Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ особенностей процесса вакуумного дугового переплава и постановка задачи исследования 10
1.1. Особенности технологии производства слитков и конструкции вакуумных дуговых печей 10
1.2. Условия формирования поверхностного слоя слитков и возможные способы улучшения проплавлення его боковой поверхности 29
1.3. Особенности дугового разряда при вакуумном дуговом переплаве 40
1.4. Цели и задачи исследования 49
2. Исследования процессов в вакуумных дуговых печах и разработка моделей и алгоритмов 52
2.1 Общие подходы к составлению моделей процессов и методики промышленных экспериментов 52
2.2 Оценка катодных пятен и их влияние на движение разряда в вакууме. 54
2.3 Математическая регрессионная модель падения напряжения на дуге и частоты капельных замыканий 58
2.3.1 Падение напряжения на дуге 58
2.3.2 Частота капельных замыканий 66
2.4 Математическая регрессионная модель ионизации 78
2.5 Тепловая математическая модель наплавляемого слитка 86
2.6 Разработка математических методов и алгоритмов определения включений повышенной плотности в титановых пластинах 91
Выводы 97
3. Использование разработанных алгоритмов и моделей для контроля и управления вакуумным дуговым переплавом 100
3.1. Использование фильтра Калмана для оптимальной оценки межэлектродного промежутка 100
3.2. Использование разработанных алгоритмов и моделей для контроля и управления вакуумного дугового переплава 108
3.3. Разработка программного обеспечения определения включений повышенной плотности в титановых пластинах 112
Выводы 119
4. Рекомендации и результаты промышленного опробирования 121
4.1. Реализация рекомендаций по модернизации вакуумной дуговой печи... 121
4.2. Рекомендации по применению математических моделей на работающем агрегате 123
4.3. Структура комплекса технических средств (КТС) системы 130
Выводы 142
Заключение 144
Литература 149
Приложения 157
- Особенности технологии производства слитков и конструкции вакуумных дуговых печей
- Общие подходы к составлению моделей процессов и методики промышленных экспериментов
- Использование фильтра Калмана для оптимальной оценки межэлектродного промежутка
- Рекомендации по применению математических моделей на работающем агрегате
Введение к работе
Вакуумный дуговой переплав является базовым процессом при производстве титана и жаропрочных высоколегируемых сплавов. Относительная конструктивная простота вакуумных дуговых печей и высокий коэффициент полезного действия источника нагрева являются характерными для этого процесса и определяют его преимущества. При этом основной, важной проблемой в совершенствовании технологии вакуумного дугового переплава является получение оптимального выхода годного металла, снижения трудоемкости и соответствующего ему экономию.
В процессе оптимизации часто требуется решение сложных статических и динамических задач в реальном масштабе времени. Решение этих задач оптимизации возможно с использованием специальных методов параметрической идентификации и методов оптимизации. Особенно, актуальность этих проблем выявляется в последнее время в России в связи с требованиями гибких производств, улучшения качества литого металла и повышения стабильности его свойств.
Прогресс в процессах вакуумного дугового переплава в настоящее время определяется, главным образом, увеличением выхода годного. В настоящее время, в связи с экономическим спадом, во всем мире снижается потребность как в титане и его сплавах, так и в жаропрочных сплавах, и, соответственно, снижается производство полуфабрикатов из них. Поэтому в настоящее время, в отличие от 80-90-ых годов, когда первоочередными были, вопросы интенсификации и увеличения производительности агрегатов, первоочередными становятся вопросы повышения качества металла и экономии энергоресурсов.
Структура и свойства слитка при вакуумном дуговом переплаве определяются, главным образом, теплофизическими и физико-химическими процессами на фронте кристаллизации, которые в свою очередь зависят от температурного градиента и магнитодинамических сил, создаваемых от тока дуги во вовремя процесса вакуумного дугового переплава. Энергетическая же
6 экономичность агрегатов и удельный расход энергоресурсов определяется в основном особенностями теплотехнической схемы устройства печей и совершенством средств автоматизации.
При практической реализации режимов разведения ванны, стационарного режима и выведения усадочной раковины возникают проблемы поддержания оптимальной скорости плавления электрода в заданных пределах, фиксации величины межэлектродного промежутка между ванной расплавленного металла и торцом электрода, размещении и реализации средств контроля и регулирования процесса вакуумного дугового переплава.
