/
Author: Глинков Г.М. Косырев А.И. Шевцов Е.К.
Tags: металлургия управление предприятиями, организация производства, торговли и транспорта обработка металлов металлы автоматизация автоматизация технологических процессов
ISBN: 5-229-00229-8
Year: 1989
Similar
Text
Г.М.Глийков
А.И.Косырев
Е.К.Шевцов
КОНТРОЛЬ
И АВТОМАТИЗАЦИЯ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
Г. М. глинков,
А. И. КОСЫРЕВ,
Е. К. ШЕВЦОВ
КОНТРОЛЬ
И АВТОМАТИЗАЦИЯ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
Под научной редакцией
проф. докт. техн, наук Г. М. Глинкова
Допущено Государственным комитетом СССР по народному образо-
ванию в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по
специальности «Металлургия черных металлов»
МОСКВА «Металлургия» 1989
УДК 669. 1:65. 011.56 (075)
Рецензенты: кафедра металлургических печей Уральского по-
литехнического института им. С. М. Кирова и проф. Г. Д. Сургучев
УДК 669. 1:65. 011.56 (075)
Контроль и автоматизация металлургических процессов: Учебник
для вузов. Глинков Г. М„ Косы рев А. И., Шевцов Е. К.
М Металлургия, 1969. 352 с.
Изложены основные понятия и элементы теории автоматического
регулирования. Описаны способы и средства контроля параметров
металлургических процессов и элементы систем автоматического
регулирования. Рассмотрена автоматизация процессов агломерации
и окомкования железных руд, доменной плавки, выплавки стали в
мартеновских печах, кислородных конвертерах, дуговых и индукци-
онных электрических печах, а также непрерывной разливки стали.
Отмечены особенности применения ЭВМ в АСУ ТП доменного и
сталеплавильного производств.
Учебник предназначен для студентов металлургических вузов
специальности «Металлургия черных металлов». Ил. 165. Табл. 4.
Библиогр. список: 14 назв.
УЧЕБНИК
Герман Маркович ГЛИНКОВ,
Анатолий Иванович КОСЫРЕВ,
Евгений Кириллович ШЕВЦОВ
КОНТРОЛЬ И АВТОМАТИЗАЦИЯ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
Редактор издательства Г. А. Лебедева
Художественный редактор Ю. И. Смурыгин
Технический редактор Н. А. Сперанская
Корректоры В. М. Гриднева, И. М. Мартынова
ИБ 114
Сдано в набор 17.01.89. Подписано в печать 31.07.89. Т-14225. Формат б,маги
84Х10873. Бумага типографская № 2. Гарнитура литературная. Печать вы-
сокая. Усл. печ. л. 18,48. Усл. кр.-отт. 18.48. Уч.-изд л. 19,64. Тираж 48'_0 экз.
Заказ № 15. Цена 95 к. Изд. № 1676.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Металлургия», 119875,.
Москва. Г-34. 2-й Обыденский пер., д. 14.
Областная книжная типография,
320091, Днепропетровск, ул. Горького, 20.
ISBN 5-229-00229-8
2603000000-213
---------------35-89
040(01 )-89
© Издательство «Металлургия», 1989
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ........................................................................... 5
Глава I. Общие сведения по автоматизации
§ 1. Краткий исторический очерк развития автоматики . . 6
§ 2. Основные понятия 9
$ 3. АСУ ТП ......................................................................... 15
§ 4. Разновидности систем автоматического регулирования и
управления 25
§ 5. Схемы автоматизации технологических процессов ... 35
Глава II. Краткие основы теории автоматического регу-
лирования
§ 1. Статические и динамические характеристики .... 42
§ 2. Типовые динамические звенья ................ 50
§ 3. Соединение звеньев ........................................................... ... 60
§ 4. Объекты регулирования с сосредоточенными парамет-
рами ....................................... 61
§ 5. Автоматические регуляторы ... . . 65
§ 6. Замкнутые автоматические системы регулирования ... 71
§ 7. Нелинейные системы автоматического регулирования . . 87
Глава III. Методы получения информации о параметрах
технологических процессов и технические сред-
ства АСУ ТП
§ 1. Преобразователи и дистанционная передача сигналов 94
§ 2. Средства измерения давления газа, жидкости и пара . . 102
§ 3. Средства измерения расхода газообразных, жидких и
сыпучих материалов ...................................... 105
§ 4. Средства автоматического контроля температуры . . . 114
§ 5. Средства определения химических составов чугуна, ста-
ли и газов, окнсленности металла ............. 1126
§ 6. Понятия о технических средствах автоматики . 137
Глава IV. Автоматизация спекания и окомкования желез-
ных руд
§ 1. Особенности процессов агломерации и окомкования как
объектов управления ..................................... 144
§ 2. Методы автоматического контроля технологических про-
цессов на аглофабрике . . . 153
§ 3. Локальные системы автоматического регулирования аг-
ломерационного процесса ................................. 158
§ 4. АСУ ТП агломерационного производства ........................................... 167
§ 5. Автоматизация процесса обжига окатышей . 170
Глава V. Автоматизация доменного производства
§ 1. Особенности доменного процесса как объекта автома-
тического управления 172
§ 2. Автоматический контроль ................................ 177
§ 3. Локальные системы автоматического регулирования и
управления 180
§ 4. АСУ ТП доменного производства .....................189
3
Глава VI. Автоматизация мартеновских и двухванных
печей
§ 1. Особенности теплового и технологического режимов . . 199
§ 2 Автоматический контроль мартеновского процесса . 202
§ 3. Локальные системы управления ......................................... 205
§ 4. Особенности автоматизации двухванных печей .... 211
§ 5. АСУ ТП двухванных печей........................ ... 214
Глава VII. Автоматизация конвертерного процесса произ-
водства стали
§ 1. Технологические особенности конвертерного процесса как
объекта автоматического управления ........................217
§ 2. Контроль конвертерного процесса .... . 223
§ 3. Локальные системы управления и регулирования . . 227
§ 4. Математические модели .... 231
§ 5. Управление конвертерной плавкой 24’
§ 6. АСУ ТП выплавки стали . . 251
Глава VIII. Автоматизация непрерывной разливки стали
§ 1. Машины непрерывного литья заготовок как объекты ав-
томатического управления ................................. 254
§ 2. Автоматический контроль параметров разливки .... 263
§ 3. Локальные системы регулирования........................................ 267
§ 4. АСУ ТП непрерывной разливки стали . . 272
Глава IX. Автоматизация производства стали в дуговых
печах
§ 1. Особенности дуговой сталеплавильной печи как объек-
та автоматического управления..............................275
§ 2. Контроль параметров в ДСП ....................... . 277
§ 3. Автоматизация электрического режима . . . 283
§ 4. Автоматизация температурного режима..293
§ 5. Управление технологическим режимом....301
§ 6. Особенности автоматизации плазменных дуговых
печей 303
§ 7. АСУ ТП выплавки стали в ДСП . . 305
§ 8. АСУ электросталеплавильного цеха. 308
Глава X. Автоматизация специальных процессов производ-
ства стали
§ 1. Автоматизация индукционных печей.......................................312
§ 2. Автоматизация установок электрошлакового.пере-
плава . 3'18
§ 3. Автоматизация установок вакуум но-дугового пере-
плава 329
§ 4 Автоматизация электронно-лучевых печей . 338
Глава XI. Автоматизация ферросплавных печей
§ 1. Особенности ферросплавных печей как объекта автома-
тического управления 344
§ 2. Автоматизация электрического и технологического ре-
жимов 346
Предметный указатель ........................................................350
Рекомендательный библиографический список ...................................351
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
XXVII съезд КПСС поставил задачу коренной рекон-
струкции промышленности страны, в том числе и черной
металлургии. Эта реконструкция невозможна без широ-
кой автоматизации всех агрегатов и производств. Более
того, в новых и реконструируемых агрегатах автоматика
должна представлять собой неотъемлемую составную
часть всего технологического процесса. Без этого невоз-
можно создание современных высокопроизводительных
агрегатов и процессов. Особую роль автоматизация иг-
рает в черной металлургии, характеризующейся большой
единичной мощностью агрегатов, высокой степенью ин-
тенсификации производства и повышенными требования-
ми к качеству продукции, существенно возрастающими
по мере совершенствования производства во всех отрас-
лях промышленности, потребляющих металлопродукцию.
В этих условиях инженеру-металлургу необходимы зна-
ния о принципах автоматического контроля и регулиро-
вания, о методах и практике построения и использования
систем автоматического регулирования и управления.
Книга представляет собой учебник по дисциплине
«Автоматизация металлургических процессов» для спе-
циальности «Металлургия черных металлов». В ней
последовательно изложены обшие понятия и положения
теории и практики автоматического регулирования, мето-
ды и средства получения информации о параметрах тех-
нологического процесса и автоматическое управление
процессами подготовки сырья к доменной плавке, полу-
чения чугуна и стали. Показана необходимость и рас-
смотрена практика использования микропроцессорной
техники и электронных вычислительных машин.
Учебник подготовлен на основании курсов лекций,
которые авторы длительное время читали в Московском
вечернем металлургическом и Мариупольском металлур-
гическим институтах. Профессором Г. М. Блинковым
написаны гл. I, II, VI—VIII; доцентом Е. К. Шевцовым
гл. IV и V; доцентом А. И. Косаревым гл. IX—XI;
гл. III написана Г. М. Блинковым и Е. К. Шевцовым
Авторы выражают признательность преподавателям
кафедры металлургических печей Уральского политех-
нического института, а также проф. Б. Д. Сургучеву за
большой труд по рецензированию рукописи и те ценные
замечания, которые позволили существенно улучшить
предлагаемые читателю материалы.
Б
Глава I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО АВТОМАТИЗАЦИИ
§ 1. Краткий исторический очерк развития автоматики
Идея создания машин и устройств, которые бы работали
без участия человека, возникла очень давно. Появление
первых автоматически действующих устройств пресле-
довало развлекательные или религиозные цели. Практи-
ческого значения автоматы древности и средневековья,
за редким исключением, не имели. Одним из первых
автоматических устройств практического назначения
явился маятниковый регулятор хода в часовых механиз-
мах (для стабилизации скорости хода), примененный
Гюйгенсом в 1657 г.
Первые автоматические устройства промышленного
назначения появились в связи с изобретением и разви-
тием паровых машин. Первым промышленным автома-
тическим регулятором явился поплавковый регулятор
питания парового котла, разработанный знаменитым
русским механиком Н. И. Ползуновым в 1756 г. В 1784 г.
англичанин Д. Уатт разработан регулятор скорости па-
ровой машины. Длительное время автоматические устрой-
ства для обеспечения заданного режима работы паровых
машин и турбин представляли собой основную группу
автоматических промышленных регуляторов.
Со второй половины XIX века большую роль в разви-
тии автоматики стала играть электротехника. Электри-
ческие автоматические устройства начинают проникать
во все отрасли техники. Одним из первых автоматичес-
ких электрических устройств был электромагнитный
регулятор скорости паровой машины, разработанный
русским механиком и электротехником К. И. Констан-
тиновым в 1854 г.
Распространение автоматических регуляторов вызва-
ло потребность в разработке теоретических основ их
работы и расчета. Одна из первых работ в этом направ-
лении, выполненная русским математиком П. Л. Чебы-
шевым, посвящена теории работы астатического регуля-
тора. Основы научного подхода к проектированию
автоматических регуляторов были заложены русским
ученым И. А. Вышнеградским, работа которого «Об
общей теории регуляторов», опубликованная в 1876 г.,
по-существу, положила начало теории автоматического
6
регулирования и управления. Большой вклад в развитие
теории автоматического регулирования внесли работы
Д. Максвелла, И. Е. Жуковского, А. М. Ляпунова,
А. Стодолы, Гурвица и др.
Значительное развитие получили работы по теорети-
ческим и прикладным вопросам автоматики в нашей
стране. Фундаментальные работы выполнены И. Н. Воз-
несенским, А. А. Андроновым, И. М. Крыловым,
А. Н. Колмогоровым, А. В. Михайловым, Б. Н. Петро-
вым, Л. С. Понтрягиным, А. А. Фельдбаумом, В. В. Со-
лодовниковым, А. Г. Бутковским и многими другими.
Эти работы способствовали установлению приоритета
советской науки в ряде ведущих областей теории управ-
ления. Развитие науки позволило осуществить широкое
внедрение автоматического управления в технике и про-
мышленности, в том числе и в металлургии.
Начало работ по автоматизации процессов в черной
металлургии СССР следует отнести к концу 30-х годов
нашего столетия, когда были разработаны и внедрены
системы регулирования теплового режима мартеновских
печей на Магнитогорском и Кузнецком металлургических
комбинатах. В довоенные и первые послевоенные годы
основные усилия были направлены на создание систем
автоматического регулирования отдельных параметров
теп тового и технологического режимов металлургических
агрегатов, таких как температура, давление, влажность
и др. Широко развернулись работы по автоматизации
процессов в черной металлургии в 50-е годы. Созданы
системы регулирования доменных и мартеновских пе-
чей, нагревательных и термических печей, прокатных
станов, различных энергетических установок. Существен-
ные результаты были получены в области автоматизации
процессов электроплавки — разработаны системы управ
ления тепловым и электрическим режимами дуговых
печей. Эти же годы ознаменовались первыми попытками
применения вычислительной техники для управления
металлургическими процессами. Одной из первых попы-
ток можно назвать применение В. А. Сорокиным ЭВМ
для расчета и управления тепловым состоянием домен-
ных печей.
Со второй половины 60-х годов в связи с бурным
развитием ЭВМ и появлением достаточно дешевых быст-
родействующих и надежных ЭВМ в черной металлургии
всего мира началась эра АСУ — автоматизированных
систем управления с использованием ЭВМ. Это особен-
7
но стало необходимым, когда в черной металлургии
были созданы высокопроизводительные агрегаты боль-
шой единичной мощности (350-т кислородные конверте-
ры, прокатные станы производительностью более 5 млн. т
в год и др.), существенно возросли требования к ка-
честву продукции и экономичности производства.
Развитие АСУ идет по линии как систем управления
производством — АСУП, так и управления технологичес-
кими процессами — АСУ ТП. Применяются и так назы-
ваемые интегрированные АСУ, объединяющие выполне-
ние обеих задач. Одной из наиболее развитых
капиталистических стран в вопросах использования ЭВМ
и АСУ в черной металлургии является Япония: в 1984 г.
действовало 1433 больших ЭВМ, из них 455 ЭВМ общего
назначения и для управления производством и 978 ЭВМ
для управления технологическими процессами. Особо
большой эффект внедрение АСУ дает и при одновремен-
ной коренной реконструкции предприятия. Так, один из
японских заводов с годовой производительностью 6 млн. т
стали реконструирован в почти полностью автоматизи-
рованное предприятие. В результате производительность
труда повысилась в 2—4 раза, расход энергии снизился
на 5—20%.
Высокого уровня достигает развитие АСУ и примене-
ние ЭВМ на передовых металлургических комбинатах
СССР. Так, на Новолипецком металлургическом комби-
нате к 1985 г. автоматизированы с использованием ЭВМ
более 300 задач управления; АСУ выдает свыше 500
наименований документов. Автоматизированными сис-
темами управления технологическими процессами осна-
щены 29 наиболее крупных агрегатов комбината. Для
решения задач управления используется 59 больших и
мини-ЭВМ, а также 146 микро-ЭВМ. Особое значение
применение АСУ и ЭВМ имеет в настоящее время в
связи с намеченным XXVII съездом КПСС направле-
нием на коренную реконструкцию и перевооружение
промышленности, в том числе и черной металлургии.
АСУ призваны также сыграть главную роль в резком
увеличении производительности и увеличении условий
труда металлургов, существенном повышении качества
металлопродукции, создании безотходных и экологичес-
ки безопасных производств в черной металлургии.
§ 2. Основные понятия
В современной технике используется огромное число
автоматических устройств и систем, предназначенных,
однако, для решения лишь нескольких основных задач
автоматизации сигнализации, контроля, блокировки и
защиты, пуска и остановки, управления. В соответствии
с этими задачами подразделяются по значению и систе-
мы автоматики.
Системы автоматической сигнализации (САС) пред-
назначены для извещения обслуживающего персонала
о состоянии технологической установки или протекаю-
щего в ней технологического процесса.
Системы автоматического контроля (САК) осущест-
вляют без участия человека контроль различных вели-
чин, характеризующих работу технологического агрега-
та или протекающий в нем технологический процесс.
Встречаются системы централизованного контроля
(СЦК).
Системы автоматической блокировки и защиты слу-
жат для предотвращения возникновения аварийных
ситуаций в агрегатах и устройствах.
Системы автоматического пуска и остановки обеспе-
чивают включение, остановку различных приводов и ме-
ханизмов агрегата или установки по заранее заданной
программе.
Системы автоматического управления (САУ) пред-
назначены для управления работой тех или иных тех-
нических устройств и агрегатов или протекающими в
них технологическими процессами.
Важнейшими и наиболее сложными из перечислен-
ных систем являются системы автоматического управ-
ления. Управлением в широком смысле слова называет-
ся организация какого-либо процесса, обеспечивающего
достижение поставленной цели — цели управления. Ос-
новной задачей любого процесса управления является
выработка и реализация таких решений, которые при
данных условиях обеспечивают наиболее эффективное
достижение цели управления.
Процессы управления совершаются над объектами
управления (ОУ), которыми являются части технологи-
ческого процесса или агрегата, целиком технологические
процессы, агрегаты, цехи, производственные предприя-
тия и т. д. Процессом управления называется проведе-
ние операций, необходимых для поддержания и измене-
&
ния в требуемом направлении величин, характеризую-
щих технологический процесс, т. е. процесс управления —
это совокупность операций над объектом управления,
необходимых для достижения цели управления.
Целями управления технологическими процессами и
агрегатами могут быть: поддержание постоянного зна-
чения некоторой физической величины с заданной точ-
ностью, изменение величины по определенной наперед
заданной программе, получение оптимального значения
величины или некоторого обобщающего комплекса вели-
чин (максимальная производительность агрегата, мини-
мальная стоимость продукта, минимальное время пере-
хода объекта из одного состояния в другое) и т. д.
Если управление осуществляется непосредственно чело-
веком, то такое управление называют ручным. Если же
управление осуществляется без непосредственного учас-
тия человека, то такое управление называют автомати-
ческим. Автоматическое управление производится с по-
помощью автоматически действующих управляющих
устройств. Объект управления и управляющие устрой-
ства составляют систему автоматического управления
(САУ).
При наиболее простых целях управления (поддержа-
ние постоянного значения величины, изменение величины
по заданной программе и др.) процесс управления назы-
вают регулированием. Объекты управления — объекта-
ми регулирования (ОР), управляющие устройства —
автоматическими регуляторами, а системы автоматичес-
кого управления — системами автоматического регули-
рования (САР). Автоматическое регулирование это одна
из важнейших функций автоматического управления, без
осуществления которой невозможна работа большинства
систем управления. В сложных системах управления,
особенно с использованием ЭВМ, управлением называют
процесс выработки необходимого решения, а регулиро-
ванием— его реализацию на объекте.
Взаимодействие элементов системы принято изобра-
жать в виде структурных схем, на которых элементы
показаны простыми геометрическими фигурами, а свя-
зи между элементами соединительными линиями со
стрелками, показывающими направление передачи сиг-
нала.
В любом элементе системы (рис. Е1,п) можно выде-
лить m физических величин (переменных), воздейству-
ющих на этот элемент и называемых входными величи-
10
нами Хвхь Хвх2> Хвхт (группа ВХОДНЫХ величин Хвх).
