Разработка и исследование системы обнаружения шлака в струе расплавленного металла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Формакидов, Антон Михайлович

• Формакидов, Антон Михайлович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Формакидов, Антон Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ.

1.1. Вопросы чистоты стали.

1.2. Выпуск металла из конвертера в сталь-ковш и проблема обнаружения шлака в струе металла.

1.3. Зарубежные разработки систем обнаружения шлака.

1.4. Актуальность разработки системы обнаружения шлака.

1.5. Постановка задач.

1.6. Геометрические, тепловые и технологические требования к системе.23 Выводы.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

2.1. Описание электромагнитных преобразователей.

2.2. Разработки в области электромагнитного контроля несплошных сред. Методы анализа.

2.3. Схема замещения электромагнитного преобразователя.

2.4. Математическое моделирование электромагнитного преобразователя

2.5. Используемые методы и средства математического моделирования.

2.6. Допущения, принятые при математическом моделировании.

2.7. Результаты математического моделирования.

2.8. Расчет теплового поля в леточном блоке конвертера.

2.9. Физическое моделирование электромагнитных преобразователей.

Выводы.

3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ШЛАКА.

3.1. Разработка структуры системы.

3.2. Разработка алгоритма работы системы.

Выводы.

4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМЫ.

4.1. Общие сведения.

4.2. Результаты испытаний.

4.3. Оценка эффективности работы системы.

4.4. Анализ архивов работы системы.

Выводы.

5. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ШЛАКА В СТРУЕ МЕТАЛЛА.

5.1. Постановка задачи и исходные данные.

5.2. 1-й шаг. Выбор частоты питания преобразователя.

5.3. 2-й шаг. Выбор диаметра преобразователя.

5.4. 3-й шаг. Выбор параметров преобразователя и источника питания.

5.5. Рекомендации по обработке сигнала преобразователя.

5.6. Особенности системы обнаружения шлака при сливе металла из сталь-ковша.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование системы обнаружения шлака в струе расплавленного металла»

В производстве стали все более существенным является обеспечение ее чистоты и сокращение брака. При переливании жидкой стали из одной металлургической емкости (конвертер, сталь-ковш, промежуточный ковш) в другую важным является обеспечение минимального попадания шлака, находящегося на поверхности стали, в нижнюю емкость.

Существо проблемы состоит в следующем. При отсутствии специальных автоматических средств обнаружение шлака в струе металла осуществляется визуально оператором, контролирующим процесс. Визуальное обнаружение шлака возможно при выходе шлака на поверхность струи благодаря цветовому отличию шлака от металла. Однако шлак в начале слива попадает в струю через воронку и протекает по центру. При выходе на поверхность его цветовое отличие от стали настолько незначительно, что даже опытному сталевару зачастую не удается вовремя остановить разливку, и большая часть шлака вытекает вместе со сталью. В ряде случаев наблюдение за струей усложняет запыленность воздуха и то, что сталевар находится в условиях сильного теплового излучения.

Исключить проникновение шлака возможно при заблаговременном окончании слива, однако при этом часть стали будет потеряна.

Таким образом, при стремлении производителя обеспечить высокое качество и конкурентоспособность стали затруднено обеспечение ее чистоты при визуальном контроле переливания из одной емкости в другую.

Актуальность работы определяется следующими факторами.

Существующие зарубежные автоматические системы обнаружения шлака, работающие на электромагнитном принципе, доказали свою эффективность. Отечественные металлурги сейчас проявляют к ним активный интерес. Однако эти системы имеют высокую стоимость приобретения и высокую стоимость обслуживания. Возник вопрос о создании более дешевой и удобной в эксплуатации отечественной системы.

Описания существующих систем и материалы зарубежных печатных источников ограничены и не содержит достаточных сведений для их реализации, развития и успешной адаптации к отечественным условиям.

Поэтому система обнаружения шлака в струе металла не может быть разработана в России без предварительного прикладного научного исследования.