Эти мероприятия должны гарантировать получение продукции заданного (высокого) качества при минимальных затратах энергоресурсов.
Решение таких задач эмпирическими методами и приемами зачастую невозможна в связи со значительными сложностями, возникающими при постановке натурного эксперимента и его высокой стоимости. Часть параметров из-за невозможности непосредственного измерения в производственных условиях, оценивается вручную («на глаз») плавильщиком или оператором-технологом. В результате этого, оказывается невозможным в полной мере оценить влияние того или иного технологического параметра на экономические показатели, например, расход электроэнергии и т.д.
Поэтому, с развитием вычислительной техники, важнейшим средством для исследования работы вакуумной дуговой печи становиться математическое моделирование. Использование математических, и в частности, статистических регрессионных моделей позволяет наиболее полно исследовать процесс плавления с целью выбора оптимальных параметров плавления, обеспечивающих минимальные затраты энергоресурсов и высокое качество выпускаемой продукции.
Последнее особенно важно в таких энергоемких производствах, как металлургия.
Использование теплофизичаских и статистических моделей для анализа работы вакуумных дуговых печей позволяет находить пути экономии энергоресурсов, повышения качества продукции, что позволит избежать излишних энерго-материальных затрат.
Невозможно переоценить роль математических регрессионных моделей, работающих в составе систем управления на промышленных агрегатах. Это особенно важно в условиях рыночной экономики при свойственных ей особенностях оплаты энергоресурсов (прогрессивная форма) и переменных ценах на выпускаемую продукцию. Решение таких задач управления минимизирует стоимость продукции и максимизирует прибыль предприятия. С помощью математических моделей технологического процесса и соответствующих алгоритмов, решаются задачи оптимизации по выбранным критериям с соответствующими ограничениями по величине контролируемых технологических параметров при заданном качестве выпускаемой продукции. Кроме того, решаются задачи информационного обеспечения, позволяющие плавильщику лучше вести процесс плавления, предоставляя ему дополнительную информацию недоступную для прямого измерения. К особенностям работы таких моделей следует отнести необходимость их постоянной подстройки и корректировки под конкретный сплав, диаметр электрода и слитка. И, наконец, верхний уровень управления с использованием вычислительной машины невозможен без соответствующих математических моделей и глубоких исследований процесса вакуумного дугового переплава. Роль плавильщика в случае реализации АСУТП будет заключаться в контроле, обслуживании и своевременной необходимой для реализации модели информации, если последняя не может быть получена автоматически.
В соответствии с вышеизложенным в настоящей работе поставлена задача разработать и реализовать комплекс математических моделей, адаптированных к реальному технологическому процессу вакуумного дугового переплава титановых сплавов и жаропрочных сплавов.
Работа выполнена на кафедре "Автоматики и управления в технических системах" УГТУ и на Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении под научным руководством заслуженного деятеля науки и техники, действительного члена АИН РФ, доктора технических наук В.Г.Лисиенко, которому автор выражает свою благодарность. Автор также глубоко признателен сотрудникам ОАО ВСМПО: к.ф-м.н. Я.А.Насыйрову, главному плавильщику П.С.Альтману; ведущему специалисту по АСУТП М.И.Климову, ведущему технологу плавильного цеха №32 А.Е.Гончарову за помощь в формировании задач исследований, ценные советы и замечания, сделанные в ходе выполнения данной работы.
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ В - индукция магнитного поля; е - заряд электрона;
Е - напряженность электрического поля; F - сила; DKp - диаметр кристаллизатора; dM - диаметр электрода; Н - напряженность магнитного поля; FK.3." частота капельных замыканий; 1Д - сила тока; J - плотность тока;
Ьд - длина межэлектродного промежутка; Lsubi- удельная теплота сублимации; М - масса частицы; п - концентрация частиц; Р - давление в камере печи; ид - падение напряжения на дуге; V - скорость движения частиц; W - удельная мощность; р - удельная электропроводность;
Особенности технологии производства слитков и конструкции вакуумных дуговых печей
Основным при производстве слитков, как титановых сплавов, так и жаропрочных сплавов является способ переплава расходуемого электрода в глухой кристаллизатор [1-3]. Схема вакуумной дуговой печи (ВДП) представлена на рис 1.1. Основными элементами ВДП являются кристаллизатор с поддоном, герметично соединенный с вакуумной камерой. Через скользящее вакуумное уплотнение в крышке камеры внутрь печи введен водоохлаждаемый электродержатель, к нижнему концу которого присоединен расходуемый электрод. Электродержатель имеет возможность совершать возвратно - поступательное движение от привода вдоль вертикальной оси.