На выходе элемента имеется п величин хВыхь Хвых2,
хвыхп, характеризующих результаты протекающих в нем
процессов и называемых выходными величинами (на
рис. I. 1,а группа выходных величин хВы»). Каждая вход-
ная величина воздействует на одну или несколько вы-
ходных величин; в общем случае В простейших
случаях элемент имеет одну входную и одну выходную
величины (рис. 1.1,6) и значение хвых полностью опре-
деляется Хвх-
Рис. 1,1. Элементы систем автоматического регулирования:
а—с несколькими входными и выходными величинами; б— с одной вход-
ной и одной выходной величинами; в — с обратной связью
Обычно через данный элемент существует однонап-
равленность воздействия (элемент обладает детектирую-
щими свойствами), т. е. хвх оказывает влияние на хВых,
но не наоборот. В более сложных случаях хвых может
оказывать обратное воздействие на вход элемента. При
этом говорят о наличии обратной связи, которая на
структурной схеме рис. 1.1,в представлена элементом
обратной связи (ОС). Обратная связь называется поло-
жительной, если ее введение увеличивает значение хВых
(по сравнению со значении хвых без обратной связи) и
отрицательной, если уменьшает значение хвых. При по-
ложительной обратной связи выходная величина ОС
х0.с суммируется с входной величиной хвх, при отрица-
тельной— вычитается. Таким образом входная величина
основного элемента при введении ОС xBxi=*nx±*o.c-
На рис. 1.2 показаны структурные схемы простейше-
го объекта регулирования и регулятора. На вход ОР
11
(рис. 1.2,а) поступают входные величины хвх, которые
включают в себя внешние возмущающие воздействия
(возмущения) z и регулирующее (управляющее) воз-
действие у. Возмущающими называются воздействия,
выводящие объект из состояния равновесия, т. е. нару-
шающие его материальный или энергетический баланс.
Регулирующие (управляющие) воздействия представ-
ляют собой воздействия, восстанавливающие прежнее
равновесие объекта или переводящие его в новое состо-
яние равновесия. В технических объектах и возмущаю-
щие, и регулирующие воздействия сводятся к измене-
нию подачи (отвода) вещества или энергии, только
первые возникают стихийно, вторые осуществляются це-
ленаправленно. Совершенно очевидно, что для осущест-
вления регулирующих воздействий требуются соответ-
ствующие ресурсы вещества или энергии, без которых
управление невозможно.
Рис. 12. Структурные схемы;
с — объект регулирования (ОР) с несколькими входными величинами;
<5 — то же, с одной входной величиной; в — регулятор (Р)
Выходная величина объекта х характеризует состоя-
ние объекта и называется регулируемой (управляемой)
величиной (в общем случае ОР имеет много входных и
выходных величин — многомерный объект). Таким обра-
зом на вход объекта поступают два типа входных вели-
чин гиг/, действующих по разным каналам.
В простейших случаях, когда и возмущающее г=г/в,
и регулирующее у воздействия осуществляются по одно-
му каналу, ОР возможно свести к элементу с одной
ВХОДНОЙ (г/1 = г/ + г/и) и одной выходной величиной (рис.
1.2.6).
Объект регулирования может быть разделен на более
простые элементы, отличающиеся по выполняемым фун-
кциям (рис. 1.3,а): регулируемый участок (собственно
технологический процесс или агрегат), чувствительный
элемент, дающий информацию о значении регулируемой
величины, и регулирующий орган, предназначенный для
реализации регулирующего воздействия у на объекте.
12
В ряде случаев в ОР включается и преобразующий эле-
мент, который позволяет получить выходную величину
чувствительного элемента в более удобной для даль-
нейшего использования формы по величине или физи-
ческой природе (чувствительный и преобразующий эле-
менты часто называют одним словом датчик).
а
Рис. 1.3. Развернутые структурные схемы объекта регулирования (а) и
регулятора (б) (РО — регулирующий орган; РУ—регулируемый участок;
ЧЭ — чувствительный элемент; ПЭ — преобразующий элемент; ЗЭ — за-
дающий элемент; СЭ — сравнивающий элемент; ИМ — исполнительный
механизм)
Объекты регулирования, которые возможно характе-
ризовать значением регулируемой величины в одной
точке пространства, называются объектами с сосредото-
ченными параметрами. Некоторые другие объекты необ-
ходимо характеризовать значением регулируемой вели-
чины в нескольких точках пространства (температура
металла по длине зоны вторичного охлаждения в MHJI3,
давление газов по высоте доменной печи) или распреде-
ленными в пространстве регулирующими воздействия-
ми. Такие объекты называются объектами с распреде-
ленными параметрами.
На рис. 1.2, в представлена структурная схема регу-
лятора, который имеет одну выходную величину у (ре-
гулирующее воздействие) и две входные — регулируе-
мую величину х и заданное значение регулируемой
величины х0 (задающее воздействие). Величины х и х0
сравниваются между собой и вырабатывается одна вход-
ная величина е=*о—х, называемая отклонением регули-
руемой величины от заданного значения. Величина е (1)
называется также ошибкой регулирования и имеет раз-
мерность регулируемой величины.
Регулятор (рис. 1.3,6) состоит из нескольких функ-
циональных элементов и включает в себя задающий
элемент (задатчик), позволяющий вручную установить
заданное значение регулируемой величины; сравниваю-
щий элемент, вырабатывающий величину отклонения
е=х0_х; преобразующий элемент, преобразующий вели-
чину отклонения в в соответствии с законом регулиро-
вания, реализуемом регулятором, и исполнительный ме-
13
ханизм, предназначенный для оказания регулирующего
воздействия на объект. Часто задающий и сравниваю-
щий элементы не включают в структуру регулятора и он
состоит только из преобразующего элемента и исполни-
тельного механизма. При этом входной величиной регу-
лятора становится отклонение регулируемой величины
от заданного значения е, а выходной величиной остается
положение выходного вала исполнительного механизма
у, выражаемое обычно в процентах полного его хода.
Выходной вал исполнительного механизма сочленен
с регулирующим органом и обычно перемещению выход-
ного вала исполнительного механизма соответствует пе-
ремещение регулирующего органа. При этом выходная
величина регулятора, выраженная в относительных еди-
ницах (% полного хода выходного вала исполнительного
механизма), равна входной величине объекта, выражен-
ной также в относительных единицах (% полного хода
регулирующего органа), и поэтому обозначаются оди-
наково— у.
Если соединить объект и регулятор на структурной
схеме в соответствии с принятыми обозначениями ве-
личин, то получится структурная схема системы автома-
тического регулирования (САР) одной величины (рис.
1.4,а). Выходная величина всей системы регулирования
и объекта 1—регулируемая величина х поступает в
сравнивающий элемент 2, в котором происходит ее сравне-
ние с заданным значением регулируемой величины
рис. 1.4. Структурная схема САР одной величины:
с — в укрупненном виде; б — в развернутом виде
(устанавливается вручную задатчиком 4) и вырабаты-
вается величина отклонения 8=х0_х. Регулятор 3, по-
лучая сигнал отклонения, в соответствии с законом ре-
гулирования (алгоритмом управления) вырабатывает
регулирующее воздействие у (перемещение выходного
вала исполнительного механизма, равное перемещению
14
регулирующего органа), поступающее на вход объекта.
Это регулирующее воздействие направлено на уменьше-
ние и, в конечном итоге, на устранение отклонения регу-
лируемой величины от заданного значения в, возникаю-
щего в результате возмущающих воздействий. В
рассматриваемой САР существует замкнутый контур ре-
гулирования, в котором регулятор осуществляет отри-
цательную обратную связь. Такие САР называются замк-
нутыми системами или системами с регулированием по
отклонению. Роль человека в такой системе сводится
только к установке задания регулятору; в остальном ста-
билизация (поддержание заданного значения) регули-
руемой величины осуществляется без участия человека,
т. е. автоматически.
На рис. 1.4,6 показана схема той же системы в раз-
вернутом виде с указанием функциональных элементов
ОР и регулятора (сравнивающий и задающий элементы
не включены в состав регулятора).
§ 3. АСУ ТП
В результате последовательного развития промышленных
систем управления под влиянием увеличения мощности
технологических агрегатов, повышения требования к
качеству ведения процессов, возрастания объемов ин-
формации, появления быстротекущих технологических
процессов и других обстоятельств возникла проблема
автоматизации собственно процесса управления—про-
цесса принятия решений. Появились автоматизирован-
ные (часть функций выполняется автоматически, а
часть — человеком) системы управления (АСУ), т. е. чело-
веко-машинные системы, реализующие автоматизирован-
ный процесс сбора и переработки информации, которая
необходима для принятия решений по управлению объек-
том в целом. В этих АСУ в процессе сбора и переработки
информации участвуют электронные вычислительные
машины (ЭВМ). При этом роль человека остается су-
щественной, так как ряд задач принятия решений в силу
их сложности и неизученности не поддается формализа-
ции (математическому описанию), их выполнение не
может быть полностью автоматизировано и остается за
человеком. Следует подчеркнуть особую роль в работе
АСУ оператора-технолога, так как именно он, а не опе-
ратор ЭВМ, обладая знаниями технологии, способен при-
нимать правильные решения.
16
Автоматизированные системы управления подразделя-
ются на автоматизированные системы управления произ-
водством (АСУП) и автоматизированные системы управ-
ления технологическими процессами (АСУ ТП).
Объединение нескольких АСУ ТП между собой и с
Рис. 1.5. Иерархический принцип по-
строения автоматизированных систем
управления производством
АСУП, осуществляемое
с целью повышения об-
щей технической и эко-
номической эффектив-
ности их функциониро-
вания, приводит к появ-
лению интегрированных
АСУ (ПАСУ). Интегри-
рованные АСУ строят-
ся, как правило, по ие-
рархическому принци-
пу, представленному на
рис. 1.5. На верхней сту-
пени стоит отраслевая
АСУ (ОАСУ), с кото-
рой последовательно
связаны АСУП на пред-
приятии, АСУП в цехах
и на участках и на ниж-
ней ступени находятся
АСУ ТП.
Функции АСУ ТП
Принято различать информационные и управляющие
функции АСУ ТП.
К информационным относятся такие функции, ре-
зультатом выполнения которых является представление
оператору (или какому-либо внешнему получателю) ин-
формации о ходе управляемого процесса. Характерные
примеры информационных функций АСУ ТП:
1) контроль за основными параметрами процесса,
т. е. непрерывная проверка соответствия параметров до-
пустимым значениям;
2) измерение или регистрация по вызову оператора
тех параметров процесса, которые его интересуют в хо-
де управления процессом;
3) вычисление некоторых комплексных показателей,
неподдающихся непосредственному измерению;
4) вычисление технико-экономических показателей
работы объекта и др.
16
Управляющие функции АСУ ТП включают в себя
действия по выработке и реализации управляющих воз-
действий на объект управления. Примеры управляющих
функций:
1) стабилизация управляемых величин технологичес-
кого процесса на некоторых постоянных значениях;
2) программное изменение режимов процесса;
3) формирование и реализация управляющих воз-
действий, обеспечивающих оптимальное течение техно-
логического процесса;
4) защита оборудования от аварий;
5) управление пусками и остановками агрегатов и
ДР-
Состав АСУ ТП
Процесс функционирования АСУ ТП по существу явля-
ется процессом целенаправленного преобразования вход-
ной информации в выходную. Это преобразование вы-
полняется совместно двумя главными компонентами:
оперативным персоналом и техническим обеспечением
(комплексом технических средств—КТС). Именно они
собирают информацию от объекта управления, обрабаты-
вают и анализируют ее,
а затем принимают ре-
шения по управлению и
реализуют их в виде
выходной информации,
формируя соответст-
вующие воздействия на
объект. Схема взаи-
модействия основных
компонентов АСУ ТП
показана на рис. 1.6.
Для обеспечения рабо-
ты оперативного персо-
нала необходимо ор-
низационное обеспече-
ние, представляющее
собой совокупность до-
кументов, устанавлива-
ющих порядок и прави-
ла функционирования
персонала (техноло-
гические инструкции,
Рис, Л6. Схе-а взачмоде! ствия оснсигьпе
компонентов АСУ ТП “ j "W'P
17
списания и инструкции по эксплуатации системы и
др.). В свою очередь для обеспечения работы основ-
ной части комплекса технических средств — ЭВМ тре-
буется программное обеспечение. Под программой приня-
то понимать алгоритм, представленный в форме, воспри-
нимаемой вычислительной машиной.
Алгоритм — это инструкция по решению какой-либо
задачи, определяющая последовательность этого реше-
ния и выполненная на формальном языке математичес-
ких формул и логических условий. Применительно к
АСУ говорят об алгоритмах управления, которые также
представляют собой формальные инструкции о том, как
надо обработать входную информацию и выработать це-
лесообразные управляющие воздействия. Программы
создаются на основе математического обеспечения АСУ
ТП, под которым понимается совокупность математичес-
ких методов, моделей и алгоритмов, используемых при
разработке и функционировании АСУ ТП. Математичес-
кое обеспечение подразделяется на общее математичес-
кое обеспечение и специальное математическое обеспече-
ние. Первое обеспечивает решение стандартных задач
и функционирование собственно ЭВМ. Второе обеспечи-
вает решение специальных задач, свойственных данной
АСУ. На основе специального математического обеспе-
чения разрабатывается пакет прикладных программ для
решения определенных задач. Роль инженера-технолога
в разработке специального математического обеспечения
состоит в постановке задач управления и участии в соз-
дании математических моделей.
Специальное математическое обеспечение вместе с
программным, вернее его недостаточность, является
самым слабым местом современных АСУ ТП. Это наи-
более «наукоемкая» и дорогая часть АСУ, стоимость
которой во многих случаях превышает стоимость КТС,
включая ЭВМ.
В комплекс технических средств входят средства по-
лучения, преобразования, передачи и отображения ин-
формации, управляющие и вычислительные устройства,
т. е. полный набор средств автоматизации и вычисли-
тельной техники, используемых в системе.
Главной частью КТС является ЭВМ — вычислительный
комплекс (ВК) АСУ ТП.
Разновидности АСУ ТП
Современные АСУ ТП очень разнообразны и отличаются
друг от друга по степени автоматизации объекта, приме-
няемым техническим средствам и т. п.
а) АСУ ТП с вычислительным комплексом, выполня-
ющим информационные функции. Эта разновидность
АСУ ТП включает в себя локальные системы автомати-
ческого контроля и регулирования, объединенные цент-
ральным пунктом управления, на котором работает
оператор. Оператор в соответствии с технологической
инструкцией осуществляет дистанционное управление от-
дельными исполнительными механизмами или изменяет
задания регуляторам в локальных системах регулирова-
ния. Вычислительный комплекс выполняет информацион-
ные функции централизованного контроля, вычисления
некоторых комплексных показателей, не поддающихся
непосредственному измерению, а также контроля работы
и состояния оборудования, т. е. ВК дает дополнительную
информацию оператору, которую он использует при уп-
равлении процессом.
б) АСУ ТП с вычислительным комплексом, выпол-
няющим управляющие функции в режиме «советчика».
В таких АСУ ТП, кроме функций, выполняемых в пре-
дыдущей системе, на ВК возложены функции поиска
наилучших (оптимальных) решений с выдачей рекомен-
даций по управлению (советов) оператору-технологу.
в) АСУ ТП с вычислительным комплексом, выпол-
няющим функции центрального управляющего устрой-
ства. В этих системах ВК включается в замкнутые кон-
туры управления и вырабатывает управляющие
воздействия как задания локальным системам автомати-
ческого регулирования (рис. 1.7,а). Управление такого
вида называется супервизорным.
Реальные объекты управления обычно имеют не-
сколько управляемых величин х (многомерные объекты),
на них воздействует множество возмущений z и для
управления используется определенное число управляю-
щих воздействий у. ВК получает информацию об управ-
ляемых величинах, возмущающих и управляющих воз-
действиях и перерабатывает ее jio программе на
основании алгоритмов управления (А на рис. 1.7), учи-
тывающих как цели управления, так и ограничения,
накладываемые на параметры процесса и управляющие
воздействия. При этом управляющая вычислительная
18
тиашина (УВМ) ВК осуществляет управляющее воздей-
ствие й, вырабатывая задания хо локальным системам
регулирования, которые устанавливаются автоматичес-
ки. В АСУ ТП с супервизорным управлением локальные
САР являются как бы отдельными элементами системы.
Рис. 1.7. Структурные схемы АСУ ТП с ВК, выполняю
щие функции супервизорного (а) и непосредственного
цифрового (6) управления
"Управляющие воздействия на локальные САР, выраба-
тываемые УВМ, совпадают с задающими воздействиями
для этих локальных САР й=хо (не путать с управляю-
щими воздействиями на объект, вырабатываемыми ло-
кальными САР1). АСУ ТП с локальными системами
управления и регулирования (в настоящее время они
строятся на базе микропроцессорной техники), которые
могут работать самостоятельно без УВМ, называют де-
централизованными (к ним относятся АСУ ТП типов,
указанных в пп а, б, в).
В АСУ ТП, работающих в режиме супервизорного
управления, участие человека состит в разработке алго-
ритмов управления и программ для ЭВМ, а также в
контроле над работой системы. Оператор вмешивается
непосредственно в управление только в случае выхода
из строя системы или ее отдельных частей.
г) АСУ ТП с вычислительным комплексом, выпол-
няющим функции непосредственного (прямого) цифро-
вого управления. В таких АСУ ТП локальные регулято-
ры вообще отсутствуют (или используются как
резервные), а УВМ работает в режиме непосредствен-
ного цифрового управления, т. е. сигналы, используемые
для приведения в действие исполнительных механизмов,
20
поступают прямо от УВМ. Такие системы (рис. 1.7,6)
называют централизованными. В этом случае управляю-
щие воздействия, вырабатываемые УВМ, совпадают с
управляющими воздействиями на объект (вырабатывае-
мыми в предыдущих типах АСУ ТП регуляторами ло-
кальных САР) й=у.
Системы оптимального управления
В настоящее время при разработке АСУ ТП и АСУП
большое внимание уделяется системам оптимального
управления. В этих системах целью управления явля-
ется обеспечение наивыгоднейшего (максимального или
минимального) значения критерия оптимального управ-
ления (критерия оптимальности). В качестве критерия
оптимального управления могут быть выбраны различные
технические или экономические показатели, например
время перехода из одного состояния в другое, среднее
отклонение какой-либо регулируемой величины от задан-
ного значения в определенный промежуток времени,
производительность объекта, показатели качества про-
дукции, затраты сырья или энергии, себестоимость про-
дукции. В общем случае критерий оптимального управ-
ления I зависит от управляемой величины х, возмущений
(помех) z, управляющего воздействия (управления) и,
а также от времени т, т. е.
I=F(x, 2, и, т). (1.1)
Поскольку Х = Х(т), 2 = 2 (т), и = ы(т) являются функ-
циями времени, то критерий оптимальности является
функционалом (говоря условно «функцией функций»).
Задача оптимального управления состоит в отыскании
такого управляющего воздействия и(т), которое обеспе-
чивает экстремальное значение функционалу /->-min или
/—>-тах. Критерий оптимальности часто имеет интеграль-
ную форму Т2
/= J f(x, Z, и, t)Jt. (1.2)
Т1
Например, можно создать оптимальную систему уп-
равления, потребовав обеспечения минимума функцио-
нала
ICO
J е2(т)б/т, (1.3)
о
21
т. е. систему, которая обеспечивала бы минимальное
значение интеграла квадрата отклонения регулируемой
величины от заданного значения и, следовательно, наи-
большую точность поддержания заданного значения в
процессе регулирования.
Критерий оптимального управления выбирается (раз-
рабатывается) достаточно условно в зависимости от тре-
бований производства, стремлений разработчика системы
и т. п. Поэтому не существует оптимального управления
«вообще», а есть оптимальное управление в определен-
ном (заданном) смысле.
В любой системе управления есть ограничения на
регулируемые величины и управляющие воздействия,
обусловленные разными причинами: стойкостью агрега-
та (например, максимально допустимой температурой
футеровки), технологией производства (максимально
допустимая температура металла в печи), ресурсами
управления (максимально возможная тепловая мощ-
ность в мартеновской печи, расход кислорода в конвер-
тере), скоростью изменения управляющих воздействий
и т. п. Учитывая сказанное, можно дать еще одно опре-
деление оптимального управления: оптимальным в опре-
деленном (заданном) смысле управлением называется
динамический процесс, целесообразно использующий
ресурсы системы для достижения при данных ограниче-
ниях экстремума критерия оптимального управления.