Потребность в создании и внедрении отечественной системы автоматического обнаружения шлака, была объективирована Магнитогорским металлургическим комбинатом (ОАО «ММК»), выступившим в качестве заказчика настоящей работы.

Экономическая эффективность и обоснование использования автоматической системы обнаружения шлака складывается, в основном, из следующих составляющих.

• Повышение качества стали.

• Снижение прямых затрат на ферросплавы и алюминий, добавляемых в сталь и вступающих в реакцию со шлаком.

• Уменьшение потерь при аварийных ситуациях, обусловленных уменьшением стойкости шиберного затвора сталеразливочного ковша при прохождении через него конвертерного шлака с высокой долей окислов.

• Снижение затрат на футеровку ковшей, разрушающуюся под воздействием шлака;

Разработка отечественной системы обнаружения шлака позволит получить более низкую ее стоимость по сравнению с зарубежными аналогами, в основном благодаря снижению составляющей интеллектуального труда разработки, удельный вес которой в цене системы довольно высок. Более низкая цена системы позволит производителю не повышать заметно цену стали, обеспечивая тем самым ее конкурентоспособность.

Область техники и науки, к которой относится работа

Работа относится к области электротехники, а именно к системам электрооборудования объектов технологических процессов, в частности, в металлургии, с использованием электромагнитных устройств, устройств преобразования и обработки сигналов, устройств отображения и хранения информации. Разрабатываемая система входит в общий комплекс электрооборудования и автоматики конвертера.

Особенности, накладываемые областью применения на разработку, являются определяющими и связаны, прежде всего, с условиями эксплуатации системы обнаружения шлака, которые предполагают повышенную температуру и вероятность контакта с жидким металлом, конструктивные, технологические и эксплуатационные особенности объекта автоматизации.

Цель работы - разработка и исследование системы обнаружения шлака в струе жидкой стали, промышленное испытание образца системы.

Основные научные задачи, поставленные в работе:

• Научный анализ и теоретическое исследование характеристик электромагнитного преобразователя, чувствительного к появлению шлака в струе металла.

• Формулировка требований и разработка алгоритма работы системы на основании теоретических и экспериментальных исследований сигналов электромагнитного преобразователя.

• Разработка рекомендаций для инженерного проектирования систем автоматического обнаружения шлака с электромагнитным преобразователем.

Научная новизна работы состоит в следующих основных положениях, которые выносятся на защиту.

• выбраны параметры электромагнитного преобразователя и рассчитаны его характеристики,

• разработан алгоритм работы системы и алгоритм обработки сигнала преобразователя,

• экспериментально подтверждены характеристики преобразователя и получены динамические параметры изменения его сигнала,

• предложена методика проектирования системы обнаружения шлака.

Использование научных средств анализа

При математическом моделировании использовались методы конечных элементов для расчета параметров магнитного поля преобразователя. При экспериментальных исследованиях применялось дискретное преобразование Фурье, цифровая фильтрация сигналов.

В качестве программного средства для моделирования электромагнитного поля использовалась программа Maxwell. Для теплового расчета - программа Quick Feild. В экспериментальных исследованиях использовалась специализированная среда визуального программирования LabView.

Практические результаты работы состоят в разработке, промышленном испытании и внедрении системы автоматического обнаружения шлака при сливе стали из конвертера.

Достоверность результатов

Достоверность результатов теоретических исследований, полученных с помощью математической модели, подтверждается результатами, полученными при экспериментальных исследованиях макета преобразователя и при натурных испытаниях в реальных условиях работы.

Апробация работы

Результаты работы апробировались в виде докладов на конференциях и публикаций.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 печатные работы: [24] -[27].

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Формакидов, Антон Михайлович

Выводы

1. Разработанная система обнаружения шлака прошла испытания на Магнитогорском металлургическом комбинате. В составе системы были испытаны различные конструкции электромагнитных преобразователей круглой и квадратной формы, имеющие различные габаритные размеры.

2. Минимальные размеры преобразователя с точки зрения удобства встройки должны составлять не менее, чем 780x830 мм. Требуемая стойкость преобразователя была достигнута только при размерах 1250x1250 мм.