Плавку можно вести как в вакууме, так и в среде инертного газа. Откачка печи производиться вакуумной системой, состоящей из последовательно подсоединенных одного или двух двухроторных насосов Рутса и форвакуумного насоса с масленым уплотнением НВЗ-150 или водокольцевого с эжекторной приставкой.
Кристаллизатор (рис. 1.2) является важнейшим узлом вакуумных дуговых печей для производства слитков. В нем осуществляются все основные процессы плавки: горение дугового разряда, плавление металла, дегазация металла и формирование слитка. Основной частью кристаллизатора является металлическая изложница, обычно изготовляемая из хромистой бронзы. Изложница через резиновые уплотнительные прокладки соединяется с рубашкой охлаждения, между которыми циркулирует вода. Снаружи на корпус рубашки намотана катушка соленоида, создающая осевое (аксиальное) магнитное поле внутри кристаллизатора.
Электропитание печи осуществляется от тиристорного источника, обеспечивающего колебания тока не более 1%. Процесс плавки проводится автоматически с использованием регуляторов напряжения и тока дуги. Пульт, предназначенный для управления процессом плавки, оснащен приборами контроля и управления, а также имеются оптические приборы - перископы для визуального наблюдения за ходом плавления металла. Загрузка и разгрузка печей ВД-650М и ДВС-5М (слитки весом до 2 тонн), осуществляется путем опускания поддона (несъемный кристаллизатор ). На печах типа ДТВ кристаллизатор отсоединяется после каждой плавки и поступает к печи с загруженным на участке сборки прессованным электродом. Требования, предъявляемые к технологии выплавки слитков титановых сплавов и жаропрочных сплавов стали, являются общими для производства высококачественного металла: чистота металла от внутренних включений тугоплавких металлических и оксидных или нитридных частиц, однородность химического состава и экономичность процесса. Однако, эти требования имеют свою особенность при производстве металла вакуумным дуговым способом, в частности при изготовлении прессованных электродов из шихты, в состав которой входят титановая губка, легирующие добавки и оборотные отходы. Основным способом приготовления расходуемых электродов является полунепрерывное прессование через конусную проходную матрицу. Получение электродов осуществляется с использованием горизонтальных и вертикальных гидравлических прессов, способных создавать удельные давления в пределах 350-600 МПа. Получение слитков легированных сплавов осуществляется, в основном, в два переплава. При первом переплаве (масса слитка 4-5 тонн), в отличии от второго переплава, протекают сложные физико-химические процессы, в частности: удаление в процессе нагрева в вакууме влаги, адсорбированной в порах губки и связанной молекулами хлористого магния, а также взаимодействие неудаленной ее части с металлом; испарение магния, алюминия, марганца, хрома, а также хлоридов магния и титана; удаление водорода из разогретого и жидкого металла; ликвационные процессы, связанные с затвердеванием металла. Исходя из вышесказанного, приведем основные требования для осуществления стабильного процесса выплавки слитков и получения литого электрода для второго переплава требуемого качества: 1. Иметь возможность идентификации длительной «ионизации» в зазоре между слитком и кристаллизатором, исключив тем самым дуговой пробой между слитком и кристаллизатором; 2. Процесс должен непрерывно обеспечивать затвердевающий фронт жидкого металла, исключая появление пористости и ликвации; 3. Непрерывную стационарную среду плавления для обеспечения процесса затвердевания; 4. Установление и поддержание оптимальной формы жидкой ванны расплавленного металла для слитков второго переплава; 5. Обеспечить удовлетворительное качество проплава поверхностных слоев слитка, исключить появление внутренних включений в металле. При втором переплаве (масса слитка 8-10 тонн), получение слитков осуществляется из одного или двух слитков первого переплава, сваренных между собой. Сварка осуществляется аргоно-дуговым методом с расходуемым электродом (титановой проволокой) на специализированной установке либо только в печи. Затем в печи (в вакууме) производят приварку к огарку. В связи с этим, кроме общепринятых требований к структуре и однородности химического состава металла в слитке, накладываются еще и специфические: в частности, в процессе плавления необходима плоская форма торца расходуемого электрода. Сварка производится только для сплавов Вт1-0 слитков 8-30 тонн, а для суперсплавов и «двигательных» сплавов сварка запрещена.