В сложном металлургическом производстве часто под
оптимизацией приходится понимать поиск компромис-
сного решения при выборе наиболее приемлемых пара-
метров технологического процесса для конкретных усло-
вий работы агрегата (влияние соседних агрегатов,
наличие ресурсов управления, ограничения и др.). Такие
задачи в рамках АСУ ТП во многих случаях можно
решать лишь с участием опытных операторов-технологов
в диалоговом режиме их работы с ЭВМ.
Математические модели
Математические модели объектов управления (техноло-
гических процессов) являются частью математического
обеспечения АСУ ТП и представляют собой описание
объекта на формальном математическом языке (алгеб-
раические, дифференциальные, интегральные уравнения
с соответствующими ограничениями — начальными и тра-
гичными условиями), позволяющие выносить количест-
22
венное суждение о параметрах процесса. При автома-
тизации технологических процессов математические
мидели дают возможность рассчитывать изменение вы-
ходных величин объекта при различных входных воздей-
ствиях, а также соответствующие управляющие воздей-
ствия.
Математическая модель сложного технологического
процесса дает упрощенное, приближенное описание этого
процесса, однако при использовании современных ЭВМ
математическую модель можно усложнить практически
до любого уровня точности. Вместе с тем, потребная
точность и, следовательно, сложность модели зависят
от ее назначения, и при разработке модели следует
исходить из поставленных задач с тем, чтобы не услож-
нять модели тогда, когда это не требуется.
Примерная классификация математических моделей
{рис. 1.8) позволяет выяснить их основные особенности.
Рис. 1.8. Классификация математических моделей
Так, по назначению математические модели могут раз-
рабатываться для технологических исследований и для
управления. Первые должны давать возможность иссле-
довать технологический процесс без экспериментов с
целью его совершенствования, а в некоторых случаях
разрабатывать новые технологические процессы. Эти мо-
дели могут быть весьма сложными, поскольку они, с
одной стороны, должны давать наиболее точное описание
процесса, позволяющее исследовать стойкости» техно-
логии, а с другой стороны, они не ограничены временем
23
счета на ЭВМ (ограничения могут быть только с точки
зрения стоимости и расчетов). Вторые должны давать
информацию для управления или рассчитывать управ-
ляющие воздействия и во многих случаях могут быть
проще моделей для исследования, тем более сложность
модели для управления ограничена временем расчета по
ним, поскольку они должны рассчитывать управление
быстрее или в темпе с процессом («он лайн»).
Математические модели могут быть предназначены
для расчета тех выходных величин процесса, которые
невозможно определить непосредственными измерениями
на объекте (отсутствуют датчики), или для расчета не-
которых комплексных величин, лучше характеризующих
процесс, чем измеряемые велечины. Такие модели назы-
ваются контролирующими.
Прогнозирующие модели позволяют рассчитывать
изменение выходных величин или их значения в какой-
то будущий момент времени, т. е. прогнозировать ход
процесса. Эти модели преимущественно используются
при оптимальном управлении, поскольку предваритель-
ный расчет и последующая реализация оптимальных
управляющих воздействий возможны только тогда, ког-
да мы можем прогнозировать ход процесса при этих
воздействиях еще до получения окончательного резуль-
тата.
По свойствам во времени модели подразделяются на
статические и динамические. Статические модели позво-
ляют рассчитывать параметры процесса без учета времени.
Это могут быть.модели для расчета некоторых комплекс-
ных параметров на основе измерения ряда величин в дан-
ный момент времени. Например, расчет теплоусвоения
ванны мартеновской печи по так называемым мгновенным
обратным тепловым балансам. К статическим относят-
ся также модели для расчета (прогнозирования) конеч-
ных значений управляемых величин (например, конеч-
ного содержания углерода в металле в конвертере) без
привязки их по времени и расчета интегральных (не
распределенных во времени) управляющих воздействий
(например, расчет общего количества кислорода на плав-
ку в конвертере). Статические модели состоят из алге-
браических уравнений; очень часто таковыми являются
уравнения балансов энергии или вещества. Динамичес-
кие модели дают возможность рассчитывать значение-
выходных величин и управляющих воздействий во вре-
мени и строятся на основе дифференциальных уравне-
24
ний, хотя обычно в них присутствуют и алгебраические
соотношения.
Модели, построенные на основе теоретических пред-
ставлений о процессе и использующие физические и
химические закономерности, называют детерминирован-
ными (теоретическими). Строго детерминированные мо-
дели можно создать только для довольно простых процес-
сов. Обычно в таких моделях присутствует некоторе число
экспериментальных соотношений, но за моделями сохра-
няют название детерминированных, если роль экспери-
ментальных соотношений невелика.
Экспериментально-статистические модели строятся в
том случае, когда нет четкого представления о физике
процесса или когда описываются очень сложные процес-
сы. Для их построения используются экспериментальные
данные или результаты длительной эксплуатации агре-
гата. подвергаемые затем статистической обработке
(регрессионный и корреляционный анализы). В резуль-
тате получаются вероятностные соотношения, называе-
мые стохастическими моделями.
Наиболее часто применяются комбинированные мо-
дели, в которых используется и детерминированный, и
статистический принципы составления моделей. В таких
моделях основные уравнения получены на основе теоре-
тических представлений, но входящие в них коэффициен-
ты определяются статистическим путем.
§ 4. Разновидности систем автоматического
регулирования и управления
По методу управления САР и САУ подразделяются на
системы, неприспосабливающиеся к изменяющимся усло-
виям работы объекта регулирования и приспосабливаю-
щиеся, или адаптивные системы.
Неприспосабливающиеся САУ — это наиболее простые
системы, не изменяющие своей структуры и параметров
в процессе управления. Практически все САР относятся
к неприспосабливающимся системам. Для этих систем
па основе априорной (существует до начала работы)
информации выбирают структуру и рассчитывают пара-
метры, которые обеспечивают заданные свойства систе-
мы (выполнение целей управления) для типовых или
наиболее вероятных условий ее работы.
Неприспосабливающиеся САР подразделяются на три
типа:
25
стабилизирующие системы, обеспечивающие поддержа-
ние регулируемой величины на постоянном заданном
значении (например, поддержание заданного значения
расхода воздуха на дутье в доменной печи); програм-
мные системы, обеспечивающие изменение регулируемой
величины во времени по заданной программе (напри-
мер, изменение расхода кислорода по ходу продувки в
конвертере); следящие системы, обеспечивающие изме-
нение регулируемой величины в определенном соотноше-
нии с задающим воздействием, которое изменяется про-
извольным образом, не зависящим от данной системы
(например, регулирование соотношения топливо — воздух
при управлении сжиганием топлива в мартеновской пе-
чи).
Многие САУ и САР, действующие в настоящее вре-
мя в черной металлургии, относятся к неприспосаблива-
ющимся системам. Их структура и настройка опреде-
ляются при проектировании и наладке и в дальнейшем
автоматически не изменяются (перенастройка системы
может при необходимости осуществляться вручную).
Приспосабливающиеся, или адаптивные САУ это та-
кие системы, в которых параметры управляющих ус-
тройств или алгоритмы управления автоматически и целе-
направленно изменяются для осуществления, как
правило, оптимального управления объектом, причем
характеристики объекта или внешние воздействия на
него могут изменяться непредвиденным образом. Адап-
тивные САУ способны менять структуру, параметры
или программу своих действий в процессе управления.
Особым случаем приспосабливающихся систем явля-
ются экстремальные системы, которые автоматически
ищут экстремум регулируемой величины, а так как его
положение меняется в процессе работы объекта, то сис-
тема автоматически изменяет направление поиска, ско-
рость поиска и т. д. (меняет программу своих действий).
Примером экстремальной системы может служить сис-
тема регулирования температуры в печи, отапливаемой
газом. Требуется обеспечить максимальную температуру
в печи (экстремум регулируемой величины) при любых
расходах топлива и изменении других параметров рабо-
ты печи (садки, тепловых потерь). Значение темпера-
туры печи tn — выходной величины объекта будет при
данном расходе топлива зависеть от расхода воздуха
V,. — входной величины объекта. Если воздуха мало, то
топливо сгорает не полностью и температура в печи низ-
26
кая; если воздуха много, то топливо сгорает полностью,
но требуется тепло на нагрев избыточного, ненужного
для сжигания топлива, воздуха и температура также ни-
же возможной. При расходе воздуха, близком к теоре-
тически необходимому для сжигания топлива, достигает-
ся наибольшая температура в печи (рис. 1.9, кривые
1 п 2 относятся к разным режимам работы печи).
Настраивающиеся САУ реализуются с использова-
нием ЭВМ (исключение могут составлять экстремальные
системы) и поэтому их следует отнести, по-существу, к
АСУ ТП, работающим в супервизорном режиме или ре-
жиме непосредственного цифрового управления. Для
работы ЭВМ необходимо наличие аналитического описа-
ния (математических моделей) объекта управления и
других элементов системы, а также алгоритмов адапта-
ции и управления.
Рис. 1.9. Экстремальная характеристика объекта регулирования
Рис. /10. САР температуры в печи
По характеру использования информации САУ и САР
разделяются на замкнутые и разомкнутые системы. Зам-
кнутые системы или системы с регулированием по от-
клонению (по ошибке) используют текущую рабочую
информацию о выходных величинах, определяют откло-
нение регулируемой величины от заданного значения и
принимают меры к устранению этого отклонения (см.
рис. 1.4).
На рис. 1.10 показана замкнутая система регулиро-
вания температуры в печи 1. Чувствительным элемен-
том— датчиком температзры служит термопара 2;
информация о значении температуры в печи /п посту-
пает на показывающий и регистрирующий прибор 3. а
с него в регулятор 4, включающий в себя исполнитель-
ный механизм (сигнал t„ может поступать в регулятор,
минуя регистрирующий прибор). В регулятор с задат-
чика поступает сигнал о заданном значении температу-
27
ры /по- Сравнивающий элемент регуляторов опреде-
ляет отклонение е = /по—ta и регулятор вырабатывает
регулирующее воздействие, обеспечивающее перемещение
регулирующего органа (поворотной заслонки в трубопро-
воде) 5, направленное на устранение отклонения. Если
температура в печи ниже заданной, то расход топлива
увеличивается, если выше заданной — уменьшается.
В рассмотренном примере имеется замкнутый контур
регулирования, по которому текущая информация о ре-
зультатах работы объекта, т. е. о значении регулируемой
величины х, поступает в преобразованном виде на вход
объекта. Такая подача сигнала выше названа обратной
связью, причем здесь элементом обратной связи является
регулятор. Регулятор осуществляет отрицательную обрат-
ную связь, поскольку его действие направлено на умень-
шение и устранение отклонения регулируемой величины
от заданного значения (ошибки регулирования).
Замкнутые системы регулирования по отклонению
работают при возмущениях, действующих по любым
каналам, так как регуляторы в таких системах всту-
пают в действие при наличии отклонения регулируемой
величины от заданного значения, независимо от того,
какой причиной это отклонение вызвано. Замкнутые
системы не могут обеспечить х=х0 в течение всего про-
цесса управления, так как их работа связана обяза-
тельно с наличием отклонения. Равенство х=х0 может
устанавливаться только в конце переходного процесса
в положении равновесия.
Разомкнутые САР непосредственно не используют
рабочую информацию о регулируемых величинах (отсут-
ствует обратная связь), а регулирование осуществляется
на основе информации о входных величинах. Разомкну-
тые САР подразделяются на системы с жесткой про-
граммой и с управлением (регулированием) по возму-
щению. Примером систем с жесткой программой может
служить система автоматического пуска и остановки
комплекса механизмов, в которой должна выдерживать-
ся определенная последовательность работы отдельных
механизмов. Структурная схема такой системы показана
на рис. 1.11. Па вход регулятора поступает определенная
программа действий х0(т), и регулятор, являющийся
устройством, реализующим заданную программу, вы-
рабатывает регулирующее воздействие у, обеспечиваю-
щее необходимое изменение х(т). Как видно, информа-
ция о выходной величине не поступает на вход систе-
28
мы — система разомкнута. В металлургии примерами*
разомкнутых систем с жесткой программой являются:
управление загрузкой доменной печи, автоматическая
перекидка клапанов мартеновской печи и др.
Рис. 1.11. Структурная схема разомкнутой САР
Рис. 112. Разомкнутая система регулирования температуры в печи по воз-
мущению
Второй тип разомкнутых систем — системы с регули-
рованием по возмущению используют информацию о
входных величинах (возмущениях) и принимают меры,
чтобы указанные возмущения не оказали влияние на
выходную величину, т. е. как бы компенсируют возму-
щения. Поэтому такие САУ называют также системами с
компенсацией возмущений или инвариантными система-
ми.
Рассмотрим систему регулирования температуры в
печи 1, отапливаемой газом (рис. 1.12), аналогичную по
целям управления системе, представленной на рис. 1.10.
Основным возмущением является изменение давления
газа в газопроводе, которое вызывает изменение расхода
топлива и, следовательно, температуры в печи t„. Для
компенсации влияния изменения давления в газопрово-
де можно применить регулятор 4, называемый компенса-
тором возмущений, который получает информацию о
значении давления в газопроводе (о возмущении) от дат-
чика давления 5 и по заранее установленному закону
изменяет положение регулирующего органа 6. Давление
перед горелкой при правильно выбранной структуре и
законе действия компенсатора не будет зависеть от
давления в газопроводе и, следовательно, изменение дав-
ления в газопроводе не будет сказываться на расходе
топлива и температуре печи. В этом заключается прин-
цип компенсации возмущения. Теоретически можно по-
лучить полную независимость (инвариантность) ре-
гулируемой величины от действия возмущения и,
следовательно, точное поддержание равенства х=х0 в
28-
течение всего времени работы системы (если в системе
•отсутствуют другие возмущения).
В рассматриваемом примере регулируемая величина —
температура печи tn измеряется термопарой 2 и реги-
стрируется прибором 3, но эта текущая информация не
используется системой регулирования, т. е. отсутствует
обратная связь по результатам работы системы и поэ-
тому в системе нет замкнутого контура регулирования.
Контур компенсации возмущения также разомкнут, так
как его выходная величина (изменение положения ре-
гулирующего органа) не оказывает никакого влияния
на входную величину (изменение давления в цеховом
газопроводе).
Приведенный пример ясно показывает, что возможна
компенсация вполне определенного контролируемого воз-
мущения. Если таких возмущений несколько, то для
компенсации каждого из них необходим свой контур
компенсации. Однако всегда остаются некоторые возму-
щения, в том числе случайные и неконтролируемые, ко-
торые могут вызывать отклонение регулируемой величи-
ны от заданного значения. Поэтому очень часто
используют одновременно оба принципа управления (по
возмущению и по отклонению): существует один или
несколько контуров компенсации возмущения и замкну-
тый контур регулирования по отклонению. Такая систе-
ма носит название комбинированной. При этом приме-
няется один регулятор, а для компенсации возмущения
используются разомкнутые контуры с устройствами ввода
возмущения (УВВ), которые изменяют задание регуля-
тору в зависимости от величин возмущений z (рис 1.13).
По результатам работы в установившемся состоянии
системы делятся на астатические и статические. В аста-
тических системах регулируемая величина после оконча-
ния переходного процесса точно равна заданному значе-
нию (практически она может отличаться от заданного
значения на некоторую малую величину,обусловленную
нечувствительностью систе-
мы). На рис. 1.14,п показаны
переходные процессы в аста-
тической системе, кривая /
при изменении заданного
значения с х0 до .Гоь кривая
2 при прочих возмущениях
и сохранении заданного зна-
чения х0. В статических сис-
Рис. 1.13. Структурная схема комби-
нированной системы регулирования
30
темах после окончания переходного процесса возникает
разность между заданным и установившимся значениям
регулируемой величины, называемая статической ошиб-
кой (рис. 1.14,6). Статическая ошибка зависит от вели-
чины возмущения (в том числе от изменения задания)
и параметров настройки регулятора, однако принципи-
ально незбежна в статических системах.
Рис. 1.14. Переходные процессы в астатических (а) и статических
(б) системах регулирования
По числу регулируемых величин САУ и С\Р делят-
ся на одномерные и многомерные или многосвязные.
Одномерные САУ это системы управления простей-
шими объектами с одной регулируемой величиной. На-
пример, в электрической нагревательной печи с не-
контролируемой атмосферой имеется только одна
регулируемая величина—температура печи и поэтому
САР будет одномерной.
В большинстве САР и САУ регулируется несколько
величин, и поэтому они являются многомерными. В неко-
торых многомерных системах можно выделить несколь-
ко каналов регулирования, в которых каждая регулируе-
мая величина определяется своим регулирующим
воздействием и канал имеет свой регулирующий орган
(положение которого практически не влияет на другие
регулируемые величины) и тогда объект как бы распа-
дается на несколько одномерных объектов с одномерны-
ми САР (система автономна по задающим и регулирую-
щим воздействиям).
Вместе с тем, для многомерных систем характерно
наличие связей между регулируемыми величинами. Свя-
зи эти могут быть двух родов. Первый род (внутренние
связи) обусловлен физическими свойствами объекта.
зг
Так, если в мартеновской печи регулируются температу-
ра свода, содержание кислорода в продуктах сгорания
и давление в рабочем пространстве, то изменение рас-
хода топлива (предназначенное для управления темпе-
ратурой свода) будет одновременно оказывать влияние
и на содержание кислорода в продуктах сгорания, и на
давление в рабочем пространстве. Второй род связей —
внешние связи, т. е. определенные связи между отдель-
ными регулируемыми величинами, накладываются на
систему по условиям ее функционирования или на
•основе требований технологического процесса. Так, при
автоматическом составлении шихты какого-либо метал-
лургического процесса, например агломерационного, за-
дания регуляторам количества отдельных компонентов
устанавливаются в зависимости от потребного суммар-
ного количества шихты.
По характеру изменения регулирующих воздействий
по времени САУ и САР делятся на непрерывные и пре-
рывистые или дискретные. В непрерывных системах ин-
формация о работе системы и регулирующие воздейст-
вия есть непрерывные функции времени. В каждом
элементе при наличии непрерывного изменения входной
величины непрерывно меняется и выходная величина.
В прерывистых системах информация и регулирующие
воздействия появляются только в определенные момен-
ты времени, т. е. в системе существует хотя бы один
элемент, в котором при наличии непрерывного измене-
ния входной величины выходная величина меняется пре-
рывисто (скачкообразно) или существует только в оп-
ределенные (дискретные) моменты времени.
Дискретные системы подразделяются на релейные,
импульсные и цифровые. В релейных системах один из
элементов, обычно это регулятор, имеет релейную ха-
рактеристику: выходная величина скачкообразно изме-
ляется на величину А при определенном значении вход-
Рис. 1-15. Релейная характеристика
Рис. 1.16. Структурная схема импульсного регулятора
32
ной величины (рис. 1.15). В релейных системах
происходит квантование входной величины по уровню.
В импульсных системах присутствует хотя бы один
элемент с импульсной характеристикой: при непрерыв-
ном изменении входной величины выходная величина
появляется только в определенные (дискретные) момен-
ты времени. Осуществляется квантование входной вели-
чины по времени. Обычно это импульсный регулятор,
который состоит из управляющего импульсного элемен-
та (ИЭ) и исполнительного механизма (ИМ) (рис. 1.16).
На выходе импульсного элемента формируются импуль-
сы, параметры которых зависят от входной величины.
На рис. 1.17 представлен график работы импульсно-
го регулятора с импульсным элементом первого вида.
Импульсы формируются через интервалы Ти, называе-
мые периодом импульсов и имеют одинаковую продол-
жительность ти — время импульса. Высота (амплитуда)
импульсов пропорциональна входной величине (элемент
обеспечивает амплитудную модуляцию импульсов)
Рис. 1.17. График работы регулятора с импульсным звеном первого вида:
Л—изменение входной величины; б — формирование импульсов; в —работа испол-
нительного механизма
Рис, 1.18. График работы регулятора с импульсным элементом второго вида:
о —изменение входной величины; б — формирование импульсов; в—.работа ис-
полнительного механизма
2. 15.