3. При сравнении результатов математического и физического моделирования с результатами натурного эксперимента различие в величинах приращения сигнала преобразователя составило не более 20%. Это подтверждает, что допущения, которые были сделаны при моделировании (в частности, допущение статичности струи металла) не существенно повлияли на результат расчета.

4. Анализ динамических характеристик изменения сигнала преобразователя потребовал коррекции постоянных времени цифровых фильтров, которые в итоге составили т\ = 0,5 с, т2= 8 с.

5. При изучении шумовой составляющей в сигнале преобразователя было установлено, что значительная ее часть возникает по причине пульсаций струи металла. Величина сигнал/шум минимальна при «новой» летке, когда диаметр выпускного канала минимальный, а пульсации струи велики из-за неровностей внутренней поверхности выпускного канала. При этом эквивалентный шум вычисляемого параметра [Шлак] может составлять до 20%.

6. Средний выигрыш по времени определения момента проникновения шлака в струю металла системой по сравнению с оператором составил 3,2 секунды. При этом средняя расчетная величина эквивалентного количества шлака, которое могло быть пропущено за это время, составляет 0,476 тонны.

5. Методика проектирования системы обнаружения шлака в струе металла.

5.1. Постановка задачи и исходные данные

В данной работе осуществлено проектирование системы обнаружения шлака для 375-тонного конвертера и связанных с ним параметров леточного блока и струи металла. Методические рекомендации, приведенные в этой главе, позволят выбрать параметры проходного преобразователя и системы при заданных размерах леточного блока и диаметре струи металла, требованию к минимальной величине обнаруживаемого шлака, а также к сроку службы преобразователя. Приведенные характеристики соответствуют диапазону диаметров корпусов леточного блока от 1000 до 2000 мм и диаметру струи - от 100 до 180 мм.

5.2. 1-й шаг. Выбор частоты питания преобразователя

Частота питания преобразователя определяет глубину проникновения электромагнитного поля в струю жидкой стали. Требуемая глубина проникновения связана с размером струи металла и минимальной величиной содержания шлака в струе, которое требуется обнаружить.

Анализ характеристик проходного преобразователя, полученных путем математического моделирования, показал, что каждому диаметру струи металла соответствует некоторая оптимальная частота, не зависящая от размера преобразователя, при которой абсолютное приращение сигнала максимально. Кроме того, оптимальная частота зависит от минимальной величины содержания шлака. На Рис. 67 представлены характеристики, с помощью которых можно осуществить выбор оптимальной частоты питания преобразователя для конкретных условий. Так, например, для диаметра струи металла 180 мм и минимального содержания шлака, равного 20%, оптимальная частота составляет 200 Гц.

Рис. 67. Зависимость оптимальной частоты питания преобразователя от размера струи металла

5.3. 2-й шаг. Выбор диаметра преобразователя

Выбор размера преобразователя производится путем анализа двух противоречивых факторов: чувствительность и срок службы. Под чувствительностью понимаем величину относительного изменения сигнала на измерительной обмотке преобразователя при появлении 20% шлака в струе металла.

Срок службы определяется рабочей температурой преобразователя, которая зависит среднего размера его обмоток. Для примера, рассмотрена зависимость срока службы провода ПОЖ-700 от рабочей температуры (см. Рис. 68). Рассмотрено три варианта размеров корпуса леточного блока (Элет = 1000, 1500, 2000 мм) и струи металла (DcTp = 100, 140, 180 мм). Для каждой пары размеров построена зависимость относительной чувствительности (Рис. 69) и срока службы (Рис. 70).

Рис. 68. Зависимость срока службы провода ПОЖ-700 от температуры.

Для выбора диапазона допустимых размеров преобразователя необходимо установить два ограничения - минимальная чувствительность преобразователя и минимально допустимый срок службы.

4.5Е-04 4.0Е-04 х 3.5Е-04

I 3.0Е-04 о. я | 2.5Е-04 I | 2.0Е-04

I 3

I 1.5Е-04 g 1.0E-04 5 5.0E-05 0,0E+00

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Диаметр преобразователя, мм йлет = 2000мм, dctp= 180мм —Рлет = 1500мм, Dctp=140mm .

