О проблемах в управлении и автоматизации ЭШТП в области повышения качества металла и уменьшения энергозатрат плавки

Приведены основные проблемы в управлении и автоматизации ЭШТП. Выявлено, что существующие методики выбора электрического режима ЭШТП рассматривают установку отдельно, вне комплекса, что не позволяет оптимизировать работу установки с точки зрения выполнения главных технологических требований для ЭШТП...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
1. Verfasser:	Иванова, О.С.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2015
Schriftenreihe:	Процессы литья
Schlagworte:	Новые методы и прогрессивные технологии литья
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160459
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	О проблемах в управлении и автоматизации ЭШТП в области повышения качества металла и уменьшения энергозатрат плавки / О.С. Иванова // Процессы литья. — 2015. — № 3. — С. 14-19. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-160459
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1604592019-11-07T01:25:46Z О проблемах в управлении и автоматизации ЭШТП в области повышения качества металла и уменьшения энергозатрат плавки Иванова, О.С. Новые методы и прогрессивные технологии литья Приведены основные проблемы в управлении и автоматизации ЭШТП. Выявлено, что существующие методики выбора электрического режима ЭШТП рассматривают установку отдельно, вне комплекса, что не позволяет оптимизировать работу установки с точки зрения выполнения главных технологических требований для ЭШТП. Наведено основні проблеми в управлінні та автоматизації ЕШТП. Виявлено, що існуючі методики вибору електричного режиму ЕШТП розглядають установку окремо, поза комплексу, що не дозволяє оптимізувати роботу установки з точки зору виконання основних технологічних вимог для ЕШТП. The main problems of the control and automation ESСR are depicted. Revealed that the existing procedures for the selection of the electric mode ESCR consider installing separately, outside the complex doesn’t allow to optimize the operation of the system in terms of performance of the main technological requirements for ESCR. 2015 Article О проблемах в управлении и автоматизации ЭШТП в области повышения качества металла и уменьшения энергозатрат плавки / О.С. Иванова // Процессы литья. — 2015. — № 3. — С. 14-19. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0235-5884 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160459 669.187.56 ru Процессы литья Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Новые методы и прогрессивные технологии литья Новые методы и прогрессивные технологии литья
spellingShingle	Новые методы и прогрессивные технологии литья Новые методы и прогрессивные технологии литья Иванова, О.С. О проблемах в управлении и автоматизации ЭШТП в области повышения качества металла и уменьшения энергозатрат плавки Процессы литья
description	Приведены основные проблемы в управлении и автоматизации ЭШТП. Выявлено, что существующие методики выбора электрического режима ЭШТП рассматривают установку отдельно, вне комплекса, что не позволяет оптимизировать работу установки с точки зрения выполнения главных технологических требований для ЭШТП.
format	Article
author	Иванова, О.С.
author_facet	Иванова, О.С.
author_sort	Иванова, О.С.
title	О проблемах в управлении и автоматизации ЭШТП в области повышения качества металла и уменьшения энергозатрат плавки
title_short	О проблемах в управлении и автоматизации ЭШТП в области повышения качества металла и уменьшения энергозатрат плавки
title_full	О проблемах в управлении и автоматизации ЭШТП в области повышения качества металла и уменьшения энергозатрат плавки
title_fullStr	О проблемах в управлении и автоматизации ЭШТП в области повышения качества металла и уменьшения энергозатрат плавки
title_full_unstemmed	О проблемах в управлении и автоматизации ЭШТП в области повышения качества металла и уменьшения энергозатрат плавки
title_sort	о проблемах в управлении и автоматизации эштп в области повышения качества металла и уменьшения энергозатрат плавки
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Новые методы и прогрессивные технологии литья
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160459
