Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Процессы управления вакуумной дуговой печью 12
1.1 Особенности конструкции вакуумной дуговой печи 12
1.2 Математическое моделирование дуговой печи 18
1.3 Управление вакуумным дуговым переплавом 24
1.4 Обзор систем управления вакуумными дуговыми печами, предлагаемых различными разработчиками 37
1.5 Постановка задачи исследования 43
Глава 2 Построение комплексной математической модели ВД печи 47
2.1 Комплексная математическая модель ВД печи 47
2.1.1 Математическая модель регулятора тока и источника питания ВД печи 49
2.1.2 Математическая модель механической системы (шток, электрод, груз, редукторы, цепная передача, трение и люфт) ВД печи 52
2.1.3 Математическая модель капель расплавленного металла 56
2.1.4 Аппроксимация расходуемого электрода 59
2.1.5 Система автоматического определения сопротивления одного миллиметра межэлектродного промежутка 61
2.2 Проверка адекватности разработанной комплексной математической модели 63
Глава 3 Системы автоматической стабилизации вакуумного дугового переплава 67
3.1Система автоматической стабилизации межэлектродного промежутка .67
3.1.1 Расчет программного шага для цилиндрического электрода 69
3.1.2 Расчет программного шага для электрода в форме усеченного конуса 73
3.1.3 Программный шаг для реального электрода 75
3.1.4 Двухкомпонентное управление вакуумным дуговым переплавом 78
3.2 Система автоматической стабилизации скорости переплава расходуемого электрода с помощью метода лазерной велосометрии
3.3 Система автоматической стабилизации вакуумного дугового переплава с помощью метода определения отклонений по видеоизображению 94
Глава 4 Автоматизированная система управления вакуумным дуговым переплавом с использованием стабилизационных систем 99
4.1 Состав и структура разработанной системы управления 99
4.2 Алгоритм работы АСУ со стабилизационными системами 104
4.3 Визуальная часть разработанной АСУ 106
4.4 Использование результатов диссертационной работы 108
Заключение 109
Список сокращений и условных обозначений 111
Список использованных источников 122
- Управление вакуумным дуговым переплавом
- Математическая модель механической системы (шток, электрод, груз, редукторы, цепная передача, трение и люфт) ВД печи
- Программный шаг для реального электрода
- Визуальная часть разработанной АСУ
Введение к работе
Актуальность темы исследования. При производстве высоколегируемых жаропрочных сплавов основным является переплав слитков с помощью вакуумной дуговой печи. Проблема заключается в совершенствовании технологического процесса вакуумного дугового переплава и получении высококачественного, экономически выгодного металла за счет снижения трудоемкости его производства.
Решение поставленных задач оптимизации производства заключается в использовании систем автоматизированного управления с применением современных методов контроля технологического процесса. Данные задачи весьма актуальны в России и связаны, в первую очередь, с экономической ситуацией в стране, с введенными со стороны стран Европейского Союза, Соединенных Штатов Америки и ряда других государств санкциями, поисками новых рынков сбыта, качественного улучшения свойств литого металла.
Стратегия развития черной металлургии России на 2014 – 2020 годы и на
перспективу до 2030 года, утвержденная Министерством промышленности и торговли
Российской Федерации (приказ № 839 от 05 мая 2014 г.), и подпрограмма № 10
«Металлургия» государственной программы Российской Федерации «Развитие
промышленности и повышение ее конкурентоспособности», утвержденная
постановлением Правительства Российской Федерации от 15 апреля 2014 г. № 328, указывают на нерешенные сегодня проблемы внедрения новых эффективных технологий производства перспективных сталей и сплавов, необходимых для обеспечения спроса на высокотехнологичные сектора экономики России, а также на повышение требований к характеристикам продукции, оптимизации избыточных производственных мощностей и внедрения новой техники и технологий.
Существующие методы и модели малопригодны для систем управления при исследовании физического объекта в режиме реального времени ввиду наличия трудно формализуемых коэффициентов, характеризующих процесс переплава. Таким образом, весьма актуальными представляются вопросы, связанные с разработкой новых методов и систем автоматизированного управления технологическим процессом вакуумного дугового переплава в реальном масштабе времени, а также математическим моделированием и автоматизацией данного процесса.