Элет= 1000мм, Dct р=100мм

N

N *

Рис. 69. Относительное изменение сигнала преобразователя при появлении 20% шлака в струе металла в зависимости от размера преобразователя при разных размерах корпуса летки и струи металла.

100000

10000

ЗР 1000 с; 100 о о. о

10

1 -------1-1-

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Диаметр преобразователя, мм

•—DneT = 2000мм, DcTp= 180мм —•—Элет = 1500мм, DcTp= 140мм — йлет = 1000мм, DcTp= 100мм

I

Рис. 70. Зависимость срока службы преобразователя от его диаметра при разных диаметрах корпуса летки и струи металла.

Предел по минимальной чувствительности преобразователя может быть связан с разрядностью АЦП. Так 16-ти разрядный АЦП предполагает 32768 десятичных единиц на амплитуду измеряемого гармонического сигнала. Таким образом, АЦП позволяет измерить относительное изменение сигнала, равное 1 / 32768 = 3,05 -10"5. Величина требуемого срока службы определяется технологией работы с футеровкой, периодичностью ее ремонта. Так для конвертера ОАО «ММК» этот срок нами принят равным 5 месяцам или 3600 часов.

По Рис. 69 можно определить, что для леточного блока с диаметром 2000 мм и струей металла с диаметром 180 мм, при ограничении минимальной относительной чувствительности к 20% шлака равной 3 -10"5 диаметр преобразователя должен быть не более 1200 мм. А по Рис. 70 видно, что срока службы преобразователя не менее 3600 часов возможен при диаметре преобразователя не менее 1100 мм. Выбираем из этого диапазона максимальный размер Dn = 1200 мм, руководствуясь желанием обеспечить лучшую защиту преобразователя от жидкого металла.

5.4. 3-й шаг. Выбор параметров преобразователя n источника питания

Выбранный для проектирования проходной электромагнитный преобразователь имеет в своем составе две концентрично намотанных обмотки: обмотку возбуждения и измерительную обмотку. Обмотка возбуждения подключена к источнику переменного напряжения. Необходимо выбрать число витков обмоток и требуемую величину тока возбуждения.

При математическом моделировании преобразователя были получены величины удельного сигнала. Величина полного сигнала при этом рассчитывается следующим образом:

АЕ2о = АЕ2оуд ' Ib'Wb-Wh , где

1в - амплитуда тока возбуждения, Wb - число витков обмотки возбуждения, Wh — число витков измерительной обмотки.

Характеристики величины удельного сигнала в зависимости от диаметра преобразователя приведены на Рис. 71.

Рассмотрим возможные параметры преобразователя со средним диаметром катушек 1200 мм при размере леточного блока 2000 мм и диаметре струи металла 180 мм. Удельный сигнал такого преобразователя при 20% шлака в струе по металла будет равен 8*10" В (см. Рис. 71)

Рис. 71. Удельное изменение сигнала преобразователя при появлении 20% шлака в струе металла в зависимости от размера преобразователя при разных размерах корпуса летки и струи металла.

Если задаться требуемой величиной приращения сигнала АЕ2о = 0,1 мВ, можно записать:

Ib-Wb-Wh = ДЕ2о / АЕ20уд = 0, МО'3/ 8-10"8 = 1250. Выбираем следующие величины параметров: Wb = Wh = 30,1в = 1,4 А. Этот выбор основан на желании использовать обмоточный провод и электрический кабель с небольшим сечением жил. При выборе меньшего числа витков обмотки возбуждения ее полное сопротивление будет мало и сравнимо с сопротивлением соединительного кабеля.

Рассчитаем электрические параметры обмоток преобразователя.