33
где kB — импульсный коэффициент усиления: е — вход-
ная величина регулятора — отклонение регулируемой
величины от заданного значения.
Исполнительный механизм (рис. 1.17,в) включается7
при поступлении на него импульса и работает в течение
времени импульса ти, после чего останавливается. Ско-
рость выходного вала ИМ пропорциональна высоте им-
пульса, т. е. входной величине е в момент начала им-
пульса.
В импульсном элементе второго вида высота импуль-
сов одинакова, а время импульсов ти пропорционально1
входной величине (рис. 1.18,6):
Ти=ЛиВ. (1-5>.
Этот импульсный элемент обеспечивает широтную-
модуляцию импульсов. В регуляторе с импульсным эле-
ментом второго вида (рис. 1.18) скорость выходного ва-
ла ИМ постоянна, а время включения равно времени
импульса ти, т. е. пропорционально входной величине в>
момент начала импульса.
К дискретным САУ относятся также цифровые сис-
темы, в которых используются цифровые устройства:
электронные цифровые вычислительные машины, цифро-
вые измерительные приборы, микропроцессорные регу-
ляторы (контроллеры). В цифровых системах осущест-
вляется квантование величин и по уровню, и по времени,
т. е. они являются релейно-импульсными системами. Сле-
дует отметить, что цифровые системы из-за высокого
быстродействия и очень малого интервала квантования
по времени по результатам своей работы очень близки
к непрерывным системам. Отмеченным свойством обла-
дают и многие современные системы средств регулиро-
вания на базе микроэлектронной техники, включающие-
в себя различные аналоговые, импульсно-релейные, циф-
ровые приборы и устройства.
По виду энергии, применяемой для работы, САР де-
лятся на системы прямого и косвенного действия. В сис-
темах прямого действия для перемещения регулирующе-
го органа используется внутренняя энергия системы,,
например, энергия чувствительного элемента.
В системах косвенного действия для работы системы
используется внешняя энергия. По виду энергии системы
косвенного действия делятся на электрические, пневма-
тические (энергия сжатого воздуха) и гидравлические
(энергия масла, подаваемого под давлением). Подавля-
34
ющее большинство современных САУ и САР и все АСУ
относятся к электрическим, использующим различные
электронные устройства, включая ЭВМ. В некоторых
условиях, особенно связанных с взрыво- и пожаростой-
костью, применяются пневматические системы. Чисто
гидравлические системы в металлургии не используются,
но гидравлические исполнительные механизмы иногда
применяются в комбинации с электрическими управляю-
щими устройствами.
§ 5. Схемы автоматизации технологических процессов
'Схемы автоматизации являются основными чертежами,
определяющими построение системы автоматического
управления технологической установкой. Систему авто-
матизации на этих схемах представляют в виде функцио-
нальных блоков автоматического контроля, управления
и регулирования, дающих полное представление об ос-
Таблица 1.1. Условные обозначения приборов и средств авто-
матизации (ГОСТ 21.404—85)
2*
35
Таблица 1.2. Буквенные условные обозначения
Обозначение 1 Измеряемая величина Функции, выполняемые прибором
Основное значение первой буквы Дополнитель- ное значение, уточняющее значение пер- вой буквы Отображе- ние ин- формации Формирова- ние выход- ного сигнала Дополни- тельное значение
А В С D Е F G Н I 1 К L М О, N Р Q Резервная буква Плотность Любая элек- трическая величина Расход Размер, по- ложение, пе- ремещение Ручное воз- действие Сигна- лизация
Регулиро- вание, уп- равление
Разность, перепад Соотноше- ние, доля, дробь — Чувстви- тельный элемент
— Показа- ние — Верхний предел из- меряемой величины.
Автомати- ческое пе- реключе- ние, обега- ние
Время, вре- менная про- грамма Уровень Влажность Резервные буквы Давление, вакуум Величина, характери- зующая каче- ство: состав, концентрацию и т. п. — — Станция управле- ния Нижний предел из- меряемой величины
Интегриро- вание, суммиро- вание по времени — — —
S6
Продолжение табл. 1.2.
<и Измеряемая величина Функции, выполняемые прибором
X а> л X <0 о ю О Основное значение первой буквы Дополнитель- ное значение, уточняющее значение пер- вой буквы Отображе- ние ин- формации Формирова- ние выход- ного сигнала Дополни- тельное значение
Радиоактив- ность Скорость, частота Температура Несколько разнородных измеряемых величин Вязкость Масса
R Регист- рация Включение, отклоне- ние, пере- ключение, сигнали- зация
S т — — Дистан- ционная передача
и
V
W Преоб- разова- ние
Y
нащенип объекта приборами и средствами автоматиза-
ции, включая средства телемеханики и вычислительной
техники На схеме автоматизации упрощенно изобража-
ют технологический агрегат и располагают приборы и
средства автоматизации в условных изображениях с
указанием связей между ними.
Основные условные изображения приборов и средств
автоматизации (ГОСТ 21.404—85) приведены в табл. 1.1.
Для обозначения измеряемых и регулируемых величин
и функциональных признаков приборов приняты пропис-
ные буквы латинского алфавита — табл. 1.2.
В верхней части окружности условного изображения
приборов проставляют буквенные обозначения измере-
ний величины и функционального признака прибора,
в нижней — позиционное обозначение, служащее для ну-
мерации. Порядок расположения буквенных обозначений
следующий: обозначение основной измеряемой величи-
ны; обозначение, уточняющее (если необходимо) основ-
ную измеряемую величину; обозначение функциональ-
ного признака прибора. Функциональные признаки
37
Таблица 13. Примеры построения условных обозначений (ГОСТ
21.404-85)
Наименование
Первичный измерительный преобразователь
(чувствительный элемент) для измерения тем-
пературы, установленный по месту (термо-
метр термоэлектрический, термометр сопро-
тивления, датчик пирометра и т. п.)
Прибор для измерения температуры:
показывающий, установленный по месту
(термометр ртутный и т. п.)
показывающий, установленный на щите
(милливольтметр, потенциометр, мост авто-
матический и т. п.)
'есшкальный с дистанционной передачей по-
казаний, установленный по месту регистри-
рующий, установленный на щите.
показывающий, регистрирующий, установлен-
ный на щите (потенциометр, многоточечный
и т. п.)
регистрирующий, регулирующий, установ-
ленный на щите (регулирующий потенцио-
метр и т. п.)
Регулятор температуры бесшкальный, уста-
новленный на щите
Прибор для измерения расхода:
показывающий, регистрирующий, установ-
ленный на щите
показывающий, интегрирующий, установлен-
ный по месту
показывающий, интегрирующий, с устрой-
ством для выдачи сигнала после прохожде-
ния заданного количества вещества, уста-
новленный на щите
Прибор для измерения качества продукта по-
казывающий, установленный по месту (газо-
анализатор на кислород)
Переключатель электрических цепей измерения
(управления), установленный на щите
Аппаратура для ручного дистанционного уп-
равления, установленная на щите (кнопка,
ключ управления)
Указатель положения, установленный на щите
(например, положение регулирующего органа)
Обозначение
38
Продолжение табл. I 3-.
Наименование
Преобразователь сигнала, установленный по
месту (например, преобразователь давления в
электрический сигнал)
Вычислительное устройство, выполняющее
функцию умножения на постоянный коэффи-
циент k, установленное на щите
Обозначение
(если их несколько в одном приборе) располагаются в
последовательности IRCSA. Пример построения услов-
ного изображения прибора для измерения, регистрации
и автоматического ре-
гулирования перепада
давления показан на
рис. 1.19.
В табл. 1.3. приве-
дены примеры построе-
ния условных обозначе-
ний в основном для при-
боров измерения и регу-
лирования температуры
и расхода. В ряде слу-
чаев для конкретизации
измеряемой величины,
например, концентра-
ции около окружности
(справа) указывается
наименование или сим-
вол измеряемой вели-
чины: pH, Ог, СОг и
т. д. Около обозначе-
ния преобразователей
и вычислительных уст-
ройств (справа вверху)
Измеряемая
величина
Давление
Перепад
давления
Уточнение
измеряемой
ветчины
Автоматик слое
аегулировачие
Показание
Регистрация
♦ t '
7 Z J ч з
Последовательность
буквенных обозначений
Место для нанесения
позиционного обозначения
указываются следую-
щие дополнительные
обозначения, характе-
ризующие операцию:
Рис. 1.19. Построение условного обозна-
чения прибора для измерения, реги-
страции и автоматического регулирова-
ния перепада давления
Род сигнала:
электрический . ...................................Е
пневматический.....................................Р
гидравлический.....................................G
39
Виды сигнала:
аналоговый..........................................А
дискретный......................................D
Операции, выполняемые вычислительным устройством:
суммирование........................................X
умножение сигнала на постоянный коэффициент . . k
перемножение двух и более сигналов друг на друга . X
деление сигналов друг на друга..................:
возведение величины сигнала f в степень п ... [п
п
извлечение из величины сигнала f корня степени л . V
логарифмирование...............................1g
дифференцирование...........................dx/dt
интегрирование....................................
изменение знака сигнала.....................х(—1)
ограничение верхнего значения сигнала .... max
ограничение нижнего значения сигнала .... min
На рис. 1.20—1.23 показаны простейшие функцио-
нальные схемы регулирования температуры, давления
в печи, расхода и соотношения газ — воздух, выполнен-
ные в соответствии с ГОСТ 21.404—85.
В соответствии с ГОСТ 2.710—81 обозначают: пере-
ключатели SA, кнопки ручного управления SB, сигналь-
ные лампы HL и т. п. Указанные обозначения вписы-
ваются в нижнюю часть окружности, изображающей
прибор, с соответствующим порядковым номером.
Рис. 1.20. Схема регулирования температуры в печи:
1 — датчик, установленный по месту; 2— вторичный показывающий и ре-
гистрирующий прибор; 3 — регулятор; 4 — ручной задатчик; 5 — переключа-
тель. осуществляющий переход с автоматического управления на ручное
и обратно; 6 — кнопки управления; 7 — указатель положения исполнительного
механизма; 8 — исполнительный механизм; 9 — регулирующий орган
Рис. 1.21. Схема регулирования давления в печи (позиции см. рис. 1.20)
40
Рис. 1.22. Схема регулирования расхода природного газа:
1 — сужающие устройства; 2 — датчик расхода; 3 — вторичный показывающий
и регистрирующий прибор; 4 — регулятор расхода; 5 — ручной задатчик; 6 —
переключатель, осуществляющий переход с автоматического управления на
ручное и обратно: 7 — кнопки управления: 8 — указатель положения испол-
нительного механизма; 9— исполнительный механизм; 10— регистрирующий
орга и
Рис. 1.23. Схема регулирования соотношения топливо'воздух (позиции см.
рис. 1.22: дополнительная буква F в поз 4 и 5 обозначает «соотношение»)
TapnuSQ V Воздш
Вопросы для самопроверки
1. В чем заключается процесс управления? Что может
являться его целями?
2. В чем состоит отличие терминов «автоматическое
управление» и «автоматическое регулирование»?
3. Что такое возмущающее и управляющее воздейст-
вия?
4. В чем заключается понятие «обратная связь»? Виды
обратных связей?
5. Из каких основных элементов состоит система авто-
матического регулирования?
6. В чем состоят основные функции АСУ ТП?
7. Какие существуют виды АСУ ТП?
8. Что такое супервизорное управление?
9. В чем заключается непосредственное цифровое уп-
равление?
10. Что такое оптимальные САУ и критерий оптималь-
ного управления?
11. Чем отличаются неприспосабливающиеся и приспо-
сабливающие (адаптивные) САУ?
12. Что такое статическое и астатическое регулирование?1
13. Что такое экстремальные САУ?
14. В чем заключается принцип регулирования по откло-
нению?
15. В чем заключается принцип регулирования по воз-
мущению?
16. Чем отличаются непрерывные и прерывистые САУ?
17. Что такое импульсный элемент 1-го и 2-го видов?
18. Как изображаются приборы и средства автоматиза-
ции на схемах^
19. Какими буквами обозначаются на схемах измеряе
мые величины: расход, давление, состав, температура?
20. Какими буквами обозначаются на схемах функции,
выполняемые прибором: сигнализация, показание, ре-
гистрация, регулирование, преобразование?
Глава II
КРАТКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ
АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
В гл. I рассмотрены общие понятия и основные опреде-
ления теории и практики автоматизации технологических
процессов. В данной главе даны сведения, дополняю-
щие материалы гл. I в вопросах теории автоматического
регулирования, необходимые для описания систем авто-
матизации технологических процессов черной метал-
лургии. В основном рассмотрены линейные САР, т. е.
такие, поведение которых описывается линейными диф-
ференциальными уравнениями.
§ 1. Статические и динамические характеристики
Статические характеристики
Все автоматические системы регулирования и элементы,
из которых они состоят, являются динамическими сис-
темами и элементами, т. е. характеризуются протекани-
ем процессов во времени и все входные и выходные
величины в них — суть функции времени: хВх=*вх(т) и
-*вых=Хвых(т). Вместе с тем системы автоматического
регулирования могут находиться в установившемся со-
стоянии, наиболее распространенным случаем которого
является положение равновесия (покоя), когда входные
и выходные величины не меняются. В этом положении
(в статике) выходные и входные величины не зависят
42
от времени и соотношение между ними описывается ал-
гебраическими уравнениями (уравнения статики)
Хвых = [ (%вх) • (П.1)
Графическое изображение зависимости (II.I) назы-
вается статической характеристикой (рис. II.1). Для
линейных элементов и систем статическая характе-
ристика представляет прямую линию (рис. II.1,а), опи-
сываемую уравнением
(П.2)
Хвых — Х°выХ + kXBI,
где & = tga.
Рис. 11.1. Статические характеристики:
а — линейная; б — нелинейная
Строго линейных элементов и систем практически не
встречается и в большинстве случаев статические харак-
теристики имеют нелинейный вид (рис. II.1,6). Для при-
ведения нелинейной системы к линейной статические
характеристики такого типа принято подвергать линеа-
ризации. Один из методов линеаризации, называемый
методом малых отклонений, заключается в проведении
касательной к статической характеристике в точке А
и замене криволинейной зависимости этой касательной,
уравнение которой
ЛХвых = ^аДХвх, (II.3)
где &A = tga—коэффициент пропорциональности (сс —
угол наклона касательной в точке А к оси абсцисс).
Особенностью такой линеаризации является получение
линеаризованной зависимости в отклонениях (не в абсо-
лютных Величинах) ДхВх = Хвх—Х°вх И ДХвых = Хвых—
43
—х°вых, где х°вх и х°вых — значения входной и выходной
величин в точке линеаризации А. Из рис. II.1,6 видно
что замена криволинейной зависимости прямолинейной
тем точнее, чем меньше отклонения Ахвх и Дхвых и что
в случае работы системы в окрестностях точки В в урав-
нении (П.З) должен быть другой коэффициент пропор-
циональности кв, равный тангенсу угла наклона каса-
тельной в точке В.
Дифференциальные уравнения
Поведение элементов и систем во время перехода из
одного состояния равновесия в другое (в переходном
режиме) описывается дифференциальными уравнениями
(уравнениями динамики). У линейных систем уравнения
динамики — линейные дифференциальные уравнения,
т. е. такие уравнения, в которых входная и выходная ве-
личины и их производные — в первой степени.
В теории автоматического регулирования принято
выходную величину и ее производные располагать в
левой части уравнения, а входную величину и ее произ-
водные в правой части. Для элемента (системы) с од-
ной входной и одной выходной величинами линейное
дифференциальное уравнение с постоянными коэффици-
ентами имеет вид:
^"ХвыхС-Г) , „ Л’—ЖвыхСг) ,
«п , "Г un—1 , Л “Г ... I
dxn dxn~*
I „ d2X„Ui(T) ЙХвых(т) г_л _
T a2---~-----Г a.\------h О()ЛВых (T) —
dr2 dr
_ t, K d”-’xBx(T) ,
— Um —;------г t>m-l — -----г .
dtm drm~l
^3.+ЬЛМ.
di? dx
В сокращенной форме записи, когда ft-тая производ-
ная по времени обозначается х№, вторая и первая про-
изводные— х и х иди простоты опускается указание
функциональной зависимости входной и выходной вели-
чин от времени (т), уравнение (П.4) имеет вид:
апх + ап_iX + . +О2^вых+й1^вых+
аОхвых = ЬтХ(^ + Ьт-1Х+ . . . +&2^вх+Ь1ЖВх + ^0-^вх.
(П.4а)
(П.4)
44
Здесь an-s-On-i и Ът^-Ът-\ — постоянные коэффици-
енты; п — порядок тифференпиального уравнения (обыч-
но m<n).
В уравнениях (II 4) и (П.4а) хвх и хВЫх могут быть
выражены:
а) в абсолютных величинах;
б) в отклонениях Дхвх=х°вх—хвх и ДхВых=-*°вых—
—*вых (в линеаризованных уравнениях);
в) в относительных величинах xBX=xBX/x°BX и хВЫх=
= ^-ВЫХ / Х^вых!
г) в относительных значениях отклонений Джвх=
= ДхВх/-^°ВХ И Д СВьх= Д-^вых/-^0вых-
Форма записи входной и выходной величин зависит
•от отсутствия или наличия линеаризации и других со-
ображений, определяющих удобство и правильность при-
менения уравнений. Следует в дальнейшем помнить, что
хвх и хвых являются функциями времени.
Из уравнения динамики легко может быть получено
уравнение статики, если принять все производные вход-
ной и выходной величин равными нулю (в положении
равновесия входная и выходная величины не изменя-
ются) :
,ОоХвы1=boXBi. (II.5)
Примером дифференциального уравнения элемента
САР может служить уравнение кристаллизатора МНЛЗ,
рассматриваемого как
объект автоматическо-
го регулирования (рис.
II2,а) при постоянной
скорости вытягивания
слитка GCm
dH/dr=(l!pF)^GBp, (П.6)
где Н — уровень металла
в кристаллизаторе: ДСпр—
изменение расхода раз-
ливаемого металла из
промежуточного ковша;
р — плотность метал-
ла; F — площадь попереч-
ного сечения кристалли-
затора.
Если обозначить Н=хВых, ДСПр=Хвх и 1/(рЕ)=Ль
то уравнение (П.6) перепишется в общем виде
Хвъ11 = ^iXbj. (II. 7)
Рис. //.2. Схемы объектов регули-
рования:
а — кристаллизатор МНЛЗ; б —
емкость со свободным стоком жид-
кости
45
Вторым примером может быть уравнение гидравли-
ческой емкости (рис. П.2,б) со свободным стоком жид-
кости
(не)
где ДЯ — отклонение уровня жидкости от начального
значения Я0; AQ°=Q°np—Q°cm — разность притока и сто-
ка жидкости в начальный момент времени; F— площадь
поперечного сечения емкости; b — коэффициент, характе-
ризующий условия истечения жидкости из отверстия.
Если в уравнении (II.8) обозначить ДЯ^хЕЫХ, AQ°=
= *вх, 2F^H^jb = T и 2^H°!b=k, то получим уравне-
ние в общем виде
Т'хвых + -^ВЫХ = ^ХЕХ. (11.91
При выводе уравнения (II.8) применялась линеари-
зация нелинейной зависимости Qcxa = b~yH и поэтому вы-
ходная величина — уровень жидкости выражена в откло-
нениях \Н=Н—Н°.
Следует отметить, что теоретически дифференциаль-
ные уравнения можно получить только для относительно-
простых элементов САР.
Решение дифференциальных уравнений
Если на вход САР поступило возмущающее воздействие-
хВх(т), то система начнет работать и переходить из одно-
го состояния равновесия в другое. Изменение выходной
величины во время этого перехода хВых(т) называется
переходным процессом. Переходный процесс может быть
получен как решение дифференциального уравнения при
известном хвх(т) и заданных начальных условиях. Под
начальными условиями понимается значение выходной
величины и всех ее производных до (и—1)-ой в нулевой
момент времени хВЫх(0), хвых(О), хВЫх(0)... х<п_1>выХ(0)..