Целью данной диссертационной работы является повышение эффективности управления процессом переплава и качества готовой продукции за счет автоматизации технологического процесса вакуумного дугового переплава с использованием стабилизационных систем управления.
В соответствии с целью работы были сформулированы и решены следующие
задачи:
-
Исследование технологических процессов управления вакуумным дуговым переплавом как объектов моделирования и автоматизации, выявление существующих недостатков.
-
Разработка на основе проведенного анализа математической модели вакуумной дуговой печи и исследование данного объекта.
-
Разработка системы автоматической стабилизации межэлектродного промежутка.
-
Разработка системы автоматической стабилизации скорости переплава расходуемого электрода.
-
Разработка системы автоматической стабилизации отклонений вакуумного дугового переплава по видеоизображению.
6. Разработка автоматизированной системы управления (АСУ) и ее апробация на вакуумной дуговой печи.
Объектом исследования является технологический процесс управления вакуумным дуговым переплавом с использованием систем стабилизации.
Предметом исследования являются методы автоматического управления технологическим процессом вакуумного дугового переплава с использованием стабилизационных систем.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования, вычислительной математики, а также основы современной теории управления и обработки видеоизображений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложен метод двухкомпонентного управления процессом вакуумного дугового переплава, отличающийся применением программного шага и обратной связи по напряжению печи, позволяющий поддерживать межэлектродный промежуток неизменным в процессе переплава.
-
Разработана система автоматической стабилизации межэлектродного промежутка, отличающаяся использованием метода двухкомпонентного управления и возможностью поддержания длины межэлектродного промежутка в заданных пределах с минимальными отклонениями.
-
Предложена комплексная математическая модель вакуумной дуговой печи, отличающаяся объединением уравнений выпрямителя, электрической дуги, жизненного цикла капели, системы перемещения и скорости переплава расходуемого электрода.
-
Предложено уравнение программного шага на основе разработанной математической модели, отличающееся возможностью учета произвольных форм расходуемых электродов.
-
Разработана система автоматической стабилизации скорости переплава расходуемого электрода, отличающаяся использованием метода лазерной велосометрии, обеспечивающего нахождение скорости переплава на печах, не имеющих в силу конструктивных особенностей возможности установки весовых датчиков, а также позволяющая определить участок аппроксимации посредством использования двухкомпонентного управления.
-
Разработана система автоматической стабилизации вакуумного дугового переплава, отличающаяся использованием метода определения отклонений по видеоизображению, позволяющего сократить длительность нештатных режимов переплава.
-
Разработана автоматизированная система управления вакуумной дуговой печью, учитывающая предложенные в данной работе системы, позволяющая увеличить объемы годной продукции путем снижения затрат на электроэнергию и брак, а также сделать конкурентоспособным устаревшее оборудование.
Основная теоретическая и практическая значимость работы. Проведенные в
работе теоретические исследования послужили основой для создания АСУ вакуумной
дуговой печи с использованием двухкомпонентного управления, построенного с
помощью комплексной математической модели. Разработанная математическая модель
позволила протестировать новые методы контроля и управления вакуумной дуговой
печью. Системы управления и контроля, предложенные в данной работе, позволяют
повысить качество управления объектом исследования, а также экспериментально
доказано улучшение стабильности управления процессом плавления.
Автоматизированная система управления вакуумной дуговой печью с учетом разработанных методов и систем позволяет увеличить объемы отвечающей требованиям
продукции путем снижения затрат на электроэнергию и брак. Разработанная АСУ повышает эффективность функционирования технологического процесса вакуумного дугового переплава за счет улучшения поверхностных и макроструктурных свойств получаемых слитков, снижения брака и затрат на электроэнергию, а также может быть применена для других аналогичных процессов.