citation_txt	О проблемах в управлении и автоматизации ЭШТП в области повышения качества металла и уменьшения энергозатрат плавки / О.С. Иванова // Процессы литья. — 2015. — № 3. — С. 14-19. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
series	Процессы литья
work_keys_str_mv	AT ivanovaos oproblemahvupravleniiiavtomatizaciiéštpvoblastipovyšeniâkačestvametallaiumenʹšeniâénergozatratplavki
first_indexed	2025-07-14T13:05:57Z
last_indexed	2025-07-14T13:05:57Z
_version_	1837627718870499328
fulltext	14 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) Новые методы и прогрессивные технологии литья УДК 669.187.56 О. С. Иванова Национальный технический университет Украины «КПИ», Киев О ПРОБЛЕМАХ В УПРАВЛЕНИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ ЭШТП В ОБЛАСТИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА И УМЕНЬШЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПЛАВКИ Приведены основные проблемы в управлении и автоматизации ЭШТП. Выявлено, что су- ществующие методики выбора электрического режима ЭШТП рассматривают установку отдельно, вне комплекса, что не позволяет оптимизировать работу установки с точки зрения выполнения главных технологических требований для ЭШТП. Ключевые слова: межэлектродный промежуток, управление, автоматизация, электрошла- ковая тигельная плавка (ЭШТП), оптимизация. Наведено основні проблеми в управлінні та автоматизації ЕШТП. Виявлено, що існуючі мето- дики вибору електричного режиму ЕШТП розглядають установку окремо, поза комплексу, що не дозволяє оптимізувати роботу установки з точки зору виконання основних технологічних вимог для ЕШТП. Ключові слова: міжелектродний проміжок, управління, автоматизація, електрошлакова тигельна плавка (ЕШТП), оптимізація. The main problems of the control and automation ESСR are depicted. Revealed that the existing procedures for the selection of the electric mode ESCR consider installing separately, outside the complex doesn’t allow to optimize the operation of the system in terms of performance of the main technological requirements for ESCR. Keywords: interelectrode gap, control, automation, electroslag crucible remelting (ESCR) opti- mization. Введение Важнейшим направлением обеспечения качества и увеличения производите- льности металлургической продукции является создание автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Вместе с тем, металлургические процессы − одни из наиболее энергоёмких в промышленности. Энергосбережение при производстве продукции различными энергоносителями (электроэнергией, природным газом, инертными газами, кислородом, мазутом) − одно из важнейших направлений снижения себестоимости выплавляемой стали. Проблема совершенствования существующих и создание новых систем управления процессами специальной электрометаллургии, в частности электрошлаковой тигельной плавкой (ЭШТП), не утратила своей актуальности. Наоборот, в связи с рас- тущей потребностью в слитках, так называемых суперсплавов, для нужд энергетики, металлурги столкнулись с тем, что существующие сегодня системы управления ЭШТП не обеспечивают достаточной стабильности процесса, особенно контроля заглубления электрода в шлак и стабильной производительности [2]. Передовыми заграничными и отечественными фирмами в настоящее время разработано несколько моделей и систем управления ЭШТП. Иностранные раз- работки ориентируются на высокое качество исходных материалов, практически недостижимое для предприятий Украины. Поэтому внедрение таких разработок на отечественных предприятиях не приводит к положительному результату. ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) 15 Новые методы и прогрессивные технологии литья Отечественные разработки, как правило, ориентированы на стабилизацию отдельных параметров процесса, чего явно недостаточно. Поэтому, прежде всего, необходи- мо обратить внимание на улучшение автоматической системы управления печами ЭШТП (АСУ ТП ЭШТП), основанной на соответствующей математической модели. Постановка задачи В отличие от установок электрошлакового переплава (ЭШП), в технологическом смысле автономных, оптимизация режимов установок ЭШТП возможна только в составе технологической линии фасонного электрошлакового литья (ФЭЛ), центробежного электрошлакового литья (ЦЭШЛ) или электрошлакового кокильного литья (ЭКЛ), так как продукт ЭШТП − жидкий металл − является промежуточным. Главным технологическим требованием, предъявляемым к ЭШТП, является совпадение во времени в момент окончания плавки