При диаметре медной жилы обмоточного провода <1ж = 1,5 мм, удельном соЛ противлении меди рм = 0,017 Ом мм /м, длине витка 1в = 1200*4 = 4,8м, активное сопротивление катушки определяется следующим образом: Rk = рм • 1вит / Wk = 0,017- 4,8 / (я • 1,52 / 4) • 30 Rk = 1,38 0м

Расчет индуктивности катушки производим по методике описанной в [3]. Lk = 3,25 мГн

При частоте напряжения возбуждения fB = 200 Гц, рассчитаем полное сопротивление катушки:

Zk = (Rk2 + (2- я • fB • Lk)2) = 4,31 Ом

Напряжение питания обмотки возбуждения преобразователя составит: Un = lb-ZK= 1,4-4,31 =6,0В

Мощность источника питания: Рп = Un • 1в = 6,0 -1,4 = 8,4 ВА.

Таким образом, преобразователь для конвертера с диаметром леточного блока 2000 мм и диаметром струи металла 180 мм будет иметь характеристики, приведенные в таблице (Таблица 22). Аналогично можно выбрать параметры для других исходных данных.

Заключение

Анализ проблемы обнаружения шлака в струе металла показал целесообразность и актуальность ее решения, в частности, для отечественных предприятий. Зарубежные разработки в данной области технически не раскрыты, они использовались в работе в качестве исходного материала на уровне принципов действия. Для создания отечественной системы потребовалось проведение самостоятельных исследований в области электромагнитного преобразователя и создания алгоритмов работы.

Математическое моделирование основного звена системы - электромагнитного преобразователя проведено с использованием метода конечных элементов в двумерной плоскостной и осесимметричной модели поля, реализованной с использованием программы Maxwell. В результате моделирования получены семейства характеристик двух типов преобразователей: проходного и экранного. Сравнение характеристик позволило сделать выбор в пользу проходного преобразователя. Величина вносимой ЭДС преобразователя нелинейно изменяется при изменении содержания шлака в струе металла, зависит от диаметра струи металла и характера проникновения шлака в струю.

Физическое моделирование преобразователей подтвердило результаты расчета и позволило получить характеристики преобразователей при несимметричном течении шлака в струе металла.

Результаты анализа электромагнитного преобразователя позволили выбрать его размеры, параметры обмоток, частоту и амплитуду напряжения питания, а также сформулировать требования к обработке сигналов и отстройки от мешающих факторов.

На основании сведений о зарубежных аналогах и в результате собственных исследований проведена функциональная детализация системы, сформулированы требования к отдельным функциональным блокам. Разработаны алгоритм работы системы и последовательность преобразования сигналов.

Промышленные испытания разработанной системы были проведены на конвертере Магнитогорского металлургического комбината. В результате испытаний подтвердились характеристики преобразователей, полученные при моделировании. Был отработан алгоритм системы. Получены данные о реальной динамике изменения сигналов, что позволило скорректировать параметры цифровой фильтрации. При оценке эффективности работы системы выявлено опережение сигнала системы по сравнению с обнаружением шлака оператором в среднем на 3,2 секунды, что эквивалентно 0,476 тонны пропускаемого в сталь-ковш шлака.

На основании проведенных исследований, результаты которых подтверждены промышленными испытаниями, приведены рекомендации для разработки системы обнаружения шлака с другими исходными данными (размер леточного блока, диаметр струи металла, требования по чувствительности системы к шлаку).

Разработанная система обнаружения шлака испытана и сдана в промышленную эксплуатацию на трех конвертерах ОАО «ММК» (акт внедрения прилагается).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Формакидов, Антон Михайлович, 2003 год

1. Абламунец И.Г., Шатерников В.Е. Параметры вихретоковых преобразователей расположенных над движущейся пластиной // Дефектоскопия.- 1977.-№1.-С. 14-20.

2. Герасимов В.Г., Клюев В.В., Шатерников В.Е. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий-М.: Энергоатомиздат, 1983. 272 с.

3. Калантаров П.Л., Цейтлин J1.A. Расчет индуктивностей. Справочная книга.— JL: Энергоатомиздат, 1986. 488 с.

4. Классен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике М.: Постмаркет, 2002. - 352 с.

