Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 4.2

Особенности освоения стопорной разливки стали в условиях сортовой МНЛЗ

В практике непрерывной разливки стали особое функциональное значение имеет технология и оборудование дозирования металла, вытекающего из промковша в кристаллизатор. При этом технологи стремятся обеспечить определенный удельный расход стали (в соответствии со скоростью вытягивания заготовки), максимально компактную поверхность струи, а также ее защиту от вторичного окисления.

Наибольшее распространение в современных МНЛЗ получил способ дозирования с помощью системы «стопор-моноблок» – «стакан-дозатор», обеспечивающий высокую стабильность процесса литья [1, 332, 333]. Спецификой работы этой системы для высокопроизводительных сортовых МНЛЗ является необходимость обеспечения стабильного расхода стали в течение длительного периода времени.

Стопор-моноблок (рисунок 4.9) является важной функциональной частью промковша МНЛЗ, обеспечивающей дозированную подачу стали в кристаллизаторы, перекрытие канала стакана-дозатора в случае технологической необходимости, подачу аргона в струю стали и пр. [334, 335].

Стопор-моноблок в разрезе

Рисунок 4.9 – Стопор-моноблок в разрезе

Точный расчет геометрии головки стопора-моноблока является крайне важным с точки зрения стабильности дозирования металла в течение длительного времени. Особенно это становится актуальным при использовании автоматических систем поддержания уровня металла в кристаллизаторе МНЛЗ. Основные виды нагрузок, действию которых подвергается стопор при разливке, можно сгруппировать следующим образом [1]:

  • термические напряжения, связанные с термоударом в момент начала разливки (заполнение промковша жидкой сталью) и неравномерностью нагрева той части стопора, которая погружена в сталь, и частью стопора, расположенной над жидкой ванной;
  • изгибающие нагрузки, связанные с действием выталкивающей силы при погружении стопора в жидкую сталь, а также возникающие при закрывании отверстия стакана-дозатора стопором (при условии отклонения оси стопора от вертикали);
  • эрозионный износ стопора в зоне шлакового пояса, вызывающий уменьшение площади его поперечного сечения и снижающий общую прочность цилиндрической части;
  • виброударные нагрузки, связанные с некоторым вибрированием стопора в процессе разливки стали, что обусловлено условиями истечения металла через отверстие стакана-дозатора;
  • нагрузки, связанные с изменением давления газа во внутренней полости стопора вследствие неравномерной (или прекращения) подачи аргона, инжектируемого в сталь.

Наибольшее распространение на практике получила схема крепления стопора-моноблока с исполнительной штангой посредством впрессовываемой в тело стопора металлической или керамической гайки. При монтаже стопора стальная штанга вкручивается в гайку, расположенную в стопоре, а затем дополнительно фиксируется внешней гайкой. Такая схема обеспечивает быстрое и надежное соединение стопора и стальной штанги.

Важной конструктивной особенностью стопоров-моноблоков является наличие технологической возможности вдувания аргона в струю металла в процессе разливки. Вдувание аргона через стопор-моноблок используется в качестве технологического приема, обеспечивающего стабилизацию процессов истечения металла из промковша в кристаллизатор, уменьшение эффекта зарастания («клоггинга») оксидами алюминия внутренней полости стакана-дозатора и погружного стакана вследствие их флотации, а также управление глубиной проникновения струи стали в жидкую ванну кристаллизатора. Для инжектирования аргона в головке стопора предусматривается либо сквозное отверстие диаметром 5-7 мм, либо устанавливается газопроницаемая пробка. Газопроницаемая пробка служит как бы защитным элементом, предотвращающим проникновение жидкого металла во внутреннюю полость стопора в случае несанкционированного прекращения подачи аргона. Кроме того, при использовании такой пробки удается обеспечить инжекцию в виде более мелких пузырьков аргона.

Наиболее уязвимым местом при разрушении стопора на практике является его головка, подвергающаяся механическому износу и эрозии вследствие химических реакций [336]. Поэтому на практике головка стопора выполняется из более прочного материала либо на основе смеси оксида магния и графита на углеродной связке, либо на основе смеси оксида алюминия и графита с добавками диоксида циркония на углеродной связке. Оба эти материала вполне совместимы с материалом основного тела стопора и поэтому прессуются совместно.

Стакан-дозатор (рисунок 4.10), устанавливаемый в днище промковша, обеспечивает истечение стали и формирование компактной струи.