двух условий: накопление заданного количества жидкого металла и достижение им заданной температуры. Возможны два варианта работы комплекса ФЭЛ, ЦЭШЛ или ЭКЛ, когда порядок работы комплекса определяется в первом случае − тигельной плавкой, а во втором − литейным оборудованием. В первом случае необходимость повышения производительности, а во втором − необходимость согласования плавильного и литейного оборудования ставят вопросы управления электрическим режимом ЭШТП не только с целью удовлетворения главного технологического требования, но и с целью минимизации времени плавки (в первом случае), окончания плавки к заданному моменту времени (во втором). Обзор литературных данных показал, что существующие методики выбора электрического режима ЭШТП рассматривают установку отдельно, вне комплекса, что не позволяет оптимизировать работу установки с точки зрения выполнения главных технологических требований для ЭШТП [3]. Решение по управлению требует наличия описания электрошлакового тигля, как накопителя и непосредственно объекта управления. Если для классического электрошлакового переплава этот вопрос достаточно хорошо рассмотрен, то для установок ЭШТП в литературных источниках такой информации выявлено недостаточно. Поэтому по результатам анализа нужно сформулировать пути решения данного вопроса. В результате анализа установлено, что работу необходимо проводить по двум направлениям: создание автоматизированной системы контроля и управления; разработка математической модели с целью исследования процесса электрошлакового переплава и создание оптимальной математической модели управления в функции сосредоточенных параметров производительности. Целью исследований является изучение регулировочных характеристик установ- ки ЭШТП, так как они отражают влияние на режим печи воздействий, которые непо- средственно и есть управляющими − изменение положения электрода в шлаковой ванне и изменение напряжения. С целью оценки влияния на эти факторы тепловых процессов в условиях нелинейности шлаковой ванны необходимо построить стати- ческие и динамические регулировочные характеристики с и без учёта нелинейности. Результаты исследований Особое значение имеет регулировочная характеристика при изменении положения электрода в шлаковой ванне − одном из основных воздействий при динамическом управлении режимом плавки. В то же время прямое измерение межэлектродного промежутка затруднено, и для описания положения электрода в шлаке необходимо использовать косвенные параметры – электрический ток или электрическое сопротивление шлаковой ванны. В связи с этим, вместо регулировочной характеристики при изменении положения электрода в шлаковой ванне обычно строятся регулировочные характеристики, которые принадлежат функции указанных косвенных параметров. 16 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) Новые методы и прогрессивные технологии литья Такие характеристики называются электрическими. Фактически они являются внешними характеристиками источника питания с добавочным сопротивлением в виде сопротивления токоподводов и не отражают электротехнологических процессов в самой ванне. Определение связей параметров электрического режима шлаковой ванны осуществляют с помощью электрических характеристик, полученных экспериментальным или расчётным путём зависимостей входного сопротивления ванны и положения электрода в ней [1]. Так как шлаковая ванна в общем случае является условно-нелинейным элементом, зависимость величины межэлектродного промежутка от сопротивления ванны является неоднозначной. Таким образом, регулировочная характеристика может быть представлена в виде совокупности электрической характеристики, описывающей процессы в электрической цепи независимо от электротехнологических режимов установки, и зависимости величины межэлектродного промежутка от сопротивления шлаковой ванны, отражающей влияние электротехнологических режимов ванны на её электрический режим. В установках электрошлакового переплава нелинейностью шлаковой ванны часто можно пренебречь, что в значительной мере упрощает расчёты электрических режимов печей. В установках электрошлаковой тигельной плавки шлаковая ванна обладает существенной нелинейностью, и поэтому возможность такого упрощения требует специального анализа. Проявление этой нелинейности из-за высокой инерционности процессов преобразования электрической энергии в тепловую