Реализация результатов работы. Результаты работы используются в сталеплавильном цехе № 6 АО «Металлургический завод «Электросталь» (г. Электросталь, Московская область), а также в СТИ НИТУ «МИСиС» (г. Старый Оскол, Белгородская область).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Метод двухкомпонентного управления процессом вакуумного дугового переплава, состоящий в использовании программного шага и обратной связи по напряжению.
-
Система автоматической стабилизации межэлектродного промежутка, состоящая из метода двухкомпонентного управления.
-
Комплексная математическая модель вакуумной дуговой печи, состоящая из уравнений выпрямителя, электрической дуги, жизненного цикла капели, системы перемещения и скорости переплава расходуемого электрода.
-
Уравнение программного шага, использующее разработанную комплексную математическую модель.
-
Система автоматической стабилизации скорости переплава расходуемого электрода, использующая метод лазерной велосометрии.
-
Система автоматической стабилизации вакуумного дугового переплава, состоящая из метода определения отклонений по видеоизображению.
-
Структура, алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной системы, реализующей найденное оптимальное управление вакуумной дуговой печью.
В соответствии с паспортом специальности, в диссертационной работе
предложены методы построения автоматизированных систем управления
технологическими процессами (АСУ ТП) (пункт 3 паспорта специальности); разработаны комплексная математическая модель вакуумной дуговой печи (пункт 4), а также теоретические основы, средства и методы промышленной технологии создания АСУТП, АСУП, АСТПП и др. (пункт 5).
Достоверность результатов исследования свидетельствует о корректной постановке рассматриваемых задач и применении математически обоснованных методов решения.
Апробация работы. Результаты, полученные в рамках диссертационного
исследования, были признаны лучшими на XI Всероссийской научно-практической
конференции аспирантов и студентов по направлению «Автоматизация и управление
технологическими процессами и производствами. Математическое моделирование,
информатика» (СТИ НИТУ МИСиС, г. Старый Оскол – 2014 г.). Основные положения и
результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на кафедре
«Высшей математики » Старооскольского технологического института им. А.А. Угарова
(филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения
высшего профессионального образования «Национальный исследовательский
технологический университет «МИСиС», а также докладывались и обсуждались в рамках Международных и Всероссийских конференций «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные Агрегаты. Экология» (г. Москва – 2012 г.), «XI Всероссийская научно-практическая конференция аспирантов и студентов» (г. Старый Оскол – 2014 г.), «Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и
производство» (г. Старый Оскол - 2014 г.), «XII Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием: «Современные проблемы горнометаллургического комплекса. Наука и производство» (г. Старый Оскол - 2015 г.).
Личный вклад автора. Содержание диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Роль соавторов в совместных публикациях заключается в следующем: Александров А.Г. - идея нахождения длины капли, Ливаткин П.А. -помощь в разработке части программного кода. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась автором лично. Все представленные в диссертации результаты получены автором лично.
Публикации. По результатам диссертационной работы было опубликовано 20 печатных работ в научных журналах и сборниках, из которых 6 статей - в периодических изданиях по списку ВАК, при этом 4 публикации без соавторов, а также получено 16 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка используемой литературы из 92 наименований и 5 приложений. Общий объем диссертационной работы - 167 страниц, 58 рисунков и 6 таблиц. К диссертационной работе прилагаются свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, грамоты победителя и призера Всероссийских научно-практических конференций, диплом лауреата премии имени И.Ф. Тевосяна, акт и справка о внедрении результатов исследований в производственный и учебный процесс.
Управление вакуумным дуговым переплавом
Устройство перемещения электрода ВД печи состоит из: 1. Электродвигателя постоянного тока (ДПТ); 2. Муфты; 3. Червячного редуктора; 4. Шестерни; 5. Дифференциального редуктора; 6. Шестерни; 7. Подшипника; 8. Зубчатого колеса; 9. Звездочки; 10, 11. Шестерни; 12. Зубчатого колеса; 13. Звездочки; 14. Зубчатого колеса; 15. Звездочки; 16. Шестерни; 17. Сельсина передатчика; 18. Рычага; 19. Муфты; 20. Электрода; 21. Муфты (?); 22. Шестерни; 23. Противовеса.
