3.Методы измерения уровня металла в кристаллизаторах мнлз

Для измерения уровня металла в кристаллизаторах МНЛЗ в настоящее время применяются датчики, использующие, в основном, следующие физические принципы измерения:

- радиоизотопный, т.е. поглощение γ-квантов, эмитируемых источником радиоактивного излучения (Co-60, Cs-137);

-оптический, т.е. использование оптического анализа положения поверхности жидкого металла в кристаллизаторе;

- электромагнитный, т.е. использование реакции электромагнитной системы на положение мениска жидкого металла;

Рассмотрим основные достоинства и недостатки этих методов.

3.1. Радиометрический (радиоизотопный) метод

До последнего времени он является самым распространенным в мире способом измерения уровня металла в кристаллизаторах.

Преимущества:

- длительный период функционирования;

- высокая надежность;

Основные недостатки:

- требует специального согласования на применение в связи наличием радиоактивного излучения, в некоторых странах запрещен к применению;

- требует специальных мер предосторожности;

- замена кристаллизатора, как правило, включает в себя замену системы.

3.2.Измерение по методу инфракрасного излучения

Измерение уровня осуществляет электронная камера, направленная на поверхность жидкого металла в кристаллизаторе под некоторым углом.

Угол наклона камеры подбирают таким образом, чтобы некоторая зона изменения уровня попадала в поле зрения камеры, воспринимающей инфракрасное излучение поверхности металла.

Преимущества: при замене кристаллизатора нет необходимости в новой настройке системы, которая удалена от кристаллизатора на некоторое расстояние.

Недостатки:

- требуется чистая поверхность металла в кристаллизаторе;

- система чувствительна к оптическим помехам;

- точность измерения ограничена величиной ±10 мм.

3.3.Электромагнитные системы

Магнитное поле переменного тока, которое индуцируется катушкой, встроенной в одну из стенок кристаллизатора, воспринимается другой катушкой.

Уровень металла в кристаллизаторе влияет на формирование переменного магнитного поля и величину наведенного напряжения, поскольку часть магнитных силовых линий замыкается на металл.

Возможен вариант монтажа измерительных катушек датчиков EMLI на подвесных кронштейнах, как показано на рис.5р.

Рис. 5р. Контроль и управление уровнем металла в кристаллизаторе МНЛЗ

с использованием датчиков EMLI.

3.4.Измерение уровня металла в кристаллизаторе методом вихревых токов

Метод разработан фирмой «Ниппон кокан». Измерительная катушка – излучатель расположена над зеркалом жидкого металла кристаллизатора в защитном керамическом стакане и питается от высокочастотного генератора напряжением с частотой 50 кГц.

Приближение зеркала металла к стационарно установленному излучателю вызывает появление вихревых токов в металле тем большей величины, чем меньше расстояние до металла.

Вихревые токи в металле возбуждают собственное магнитное поле, которое изменяет импеданс измерительной катушки и выходное напряжение датчика.

Преимущества:

- на измерение не влияют порошки, покрывающие зеркало металла;

- нет необходимости монтировать заново систему при замене кристаллизатора.

Недостатки:

- затруднена установка на кристаллизаторах малых сечений;

- чувствителен к магнитным помехам.

3.5.Электронно-оптическая лазерная система

Лазерный излучатель посылает серию импульсов в инфракрасном диапазоне перпендикулярно поверхности металла. Отраженные сигналы вос-

принимаются измерительной камерой; время прохождения импульсом полного пути «излучение – прием» пересчитывается в уровень.

Преимущества:

- возможность измерения уровня на всю глубину кристаллизатора;

- высокая точность измерения с хорошими динамическими показателями;

- нет необходимости в замене системы при смене кристаллизатора.

- на показания прибора не влияют колебания температуры металла, интенсивности его собственного излучения, посторонние источники света, изменения количества шлака.

Погрешность измерения не превышает ± 10 мм.

Основные недостатки:

- установка измерителя затруднена ввиду ограниченности пространства над кристаллизатором.

Известны и другие методы измерения уровня жидкого металла в кристаллизаторах МНЛЗ, но они не нашли широкого промышленного применения:

- метод измерения электрической проводимости;

- ультразвуковой метод;

- микроволновый метод;

- оптико- триангуляционный метод;

- термоэлектрический метод и др.