различно при разных скоростях изменения режимов. С этой точки зрения все задачи управления установками ЭШТП можно разделить на 2 группы: статические, связанные с выбором оптимальных режимов плавки; динамические, сопряженные с анализом быстро изменяющихся режимов (например, при автоматическом регулировании режимов). Мы определили, что для мощности ванны, как являющейся одним из параметров режимов шлаковой ванны, операторное уравнение в относительных отклонениях, описывающее регулировочные характеристики как по положению электрода в шлаке, так и по напряжению, имеет вид: ш 2 2 / ( ) ( ), 1 1p p C P U p h p W Wγ γ ψ ∆ = ⋅ ∆ + ⋅ ∆ + ψ + (1) где ∆Рш(р), ∆U2(p), ∆hш(p) − относительные отклонения мощности шлаковой ванны вторичного напряжения трансформатора и межэлектродного промежутка в операторной форме соответственно; ψ − характерный параметр подводящей сети печи. Здесь передаточная функция Wpγ(p) выступает как характеристика тепловой условной нелинейности шлаковой ванны. Поэтому при рассмотрении установки как квазилинейной можно считать Wpγ(р) = 0, тогда выражение (1) превращается в известное: ш 2 ш2 ( ) ( ).P U p h p C ψ ∆ = ∆ + ⋅ ∆ (2) где C = (Rш/Rш) ⋅ h − коэффициент, зависящий от положения электрода в шлаке; Rш = dRш/dh. При учёте нелинейности для статических характеристик можно вместо передаточ- ной функции Wpγ(p) использовать коэффициент передачи Крγ (так как в установивше- мся режиме 0( )p p pW p Kγ = γ= ). Тогда вместо (1) имеем: ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) 17 Новые методы и прогрессивные технологии литья ш 2 2 / ( ) ( ). 1 1p p C P U p k p K Kγ γ ψ ∆ = ⋅ ∆ + ⋅ ∆ + ψ + (3) Зависимости межэлектродного промежутка от сопротивления шлаковой ванны имеют особое самостоятельное значение, поскольку сопротивление шлаковой ванны используется в качестве косвенного параметра управления, отражающего величину межэлектродного промежутка. Считая постоянными химсостав и высоту ванны и учитывая, что для статических режимов 0( )p p pW p Kγ = γ= , можно записать: ш 1 1 p p K h C R CK γ γ + ψ ∆ = ⋅ ⋅ + . (4) Анализ уравнения показывает, что нелинейность шлаковой ванны, влияние которой выражается через коэффициент Крγ уменьшает крутизну статической зависимости h = f (Rш). Влияние нелинейности проявляется в различной степени в зависимости от положения рабочей точки режима. При приближении к режиму максимальной мощности (ψ стремится к нулю) влияние нелинейности ослабевает. Статическая зависимость сопротивления ванны от межэлектродного промежутка при учёте нелинейности неоднозначна. Увеличение мощности при росте питающего напряжения приводит к увеличению межэлектродного промежутка при неизменном сопротивлении ванны. Известно, что для электрошлаковых печей режим максимальной мощности наступает независимо от ступени напряжения при неизменном сопротивлении шлаковой ванны, равном полному сопротивлению токоподвода, то есть при условии Rш = Rш/Z = 1 Для квазилинейных печей, где сопротивление ванны однозначно определяется величиной h, максимум регулировочной характеристики Pш = f (h) независимо от ступени, напряжения соответствует одному и тому же значению h. Аналогично увеличиваются межэлектродные промежутки и в других режимах, что нарушает условия оптимальности технологии. Для снятия этого противоречия необходимо уменьшать сопротивление ванны, из зоны экономичных режимов (R ш >1), что сужает зону режимов с понижением расходов энергии. Учёт этого явления особенно важен для крупных печей с повышенными сопротивлениями токоподводов и с низкими сопротивлениям ванны. Эти положения позволяют сделать вывод о том, что при стабилизации сопротивления шлаковой ванны проявление нелинейности будет вести к изменению положения электрода в шлаке. Это явление необходимо принимать во внимание при наиболее распространённом на практике управлении режимом плавки со стабилизацией сопротивления шлаковой ванны. Во избежание отклонения положения электрода в шлаке от заданного требуется введение в задание коррекции функции мощности шлаковой ванны по R ш . Исходя из выражения (3) можно сделать вывод о непосредственном влиянии нелинейности шлаковой ванны на ход статических регулировочных характеристик через коэффициент Kpγ. Направленность и степень влияния нелинейности определяются положением рабочего режима, который характеризуется параметром ψ. 18 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) Новые