Процесс переплава может происходить в вакууме или в среде инертного газа. Вакуумная система, которая состоит из двух последовательно соединенных насосов и форвакуумного насоса с масленым уплотнением, откачивает воздух из камеры печи.
В кристаллизаторе происходит горение электродугового разряда (ЭД разряда), плавление металла и формирование слитка. Изложница кристаллизатора, изготовленная из меди или хромистой бронзы, соединяется с двухслойной рубашкой охлаждения, между которыми циркулирует вода. На внешнюю сторону кристаллизатора намотана катушка соленоида, которая создает знакопеременное магнитное поле внутри изложницы.
Вакуумирование печи производят для удаления воздуха и создания рабочего разряжения в плавильном пространстве до начала включения агрегата. Сначала в печи создают предварительное разряжение с помощью форвакуумных насосов, затем включают высоковакуумные насосы.
Процесс переплава состоит из трех основных периодов: начального, основного и завершающего. В начальный период происходит кратковременный прогрев электрода и образование жидкой ванны для формирования качественной донной части слитка. Величина рабочего тока для основного периода переплава выбирается с учетом диаметра кристаллизатора, химического состава переплавляемого электрода и склонности его к ликвации. Время переплава электрода в основной период составляет для разных печей от 3 до 20 часов. Завершающий период плавки заключается в постепенном снижении значения рабочего тока для уменьшения объема жидкой ванны и снижения объема усадочной раковины. Для оптимизации технологического процесса нужно обеспечить поддержание равномерной скорости переплава и межэлектродного расстояния в течение основного периода переплава. Глубина и форма металлической ванны, определяющие структурную, физическую и химическую неоднородность слитка, зависят от величины дуги, диаметра слитка и равномерной скорости переплава. После отключения тока слиток охлаждают в вакуумной камере до полного затвердевания металла. Затем производят выгрузку слитка из кристаллизатора.
Сигналы с шунтов, трансформаторов тока и датчиков напряжения дуги поступают в контроллер через блоки гальванической развязки. Регулирование тока осуществляется по сигналам с измерительных шунтов. Сигналы с трансформаторов тока, установленных на первичной стороне силового питающего трансформатора, служат для защиты выпрямителя от недопустимых перегрузок.
Процесс переплава расходуемого электрода и образования слитка сопровождается брызгами расплавленного металла на стенку изложницы выше уровня жидкого металла, образуя при этом корку, которую именуют «короной». «Корона» формируется из-за разбрызгивания металла, заключенного в развитии магнитодинамической неустойчивости между провисающими каплями с расходуемого электрода до ванны расплавленного металла, что доказано в работах [1,2]. Проведение анализа увеличения разбрызгивания металла при изменении межэлектродного промежутка, тока дуги и скорости переплава выявило следующую закономерность: при увеличении межэлектродного промежутка дуга начитает гореть нестабильно, с увеличением скорости ее движения по торцу расходуемого электрода. Из этого следует вывод: при увеличении подвижности электрической дуги увеличиваются высота и толщина «короны». Объяснение данного явления заключается в том, что, чем меньше межэлектродный промежуток, тем меньше будет образовываться брызг при падении капель в расплав, и наоборот, чем больше межэлектродный промежуток, тем больше образуется брызг. Переплавлять на маленьком межэлектродном промежутке запрещается из-за частых коротких замыканий, приводящих к дефектам выплавляемых слитков. В этой связи следует проводить переплав расходуемых электродов при длине межэлектродного промежутка 10-25 мм над ванной жидкого металла[3,4].
Увеличивая межэлектродный промежуток, электрическая дуга может переместиться на стенку кристаллизатора, которая, в свою очередь, отрежет часть «короны». Отрезанная часть «короны» падает в жидкую ванну расплавленного металла и не может в ней полностью расплавиться из-за температуры ниже температуры плавления металла), вследствие чего образуется дефект, именуемый «улиткой» – брак пластических свойств слитка. Дефект «улитка» сложно находимый, поскольку он располагается внутри слитка и по химическим свойствам не позволяет себя обнаружить средствами контроля качества металла.