При исследовании САР наиболее распространены нуле-
вые начальные условия, когда выходная величина и все1
ее производные, включая (п—1)-ую, равны нулю:
^ВЫх(О) =0, Хвых(0) =0,... Х^п~^вых(О) =0.
Методы решения дифференциальных уравнений с пос-
тоянными коэффициентами известны из курса высшей
математики. Так решение уравнения (II.4) находите»
46
как сумма двух составляющих — свободной и вынуж-
денной:
-Хвых(т) = ^ВЫХ.с + ^ВЫХ.В- (11.10)
Свободная составляющая хВых.с является общим ре-
шением однородного дифференциального уравнения
ОпХ Iя’ + Ол—1Х + . . . +Й23-вых+01Хвых-|-ЯоЯвых = 0.
ВЫХ вых
(11.11)
я определяется
-£вых.с = ^] pKt, (11.12)
fe-i
тде Ck — постоянная интегрирования; рк — веществен-
ные корни характеристического уравнения
ДпРп + Оп—ipn~ *+ ••• +a2P2+aip+ao=O. (11.13)
Каждая пара сопряженных комплексных корней ак±
±jti)K характеристического уравнения (11.13) дает в ре-
•шенин (П.П) составляющую вида
«?акт (СйС05(Окт + Да81ПСОкт). (П-14)
Значения постоянных интегрирования определяются
:из начальных условий.
Пример. Решить дифференциальное уравнение 5хВых+2хВых+
+Хвых=2хВ1 при нулевых начальных условиях хВых(0)=0 и
хВЫ1(0)=0. xBZ—1, т. е. входная величина в нулевой момент вре-
мени увеличивается на единицу, а далее остается постоянной.
Характеристическое уравнение данного дифференциального урав-
нения 5р2+2р+1=0 и его корни
,р.„-2±УДО,_(,л±ол).
При комплексных корнях характеристического уравнения сво-
бодная составляющая решения дифференциального уравнения опре-
деляется по формуле (11.14)
Хцых-с=е-0-2,1 (Ccos0,4t+Dsin0,4r);
вынужденная составляющая хвы1.в=2. Решение дифференциального
уравнения
хВых(т) =e-°’2t(CcosO,4T+DsinO,4T) +2.
Для определения постоянных интегрирования С и D используем
начальные условия. Сначала находим производную решения
-ХВых(т) =—О,2е-0 lT(CcosO,4T+DsinO,4T) +
-+е-°-гт(—0,4Csin0,4T-t-0,4£>cos0,4T).
47
Затем подставляем в выражения хВЫх(т) и хВЫ1(т), т=0 и на-
ходим
Хвых(О) = С+2; Хвых(О) =—0,2C+0,4D=0
и из полученной системы уравнений определяем С=—2; D=—L
Окончательно решение уравнения принимает вид
Рисч Ц.З. Переходный процесс
(график решения дифференциально-
го уравнения)
Хвых(т) =2—е~°’2т (2cos0,4t+
+sin0,4x).
На рис. П.З. приведен гра-
фик решения, показывающий,
что в системе, описываемой
исходным дифференциальным
уравнением, после поступления
входного воздействия хВх= 1
возникает колебательный зату-
хающий переходный процесс и
система переходит из положе-
ния равновесия при Хвых—0 в
новое положение равновесия
При Хвых = 2.
Передаточная функция
Если обозначить dldx через р, то уравнение (П.4)
можно записать в символическом так называемом опе-
раторном виде
ОпРпХвых + On—1РП~^вых + . . . “ЬНгР^выхЧ*
+ С1РХвых + О()Хвых=: ЬтРтХвх~}~
+ Ьт_1рт-1Хвх+ ... +ЬгР2^вх+ (II.15)
+ bipxBx+ boxвх
ИЛИ
(anpn+an-ipn-1+ ... +а2р2+а1р+а0)Хвых=
= (bmpm+ bm~iPm~1+ • • • + ЬгР2+biP+bo) хВх. (II.15а)
где р — некоторое комплексное число, оператор.
Отношение полинома В(р), характеризующего входную
величину, к полиному Л(р), характеризующему выход-
ную величину, является передаточной функцией
(11.16)
TCTZ X Ьтрт + Ьт-1Рт~* + .. . +t>2P2 + blP + &0
anPn+aK-iPn~l+ ... +<hfP+atp+ao
В знаменателе передаточной функции всегда стоит
левая часть характеристического уравнения — характе-
ристический полином.
48
Строго говоря, передаточная функция получается из
дифференциального уравнения после совершения над ним
прямого преобразования Лапласа (одна из операций
раздела высшей математики «Операционное исчисле-
ние») при нулевых начальных условиях. При этом
входная и выходная величины преобразуются в функции
р: Хвх(р) и Хвых(р), называемые изображениями вход-
ной и выходной величин. Передаточной функцией W(p)
называется отношение изображения выходной величины
к изображению входной величины при нулевых началь-
ных условиях:
т/ \ -Увнх(р) btnpm + bm-ipm~1+ . . . +ЬгР2 + Ь1Р + ^0
Anx(p) anpn+an-ipn-1+ ... +а2рг+а1р+а0
Видно, что передаточная функция полностью совпада-
ет с выражением (11.16), полученным из символической
формы записи дифференциального уравнения (11.15).
Передаточная функция так же, как и дифференци-
альное уравнение, полностью характеризует динамику
элемента и системы автоматического регулирования, но
поскольку она не содержит производных, а является ал-
гебраическим выражением, то существенно упрощает
операции по получению динамических характеристик
сложных систем, состоящих из различно соединенных
элементов.
Пример. Получить передаточную функцию системы, описы-
ваемой дифференциальным уравнением 5хоых+2хВых+Хвых=4Хвх+
4"2-Vnx.
Записываем уравнение в операторном виде: (5р3+2р2+1)хВЫх=
= (4р—2)хв1. Полином, характеризующий выходную величину,
Л(р) = 5р3+2р2+1, полином, характеризующий входную величину,
£(р)=4р+2, откуда
ТГ (р) = - -Р-+-2— .
5р3+2р2+1
Переходная функция
При сравнении динамических свойств элементов и
систем удобно рассматривать их реакции на некоторые
типовые входные воздействия. Одним из таких типовых
воздействий является единичная ступенчатая функция
1 (т) (рис. II.4)
1(т) =
О при т<0;
1 при т>0.
(П.17)
4S
Переходный процесс в элементе или системе после
поступления единичного ступенчатого входного воздей-
•ствия Хвх(т) = 1 (т) называется переходной функцией и
•обозначается й(т).
Переходная функция й(т)
% является решением дифферен-
циального уравнения при нуле-
вых начальных условиях и
. -Квх=1, а также может быть
найдена по формуле Хевисай-
да с использованием переда-
0 т точной функции
Рис. Ц.4. Единичная ступенча- Й (т) = № (0) + 2 - еркт •
-тая функция А-1 PhA\Ph)
(11.18)
где рк — корни характеристического полинома А(г>>, стоя-
ацего в знаменателе передаточной функции (корни харак-
теристического уравнения); В(рк)—значение числителя
передаточной функции при р=рк\ А(Рк)—значение про-
изводной знаменателя передаточной функции при р =
=Рк, V^(0) —значение передаточной функции при р=0;
.л— порядок дифференциального уравнения.
Пример. Найти переходную функцию, если дифференциальное
•уравнение элемента 5хВЫх+6хвых+хВЬ1х=5хВх.
Запишем уравнение в операторной форме (П.15а) (5р2+
+6р+1)хвых=10хвх. Полином А(р)=5р2+6р+1, полином В(р) = 10
и передаточная функция И7(р) = 10/(5р2+6р+1). Характеристиче-
-ское уравнение (знаменатель передаточной функции): 5р2+6р 7-
+ 1=0 и его корни
„ —6+7'36—20 —6±4 _ no- n 1
Р1.2=------------=------—• Pi ——0,2 Рг ——1-
10 10 ’
Производная знаменателя передаточной функции Д(р) = 10р+6,
и ее значение при pi=—0,2 Д(р1)=4 и при р2=—1 Д(р2) =—4.
Значение передаточной функции при р=0 VF(0) = 10. По формуле
(II.18) имеем
10 10
h (т) = 10+------е-о.гт-р- ------е-*= 10—12,5e-°^+2,5e-t.
(-0,2)4 (—1)(—4)
§ 2. Типовые динамические звенья
При анализе и синтезе САР удобно представлять их
состоящими из простых элементов, называемых типовы-
ми динамическими звеньями. Динамические звенья под-
разделяются только по динамическим свойствам (виду
50
дифференциального уравнения), которые могут быть оди-
наковы при различной физической сущности процесса в
звене, т. е. одним и тем же типом динамического звена
охватываются элементы, в которых протекают разные
физические процессы (электрические, тепловые, гидрав-
лические и др.). Типовое звено не обязательно представ-
ляет собой отдельный конструкционный элемент систе-
мы, а может быть частью такого элемента. Тогда элемент
системы (объект регулирования, регулятор, чувствитель-
ный элемент и пр.) будет представляться определенным
соединением типовых звеньев. Типовые звенья имеют
следующие общие свойства: 1) одну входную и одну
выходную величины; 2) дифференциальные уравнения не
выше 2-го порядка; 3) пропускают сигнал только в од-
ном направлении (детектирующие свойства).
Все типовые звенья подразделяются на статические,
астатические (интегрирующие), дифференцирующие и
звено чистого запаздывания.
Статические звенья
К статическим относятся такие звенья, которые при сту-
пенчатом входном воздействии переходят из начально-
го положения равновесия в новое.
Пропорциональное звено. Это звено называют также
усилительным и безынерционным. Звено описывается
алгебраическим уравнением:
Хвых = (11.19)
где k — коэффициент передачи (усиления), имеющий раз-
мерность: единицы выходной величины, деленные на
единицы входной величины (такую размерность имеют
коэффициенты передачи всех статических звеньев).
Передаточная функция звена
W(p)=k. (11.20)
Передаточная функция Л(т) =Л1(т) представляет собой
ступенчатую функцию высотой k (рис. 11.5,а).
Примерами пропорционального звена могут служить:
рычаг (рис. П.6,а), если входная величина — перемеще-
ние (усилие) на одном конце рычага, а выходная вели-
чина — перемещение (усилие) на втором конце; зубчатая
передача (редуктор), если хВх=<рВх—угол поворота ма-
лой шестерни, а хВЫх = Фвых—то же, большой шестерни
(рис. П.6,б); теплоотдача конвекцией от движущегося
61
Рис. U.S. Переходные функции позиционных звеньев:
d — пропорционального; б — апериодического 1-го порядка; в—аперио-
дического 2-го порядка; г — колебательного
газа к стенке, если хвх— разность температур газа и
стенки Д/=/г—/ст, а хВЫх— количество отдаваемого теп-
ла Q (рис. П.6,в); потенциометрический датчик измери-
тельного прибора, если хвх— перемещение движка I, а
•«вых — снимаемое с датчика напряжение пВЫх (рис.
11.6,г).
4>ис. 11.6. Примеры
пропорциональных звеньев
9 Unum
Обычно пропорциональное (безынерционное) звено
является некоторой идеализацией реальных звеньев и
к нему сводятся позиционные звенья, рассмотренные ни-
52
эке. если можно пренебречь переходными процессами в
них. В этих условиях, например, большинство датчиков
самых различных физических величин относится к про-
порциональному звену.
Апериодическое (инерционное) звено первого порядка
описывается дифференциальным уравнением
ТЯвых + Л-вых = (11.21)
где k — коэффициент передачи; Т — постоянная времени,
с. Передаточная функция звена
W(p)=k/(Tp+l)-t (11.22)
переходная функция звена
Мт)=6(1—e-T/T). (П.23)
Переходная функция /г(т) представляет собой экспо-
ненту (рис. 11.5,6). Отрезок, отсекаемый касательной,
проведенной в начальной точке, при установившемся
значении выходной величины равен постоянной време-
ни Т. Постоянная времени—это время, за которое вы-
ходная величина достигла бы своего установившегося
значения, если бы изменялась с постоянной начальной
скоростью. Чем больше Т, тем длительнее переходный
процесс. Строго говоря, установившееся значение хВых=
=k достигается при т-»-оо, но практически переходный
процесс считается закончившимся через время т’»37'.
Постоянная времени характеризует «инерционность»
апериодического звена. Если она мала, то апериодичес-
кое звено по существу становится безынерционным.
Примерами апериодических звеньев могут служить:
электропривод постоянного тока, если входная величи-
на— подводимое напряжение xBX = u, а выходная вели-
чина хВЫх = п — скорость вращения (рис. 11.7,а); проме-
жуточный ковш МНЛЗ, если хвх = бПр—6СТ — разность
поступления и расхода жидкого металла, а хвых=Н —
уровень металла (рис. П.7,б); нагрев тела, помещенного
в среду с температурой tc (теплоотдача оценивается по
Рис. 11.7, Примеры апериодических звеньев первого порядка
53
закону Ньютона q=a(tc—М> гДе Я — плотность тепло-
вого потока на нагреваемое тело; а — коэффициент теп-
лоотдачи), если tc — входная величина, а средняя тем-
пература тела tM — выходная величина (рис. П.7,в);
цепочка RC (рис. П.7,г).
Апериодическое (инерционное) звено второго поряд-
ка описывается уравнением
7'22ХвЫх + 71 + (11.24)
Для этого звена корни характеристического уравнения
T22P2+TlP + 1 =0 должны быть действительными, что
выполняется при 7’1>2Т2.
Передаточная функция звена
W(p)=k/(T2^+TlP+l). (11.25)
Знаменатель передаточной функции может быть раз-
ложен на множители, и тогда передаточная функция
будет иметь вид
W(p)=k/[(T3p+l)(Ttp+l)], (11.26)
где
Т’3,4= (7’1±у7'12—477)/2. (11.27).
Переходная функция (рис. II.5,в) может быть получена
по формуле Хевисайда (11.18)
h(z) =k (I----e-vr8 + (11.28)
\ —Tt T3—Tt )
Примеры апериодического звена второго порядка:
последовательное соединение двух пневматических ем-
костей, если входная величина xBx=Aiiit, а выходная ве-
личина— давление во второй емкости хВЫх=р (рис.
П.8,а); цепочка RC (рис. 11.8,6).
Колебательное звено. Дифференциальное уравнение
звена обычно представляется в виде
7’2.Твых + 2Т^Хвых + Л.вых = ^^вх, (II.29)
где — коэффициент затухания, 0<^<1.
54
Корни характеристического уравнения T2p2+2Ttp+1 =0
равны
Р1,г=—а±/со= (—1)/Т
и у колебательного звена должны быть комплексными.
Комплексные корни получаются при £<1.
Передаточная функция звена
W(p)=ft/(T2p2+27’gp+l). (П.30)
Переходная функция звена
Л(т)=л[1—е~ах( cos(ot+— sincoT^l, (11.31)
L \ со /J
где <х = |/7’, а со = У1—£2/Т носит затухающий колеба-
тельный характер около значения хвых(^)=к. Ее за-
тухание определяется действительной частью корней
характеристического уравнения а, а частота — мнимой
частью со. Существует характеристика переходного про-
цесса. называемая степенью колебательности т = а/аз,
которая для колебательного звена находится в преде-
лах 0<т<оо. Колебательность переходного процесса
может также характеризоваться степенью затухания
ф= (*1—x3)/xi, (11.32)
где X] и л'з — величины первой и третьей амплитуд вы-
ходных колебаний (см. рис. П.5,г).
Значение степени затухания связано с действитель-
ной и мнимой частями корней характеристического урав-
нения колебательного звена
2лос/(о — | q—2лт
(11.33)
Примерами колебательных звеньев могут служить
колебательный RCL — контур (рис. П.9,о) и упругая
механическая передача (рис. II.9,б). В передаче имеются
упругий элемент У, маховик М и демпфер Д, оказыва-
ющий сопротивление вращению вала. Входная величи-
на— угол поворота входного вала <рь выходная величи-
на— угол поворота выходного вала (рг-
Z R
Рис. П.9. Примеры колебательных звеньев
55
Астатические (интегрирующие) звенья
Это такие звенья, у которых после поступления на вход
ступенчатого воздействия выходная величина не при-
ходит к установившемуся значению (как у статических)»
а непрерывно изменяется.
Идеальное интегрирующее звено. Дифференциаль-
ное уравнение звена
ХвыХ = ^1Явх» (11-34}
где ki — коэффициент передачи, имеющий размерность:
единицы скорости изменения выходной величины, делен-
ные на единицы входной величины.
Передаточная функция звена
Щр)=*./р. (11.35)
Переходная функция звена (рис. Il.IO.a)
Л(Т)=А!1Т (11.36)
представляет собой прямую линию с углом наклона
arctg k{.
Рис. II. 10. Переходные функции идеального (/) и реального (2)
звеньев и примеры интегрирующих звеньев
Примеры интегрирующих звеньев: электродвигатель»
если входная величина — напряжение питания, а выход-
ная величина — угол поворота якоря <р (рис.П.10,6);
кристаллизатор МНЛЗ, если входная величина — рас-
ход металла из промежуточного ковша (при постоянной
скорости вытягивания слитка), а выходная величина —
уровень металла в кристаллизаторе (см. рис. II.2,а);
ванна жидкого металла в сталеплавильной печи, если
входная величина — тепловой поток через поверхность
56
ванны q, а выходная величина — изменение средней тем-
пературы металла Д/м (рис. II. 10,в).
Реальное интегрирующее звено (интегрирующее зве-
но с замедлением). Звено описывается дифференциаль-
ным уравнением
7Хвых + Хвых = ^уХвх. (11.37)
Передаточная функция звена
W(p)=kJp(Tp+l). (П.38)
Переходная функция реального интегрирующего звена
Л(т)=Ыт—Т(\— e-VT)] (11.39)
отличается от переходной функции идеального звена в
начальный момент времени, а затем переходит в прямую
линию с тем же углом наклона.
Примерами реальных интегрирующих звеньев могут
служить тс же звенья, что показаны на рис. 11.10, если
более точно, без допущений рассматривать их уравне-
ния движения. Например, электродвигатель с постоянной
скоростью будет идеальным интегрирующим звеном.
Однако в момент пуска постоянная скорость установится
не сразу, а с некоторым замедлением, и электродвигатель
следует рассматривать как реальное интегрирующее зве-
но.
Дифференцирующие звенья
Идеальное дифференцирующее звено. Дифференциаль-
ное уравнение звена
(11.40)
где k2 — коэффициент передачи дифференцирующего зве-
на, имеющий размерность: единицы выходной величины,
деленные на единицы скорости изменения входной ве-
личины.
Передаточная функция звена
W(p)=k2p. (П.41)
Переходная функция звена
Л(т)=М(т), (11.42)
где 6(т) — так называемая дельта-функция, которая рав-
на нулю всюду, кроме нулевого момента времени, где ее
значение стремится к бесконечности.
57
Переходная функция идеального звена (рис. II.11,а)
представляет собой мгновенный бросок выходной вели-
чины в бесконечность в момент нанесения ступенчатого
входного воздействия и столь же мгновенное возвраще-
ние к нулю.
в
рис. Ц.!1. Переходные функции идеального (7) и реального (2)
звеньев и примеры дифференцирующих звеньев
Наиболее близко к идеальному звену приближается
тахогенератор постоянного тока (рис. II.11,6), если
входной величиной считать угол поворота якоря, а вы-
ходной— э.д.с. якоря, а также операционный усилитель
в режиме дифференцирования, применяемый в аналого-
вых ЭВМ.
Реальное дифференцирующее звено (дифференцирую-
щее звено с замедлением). Звено описывается диффе-
ренциальным уравнением
ТХвЫХ “Ь ХВЬ1Х = ^2*^BX* (11.43)
Передаточная функция звена
W(p)=k2p/(Tp+l). (11.44)
Переходная функция звена
Л(т) = (/г2/7’)е-т/г (П.45)
представляет собой экспоненту, касательная к которой
в точке наибольшей крутизны отсекает на нулевом зна-
чении выходной величины постоянную времени Т (рис.
II.11,а).