5. Массманн П., Гартен JI. Опыт эксплуатации системы раннего обнаружения шлака ESD 100 фирмы «АМЕПА» // Сталь.- 1999г.- №3.- С. 13 15.

6. В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, В.В. Сухоруков. Неразрушающий контроль. Электромагнитный контроль. Практическое пособие: В 5 т.- М.: Высшая школа, 1992 Т. 3.- 402 с.

7. Процессы непрерывной разливки: Монография / Смирнов А.Н., Пилюшенко B.JL, Минаев А.А., Момот С.В., Белобров Ю.Н. и др. Донецк: ДонНТУ, 2002.-536 с.

8. Смольский С.М., Филиппов Л.И. Научное исследование и диссертация как регулярный процесс. М.: Издательство МЭИ, 2002.- 124 с.

9. Стрельцов К.К., Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. М.: Энергоатомиздат, 1996.- 426 с.

10. Ю.Терехов Ю.Н. Электромагнитный контроль параметров цилиндрических изделий проходными преобразователями: Дис. . канд. техн. наук. М., 1974г. -212 с.

11. Технология производства стали в современных конвертерных цехах / Колпаков С.В., Старов Р.В., Смоктий В.В. и др.- М.: Машиностроение, 1991.544 с.

12. Эффективность методов отсечки шлака при сливе металла из конвертера Штилькеринг Б. // Металлургическая и горнорудная промышленность.-2002.-№10.-С. 38-41.

13. Bolger D., KrauseP. Automated tundish drain control. Steelmaking conference proceedings, 1997 p. 245 - 247.

14. Bolger D., Gutrie R.I.L., Kings D.H.M. Ladle shroud slag detector. Steelmaking conference proceedings, 1996 p. 481 - 484.

15. Dauby P.H., Havel D.F. A Steel quality lapfrog-detection and elimination of la-dle-to-tundish slag carru-over. I&SM, July, 1990 - p. 2732.

16. Device for detecting slag flowing with molten metal through an outlet opening in a metallurgical vessel: U.S. Patent 4,887,798 / Edmund Julius (Fed. Rep. of Germany). -7c.: ил.

17. Downey M., Conte J., Gordon P. Ladl-tandish slag detector using Vibration measurements. Steel Times, September, 1992 - p. 416 - 417.

18. Fritz F., Grabner H. A system for slag separation, slag coating and automatic tapping of the BOS converter. Steel Times, April, 1994.- p. 143 - 146.

19. Krajcik W.J, Kelly J.E. First year's results using the R.A.D.A.R. Vibra-acoustic ladle slag detector system at inland's №1. Slab caster-steelmaking conference proceedings, 1996. p. 475 - 480.

20. Julius E. Betribsergebnisse und Weiterentwicklungen bei der elektromag-netischen schlackenerkennung. Steel and Metals Magazin, Vol.27, № Vi, 1989. -p. 60-64.

21. Julius E., Bertermann K. Advances in Furnace Tapping. Steelmaking conference proceedings, 2002.- p. 583 594.

22. Method and apparatus for the detection of slag co-flowing with a streame of molten metal: U.S. Patent 4,816,758 / Wolfgang Theissen (Fed. Rep. of Germany). -9 е.: ил.

23. Slag sensor taphole assembly: U.S. Patent 4,718,644 / John P. Hoffman (Fed. Rep. of Germany). -6c.: ил.

24. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

25. Разработка и промышленная эксплуатация на ОАО «ММК» системы раннего обнаружения шлака «ДШ-К» фирмы ЗАО «ТЕХНОАП». Тахаутдинов Р.С., Носов А.Д., Бузинник В. М., Бодяев Ю. А., Сорокин А.Н., Формаки-дов A.M. // Черные металлы 2002 - №5 - С. 12 - 14.

26. Система раннего обнаружения шлака. Носов А.Д., Дьяченко В.Ф. Бузинник В.М., Формакидов A.M. Труды седьмого конгресса сталеплавильщиков.— г. Магнитогорск, 2002. С. 238 - 242.