Переход электрической дуги на стенку кристаллизатора может прожечь его и привести к возникновению взрывоопасной ситуации.
Капли металла, стекающие с электрода, носят дискретный характер, их падение выглядит в виде дождя. Нагретый торец расходуемого электрода (около 1-2 мм) образует провисающие капли, которые принято называть мостиками. Рост мостика происходит колебательно с частотой 360 Гц согласно работе[5]. Длина таких мостиков может достигать до 8 мм при межэлектродном промежутке в 10-25 мм над ванной жидкого металла, что приведет к короткому замыканию между расходуемым электродом и жидкой ванной металла.
Математическая модель механической системы (шток, электрод, груз, редукторы, цепная передача, трение и люфт) ВД печи
Характерной особенностью отечественных вакуумных дуговых печей является регулирование длины межэлектродного промежутка по напряжению печи. Считается, что при постоянном токе дуги напряжение печи прямо пропорционально длине дуги. При переплаве сравнительно простых жаропрочных сплавов длина дуги тождественна длине межэлектродного промежутка. Поэтому, регулируя напряжение печи, можно с высокой точностью регулировать длину межэлектродного промежутка и управлять процессом переплава.
Ситуация меняется при переплаве жаропрочных сплавов, имеющих в своем составе большое количества упрочняющей у -фазы (никелид алюминия). Это объясняется наличием в составе этих сплавов большого количества алюминия(до 3-4%), имеющего низкий потенциал ионизации (5,98 э-В). При переплаве таких сплавов изменяется сам характер дугового разряда - он переходит в одну из разновидностей электрического разряда в вакууме, известную как «ионизация», при которой электрическая дуга исчезает, а весь разрядный промежуток заполнен облаком ионизированных паров алюминия.
Соответственно, изменяется характеристика печи - она становится нелинейной и неоднозначной. Зависимость напряжения печи ДСВ-3,2-Г1 от длины межэлектродного промежутка при ВДП сплава ЭИ437БУ и сплава ЭИ698 (1,75% А1) в кристаллизатор диаметром 320 мм приведена в соответствии с рисунком 1.11 из работ [19, 20].
В отличие от сплава ЭИ437БУ, не содержащего алюминия, для сплава ЭИ698 характерна неоднозначность характеристики с локальными экстремумами -максимумом при 18-20 мм и минимумом при 24-26 мм (кривая 2). По мере сплавления электрода и уменьшения его электрического сопротивления напряжение печи уменьшается на 0,4-0,5 В (кривая 3) по сравнению с начальными (кривая 2). В результате при одном и том же напряжении, в данном случае равном 23,6 В, длина дуги самопроизвольно увеличивается с 18 мм в начале плавки до 30-35 мм в конце плавки, и, как следствие, в слитке образуются дефекты типа «корона» и «внеосевая ликвация», что приводит к браку слитка.
Рисунок 1.11 – Зависимость напряжения печи от длины межэлектродного промежутка при ВДП сплава ЭИ437БУ(1) и сплава ЭИ698(2,3)
С увеличением содержания алюминия в сплавах локальные экстремумы смещаются в область коротких дуг. Для стабилизации процесса в этом случае длину межэлектродного промежутка необходимо поддерживать в пределах 11-14 мм. При длине дуги менее 11 мм возникают длительные капельные замыкания, в результате чего в слитке может образоваться дефект типа «послойная кристаллизация», а при длине дуги более 14 мм возможно самопроизвольное увеличение длины межэлектродного промежутка до 30-35 мм с образованием в слитке дефектов, приводящих к браку. Таким образом, допустимая зона регулирования длины межэлектродного промежутка в этом случае составляет всего 3 мм. При переплаве высоколегированных жаропрочных сплавов с еще большим содержанием алюминия процесс переплава с регулированием длины дуги по напряжению печи становится невозможным (в этом случае плавка проходит в неконтролируемом режиме с возможными колебаниями длины дуги от 11 до 35-40 мм). Для управления процессом переплава в этом случае нужно использовать другие параметры, не зависящие от химического состава и качества расходуемого электрода, например, скорость переплава или частоту капельных импульсов.