Примером реального дифференцирующего звена мо-
жет служить цепочка RC (рис. II. 11,в).
58
Звено чистого запаздывания
В отличие от других звеньев это звено описывается урав-
нением с запаздывающим аргументом
^вых(т) =Хвх(т То) > (11.46)
где то — время запаздывания.
Выходная величина звена точно равна входной ве-
личине в момент времени на то ранее.
Передаточная функция звена (получается с исполь-
зованием методов операционного исчисления)
W(p) = е~гго. (П.47)
Переходная функция звена чистого запаздывания
Л(т) = 1(т—то), (П.48)
т. е. представляет собой единичное ступенчатое измене-
ние выходной величины с отставанием на то от такого
же изменения входной величины (рис. II.12,а).
Рис. П.12. Переходная функция (а) и пример (б) звена чистого запаз-
дывания
Характерным примером звена чистого запаздывания
служит транспортер (например, лента агломерационной
машины), на котором после изменения входной величины
(толщина слоя сыпучего материала) должно пройти вре-
мя т 0 = l/v (I — длина транспортера; v — его скорость;
то — время чистого транспортного запаздывания), после
которого на ту же величину изменится выходная вели-
чина (рис. 11.12,6).
59
§ 3. Соединение звеньев
Существует три типа соединения звеньев между собой
(рис. 11.13): последовательное, параллельное и встречно-
параллельное (с обратной связью). Для математическо-
го описания систем из различно соединенных звеньев
наиболее удобно пользоваться не дифференциальными
уравнениями, а передаточными функциями.
fsx
W, (р)
WZ(P) I—J W„ip)
Рис. 11.13. Структурные схемы соединения звеньев:
а — последовательное; б — параллельное; е — с обратной связью
Последовательное соединение. Это такое соединение,
при котором выходная величина предыдущего звена яв-
ляется входной величиной последующего звена (рис.
II.13,а). Передаточная функция системы
последовательно соединенных звеньев рав-
на произведению передаточных функций
отдельных звеньев:
V(р) = (р) W2(p) ... Wn^lp) Wn(p). (11.49)
Параллельное соединение. При параллельном соеди-
нении (рис. II.13,6) на вход всех звеньев поступает одна
и та же входная величина xBX=xBXi = xBX2 = ...=xBXn, а
выходная величина системы равна сумме выходных ве-
личин отдельных звеньев. Передаточная функ-
ция системы параллельно соединенных
звеньев равна сумме передаточных функ-
ций отдельных звеньев:
W (Р) = (Р) + W2 (р) 4- ... + Wn^ (р) + Wn (р). (11.50)
Соединение с обратной связью. Таким образом может
быть соединено только два звена: звено с передаточной
60
функцией Wi(p) охвачено обратной связью — звеном с
передаточной функцией Woc(p) (рис. II. 13,в). При этом,
соблюдаются соотношения:
Хвых1 = •^ВХ.О.С = Хвых i
Хвх! = ^вх i Хвых.о.с. (II.51J
Знак «плюс» соответствует положительной обратной
связи, знак «минус» — отрицательной обратной связи.
Передаточная функция системы при ох-
вате звена обратной связью равна дроби,
числитель которой — передаточная функ-
ция звена, а знаменатель — единица плюс
(минус) произведение передаточной функ-
ции звена и передаточной функциизвена об-
ратной связи («плюс» соответствует отрицательной,
«минус» — положительной обратной связи):
w (Р) = (р)/[1 + W. (р) Г0.с (р) ]. (11.52}
Пример. Найти передаточную функцию системы, состоящей
из апериодического звена первого порядка Wi(p)=k/(Tp+l), охва-
ченного отрицательной обратной связью в виде интегрирующего-
звена Wo.c(p)=ko.clp.
По формуле (П.52) находим
W (р) =kp/ (Tp2+p+kkoc).
Как видно из примера, введение обратных связей су-
щественно меняет свойства основного звена: вместо апе-
риодического звена первого порядка получено сложное
дифференцирующее звено (р в числителе передаточной
функции — признак дифференцирования).
§ 4. Объекты регулирования
с сосредоточенными параметрами
Объект является основным элементом в любой системе
автоматического регулирования и управления. Для со-
здания и расчета системы, обеспечивающей нужное
качество регулирования, обязательно нужно иметь мате-
матическое описание объекта в виде уравнений, переда-
точных функций и пр.
Практически все металлургические агрегаты пред-
ставляют собой сложные объекты управления, которые
описываются уравнениями высоких порядков и имеют
нелинейные зависимости между входными и выходными
величинами. Сложность и взаимосвязь физико-химичес-
6»
«их процессов приводит к тому, что металлургические
-агрегаты являются многосвязными объектами управ-
ления.
Большинство металлургических агрегатов являются
нестационарными объектами, что выражается изменением
во времени параметров, определяющих их статические
и динамические характеристики. Указанные параметры
изменяются как в агрегатах периодического действия по
ходу процесса, так и в агрегатах непрерывного действия
по мере износа и старения агрегатов в процессе эксплуа-
тации.
Вместе с тем, при определенных упрощениях и иссле-
дованиях работы объекта в относительно узких пределах
изменения входных и выходных величин многие объек-
ты можно рассматривать как линейные с сосредоточен-
ными параметрами.
Рассмотрим характеристики таких объектов, имею-
щих одну входную величину—положение регулирующе-
го органа у и одну выходную величину — регулируемую
.величину х. Объекты, которые могут быть представлены
.апериодическим звеном 1-го порядка или цепочкой по-
следовательно соединенных апериодических звеньев, на-
зывают статическими объектами. В этих объектах вы-
ходная величина после появления возмущающего
воздействия сама, без регулирования, через некоторое
время приходит к новому положению равновесия.
Статические объекты описываются передаточными
«функциями:
И70б(р)=--------feoe ----------=
(Т\р+1) (Г2р+1) ... (Тпр+1)
И -----*0б-- , (П 53)
11 (Лр+1)
1=1
где kod — коэффициент передачи объекта, имеющий раз-
мерность: единица выходной величины, деленная на еди-
щицу входной величины.
Поскольку входной величиной в этом случае будет
регулирующее воздействие, то его целесообразно выра-
жать в единицах перемещения регулирующего органа
и тогда размерность kOd — единица регулируемой вели-
чины, деленная на величину хода регулирующего органа
в процентах. Управляющее воздействие может быть вы-
ражено и в других единицах, связанных с положением
62
регулирующего органа, например, в единицах подавае-
мой мощности, в единицах расхода среды и т. д.
В зависимости от степени р (числа скобок) в знаме-
нателе формулы (П.53) объекты регулирования назы-
ваются объектами 1-го, 2-го,... n-ного порядка.
Примерами металлургических статических объектов1
регулирования разного порядка могут служить: проме-
жуточный ковш МНЛЗ (первого порядка) (см. рис.
П.7,б); плавильные или нагревательные печи как объ-
екты регулирования давления (1-го или 2-го порядка);
эти же печи как объекты регулирования температурь1.
(2-го, 3-го и более высокого порядка).
Рис. 11.14. Переходные характеристики статических объектов:
а —переходные функции объектов 1-го (/). 2-го (2) и 3-го (3) по-
рядков; б — определение параметров объекта по кривой разгона
Переходные функции статических объектов показаны
на рис. 11.14. Простейший статический объект — объект
1-го порядка по динамическим свойствам представляет
собой апериодическое звено 1-го порядка. Чем выше по-
рядок объекта, тем он более инерционен, т. е. медленнее
возрастает выходная величина в начале переходного про-
цесса (см. кривые 1—3 на рис. II.14,а).
Некоторые металлургические объекты включают в
себя элементы с чистым запаздыванием, например тран-
спортер. Передаточная функция такого объекта являет-
ся произведением передаточной функции объекта без
запаздывания на передаточную функцию звена чистого
запаздывания с временем запаздывания тОб (как после-
довательное соединение звеньев):
1^об(р) = -п *oe—e-pro0. (11.54)
II (Г.р+1)
Г-1
В ряде случаев удобно представлять (аппроксимиро-
вать) сложные статические объекты (обычно выше 2-го
6»
порядка) последовательным соединением объекта 1-го
порядка и звена чистого запаздывания и тогда переда-
точная функция имеет вид:
^об(р) = -^-^о6 (п.55)
ГосР+1
Параметры объекта — коэффициент передачи &Об,
постоянная времени Тоб и время запаздывания тое опре-
деляются по экспериментально снятым временным ха-
рактеристикам (кривым разгона), как показано на рис.
II.14,6. Кривыми разгона (несколькоустаревшее, но при-
меняемое металлургами название) называются переход-
ные процессы в объекте регулирования после подачи на
вход ступенчатого воздействия высотой ув, нс равной 1
(при yD = 1 получается переходная функция). Для опре-
деления ТОб и Тоб проводится касательная к кривой в
точке наибольшей крутизны (точке перегиба), которая
отсекает тОб и Тоб на нулевом и установившемся значе-
ниях х. При этом k06=x(°o) / ув. Такая аппроксимация
справедлива для статических объектов 3-го и более по-
рядка.
Объекты управления, вклю дающие астатические (ин-
тегрирующие) звенья, называют астатическими объекта-
ми. У этих объектов выходная величина после появ 1ения
ступенчатого возмущающего воздействия не приходит
к положению равновесия, а непрерывно изменяется.
Астатические объекты можно представить цепочкой из
последовательно соединенных идеальных интегрирующих
звеньев и апериодических звеньев 1-го порядка.
Астатические объекты имеют передаточные функции
Гоб(р) = —, (П.56)
pm II
i = l
где &o6i — коэффициент передачи астатического объекта
с размерностью: скорость изменения регулируемой ве-
личины, деленная на величину хода регулирующего хо-
да органа, %; m и п — целые вещественные положитель-
ные числа, m — характеризует порядок астатизма объ-
екта (объекты с астатизмом 1-го, 2-го и т. д. порядка),
а сумма т+п— характеризует порядок объекта.
Примерами астатических металлургических объектов
могут служить различные емкости с жидкостью, если
выходной величиной является уровень жидкости, а вход-
ной — разность между притоком и стоком жидкости (при
«64
условии, что уровень жидкости не влияет на ее сток),
например кристаллизаторы МНЛЗ (см. рис. П.2,а).
Астатическими объектами являются также объекты ре-
гулирования уровня сыпучих материалов в бункерах или
уровня засыпи в доменной или другой шахтной печи.
Переходные функции астатических объектов с аста-
тизмом первого порядка показаны на рис. II.15,а. Аста-
тический объект 1-го порядка представляют собой иде-
альное интегрирующее звено. Так же как у статических
объектов, чем выше порядок объекта, тем более инер-
ционен объект.
рис. 11.15. Переходные характеристики астатических
объектов:
« — переходные функции объектов 1-го (/). 2-го (2)
и 3-го (3) порядков с астатизмом 1-го порядка; О —
определение параметров объекта по кривой разгона
В ряде случаев сложные астатические объекты с ас-
татизмом 1-го порядка удобно представлять (аппрокси-
мировать) последовательным соединением астатического
объекта 1-го порядка (идеального интегрирующего зве-
на) и звена чистого запаздывания. Передаточная функ-
ция при таком представлении объекта имеет вид:
^o6(p) = (Wp)e-pro6. (11.57)
Параметры объекта koai и тОб определяются по экспе-
риментально снятой кривой разгона, как показано на
рис. II.15,6. Коэффициент передачи ^o6i = tga/t/B, где
уъ — величина ступенчатого изменения входной величи-
ны объекта (положения регулирующего органа).
§ 5. Автоматические регуляторы
Автоматические регуляторы предназначены для оказания
управляющего (регулирующего) воздействия на объект
в соответствии с законом регулирования (алгоритмом
управления). Под законом регулирования подразумева-
3. 15-
65
ется зависимость регулирующего воздействия у (выход-
ная величина регулятора и входная величина объекта)
от отклонения регулированной величины от ее заданного
значения е (входная величина регулятора)
!/=f(e). (П.58:
Величина регулирующего воздействия оценивается в
процентах хода вала исполнительного механизма (по
отношению к полному перемещению) или в процентах,
хода регулирующего органа (обычно они равны между
собой).
Если зависимость (11.58) является линейным диф-
ференциальным уравнением, то закон регулирования
также называют линейным. Закон регулирования счита-
ется непрерывным, если непрерывному изменению вход-
ной величины е соответствует непрерывное изменение
регулирующего воздействия у. В серийно выпускаемой
аппаратуре обычно реализуют пять линейных непрерыв-
ных законов регулирования: пропорциональный (П), ин-
тегральный (И), пропорционально-интегральный (ПИ),,
пропорционально-дифференциальный (ПД) и пропорци-
онально-интегрально-дифференциальный (ПИД). Техни-
ческие устройства, обеспечивающие указанные законы
регулирования, называют соответственно П-, И-, ПИ-,
ПД-, ПИД-регуляторами. Такие же законы регулирова-
ния применяются и при непосредственном цифровом
управлении (НЦУ) с помощью ЭВМ. В этом случае
ЭВМ рассчитывает управляющее воздействие по соот-
ветствующему алгоритму, используя данные о фактичес-
ком значении отклонения е.
Все законы регулирования являются различными ком-
бинациями трех составляющих: пропорциональной (П)„
интегральной (И) и дифференциальной (Д). Уравнения;
этих составляющих
Уп =Ап в;
уи = Ац J &dt\
Уд = ka в, (П.59>
где kn , kvi, Ад — коэффициенты передачи пропорцио-
нальной, интегральной и дифференциальной составляю-
щих.
66
Передаточные функции составляющих:
п (р) =^п5
и (р) =kvdp-,
Wa(p)=k^p. (11.60)
В динамическом отношении указанные составляющие
представляют собой соответственно пропорциональное,
идеальное интегрирующее и идеальное дифференцирую-
щее звенья.
Пропорциональный регулятор включает только одну
пропорциональную составляющую и его уравнение при
Лр=^п
1/=Лре, (11.61)
где kp — коэффициент передачи, имеющий размерность:
процент хода вала исполнительного механизма, деленный
на единицу регулируемой величины.
Регулирующее воздействие формируется пропорцио-
нально отклонению регулируемой величины от заданно-
го значения.
Передаточная функция П-регулятора
Wn(p)=kp. (П.62)
В динамическом отношении П-регулятор представ-
ляет собой пропорциональное звено, что видно по пере-
ходной функции, изображенной на рис. II. 16,а.
Интегральный регулятор включает только одну ин-
тегральную составляющую и поэтому его уравнение
j/=^HJedT= (fep/Ти) Jedx, (11.63)
где ku — коэффициент передачи интегрального регулято-
ра, k^=kpl Тъ; kp—коэффициент передачи П-регулято-
ра, Ти — постоянная времени интегрирования, с.
Регулирующее воздействие формируется пропорцио-
нально интегралу отклонения регулируемой величины
от заданного значения.
Передаточная функция И-регулятора
^(p)=kVi/p = kp/TliP (11.64)
В динамическом отношении И-регулятор аналогичен
идеальному интегрирующему звену. Переходная функ-
ция регулятора показана на рис. II.16,6.
3'
67
У
Рис. 11.16. Переходные функции идеальных (7) и реальных (Г)
регуляторов:
а —П; б — И; в —ПИ; г— ПД; д— ПИД
68
Пропорционально-интегральный регулятор включает
пропорциональную и интегральную составляющие. Урав-
нение регулятора
y=kps+ (&p/T„) Jed-r. (11.65)
Регулирующее воздействие ПИ-регулятора формиру-
ется как сумма двух составляющих: пропорциональной
Уп =kpe, и интегральной у и = (ftp/ 7п) I edr. Переходная
функция (рис. П.6,в) является суммой переходных функ-
ций пропорционального и интегрирующего звеньев. По-
стоянная времени интегрирования Т„ характеризует долю-
участия интегральной составляющей в формировании ре-
гулирующего воздействия. Чем больше Т„, тем меньше
участие интегральной составляющей; при 7',,—>-оо регуля-
тор превращается в пропорциональный
Передаточная функция ПИ-регулятора
Гпи(р)=А:р(1 + 1/7’„р) (П.66)
является суммой передаточных функций пропорциональ-
ной и интегральной составляющих. Структурно ПИ-регу-
лятор представляет собой параллельное соединение про-
порционального и идеального интегрирующего звеньев.
Пропорционально-дифференциальный регулятор вклю-
чает пропорциональную и дифференциальную составляю-
щие. Уравнение регулятора
y=kpE+kpTRe., (П.67>
где Тд — постоянная времени дифференцирования, с.
Регулирующее воздействие ПД-регулятора формиру-
ется как сумма двух составляющих: пропорциональной
Уп—kpE и дифференциальной у л = ^рТлЕ Переходная
функция регулятора (рис. II. 16,г) является суммой пе-
реходных функций пропорционального и идеального диф-
ференцирующего звеньев.
Передаточная функция ПД-регулятора
Wna(p)=kp(l + Tnp) (П.68)
является суммой передаточных функций пропорциональ-
ной и дифференциальной составляющих. Структурно ПД-
регулятор представляет собой параллельное соединение
пропорционального и идеального дифференцирующего
звеньев.
69
Пропорционально-интегрально-дифференциальный ре-
гулятор включает все три составляющих и его уравне-
ние
y=kve,+ (kp/Тц) . (11.69)
Регулирующее воздействие ПИД-регулятора форми-
руется как сумма трех составляющих: пропорциональ-
ной t/n=Ape, интегральной уи = (Ар / 7И) edx и диффе-
ренциальной Уд = Ар7'де'. Переходная функция (рис.
П.16Д) является суммой переходных функций пропор-
циональной идеальных интегрирующего и дифферен-
цирующего звеньев.
Передаточная функция ПИД-регулятора
^пид =Ар(1 + 1/7’ир+Тдр) (П.70)
является суммой передаточных функций всех трех сос-
тавляющих (11.60).
Структурно ПИД-регулятор представляет собой па-
раллельное соединение пропорционального, идеального
интегрирующего и идеального дифференцирующего
звеньев.
Все рассмотренные законы регулирования и, соот-
ветственно, регуляторы являются идеальными, не учи-
тывающими действительных возможностей реальных
устройств. Так, в реальном П-регуляторе при ступенча-
том изменении входной величины положение выходного
вала исполнительного механизма (например, электро-
двигателя) не может мгновенно измениться на величину
Ар в соответствии с переходной функцией идеального ре-
гулятора, а выходной вал перемещается с некоторой
конечной скоростью и постепенно приходит к положению
Ар (рис. II. 16,а). Можно сказать, что реальный регуля-
тор отличается от идеального некоторой инерционностью.
Структурно реальный регулятор можно представить как
последовательное соединение звена с передаточной фун-
кцией идеального регулятора и инерционного (аперио-
дического) звена 1-го порядка с передаточной функцией
^пн(Р) = 1 / (Д1нР+ 1), характеризуемого постоянной
времени инерционного звена ТиИ-
Передаточная функция реального регулятора:
(р) = ^р(р)^Ин(р) = 1Г/р(р)/(7’иНр+1), (П.71)
где Wp(p)—передаточная функция соответствующего
идеального регулятора.
70
Переходные функции реальных регуляторов показа-
ны на рис. II.16 (кривые 2) и хорошо характеризуют
отличие процессов в реальных устройствах от идеаль-
ных законов.
§ 6. Замкнутые автоматические системы регулирования
Передаточные функции
Как было рассмотрено в гл. I, замкнутые САР (системы
с регулированием по отклонению) это такие системы,
которые в своей работе используют текущую информа-
цию о значениях регулируемой величины х и с помощью
регулятора, осуществляющего отрицательную обратную
связь, принимают меры к устранению отклонения е этой
величины от заданного значения хс. Если разорвать об-
ратную связь, то получится система в нерабочем состоя-
нии, называемая разомкнутой системой (не путать с
разомкнутыми системами с жесткой программой или с
регулированием по возмущению), структурно представ-
ляемая последовательным соединением звеньев (рис.
11.17,а).