Наиболее серьезным конкурентом радиоизотопным уравнемерам многие специалисты считают метод вихревых токов, получивший широкое применение в Японии и появившийся в Италии.

4.Динамка систем автоматической стабилизации уровня металла в кристаллизаторе.

Основные требования качеству регулирования уровня металла в кристаллизаторе сводятся к следующему:

1. Уровень металла в кристаллизаторе должен быть надежно стабилизирован с возможно меньшим значением площади регулирования, без статической погрешности, либо с ошибкой, которая не превышает:

± 15 – 20 мм на МНЛЗ, для отливки мелкосортной заготовки;

± 5 – 10 мм на МНЛЗ для отливки слябов.

- Затухание переходных процессов в системе стабилизации уровня должно происходить достаточно интенсивно, со степенью затухания ψ не менее 0,8 – 09; ( ψ = (а2 – а1) / а1).

2. Перемещения стопора (шибера скользящего затвора) промковша должны быть минимальными.

3. Не допускаются пульсации струи металла, который поступает в кристаллизатор в процессе разливки.

4. Не должно быть перерывов струи металла в ходе разливки.

Изложенные требования предполагают применения астатических систем регулирования или статических, у которых статизм укладывается в заданный интервал статических ошибок.

В аналитической форме это требование может быть сведено к минимизации интегрального квадратичного критерия:

I2 = ∫ X1dτ, где:

X1 – уровень металла в кристаллизаторе.

Однако, применение в чистом виде критерия I2 входит в противоречие с требованиями пункта 2, так как приводит к весьма значительной колебательности системы (перерегулирование достигает 40%).

Таким образом, необходимо совмещать эти два требования, обеспечив минимизацию I2 при удовлетворительном затухании колебаний.

Требования пункта 3 можно выполнить при помощи закона управления, который минимизирует функционал вида:

Q = ∫ (X²1 + m1U² ) dτ, при X1(∞) = 0, где:

U – управляющее воздействие на стопор ( шибер) промковша;

m1 – весовой коэффициент;

и выбора соответствующих настроек П, ПИ, или ПИД регулятора.

Однако, надо иметь в виду значительный диапазон изменений астатического коэффициента передачи объекта «промковш – кристаллизатор – тянущие клети» Ка^об при стопорном дозировании металла в кристаллизатор ( смотри рис. 4р. ).

При таких свойствах объекта необходимо проектировать систему регулирования с переменными настройками параметров выбранного алгоритма, связав эти параметры с фактическим значением Ка^об.

Вариант структуры системы автоматической стабилизации уровня металла в кристаллизаторе МНЛЗ представлен на рис.5р.

Технологические требования, которые предъявляются к процессу управления литьем заготовок в условиях дозаторной подачи металла в кристаллизатор и при регулирующем воздействии, направленном на скорость вытягивания слитка, в значительной мере сходны с требованиями к этому процессу при стопорном дозировании. Однако по сравнению со стопорными машинами эти требования носят более жесткий характер и сводятся к следующему:

1. Уровень металла в кристаллизаторе должен быть надежно стабилизирован с возможно меньшими значениями площади регулирования без остаточной неравномерности или с неравномерностью не более

± 15 – 20 мм около заданного значения.

2. Затухание переходных процессов должно быть достаточно быстрым.

3. Скорость вытягивания слитка не должна выходить за разрешенные технологические пределы (как правило, ± 10 – 15%) от номинальной скорости вытягивания, так как это может привести к разрыву слитка (в случае повышения скорости) или к переохлаждению его (в случае понижения скорости).

4. Ускорение привода тянущих клетей не должно превышать определенной

технологической величины.

В то же время задача стабилизации уровня металла в кристаллизаторе облегчается в связи с относительным постоянством динамических характеристик объекта регулирования.

Размывание стаканов – дозаторов промковша происходит и в этом случае, однако теперь оно представляет лишь монотонное возмущение, с которым должна справиться система стабилизации уровня.

В случае же стопорного дозирования металла, истекающего из промковша, размывание дозирующих устройств вызывает не только нарушение равновесия в системе, но и существенно меняет основную и единственную характеристику объекта регулирования – астатический коэффициент передачи Ка^об. Это явление детально исследовано ранее.