Общие подходы к составлению моделей процессов и методики промышленных экспериментов
Вакуумная дуга - это электрический разряд в газе или паре с падением напряжения в катодной области порядка минимального потенциала ионизации того газа или пара, в котором этот разряд происходит [33]. Вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода производиться при давлениях от 0,133 до 1,33 Па или в инертном газе при давлениях от 1,33x104 Па [40].
В вакуумном разряде выделяют три области в зависимости от местоположения в пространстве между электродами. Эти области играют различную роль, и по-разному влияют на существование дугового разряда. Выделяют: катодную область, положительный столб дуги и анодную область.
Область катода является наиболее важной и сложной из трех областей. В этой области контролируется существование дуги, потому что эта область является главным источником паров металла и электронов. Падение напряжения, называемое катодным падением напряжения связано с этой областью, и величина катодного напряжения зависит от материала катода. Исследования [41-44] показали, что падение напряжения в этой области у таких материалов как Fe, Ni, Mo, Со, Сг, Си составляет 14- 18 В и зависит от количества и размеров катодных пятен и их скорости движения. Катодные пятна движутся по расплавленному торцу электрода хаотично со скоростями порядка 10 м/с , приводя к испарению металлов и эмиссии электронов с поверхности [45]. Плотности тока в этих пятнах имеют диапазон от 109 до 1012 Ахм"2. С увеличением тока дуги площадь катодных пятен увеличивается, и максимальный ток на катодное пятно зависит от тепловых свойств материала катода [34]. Автором [44] проведены исследования по определению максимального тока катодных пятен Fe, Mo, Сг, Ті, Си, при этом получены выводы, что полученные величины токов не зависят от расстояния между электродами и величины тока дуги. Перемещение катодных пятен носит отталкивающее, то есть ретроградное движение. При больших токах катодные пятна отталкиваются друг от друга и перемещаются к краю поверхности плавящегося катода, с последующим обратным зажиганием в центральной части катода. В вакуумных дугах выделяют три области: катодную, положительный столб и анодную. Каждая из областей играет определенную роль в существовании дугового разряда. Влияние внешнего магнитного поля на области дугового разряда зависит от следующих параметров: тока дуги, давления паров и остаточных газов в межэлектродном зазоре. Прикатодная область представляет собой совокупность небольших пятен, с высокой скоростью перемещения по поверхности катода. В катодных пятнах возникают струи металлического пара, обладающие скоростями до 1000 м/с [44]. Энергия тяжелых частиц в струях существенно превосходит величину энергии, которую они могли бы получить, ускоряясь во всем межэлектродном промежутке, к которому приложено напряжение. Причем, ионы обладают особо высокой энергией, которая в среднем для титана на 30 эВ превосходит энергию нейтральных атомов. Вследствие этого они могут передвигаться в любом направлении. Такие ионы способны обеспечить удовлетворительную нейтрализацию пространственного заряда электронов в межэлектродном промежутке, образуя токопроводящую среду - плазму. Величина тока, создаваемого ионами с высокой энергией, составляет около 8 % от полного тока дуги (для вакуумных дуг 0,2-4 кА) и имеет направление противоположное полному току дуги. Отношение токов ионов к полному току дуги можно считать величиной инвариантной, слабо зависящей от материала катода и величины тока дуги.