В результате вышеописанных процедур управление процессом вакуумного дугового переплава некоторых сплавов становится невозможным. Это происходит потому, что параметры регулируемой системы практически в любой момент могут резко измениться на заранее не известную величину. В частности, к сплавам, представляющим сложности в процессе переплава, относятся так называемые «суперсплавы», необходимые авиационной промышленности.
Имеющиеся проблемы практически невозможно решить существующими методами, в связи с чем требуется разработка новых методов управления и контроля над вакуумным дуговым переплавом. Для этого необходимо решить следующие задачи: 1. Исследовать технологические процессы управления вакуумным дуговым переплавом как объекты моделирования и автоматизации, выявить существующие недостатки. 2. На основе проведенного анализа разработать математическую модель вакуумной дуговой печи и исследовать данный объект. 3. Разработать систему автоматической стабилизации межэлектродного промежутка. 4. Разработать систему автоматической стабилизации скорости переплава расходуемого электрода. 5. Разработать систему автоматической стабилизации вакуумного дугового переплава. 6. Разработать автоматизированную систему управления (АСУ) и апробировать ее на вакуумной дуговой печи. Решение данных задач исследования окажет существенное влияние на эффективность процесса управления вакуумного дугового переплава жаропрочных сплавов. Глава 2 Построение комплексной математической модели ВД печи
Процесс управления ВД печью основывается на поддержании интеграла разности напряжения печи Ли (В) в допустимых границах, не превышающих заданной величины Ли (В). Целью управления является поддержание Ли Ли : ди = \il_T\uз - uп(t)\dt, T t, (2.1) где T - интервал времени усреднения ошибки, с; t - текущее время, с; из - заданное технологами значение напряжения печи, В; uп(t) - текущее напряжение печи, В.
Для реализации цели управления требуется разработать комплексную математическую модель ВД печи. Комплексная математическая модель ВД печи -это математическая модель ВД печи, которая будет включать в себя следующие уравнения: напряжения, тока и сопротивления печи; уравнения капель расплавленного металла; длины и сопротивления межэлектродного промежутка; уравнения механической системы перемещения (электродвигатель, трение, люфт и т.д.); уравнения геометрии расходуемого электрода. Напряжение печи зависит от величины межэлектродного промежутка и падения капель расплавленного металла, которые на короткий промежуток времени снижают сопротивление межэлектродного промежутка. Напряжение и сопротивление ВД печи опишем как: Uп(t) = iп(t)-Rп(t), (2.2) Rп(t) = l(t) Rмм - lк(t) (Rмм - Rк) + Rэл, (2.3) где l(t) - величина межэлектродного промежутка, мм; іп - ток печи (принимаем постоянным значение тока на выбранном диапазоне исследования), А; Rn(t) -сопротивление печи (сопротивление электрода, дуги, слитка), Ом; RMM -сопротивление 1 мм промежутка дуги, Ом/мм; R3JI - сопротивление электрода и слитка, Ом; /K(t) - длина металла, перемыкающего межэлектродный промежуток, мм; RK - сопротивление 1 мм капли, Ом/мм. Уравнение для расчета длины межэлектродного промежутка: l(t) =S0+ S(t) - ( - ), rэ(t) = ср(1э), (2.4) где 50 - расстояние от электрода до дна кристаллизатора на момент начала переплава, м; S(t) - перемещение электрода с момента начала переплава, м; R -радиус слитка, м; гэ - радиус электрода (если электрод не цилиндрический, то гэ функция длины электрода lэ(t)), м; р- плотность электрода, кг/м3; mсл(t)- масса слитка в текущий момент времени, кг.