Рис. П.17. Структурные схемы разомкнутой (а) и
замкнутых (б, в) систем регулирования
Передаточная функция разомкнутой системы (число
звеньев равное четырем принято условно, их может быть
любое количество)
№раз (р) = 1F, (р) W2 (р) Г3 (р) W4 (р).
(11.72)
71
Если снова замкнуть систему, поставив, например,
звено 4 в отрицательную обратную связь (рис. II.17,6),
то, используя правила соединения звеньев (см. § 3,
гл. II), можно получить передаточную функцию замкну-
той автоматической системы регулирования (система в
рабочем состоянии)
Ц73(п) = WL^HpH^pL. (11.73)
1 + nWp)
В этом случае выходной величиной системы хВых.с
является выходная величина 3-го звена. При выводе
формулы (11.73) вводилось вспомогательное укрупнен-
ное звено (пунктир на рис. II.17,б), передаточная функ-
ция которого Wi(p) = Wi (р) • W2(p) W3(p) по правилу
(11.49) последовательного соединения звеньев. Затем
звено с передаточной функцией U7i(p) охватывалось от-
рицательной обратной связью с передаточной функцией
Wt(p) и по правилу (11.52) находили передаточную функ-
цию замкнутой системы.
В общем случае, при любом количестве звеньев в
системе, передаточная функция замкнутой
системы равна дроби, в числителе ко-
торой стоит произведение передаточ-
ных функций звеньев, расположенных меж-
ду входной и выходной величинами сис-
темы (по ходу сигнала), а знаменатель
равен сумме единицы и передаточной
функции разомкнутой системы
Из данной формулировки, передаточные функ-
ции замкнутой системы, состоящей из одинаковых зве-
ньев, будут неодинаковы и зависимы от выбора входной
и выходной величин. Ясно, что если рассматривать в
качестве выходной величины системы хВых.с выходную
величину 2-го звена (рис. II.17,в), то передаточная фун-
кция замкнутой системы будет иметь вид отличный от
выражения (11.73)
Ц73(п) = ^-(рЖСр) _
1 + ^раз(р)
Пр и м е р. Получить передаточную функцию замкнутой системы
(см. рис. '1.4'5, если входная величина — возмущение ув поступает
на вход регулирующего органа и известны передаточные функции
всех функциональных элементов: №ро(р), 1ГрУ(р), W4S(p),
WC3(p), Wzn.3(p), W„.K(p).
По приведенному выше правилу в числителе передаточной
функции замкнутой системы будет стоять произведение передаточ-
72
ных функций четырех звеньев: IVp.ofp), W'p.y(p). №ч.з(р), W’in.a(p),
а в знаменателе единица плюс произведение передаточных функ-
ций всех звеньев:
^р.о(Р) Wp,y(p) 1Гч.э(р) АУ'1.п.э(Р)
1 + ^р.о(р) ^р.у(р) ^Ч-э(р) №1.П.э(Р) IVС.э(р) ^2п.э(р) IVИ м(р)
Очень часто замкнутую систему автоматического ре-
гулирования представляют укрупненно состоящей из двух
основных элементов: объ-
екта и регулятора (рис.
П.18). В качестве выходной
величины системы рассмат-
ривают регулируемую вели-
чину х. В качестве входной
величины рассматривают:
а) задающее воздействие
х0- б) возмущающее воз-
действие Z. рис и jg Структурная схема зам-
По правилу получения кнутом cap
передаточной функции зам-
кнутой системы находим передаточные функуции при
соответствующем входном воздействии при равенстве ну-
лю другого воздействия:
а) задающее воздействие Хвх.с=
Г? (Р) = ^об(р)Гр(р)/[1 + Гоб(р)Гр(р)], (11.74)
где Н70б(р) и Wr(p)—передаточные функции объекта
и регулятора. Эту передаточную функцию часто называют
основной передаточной функцией замкнутой САР;
б) возмущающее воздействие .vBx.c = z
К (р) = ГобИр)/[1 + Гоб(р)Гр(р)], (П.75)
где ГОбг— передаточная функция объекта по каналу воз-
мущения.
В частном случае возмущающее воздействие может
поступать по каналу управления со стороны регулирую-
щего органа (изменение положения регулирующего ор-
гана). Тогда хвх.с=Ув, U”o6z= IPooip) и передаточная
функция замкнутой системы имеет вид
W в = Гоб (Р) / [ 1 + Гоб (р) Гр (р) ]. (II .76)
Устойчивость систем автоматического регу гирования
Одно из основных требований, предъявляемых к замкну-
тым САР, это обеспечение устойчивых условий работы.
Система автоматического регулирования
73
называется устойчивой, если она, будучи
выведенной из состояния равновесия в ре-
зультате действия возмущения, после сня-
тия возмущающего воздействия возвраща-
ется к положению равновесия или в
конечную область, примыкающую к нему.
Устойчивость — это внутреннее свойство системы, не за-
висящее от внешних воздействий.
Простейшей аналогией устойчивой и неустойчивой
систем могут служить системы из вогнутой или выпук-
лой поверхности и шарика. Выходной величиной является
отклонение шарика от положения равновесия. На вог-
нутой поверхности (рис. II. 19,а) шарик, смещенный в
сторону какой-то силой, после устранения этой силы
Рис. 11.19. Модель устойчивой (а) и неустойчивой (б)
систем
самопроизвольно возвращается в нижнюю точку, к преж-
нему положению равновесия. Если трение невелико, то
шарик совершает несколько колебаний около положения
равновесия (кривая 7); при большем трении шарик пе-
реместится в положение равновесия без колебаний —
апериодический процесс (кривая 2); при очень большом
трении шарик может немного не дойти до нижней точ-
ки (кривая 3) — возвратится в конечную область, при-
мыкающую к положению равновесия. Во всех трех
случаях налицо устойчивая система. На выпуклой по-
верхности (рис. 11.19,6) шарик, смещенный в сторону,
не возвращается к положению равновесия (кривая 4) —
система устойчивая.
В общем случае в системах автоматического регули-
рования возникают колебательные переходные процес-
сы (апериодические, т. е. неколебатсльные процессы —
частный случай). В устойчивых системах колебание но-
74
сит затухающий, а в неустойчивых системах — расходя-
щийся характер. Переход от устойчивой системы к не-
устойчивой характеризуется незатухающими колебания-
ми выходной величины — система находится на границе
устойчивости. Нахождение на границе устойчивости —
чисто теоретическая ситуация и реальные линейные сис-
темы автоматического регулирования в таком режиме
работать не могут (работа нелинейных систем в авто-
колебательном режиме здесь не рассматривается).
Как следует из определения, устойчивость системы
рассматривается при равенстве нулю входных, возму-
щающих воздействий, т. е. в случае, когда движение
системы определяется однородным дифференциальным
уравнением замкнутой системы (правая часть равна
нулю) an*(n)+an-ix(n_1)+.. . + n2-r+Oi.r+a0x=0 с характе-
ристическим уравнением anpn + an-tPn~l + ... + a2p‘2+aip+
4-ао=О. Система автоматического регулирования будет
устойчива, если у характеристического уравнения зам-
кнутой системы все действительные корни будут отри-
цательными, а все комплексные корни будут иметь
отрицательную действительную часть, т. е. для опреде-
ления устойчивости системы следует решить характерис-
тическое уравнение замкнутой системы и посмотреть на
значения его корней.
Возможно определение устойчивости по коэффициен-
там уравнения, не решая его. Существуют так называе-
мый алгебраический критерий устойчивости Гурвица,
который для систем, описываемых дифференциальными
уравнениями 3-го порядка а3х+а2х+а1х+аох=О, пока-
зывает, что система устойчива, если все коэффициенты
уравнения положительны и выполняется соотношение
02^1-Я3Я0Х).
Критерий Гурвица применим для систем, описывае-
мых линейными дифференциальными уравнениями любо-
го порядка. Существует еще несколько критериев устой-
чивости, основанных, в частности, на частотных свойствах
систем, которые рассматриваются в учебниках по тео-
рии автоматического регулирования.
Качество процессов регулирования
Устойчивость является необходимым, но недостаточным
свойством системы автоматического регулирования, по-
скольку в устойчивых системах могут возникать очень
медленно затухающие, длительные переходные процес-
75
сы. Поэтому возникает необходимость количественно
оценивать качество переходного процесса в устойчивой
системе регулирования.
Одной из основных характеристик качества является
точность регулирования. Точность регулирования харак-
теризуется статической ошибкой хст, которая появляет-
ся в статических системах и представляет собой откло-
нение регулируемой величины от заданного значения в
установившемся состоянии после окончания переходного
процесса (рис. 11.20). При изменении задания, когда
Рис. JL20. Переходные процессы в статических системах
Рис. П.21. Переходный процесс к определению показателей качества
система должна перейти в новое положение, соответ-
ствующее значению регулируемой величины х=х0, ста-
тическая ошибка хст=х,0—х(оо), где х(оо)—установив-
шееся значение регулируемой величины при т->оо
(кривая 1, рис II.20). При других возмущениях, когда
система должна вернуться в прежнее, принятое за нуле-
вое, положение равновесия, хгт = х(оо) (кривая 2, рис.
11.20). Установившееся значение х(оо) при единичном
ступенчатом воздействии (например Хо=1(т)) может
быть найдено по формуле
х(оо)=Ит1Гз(р), (П.77)
р-М)
где W3(p)—передаточная функция замкнутой системы
при соответствующем воздействии.
Существуют показатели качества, характеризующие
работу системы в переходных режимах (в динамике).
Большинство из них определяется по графику переходно-
го процесса (рис. П.21) (на рисунке заданное значение
регутируемой величины принято за пуль хо=О, при этом
величина х, отсчитываемая от заданного значения, рав-
на отклонению с обратным знаком х=—е): Х| — дина-
мическое отклонение (в единицах регулируемой величи-
ны), т. е. наибольшее отклонение регулируемой величины
•от заданного значения в процессе регулирования;тр —
76
время регулирования (характеризует быстродействие сис-
темы), т. е. продолжительность переходного процесса
до момента, когда отклонение войдет в наперед задан-
ные небольшие пределы: ф=(х1—x3)/%i — степень за-
тухания, доли единицы; т]= (х2/х}) 100 — перерегулиро-
вание, %;
/2=J х2(т)^т— (11.78)
о
интегральный квадратичный критерий качества, дающий
суммарную оценку переходного процесса с учетом дли-
тельности процесса и отклонения регулируемой величины
от заданного значения.
Существуют показатели качества переходного процес-
са, характеризующие его колебательность и определяе-
мые по другим параметрам системы. Например, т —
степень колебательности (см. описание колебательного
звена), которая определяется по корням характеристи-
ческого уравнения замкнутой системы /п = а/со, где
а и со — действительная и мнимая части корней характе-
ристического уравнения рк.к+1 = а±/(о. Если уравнение
имеет несколько пар комплексных сопряженных корней,
то т берется по меньшему значению отношения а/со.
Показатели качества переходного процесса зависят
от характеристик объекта, типа и параметров применяе-
мых регуляторов. Самым простым законом регулирова-
ния является П-закон, по которому регулирующее воз-
действие вырабатывается пропорционально отклонению е.
П-регуляторы обеспечивают достаточное быстродействие
системы (малое время регулирования тр), но обязатель-
но дают статическую ошибку хст. Для улучшения пере-
ходного процесса (уменьшения динамического отклоне-
ния %1 и времени регулирования тР) можно применить
ПД-регулятор, в котором регулирующее воздействие фор-
мируется пропорционально отклонению е и скорости его
изменения, т. е. производной по времени de / dr. В этом
случае регулирующее воздействие появляется, когда
отклонение е еще очень мало, но есть скорость его изме-
нения, т. е. регулирующее воздействие как бы опережает
появление отклонения, что и позволяет улучшить пере-
ходный процесс. ПД-регуляторы также дают статическое
регулирование с ошибкой хСт- При использовании П- и
ПД-регуляторов уменьшение статической ошибки воз-
можно за счет увеличения коэффициента передачи регу-
77
лятора kp, но это увеличение ограничено опасности»
получить неустойчивую работу системы.
Если по технологическим требованиям статическая
ошибка недопустима, то применяют И-регулятор, кото-
рый обеспечивает астатическое регулирование. Однако
И-регулятор дает медленно затухающие переходные про-
цессы (большое время регулирования тР) и поэтому мо-
жет устанавливаться только на относительно простых,
статических объектах (на астатических объектах И-ре-
гуляторы работать не могут). Наиболее часто применя-
ют ПИ-регуляторы, в которых управляющее воздействие-
формируется пропорционально отклонению е и интегра-
лу этого отклонения при Jedx, и поэтому они обладают
преимуществами и П-, и И-регуляторов, т. е. достаточно
хорошим быстродействием и регулированием без стати-
ческой ошибки (астатическое регулирование).
В случае более жестких требований к процессу регу-
лирования или при более сложных объектах (выше по-
рядок объекта, больше время запаздывания) применя-
ют ПИД-регуляторы с составляющей регулирующего
воздействия, пропорциональной производной отклонения,
которая, как и в ПД-регуляторах, как бы опережает
появление отклонения и в целом улучшает переходный
процесс.
Нужное качество переходного процесса определяется
технологическими требованиями. Например, при быстро-
действующих технологических процессах время регули-
рования тр должно быть как можно меньше, в других
технологических процессах не допустимо значительное
отклонение регулируемой величины от заданного зна-
чения (ограничено динамическое отклонение X]), в не-
которых процессах недопустимо отклонение регулируе-
мой величины в сторону уменьшения (должен быть не-
колебательный, апериодический переходный процесс)
и т. д.
При заданных по технологическим соображениям
или нужных показателях качества переходных процес-
сов (допустимые значения х(, тР, хст, нужные значения
ф, т]) выбирается тип регулятора и рассчитываются его
настройки (коэффициенты уравнения), обеспечивающие
заданное качество переходного процесса. При этом
стремятся получить минимальное значение интегрально-
го критерия качества /2= [ х2г/т->тщ.
о
78
Существует много методик расчета систем регулиро-
вания (выбор типа регулятора и расчет его настроек)
на заданное качество переходного процесса, излагаемых
в специальной литературе (см. Г. М. Глинков, В. А. Ма-
ковский, С Л. Лотман, М. Р. Шапировский. Проекти-
рование систем контроля и автоматического регулиро-
вания металлургических процессов.— М.: Металлургия,
1986). Отметим, что в настоящее время наиболее целе-
сообразен расчет с помощью ЭВМ оптимальных настроек
регуляторов, обеспечивающих, например, получение
переходного процесса с минимумом интегрального квад-
ратичного критерия качества. (11.78).
Для проверки поавильности выбора регулятора и
расчета его параметров (настроек) следует рассчитать
переходный процесс. Переходный процесс может быть
получен как решение дифференциального уравнения
замкнутой системы автоматического регулирования при
соответствующих условиях (обычно нулевых) и задан-
ном измерении выходной ве-
личины. Однако этот путь по-
лучения переходного процес-
са встречает большие труд-
ности, связанные с достаточ-
но высоким порядком диффе-
ренциального уравнения и,
следовательно, сложностью
его решения. Поэтому про-
ще решать систему уравне-
ний, описывающих поведе-
ние отдельных элементов
Объект
Рис. П.22. Структурная схема к
расчету переходного процесса на
ЭВМ
системы регулирования.
Рассмотрим получение такой системы уравнений в
соответствии со структурной схемой САР (рис. 11.22).
Элемент сравнения 1 имеет уравнение
е(т) = х0(т)—х(т).
(11.79)
Регулятор 2 (рассматривается ПИД-регулятор) име-
ет уравнение
у(т) =&ре(т) + ^,р J е(т)йт+^г,7’де(т). (11.80)
Объект регулирования представлен как последова-
тельное соединение статического объекта 1-го порядка
79
3 и звена чистого запаздывания 4. Уравнение статичес-
кого объекта 1-го порядка
ТобХ1(т)-1-х1(т)=^об!/(т), (11.81)
где Xi — вспомогательная выходная величина.
Уравнение звена чистого запаздывания
x(t)=Xj(t—Тоб). (11.82)
Система уравнений (11.79) — (11.82) может быть ре-
шена относительно регулируемой величины х(т) при
нулевых начальных условиях х(0) =0 и я(0) = 0 и задан-
ном изменении входной величины х0(т), например,
Хо(т) = 1(т)—единичное ступенчатое воздействие. По-
лученное изменение регулируемой величины во времени
х(т) и будет искомым переходным процессом.
Для использования ЭВМ уравнения (11.79) — (П.82)
записываются в дискретной форме для дискретных мо-
ментов времени и0, где 0 — интервал расчета (кван-
тования):
е(п6)=х0(п0)—х(п0); (П.79а)
г/(п0)=м(»е) + (М/7’и) n^(ie) +Лр7д «-сип-по].
£-1 6
(П.80а)
Тоб*1(п6)-*11(П~~1)е1+*1(»е) =W(«6); (П.81а)
6
x(n0)-X![(n—тОб/0)0]. (П.82а)
В этпх уравнениях величины (п0), [(п—1)0], [(п—
—тОб/0)0] берут в соответствующие дискретные момен-
ты времени.
Ниже приведена программа расчета переходного про-
цесса по уравнениям ’(П.79а) — (П.82а) на языке
БЕЙСИК. В случае применения в системе более просто-
го регулятора, чем ПИД-регулятор, в уравнении (П.80а)
исключаются соответствующие составляющие.
10 REM’HPOTPAMMA РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНОГО
ПРОЦЕССА САР’
20 REM’ С П-, И- ПИ-, ПИД-РЕГУЛЯТОРАМИ’
30 REM’ ОБ’ЕКТ ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ АПЕРИО-
ДИЧЕСКОЕ ЗВЕНО 1-ГО ПОРЯДКА’
35 REM’ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ’
40 PRINT’ ВВЕДИТЕ К (ОБ)’ / INPUT К
80
50 РКИЧТ’ВВЕДИТЕ Т (ОБ)’/ INPUT Т
60 PRINT’ ВВЕДИТЕ ТАУ (ОБ)’ / INPUT D
70 PRINT’ ВВЕДИТЕ ИНТЕРВАЛ КВАНТОВАНИЯ
ТЭТА (ДИСКРЕТ) ПРИМЕРНО В 100 РАЗ МЕНЬШЕ,
ЧЕМ ТАУ (ОБ)’
72 PRINT’ ПРИЧЕМ ОТНОШЕНИЕ ТАУ (ОБ) К ТЭ-
ТА (ДИСКРЕТ) ДОЛЖНО БЫТЬ ЦЕЛЫМ’
75 INPUT Т1
80 REM’ ВЫБОР РЕГУЛЯТОРА’
85 PRINT’ ВВЕДИТЕ ЦИФРУ, СООТВЕТСТВУЮЩУЮ
ВЫБРАННОМУ РЕГУЛЯТОРУ’
90 PRINT’ ДЛЯ П-РЕГУЛЯТОРА — 1’
100 PRINT’ ДЛЯ ПИ-РЕГУЛЯТОРА—2’
ПО PRINT’ ДЛЯ И-РЕГУЛЯТОРА—3’
120 PRINT’ ДЛЯ ПИД-РЕГУЛЯТОРА—4’
130 INPUT Z/ON Z GOTO 140, 170, 210, 250
140 PRINT’ ВЫБРАН П-РЕГУЛЯТОР’/Р^О =’П’
150 PRINT’ ВВЕДИТЕ К(Р)7 INPUT К1^
160 F = 0/Fl = l/F2 = 0/T2=l /GOTO 295
170 PRINT’ ВЫБРАН ПИ-РЕГУЛЯТОР’/Р=
= ’ПИ’
180 PRINT’ ВВЕДИТЕ К(Р)7 INPUT К1
190 PRINT’ ВВЕДИТЕ Т(И)’ / INPUT Т2
200 F=0 / F1 = 1 / F2 = 1 / GOTO 295
210 PRINT’ ВЫБРАН И-РЕГУЛЯТОР’/Р О^ =’И’
220 PRINT’ ВВЕДИТЕ К(Р)’/ INPUT К1
240 F=0/Fl = 0/F2=2/T2=l/ GOTO 295
250 PRINT’ ВЫБРАН ПИД-РЕГУЛЯТОР’/Р
ПИД’
260 PRINT’ ВВЕДИТЕ К(Р)7 INPUT К1
270 PRINT’ ВВЕДИТЕ Т(И)’ / INPUT Т2
280 PRINT’ ВВЕДИТЕ Т(Д)’ / INPUT ТЗ
290 F=l/ Fl = l/F2=l
295 OPEN’LP: FOR OUTPUT AS FILE#1
300 DIM XI (1000) / A2-0 /Х2-0
8»
310 E2-0/I-1 /Х9-1 /ХЗ-0
315 FOR Х7-1 ТО 50
320 FOR Х8-1 ТО 100
330 ХО-1
340 El—ХО—Х3/Е2 = Е2+Е1
350 Y=(K1*T3*(E1— ЕЗ) /T1)*F+ F1*K1*E1*F2*KI*
*Т1*Е2/Т2
360 ЕЗ-Е1
370 XI(1) = (K*Y*T1/T+X2)/ (1 + Т1/Т)
380 Х2-Х1 (1) (1) / IF (A2*T1)>' = DGO TO 400
390 X3-0/X9=X9+l/A2=X9/l =X9 GOTO 440
400 A2=A2+1 / A7=A7+1 /1 =A7/X3 = X1 (1)
405 IF A7<1000 GO TO 420
410 A7 = 0
420 IF X9C1000 GO TO 430
•425 X9 = 0
430 X9=X9+1/1 = X9
440 NEXT X8
450 IF X7>1 GO TO 520
460 PRINT# 1,’ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕ-
ТА’
462 PRINT# 1,’ К(ОБ)=’; К’
-464 PRINT#!,’ Т(ОБ)=’; Т
466 PRINT#!,’ ТАУ (ОБ)=’; D
467 PRINT#!,’ ТЭТА (ДИСКРЕТ) =’; Т1
470 PRINT# 1,’ТИП РЕГУЛЯТОРА—’; Р О^
480 PRINT#!,’ К(Р)=’; Kl/IF F2 = 0 THEN 510/IF
Fl=0 THEN 510
490 PRINT#!,’ Т(И)=’; T2/IF F=0 GOTO 510
500 PRINT# 1,’ Т(Д)=’; T3
5G7 PRINT# 1, TAB (5);’ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА’
510 PRINT# 1, TAB (8);’ ВРЕМЯ В СЕКУНДАХ’;
TAB (45);’ X(NT)’
520 PRINT#1, TAB(10); (A2-1)*T1; TAB(45); X3
530 NEXTX7
540 CLOSE# 1
550 END
Улучшение качества процессов регулирования
В общем случае качество переходного процесса может
быть улучшено за счет правильного расчета парамет-
ров (настроек) регулятора. Однако в некоторых случаях
усложнением закона регулирования и расчетом настроек
82
регулятора невозможно добиться требуемого качества?