Для катодных пятен характерно «обратное» движение, в направлении противоположном действию силы по закону Ампера. Скорость «обратного» движения пятен может составлять от десятков, до сотен метров в секунду [44]. Если в межэлектродный промежуток напускается газ, то «обратное» движение катодных пятен вначале замедляется, а затем, при дальнейшем увеличении давлении газа, останавливается и изменяется таким образом, что катодные пятна движутся уже в прямом направлении, то есть в направлении силы по закону Ампера. В [41,42] отмечается, что смена направления движения катодных пятен происходит при давлениях 1.5 кПа, хотя, с увеличением тока дуги, смена направления движения происходит при более низком давлении. В работе [43] отмечается, что, при токе более 1 кА, дуговой разряд движется в прямом направлении. Внешнее продольное осевое магнитное поле уменьшает скорость «обратного» движения катодных пятен. Уменьшение длины межэлектродного промежутка противодействует влиянию напуска газа: чем меньше промежуток, тем при больших давлениях сохраняется «обратное» направление движение катодных пятен. Галлахер [45] отмечает, что при сильных токах, более 1 кА, «обратное» движение катодных пятен обуславливает их взаимное отталкивание, передвижение к краю поверхности катода и гашение, с последующим зарождением в центральной части катода. Этот тип движения катодных пятен называется ретроградным, механизмы передвижения катодных пятен параллельно поверхности катода, при наличии внешних магнитных полей, остаются до конца непонятными ни количественно, ни качественно. Предпринималось множество попыток объяснить причины «обратного» движения катодных пятен [41-43]. К одной из последних относиться работа Б.Я.Мойжеса, В.А.Немчинского, в которой сделана попытка объяснить механизм перемещения катодных пятен перераспределением потенциала, вызываемого эффектом Холла у краев кратера, образованного катодным пятном. Однако, эта теория, как и многие другие не позволяет объяснить смену направления движения катодных пятен и определить критерии этого перехода.
При вакуумном дуговом переплаве катодные пятна могут выходить из под торца электрода и перемещаться по боковой поверхности катода, при этом наблюдается ярко светящиеся треки в виде «елочек», что указывает на непрерывное деление катодных пятен. Согласно данным Кимблина [44], ток через одно катодное пятно есть величина постоянная и составляет для титана 70 А, а для стали 50 А.
Положительный столб - это высокопроводящая металлическая плазма, занимающая расстояние между областью катода и анода. Плазма появляется у катода и ее потенциал равнозначен катодному падению напряжения. Приблизительная общая нейтральность заряда поддерживается благодаря движению электронов в плазме. Электроны перемещаются к наружной границе плазмы благодаря их малой массе. Высокая плотность электронов на границе положительного столба ограничивается электростатическим полем, образующим общим избытком положительного заряда внутри плазмы. Кроме того, электростатическое поле, созданное дисбалансом разряда образует отталкивающую силу, которая и приводит к созданию напряженности электрического поля внутри столба близкому к нулю.
Анодная область представляет собой вид диффузного коллектора, от которого ионизированные пары металла поступают в плазму. Светящиеся локализованные участки, или иначе анодные пятна, являются источником ионов металла. Недостаток ионов металла в плазме возле анода приводит к повышению разности потенциалов.
Использование фильтра Калмана для оптимальной оценки межэлектродного промежутка
В блок схеме, изображенной на рис.2.28, принятый кадр видеоизображения преобразуется в массив размерностью 512x512 пкс - V[i,j]. Далее, построчно щет обнаружение правого и левого краев движущейся пластины с юпользованием перепадов яркости свинец-засветка и засветка-пластина, а :акже запоминание координат их в массивы Nach[i] и Коп[і]. По заданным Q1 і HI определяется переход свинец-засветка, а по Q2 и Н2 определяется переход іасветка-пластина как справой так и с левой стороны. При этом при щределении перехода Q2 и Н2 формируется массив координат Nach[i] и Con[i].
Таким образом, задача определения краев движущейся пластины была )ешена в реальном времени, с использованием способа контурных признаков.
Для определения ВПП в пластине применяется линенйный метод :онрастирования. Основа этого метода состоит в том, что до выполнения шерации порогового обнаружения производится «подчеркивание» перепадов с юмощью способа контрастирования. Суть этого способа заключается в том, [то производится вычисление дискретных разностей, что аналогично іепрерьівному пространственному дифференцированию. Подчеркивание іертикальньїх перепадов осуществляется горизонтальным дискретным дифференцированием. В результате операции формируется некоторое зображение-массив элементов:
Аналогично осуществляется подчеркивание вертикальных перепадов. Также юпользуется диагональное подчеркивание, которое получается путем $ычисления разностей уровня диагональных пар элементов изображения. Д алее, контурные перепады, полученные в массиве элементов G[ij] сравнивается с заданным порогом, величина которого задается для каждой юлщины пластины и если значения превысили порог, то в конечном массиве шементов Y[ij] формируется логическая «1», а если порог не превышен, то югический «О».