методы и прогрессивные технологии литья Отсюда следует, что влияние нелинейности ВАХ шлаковой ванны на её мощность, описанное для статических характеристик коэффициентом Kpγ наиболее существенно в начальный период плавки, когда значение сопротивления подводящей сети печи из-за большей ширины электрода велико, и режим максимальной мощности расположен наиболее близко к точке рабочего режима. В дальнейшем по мере плавления электрода и уменьшения его сопротивления параметры подводящей сети улучшаются, режим максимальной мощности смещается в нижнюю часть шлаковой ванны и влияние нелинейности ослабевает. Применительно к одному и тому же периоду плавки влияние нелинейности проявляется сильнее на более крупных печах, характеризующихся большими значениями сопротивлений подводящей сети печи. Важным следствием вышесказанного может являться то, что пренебрежение нелинейностью ВАХ шлаковой ванны при расчётах не позволит определить момент возможного перехода через точку максимума мощности при регулировании режима установки, что нарушает работу регулятора режима из-за изменения направления отработки возмущения и может привести к некорректной работе регулятора и возникновению аварийного режима. Из привёденного анализа ясно, что при решении статических задач − выборе области оптимальных режимов установки ЭШТП, если не учетывать влияние нелинейности шлаковой ванны как приёмника электроэнергии, будут значительные погрешности в расчётах. Так, максимальная погрешность определения мощности шлаковой ванны при анализе всего диапазона изменения положения электрода в ванне достигает 15 %. Вблизи рабочего для ЭШТП режима (малое заглубление электрода в шлак) при отклонении межэлектродного промежутка на 10 % погрешность определения мощности ванны составляет 5-8 %. Для массовой скорости плавки значения погрешностей аналогичны. Значения соответствующих погрешностей для напряжения шлаковой ванны составляют 40 и 20 %, а для тока печи – 30 и 6-8 %. Наиболее существенна погрешность определения сопротивления шлаковой ванны. Максимальная погрешность достигает 80 , а при 10%-ном отклонении от рабочего режима погрешность доходит до 8-10 %. Приведённые данные не оставляют сомнений в том, что для целей статического анализа установки ЭШТП должны использоваться регулировочные характеристики, полученные при представлении шлаковой ванны как приёмника электроэнергии условно-нелинейным элементом. Выводы • Все задачи управления установками ЭШТП можно разделить на 2 группы: ста- тические, связанные с выбором оптимальных режимов плавки; динамические, свя- занные с анализом быстро меняющихся режимов (например, при автоматическом регулировании режимов). • Математическая модель процесса ЭШТП должна позволять определять: в электроде–температурное поле и скорость плавления; в шлаковом слое – темпера- турное поле, поля гидродинамических скоростей и поля электрических потенциалов; в жидком металле – температурное поле. •Регулировочная характеристика может быть представлена в виде совокупности электрической характеристики. • Для целей статического анализа установки ЭШТП должны использоваться регулировочные характеристики, полученные при представлении шлаковой ванны как приёмника электроэнергии условно-нелинейным элементом. ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) 19 Новые методы и прогрессивные технологии литья 1. Электрошлаковая тигельная плавка и разливка металла / Б. И. Медовар, В. Л. Шевцов, В. М. Мартын и др. / Под ред. Б. Е. Патона, Б. И. Медовара; АН УССР, Ин-т электросварки им. Е. О. Патона. – Киев : Наук. думка, 1988. – 170-175 с. 2. Один миллион тонн стали ЭШП выплавлен с использованием ЭВМ / В. В. Моисеев, М. К. Закамаркин, М. А. Лоиферман, В. В. Четвертных // Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины. – Киев: Проблемы специальной электрометаллургии: Международный научно-теоретический и производственный журнал НАН Украины. 2001. – № 3. – С. 15-19. 3. Миронов Ю. М. Основы управления электрошлаковыми печами : Учеб. пособие / Ю. М. Миро- нов // Чуваш. гос. ун-т им. И. Н. Ульянова. – Чебоксары : ЧГУ, 1987. – 57-67 с. Поступил 10.02.2015 К сведению читателей и подписчиков! Телефон редакции журнала «Процессы литья»: (044) 424-04-10

О проблемах в управлении и автоматизации ЭШТП в области повышения качества металла и уменьшения энергозатрат плавки

Institution

Ähnliche Einträge