Программный шаг для реального электрода
Осуществляли выплавку слитка из сплава ПШРЗ ЭП718 диаметром 320 мм и весом 670 кг в вакуумной дуговой печи ДСВ-3,2-Г1. Расходуемый электрод диаметром 250 мм помещали на поддон кристаллизатора диаметром 320 мм. После вакуумирования возбуждали электрическую дугу между поддоном кристаллизатора и нижним торцом электрода, устанавливали дуговой зазор в размере 20 мм. Расстояние от смотрового окна до поддона кристаллизатора составляет 3800 мм. Далее в течение 5 минут производим прогрев расходуемого электрода при токе равном 2,5 кА. Затем в течение 6 минут происходит повышение тока до 5 кА и наведение «жидкой» ванны. При наведении «жидкой» ванны расстояние от смотрового окна до поверхности образовывающегося наплавляемого слитка изменяется и становится равным 3795 мм. При этом теоретическое значение веса электрода падает с 677 кг до 670 кг. Далее выходим на рабочий режим переплава при токе 3,8 кА. Через полчаса плавления на основном режиме останавливаем переплав, остужаем, вынимаем и взвешиваем электрод. Вес электрода составил 598 кг, а расстояние до образовывающегося слитка равно 3696 мм. Следовательно, слиток увеличился на 101 мм. Производя математические расчеты, получаем, что скорость переплава составляет примерно 2,2 кг/мин. Начинаем плавить оставшуюся часть электрода и через час плавления снова останавливаем печь, вынимаем электрод, взвешиваем его и получаем вес электрода равный 465 кг, а слиток увеличился на 198 мм. Зная, насколько уменьшился вес расходуемого электрода, найдем скорость переплава, которая составит 2,2 кг/мин. Проведем измерение высоты слитка через 3 часа. Слиток увеличился на 597 мм, а расстояние до образовывающегося слитка стало 2968 мм. Снова подсчитываем скорость и получаем 2,2 кг/мин. Отсюда получается, что переплав расходуемого электрода, а, следовательно, и скорость натекания наплавляемого слитка идут с равной скоростью в течение всего переплава.
Осуществляли выплавку слитка из сплава 08Х18Н10 диаметром 320 мм и весом 935 кг в вакуумной дуговой печи ДСВ-3,2-Г1. Расходуемый электрод диаметром 250 мм помещали на поддон кристаллизатора диаметром 320 мм. После вакуумирования возбуждали электрическую дугу между поддоном кристаллизатора и нижним торцом электрода, устанавливали дуговой зазор в размере 20 мм. Расстояние от смотрового окна до поддона кристаллизатора составляет 3800 мм. Далее в течение 5 минут производим прогрев расходуемого электрода при токе, равном 2,5 кА. Затем в течение 6 минут происходит повышение тока до 7,5 кА и наведение «жидкой» ванны. При наведении «жидкой» ванны расстояние от смотрового окна до поверхности образовывающегося наплавляемого слитка изменяется и становится равным 3730 мм. При этом теоретическое значение веса электрода падает с 935 кг до 931 кг. Далее выходим на рабочий режим переплава при токе, равном 5,5 кА. Через полчаса плавления на основном режиме снимаем значение веса электрода, которое будет составлять 798 кг. Измеряя расстояние до образовывающегося слитка, получаем значение длины, равное 3520 мм. Следовательно, слиток увеличился на 210 мм. Производя математические расчеты, получаем, что скорость переплава составляет примерно 4,45 кг/мин. Производим замер через час плавления расходуемого электрода, слиток увеличился на 420 мм, а вес расходуемого электрода уменьшился и стал 534 кг. Зная, насколько уменьшился вес расходуемого электрода, найдем скорость переплава, которая составит 4,5 кг/мин. Проведем измерение высоты слитка через 2 часа. Слиток увеличился на 846 мм, а расстояние от смотрового окна до образовывающегося слитка стало 2254 мм. Снова подсчитываем скорость и получаем 4,5 кг/мин. Отсюда получается, что переплав расходуемого электрода, а, следовательно, и скорость натекания наплавляемого слитка идут с равной скоростью в течение всего переплава. Эксперимент №3
Для дополнительной апробации работы предложенного метода установим систему с дальномерами на вакуумную дуговую печь ALD на АО «Металлургический завод «Электросталь». Так как на печи ALD установлена система по определению скорости переплава с использованием весового датчика, сравним полученные данные с разработанным методом определения скорости переплава с помощью ЛД, приведенным в данной работе. Произведем выплавку слитка сплава 08Х18Н10 диаметром 320 мм. Данные будем снимать через час после выхода печи на рабочие значения в установившемся режиме работы.