Следовательно, по выходному массиву элементов Y[ij] формируется $ыходное изображение, состоящее из светлого фона (порядка 200 в градации :ерого), непосредственного фона пластины (порядка 150), и уровня ВПП нулевого уровня).
Таким образом, предложенные методы и алгоритмы определения ВПП в цшжущейся титановой полосе могут быть использованы в лаборатории ентгендефектоскопии цеха №32. При этом обработка видеоизображения іроизводится с использованием современных вычислительных средств в )еальном режиме времени с применением компьютерной системы обработки щнных.
Произведена оценка катодных пятен и их влияние на движение разряда в вакууме. Показаны факторы, определяющие динамику движения катодных пятен и механизм их влияния на плазму дуги. Произведена оценка радиуса катодного пятна равного 0,99-10" м для титановых сплавов и 0,41-10 м жаропрочных сплавов. Произведен расчет скорости движения однозарядного иона титана и стали. Показано, что общее количество электронов, замагниченных в прикатодной области охватывающих одно катодное пятно равно 10 . Таким образом, показано, что важную роль в поведении вакуумной дуги играют катодные пятна и их движение по торцу электрода.
Получена статистическая зависимость распределения напряжения на дуге в зависимости от изменения тока дуги и межэлектродного промежутка для диаметра электрода 705 мм и диаметра слитка 770 мм титанового сплава ВТ-6. Математические регрессионные модели падения напряжения на дуге в зависимости от межэлектродного промежутка имеют хорошую корреляцию с экспериментальными данными. Предложенные модели более точно оценивают величину межэлектродного промежутка и могут использоваться для оценки межэлектродного промежутка во время вакуумного дугового переплава. Предложен алгоритм управления скоростью движения электрода по предложенным моделям.
Проведены исследования капельного замыкания между торцом электрода и ванной жидкого металла и параметра частоты капельных замыканий с «просачиванием» и без «просачивания». Определены экспериментальным путем длительности капельных замыканий и их связь с массой переплавляемого мостика металла для титановых сплавов. Также предложены математические регрессионные модели поведения частоты капельных замыканий в зависимости от межэлектродного промежутка и силы тока дуги. Предложен алгоритм управления движением электрода по параметру частоты капельных замыканий.
Исследован процесс «ионизации» при переплаве жаропрочных сплавов. Выявлена закономерность изменения падения напряжения при ионизации и соответствующий ей релаксационный процесс. Предложена математическая регрессионная модель длительности релаксационного процесса «ионизации» от величины «просадки» напряжения на дуге. Исследована зависимость поведения частоты капельных замыканий при появлении «ионизации». Предложенные модели хорошо коррелируют с полученными экспериментальными данными. Предложен алгоритм идентификаци ионизации по параметрам падения напряжения и частоты капельных замыканий во время вакуумного дугового переплава.
5. Предложена математическая тепловая модель наплавляемого слитка при вакуумном дуговом переплаве жаропрочных сплавов. Предложенная тепловая модель системы расходуемый электрод-слиток-кристаллизатор использует данные по расходу электрической энергии и теплового потока и позволяет расчитать температурное поле в осевом сечении слитка и массовую скорость плавления в любой момент времени по параметрам напряжения на дуге, силы тока, значению межэлектродного промежутка и температуры воды на входе и выходе.
6. Предложен метод и разработан алгоритм определения включений повышенной плотности для системы рентгеновского контроля металлоотходов титановых сплавов на примере титановых обварных полос. Предложенный метод позволит производить контроль ВПП автоматически с использованием системы компьютерной обработки видеоизображения без участия оператора рентгендефектоскописта.
Рекомендации по применению математических моделей на работающем агрегате
На основе использования результатов промышленных экспериментов, іьіполненньгх автором (см. гл. 2), полученных при проведении переплава на ДП №1 цеха №32, разработана, с его участием, новая усовершенствованная истема контроля и управления процессом вакуумного дугового переплава, {елью реконструкции было увеличение производительности и выхода годного акуумной дуговой печи, снижение потребления электроэнергии. )дновременно были сформулированы требования к системе управления роцессом вакуумного дугового переплава, составлен перечень задач базового верхнего уровня, обоснована необходимость реализации оптимизационных адач.