Стакан-дозатор

Рисунок 4.10 – Стакан-дозатор

Стойкость стакана-дозатора, полученного методом изостатического прессования, определяется общей прочностью материала, препятствующей его разрушению в процессе разливки, локальным разрушением стакана-дозатора в зоне его контакта с головкой стопора, скалыванием материала в месте контакта с погружным стаканом и скоростью зарастания его внутренней полости неметаллическими и шлаковыми включениями. Кроме того, при частой замене погружного стакана может происходить частичное разрушение (скалывание) нижней части стакана-дозатора, которая может быть выполнена как плоской (при стыковке «конус в конус», так и сферической при стыковке «сфера в сферу»). В этом случае происходит свободный подсос воздуха во внутреннюю полость погружного стакана, что значительно повышает интенсивность вторичного окисления струи стали и разрушает материал изделия.

Аналогично погружным стаканам уменьшение скорости зарастания внутренней полости стакана-дозатора может быть достигнуто с использованием специального керамического «антиклоггингового» покрытия, связывающего тугоплавкие оксиды алюминия, оседающие на поверхности стакана-дозатора, в легкоплавкие соединения. Установлено, что такое покрытие в 2-3 раза повышает длительность работы погружного стакана без промываний кислородом [337].

Для успешного проведения разливок в режиме, когда уровень металла в кристаллизаторе поддерживается стопорным механизмом, высокие требования предъявляются как к кинематике стопора, так и к системе автоматики. Это связано, в первую очередь, с высокими скоростями разливки, характерными для заготовок малых сечений, получаемых на сортовой МНЛЗ.

Система автоматического регулирования стопором должна обеспечивать автоматический запуск машины (подсистема «быстрый старт») и автоматическое поддержание заданного уровня металла в кристаллизаторе в режиме разливки. Для обеспечения требуемого быстродействия, привод стопорного механизма выполняется гидравлическим с пропорциональным регулированием. Контроль уровня металла в кристаллизаторе осуществляется изотопным датчиком, а информация о перемещении стопора формируется датчиком линейного перемещения штока гидроцилиндра стопорного механизма. Структурная схема системы управления стопорным механизмом промковша для сортовой МНЛЗ ПАО «ЕМЗ» (рисунок 4.11) представляет собой двухконтурную систему подчиненного регулирования с внутренним контуром регулирования положения стопора и внешним контуром, замкнутым обратной связью по сигналу об уровне металла в кристаллизаторе. Регулятор контура положения стопора выполнен пропорциональным, а регулятор уровня металла в кристаллизаторе – пропорционально-интегрально-дифференциальным (PID – регулятор).

Структурная схема системы управления стопорным механизмом промковша

Рисунок 4.11 – Структурная схема системы управления стопорным механизмом промковша

В основу автоматического управления системой набора и поддержания уровня металла в кристаллизаторе положено математическое моделирование процесса быстрого старта МНЛЗ. Автоматический запуск системы осуществляется в режиме, когда внешний контур регулирования отключен, а задание на перемещение стопора формируется из так называемой таблицы «быстрого старта». В этой таблице содержится информация о требуемом положении стопора при заполнении кристаллизатора металлом в функции времени от начала процесса. При достижении уровнем металла 15-20% рабочей зоны изотопного датчика, подключается внешний контур регулирования, и дальнейшее наполнение кристаллизатора и поддержание требуемого уровня в процессе разливки происходит под управлением внешнего PID–регулятора уровня металла в кристаллизаторе.

Математическая модель позволяет отработать методику наладки как отдельных регуляторов, так и системы управления в целом. Следует отметить, что принятые допущения при разработке модели и неточности при определении параметров объекта регулирования позволили получить качественное математическое описание системы регулирования. В процессе наладки были уточнены лишь предварительно заданные количественные величины настроечных коэффициентов.

В ходе настройки системы управления был проведен ряд экспериментальных разливок с различной серийностью на разных ручьях. Установлено, что в процессе разливки в нештатных (критических) режимах возможен перевод ручья на ручное управление стопором. Показано, что при дальнейшем переходе к автоматическому регулированию для дискретных регуляторов необходимо формировать начальные условия, соответствующие текущему состоянию объекта регулирования. Преимуществами такой автоматической системы разливки следует считать обеспечение высокой степени стабильности процесса литья при возможности оперативного регулирования расхода стали за счет изменения положения стопора-моноблока.

Разработанное и проверенное посредствам моделирования математическое описание системы автоматического управления стопорным механизмом и подсистемы «быстрый старт» успешно прошло отладку и опытно-промышленное опробование на контроллерах МНЛЗ-2 ПАО «ЕМЗ». На рисунке 4.12 приведены экранные копии системы управления и визуализации. Настроечные параметры системы заложены программно и в экранных копиях не отображаются.

Структура системы регулирования стопорным механизмом

Рисунок 4.12 – Структура системы регулирования стопорным механизмом

  Раздел 4.2
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