Визуальная часть разработанной АСУ
С видеокамер поступает изображение, которое представляется матрицей пикселей M(mxn), преобразующейся в блоке обработки видеосигнала в Z(t). Сумма пикселей Z{t) передается в блок определений отклонений. Из блока определения отклонений выходят два сигнала: vизо{t) и aизо{t) . Сигнал скорости изменения изображения vизо{t) поступает на блок устранения «короткой» дуги, а сигнал ускорения изменения изображения aизо(t) поступает на блок устранения ионизации. С блоков устранения «короткой» дуги и устранения ионизации поступает сигнал напряжения U3ycT(t), который, в свою очередь, поступает на блок ВД печи, из которого выходит матрица M(mxn) , возвращающаяся на блок определения отклонений.
Технологический процесс вакуумного дугового переплава состоит из пяти этапов: зажигания электрической дуги, наведения «жидкой» ванны, основного этапа переплава, выведения усадочной раковины и завершения переплава.
Автором предлагается трехуровневая система автоматического управления вакуумным дуговым переплавом, приведенная в соответствии с рисунком 4.2. На верхнем уровне находится ЭВМ, где сталеваром вводятся исходные данные, происходит расчет двухкомпонентного управления, ведутся записи данных и базы данных сохраненных проектов. Средний уровень реализован на базе контроллера и программного обеспечения фирмы Siemens. Управляющим контроллером был выбран SIMATICS7-319-3PN/DP с модулями распределенной периферии. Аналоговые модули распределенной периферии выбраны с частотой опроса в пределах 0,052-0,8 мс. Двигателем, перемещающим шток с расходуемым электродом, был выбран двигатель постоянного тока П-12. Электрическим электроприводом, управляющим двигателем постоянного тока, является Sprint Electric модели 340XRi. Выпрямителем тока был выбран ВД-0,5М компании Estel Electro AS. На кристаллизатор установлен соленоид, обеспечивающий знакопеременное магнитное поле. На смотровые окна печи устанавливаются лазерные дальномеры и видеокамеры. Описываемая система оборудована аварийно-предупредительной сигнализацией и системой быстрого подъема расходуемого электрода на случай возникновения аварийной ситуации, чтобы электрод не приварился к поддону или слитку, а также не разорвал электрическую дугу. Нижний уровень состоит из датчика положения фирмы SICK, установленного на вал двигателя, двух лазерных дальномеров, датчиков тока двигателя и выпрямителя.
Блок «обработчик изображения» отслеживает появление признаков ионизации или «короткой» электрической дуги. Если присутствуют признаки того или другого события, блок передает сигнал на контроллер Siemens, который начинает устранять данное негативное событие. Блок «обработчик сигналов с ЛД» измеряет скорость переплава расходуемого электрода и передает информацию о ней в управляющий контроллер, который добивается равномерной скорости переплава в основной период переплава расходуемого электрода. Блок управления знакопеременным магнитным полем создает магнитное поле вокруг кристаллизатора, которое перемешивает образовывающийся слиток и способствует уменьшению глубины усадочной раковины.
Управление процессом осуществляется с пульта управления печи (ПУ), расположенного на рабочей площадке. На ПУ расположены все необходимые для работы на печи органы управления и сигнализации: переключение ступеней напряжения трансформатора и сигнализация, информирующая о работоспособности ВД печи. Кроме того, на пульте установлены щитовые стрелочные приборы для контроля основных электрических параметров: тока печи, напряжения печи, ступени напряжения. Эти приборы дублируют данные с монитора. Внешнее устройство ПУ