Принятая к реализации система управления и контроля процессом ВДП и орректировка режимов работы, выполненных, а апреле 2000 г., позволило олучить следующие результаты: - управлять процессом плавления с оптимальной скоростью расходуемого электрода; - поддерживать межэлектродный промежуток на заданном уровне по математическим моделям параметров падения напряжения на дуге и частоты капельных замыканий и заложенным алгоритмам; - идентифицировать процесс «ионизации» и производить коррекцию скорости движения электрода в реальном времени; - предоставлять оператору-технологу (плавильщику) текущую информацию о технологическом процессе в реальном времени; - производить расчет массовой скорости плавления, высоты и объема ванны жидкого металла, высоту наплавленного слитка, остаток электрода, а также времени окончания процесса плавки. - разработать тепловую математическую модель наплавляемого слитка, позволяющую с достаточно точно описать массовую скорость плавления; При реализации рекомендаций при полной модернизации вакуумной гуговой печи и усовершенствовании процесса вакуумного дугового переплава ложно выделить следующие: - использование дополнительного (дублированного) контроллерного оборудования в системах противоаварийной и взрывобезопастной защиты, например микроконтроллеры фирмы TRICONEX; - использование сигнальных микропроцессоров для обработки и фильтрации сигналов шумов при измерении падения напряжения на дуге, например фирмы Analog Devices; - использование сигнальных микропроцессоров для подсчета сигналов капельных замыканий с «просачиванием» и без «просачивания», а также определения моментов горения дуги в парах газов, например азота и др. - использование в математических моделях параметра давления в камере печи; - использование программируемых логических контроллеров фирмы ALLEN-BRADLEY, например SLC-500/04, с высокоскоростной сетью передачи данных DH+, Controlnet. Также целесообразно применение быстродействующих аналоговых модулей ввода-вывода, например FIO-4IO с временем преобразования 0,5 мс, высокоскоростных счетчиков HSCE-2, позволяющим принимать дискретные сигналы с частотой до 2 МГц. - использование систем визуального контроля и управления технологическими параметрами, так называемых SCADA-систем, для предоставления плавильщику, или технологу, технологической информации о процессе плавки, например RSView32 минимальным количеством тегов 1500. При предложенных рекомендациях по усовершенствованию и оптимизации вакуумной дуговой печи будут достигнуты еще более высокие результаты управления процессом плавления, что в конечном итоге увеличит 5ЫХ0Д годного. Применение математических моделей в период эксплуатации объекта [озволяет осуществить решение ряда задач, результаты которых существенно блегчают работу обслуживающего персонала, ведущего управление роцессом переплава. Так, например, повышается возможность предоставлять ператору информацию, недоступную для непосредственного измерения; асчитывать, с использованием модели в контуре обратной связи, управляющие содействия по току и по скорости движения электрода при стабилизации гдельных технологических параметров; решать задачи оптимизации ыбранным критериям с соответствующими ограничениями, при заданном ачестве выпускаемого продукта. Здесь, в случае оптимизации статического гжима, с помощью математической модели определяют задания регуляторам, эторые будут различными для каждой технологической ситуации. Однако, в іучае использования математических моделей для решения определенных ідач в период эксплуатации объекта, необходимо принимать во внимание, как юбенности технологического процесса, так и автоматическую систему іравления, в рамках которой и будет реализована математическая модель. При автоматическом ведении процесса переплава управление определяется ложенными математическими регрессионными моделями и алгоритмами. В ком режиме работы управление подводимой мощностью (током дуги) и оростью движения электрода определяется заданными ограничениями: ачению межэлектродного промежутка, массовой скорости плавления /галла. В режиме разведения ванны управление производится по заданному афику подводимой мощности от времени непосредственно технологом либо їлавильщиком. В стационарном режиме плавки, поддержание заданной жорости движения электрода определяется с использованием оценки лежэлектродного промежутка по моделям. Коэффициенты математических эегрессионных моделей постоянно корректируются в непрерывном технологическом процессе переплава и обновляются в базе данных шравляющего контроллера.
