть практически пропорционален этой скорости, т. е. целесообразно применение системы регулирования соотношения: скорость разливки – расход охлаждающей воды.

Энергосиловые режимы. Качество оболочки слитка после кристаллизатора, отсутствие трещин и разрывов определяются не только тепловым режимом процесса кристаллизации, но и усилением вытягивания слитка из кристаллизатора. В процессе вытягивания слитка между его поверхностью и стенками кристаллизатора возникают значительные силы трения, которые могут привести к «зависанию» верхней части слитка и его разрыву. Для предотвращения этого явления на современных МНЛЗ применяют движущиеся (качающиеся) кристаллизаторы. В течение примерно 3/4 времени цикла кристаллизатор перемещается 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. Возникает задача управления энергосиловыми режимами МНЛЗ, в частности стабилизации усилия вытягивания слитка, с помощью изменения подачи смазки в кристаллизатор (смазкой служат различные масла или парафин).

МНЛЗ представляет собой многоагрегатный комплекс с большим количеством электрических, пневматических и гидравлических приводных устройств. Основные механизмы (качание кристаллизатора, тянущие и правильные клети, платформа газорезки, перемещение резака и др.) имеют электрические приводы, что связано главным образом с необходимостью изменения скорости в широких пределах. Существует задача управления, связанная с пуском этих приводов в начале разливки в определенной последовательности, изменения их скорости и синхронизация в процессе работы. Например, после получения мерной длины слитка включается механизм передвижения платформы газорезки в направлении перемещения слитка, и скорость синхронизируется со скоростью вытягивания слитка; одновременно включается механизм передвижения резака в поперечном направлении. После завершения резки, резак и платформа отводятся в первоначальное положение.

К управлению энергосиловым режимом следует отнести системы изменения ширины сляба в процессе разливки. Регулирование осуществляется изменением положения боковых стенок кристаллизатора со скоростью до 100 мм/мин с помощью нескольких гидроцилиндров, управление работой которых осуществляется микропроцессором.

Очень важной задачей оптимального управления конечной фазой разливки, косвенно связанной с энергосиловым режимом (последовательность выключения отдельных механизмов), является максимизация выхода мерных заготовок из имеющейся массы жидкого металла. Наиболее простой способ разливки заключается в подаче металла из промежуточного ковша во все ручьи (кристаллизаторы) МНЛЗ вплоть до полного его расходования. В этом случае немерные остатки могут достигать большой величины, а их количество равно числу ручьев. Оптимальное управление заключается в выборе количества ручьев в зависимости от остатка металла в промежуточном ковше и расхода металла на получение заготовки мерной длины. При этом может получиться, что окончание разливки производится (в четырехручьевых МНЛЗ) в четыре, три, два и даже один кристаллизатор. При такой системе управления немерный остаток может быть только в одном ручье, что обеспечивает максимальный выход мерных заготовок [15].

Рекомендуемая литература

1. АСУ ТП в черной металлургии: Учебник для ВУЗов / Г.М. Глинков, В.А. Маковский. – М.: Металлургия, 1999. – 310 с.

2. Автоматизация управления металлургическими процессами: Учебник для ВУЗов / В.Ю. Каганов, О.М. Блинов, А.М. Беленький, В.Ф. Бердышев. – М.: Металлургия, 1989. – 360 с.

3. Автоматическое управление электротермическими установками: Учеб. пособ. для ВУЗов / А.М. Кручинин, К.М. Махмудов, Ю.М. Миронов и др.; Под ред А.Д. Свенчанского. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 416 с.

4. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: учебник для вузов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. – М.: Изд. центр «Академия», 2004. – С. 482-513.