переходного процесса. Тогда применяют дополнительные
меры улучшения процесса регулирования, из которых
рассмотрим три: корректирующие звенья, дополнитель-
ные контуры регулирования и компенсацию возмуще-
ний.
Корректирующие звенья. Такие звенья могут вклю-
чаться в систему автоматического регулирования различ-
ным образом: последовательно, параллельно и в виде
обратной связи. На рис. 11.23, а представлена структурная
схема последовательного включения корректирующего
б в
Рис. 11.23. Структурные схемы включения корректирующих звеньев:
а — последовательная коррекция; б — параллельная коррекция; а — обрат-
ная связь
звена в систему, состоящую из трех звеньев. Если пе-
редаточная функция корректирующего звена №пос(р)>
то передаточная функция скорректированной системы по
правилу последовательного соединения звеньев (11.49)
имеет вид
Г* (р) = W, (р) W2 (р) W3 (р) Wmc (р). (11.83)
Место включения последовательного корректирующе-
го звена не влияет на передаточную функцию скоррек-
тированной системы.
При параллельном включении корректирующего зве-
на (рис. II.23,б) передаточная функция скорректирован-
ной системы с учетом правил параллельного (11.50) и
последовательного (11.49) включения звеньев имеет вид
U7* (р) = W, (р) [W2 (р) + Гп (р) ] П73 (Р). (И.84)
где Wn(p)—передаточная функция параллельно вклю-
ченного корректирующего звена.
В этом случае передаточная функция W*(p) зависит
от места включения корректирующего звена.
На рис. 11.23,в показана коррекция с помощью мест-
ной обратной связи. Передаточная функция скорректи-
83
рованной системы с учетом правила охвата звена обрат-
ной связью (11.52) имеет вид
U7* (р) = (р) W2 (р) W3(р) / [ 1 + W2 (р) Г0.с (р) ], (11.85)
где Wo.c(p) —передаточная функция звена обратной
связи.
Передаточная функция скорректированной системы
также зависит от места ввода обратной связи. Знак
«плюс» в знаменателе соответствует отрицательной, знак
«минус» — положительной обратной связи.
Дополнительные контуры регулирования. Рассмотрим
систему регулирования температуры в печи (рис. II.24,а)
Рис. П.24. Каскадная система регулирования температуры в печи (а)
и ее структурная схема (6):
1 — печь: 2 — горелка; 3 — датчик температуры; 4 — датчик давления;
5 — стабилизирующий регулятор; 6 — корректирующий регулятор; 7 —
регулирующий орган
при условии сильных изменений давления газообразного
топлива в цеховом газопроводе. Изменение давления в
газопроводе (возмущение со стороны регулирующего
органа) приводит к быстрому изменению расхода топ-
лива и последующему более медленному, вследствие
инерционности объекта, изменению температуры в печи.
Как известно, качество переходного процесса (например,
динамическое отклонение) при прочих равных условиях
зависит от величины возмущения. При больших возму-
щениях улучшение качества регулирования возможно
при создании дополнительного контура регулирования,
стабилизирующего давление топлива перед горелкой.
Регулятор 5, стабилизирующий давление топлива перед
горелкой на уровне ро, называется стабилизирующим
регулятором. Регулятор 6, вырабатывающий заданное
значение давления р0 в зависимости от отклонения тем-
пературы в печи t от заданного ее значения t0, называ-
ется корректирующим регулятором.
84
Двухконтурная система автоматического регулирова-
ния (рис. П.24) называется системой со стабилизацией
промежуточной величины или каскадной системой (один
регулятор вырабатывает задание другому). На струк-
турной схеме этой системы (рис. 11.24,б) №Об(р) —
передаточная функция объекта регулирования по основ-
ному каналу; №06i (р)—то же, по каналу промежуточ-
ной величины; W'p] (р) — передаточная функция стабили-
зирующего регулятора; Wp2(p) — то же, корректирующе-
го регулятора. Стабилизирующий регулятор поддержи-
вает промежуточную величину Xj на заданном значении
л’ю> а корректирующий регулятор устанавливает это зна-
чение в зависимости от отклонения основной регулируе-
мой величины от заданного значения х0. В каскадной сис-
теме тва замкнутых контура регулирования: контур ста-
билизации промежуточной величины (давление перед
горелкой) и контур регулирования основной регулируе-
мой величины (температуры в печи), замыкающийся
через контур стабилизации промежуточной величины.
Главным требованием при создании каскадных сис-
тем является существенно большее быстродействие по
каналу промежуточной величины, чем по основному ка-
налу (в примере давление топлива перед горелкой из-
меняется много быстрее, чем температура печи). Ясно,
что если регулятор-стабилизатор будет быстро восста-
навливать значение изменившейся промежуточной вели-
чины, то основная регулируемая величина практически
изменяться не будет.
Существуют и другие принципы создания таких сис-
тем. называемых многоконтурными, например введение
в регулятор производной промежуточной величины хц.
Тогда регулятор будет оказывать регулирующее воздей-
ствие при изменении промежуточной величины, хотя
основная величина еще не изменяется, что приведет к
значительному улучшению качества регулирования, в
частности уменьшению динамического отклонения.
Компенсация возмущений. Автоматические системы
с регулированием по возмущению относятся к разомк-
нутым системам и рассмотрены в гл. I. Здесь мы пока-
жем применение принципа компенсации возмущения для
ушй чшения качества переходных процессов в комбини-
рованной автоматической системе регулирования.
Рассмотрим систему регулирования температуры в
печи (рис. II.25,а) при условии сильных колебаний дав-
ления газообразного топлива в цеховом газопроводе, т. е.
85
работающую в тех же условиях, что и система, изобра-
женная на рис. 11.24. Вместо контура стабилизации дав-
ление перед горелкой можно применить разомкнутый
контур компенсации возмущения (изменения давления
в цеховом газопроводе), который через устройство ввода
возмущения 6 и основной регулятор 4 будет менять
положение регулирующего органа 7 так, чтобы давле-
Рис. П.25. Комбинированная система автоматического регулирования тем-
пературы в печи (с) и ее структурная схема (6):
1 — печь; 2 — горелка; 3 — датчик температуры; 4 — регулятор темпера-
туры; 5 — датчик давления топлива в газопроводе; 6— устройство ввода
возмущения; 7 — регулирующий орган
ние перед горелкой не изменялось. Устройство ввода4
возмущения работает по закону, выработанному на ос-
нове предварительных исследований зависимости поло-
жения регулирующего органа от давления топлива в
газопроводе. Система с компенсацией возмущения (см.
рис. 11.25) решает примерно ту же задачу, что и сис-
тема со стабилизацией промежуточной величины (см.
рис. П.24), и дает примерно такой же эффект в улуч-
шении переходного процесса. Преимуществом системы
с компенсацией возмущений является возможность при
правильном выборе закона работы устройства ввода
возмущения (рис. II.25,б) получить полную независи-
мость (инвариантность) выходной величины от возму-
щающего воздействия. Инвариантность достигается при
передаточной функции устройства ввода возмущения
Ц7в(р) = И7оСг(р)/[^р(р)Ц7об(р)], (11.86)
где W06z(p) — передаточная функция объекта регулиро-
вания по каналу возмущения z.
§ 7. Нелинейные системы
.автоматического регулирования
Нелинейные САР — это системы, описываемые нели-
нейными дифференциальными уравнениями, причем та-
кими, которые не поддаются линеаризации методом
малых отклонений (см. § 1, гл. II).
Например, дифференциальное уравнение системы имеет
вид
+ an-ixi"r1) + ... +О1£вых+^о-^вых=А(хвх), (11.87)
вых вых
где F(xBK) —нелинейная функция.
Некоторые элементы нелинейных САР имеют нели-
нейные статические характеристики, неподдающиеся
линеаризации методом малых отклонений или, как гово-
рят, существенно нелинейные характеристики. Наличие
в системе даже одного нелинейного элемента (все ос-
тальные линейные) делает систему в целом нелинейной.
Статические характеристики типичных нелинейностей,
встречающихся в системах регулирования, показаны на
рис. 11.26.
Рис. П.26. Статические характеристики типичных нелинейных элементов:
а — с зоной нечувствительности; б — с насыщением; в — с ограничением;
г — с гистерезисной петлей люфта; д — двухпозиционная: е — двухпози-
ционная с зоной неоднозначности; ж — трехпозиционная
Часто встречается нелинейность, называемая зоной
нечувствительности и определяемая интервалом измене-
ния входной величины элемента (—b<xBI.< + b), в пре-
87
делах которого выходная величина не изменяется (не
чувствует изменения входной величины) (рис. II.26.а).
Зона нечувствительности имеется у многих элементов,,
в том числе у электрических исполнительных механиз-
мов. Ясно, что электрический двигатель не будет вра-
щаться при подаче на его клеммы небольшого напряже-
ния до тех пор, пока напряжение не увеличится и
создаваемый им момент вращения не превысит момент
трения и момент от нагрузки на валу двигателя-
Для большинства усилительных и исполнительных
элементов характерна нелинейность с насыщением или
с ограничением (рис. 11.26, бив), поскольку мощность
усилителя и перемещения исполнительного механизма
всегда ограничены.
В механических передачах и других устройствах
встречается нелинейность, называемая гистерезисной
петлей люфта (рис. 11.26, г). Пусть хвх и хВЫх углы по-
ворота ведущей и ведомой шестерен редуктора. При
увеличении хвх величина хВЫх остается неизменной, пока
не будет выбран люфт (зазор) в зацеплении шестерен;
при дальнейшем увеличении хвх величина хвых изменя-
ется по прямой АВ. После остановки в любой точке
прямой АВ и обратном движении в направлении умень-
шения хвх величина хВЫх остается постоянной (горизон-
тальные отрезки характеристики) до тех пор, пока сно-
ва нс будет выбран люфт шириной 2Ь, после чего хвых
начнет уменьшаться по прямой DE.
Для различных электромеханических устройств
типичны релейные характеристики. В этих характерис-
тиках непрерывному изменению хвх соответствует скач-
кообразное изменение хВНх при определенных значениях
хвх, а между этими значениями хВЫх остается постоян-
ной. Идеальная релейная характеристика, описывающая
работу двухпозиционного реле, показана на рис. 11.26, д.
Реальные двухпозиционные реле имеют характеристику
с зоной неоднозначности (рис. 11.26,е), т. е. в пределах —
—б<хвх< + & выходная величина может иметь значения
и +С и —С в зависимости от направления изменения
хвх. В случае увеличения хВХ1 переход с одного значения
Хвых на другое происходит в точке + Ь, в случае умень-
шения хвх—в точке—Ь. Релейная характеристика с
зоной нечувствительности — б<хвх< + б (рис. II.26,ж)
описывает работу трехпозиционного реле.
Кроме рассмотренных, элементы автоматики могут
иметь самые различные нелинейные характеристики.
88
В одном элементе может встречаться и комбинация не-
линейностей, показанных на рис. 11.26, например, зоны
нечувствительности и ограничения.
Для описания поведения и анализа нелинейных сис-
тем существует ряд достаточно сложных методов (фа-
зовой плоскости, гармонической линеаризации и др.),
которые рассматриваются в учебниках по теории авто-
матического управления.
Одной из главных особенностей нелинейных систем
является возникновение в них, как правило, незатухаю-
щих колебаний регулируемой величины, называемых
автоколебаниями. Эти колебания не наложены на сис-
тему извне, а являются результатом внутренних свойств
нелинейной системы. Следует отметить, что автоколеба-
ния — наиболее распространенный режим работы не-
линейных систем и поэтому нелинейные системы счи-
таются устойчивыми и тогда, когда в них возникают
устойчивые автоколебания (в линейных системах авто-
колебания возникнуть не могут и незатухающий коле-
бательный переходный процесс является только границей
при переходе системы из устойчивой в неустойчивую).
Наиболее распространены системы, в которых нели-
нейность сосредоточена в управляющем устройстве, на-
зываемом релейным регулятором. Сама система также
называется релейной.
Релейные регуляторы (системы) подразделяются па
позиционные регуляторы и регуляторы с постоянной ско-
ростью исполнительного механизма.
Статические характеристики позиционных регуляторов
приведены на рис. 11.27. Входной величиной служит от-
клонение регулируемой величины от заданного значения
г=х0—х, а выходной—положение регулирующего орга-
на у. При этом за ноль принято среднее положение ре-
Рис. 11.27. Статические характеристики позиционных регуляторов:
а. — двухпозиционный; б — то же, с зоной неоднозначности; в — трех-
лозиционный
89
гулирующего органа, а + С и —С означают соответствен-
но полное открытие и полное закрытие регулирующего
органа. Регулирующим органом может быть клапан, а
исполнительным механизмом, открывающим и закры-
вающим его,— соленоид. При регулировании электри-
ческих печей регулирующий орган как таковой отсут-
ствует, а включение и выключение нагревателей
осуществляется, например, электромагнитным контакто-
ром (может быть и бесконтактное позиционное управле-
ние мощностью).
На рис. 11.27,а изображена статическая характерис-
тика идеального двухпозиционного регулятора (регу-
лирующий орган может занимать только две позиции —
полностью открытое и полностью закрытое положение).
Реальные двухпозиционные регуляторы имеют харак-
теристику с зоной неоднозначности шириной 2Ь (рис.
11.27,6). В двухпозиционных регуляторах зона неодно-
значности вводится преднамеренно, причем с возмож-
ностью изменения ее величины. На рис. 11.28 показан
переходный процесс в двухпозиционной системе регу-
лирования. Как отмечалось выше, переходный процесс
имеет вид незатухающих колебаний — автоколебаний.
Увеличение ширины зоны неоднозначности приводит к
увеличению амплитуды автоколебаний а* и периода
автоколебаний Т* (уменьшению угловой частоты коле-
баний ш=2л/ Т*). Незатухающий колебательный пере-
ходный процесс допустим тогда, когда амплитуда авто-
колебаний а* укладывается в допустимые по технологи-
ческим соображениям пределы динамического отклонения
регулируемой величины от заданного значения. В ниж-
ней части рис. 11.28 показан график переключения регу-
Рис. П.28. Переходный процесс (а) и график переключения регулирующего-
органа (б) при двухпозиционном регулировании
Рис. 11.29. Статическая характеристика трехпозиционного регулятора темпе*
ратуры
90
.пирующего органа из положения полностью открытого
(4-С) в полностью закрытое ( —С) и наоборот.
Статическая характеристика трехпозиционного регу-
лятора (см. рис. 11.27, в) показывает, что регулирующий
орган может занимать три позиции — полностью откры-
тое, среднее и полностью закрытое положения. Значение
интервала е от —b до +Ь называется зоной нечувстви-
тельности б = 2Ь.
Рассмотрим работу трехпозиционного регулятора на
примере регулирования температуры в электрической
печи. При трехпозиционном регулировании задается не
одно значение температуры, а зона заданного значения
температуры t0+b>t>t0—b, совпадающая по величине
с зоной нечувствительности t0 — означает середину за-
данной зоны. В зависимости от величины и знака откло-
нения е подается максимальная мощность Ртах, средняя
мощность Рср или минимальная мощность Pmin (рис.
11.29).
Переходные процессы при трехпозиционном регулиро-
вании температуры печи показаны на рис. П.30. Возмож-
ны три режима. В режиме I РСр—Рц, где Рн— номиналь-
ная мощность, необходимая для поддержания температу-
Рис. 11.30. Переходный процесс (а) и график переключения мощности
(б) при трехпозиционном регулировании температуры в печи
ры печи в заданных пределах. В этих условиях при разо-
греве печи или после возмущающих воздействий темпе-
ратура входит в заданные пределы без возникновения
•автоколебаний. Температура может иметь любое зна-
чение в пределах зоны нечувствительности (в заданных
пределах), т. е. точность регулирования составляет ве-
личину ±Ь.
91
В режиме II Рср<Рн, т. е. подаваемая в средней по-
зиции мощность недостаточна для поддержания темпе-
ратуры в заданных пределах (например, уменьшилось
напряжение питания). Тогда температура в печи будет
уменьшаться (штриховая линия на рис. 11.30) и уста-
новятся автоколебания около нижней границы заданной
зоны. Система будет работать в двухпозиционном режи-
ме при переключении мощности с Рср на Ртах и обратно.
В режиме III РСр>Рн, т. е. подаваемая в средней
позиции мощность больше мощности, необходимой для
поддержания температуры в заданных пределах. В этим
случае температура в печи будет возрастать, а затем
установятся автоколебания вокруг верхней границы за-
данной зоны температур. Система также будет работать
в двухпозиционном режиме при переключении мощности
с Рср на Pmin и обрагьо. При работе в режимах II и III
средние значения температуры, вокруг которых устанав-
ливаются автоколебания, отличаются от t0 на величину
±Ь, т. е. возникает как бы статическая ошиОка Л'СТ=±Ь
Преимущества трехпозиционного регулирования перед
двухпозиционным заключается в том, что можно полу-
чить в некоторых случаях неколебательный переходный
процесс и что амплитуда и частота автоколебаний по-
лучаются меньше (при одинаковых характеристиках
печи И Ртах).
Релейные системы с постоянной скоростью исполни-
тельного механизма применяются при использовании
регулирующих органов типа клапанов, заслонок и дру-
гих, перемещаемых электро-
двигателями. Работа электри-
ческого исполнительного меха-
* низма происходит в релейном
„ режиме, характеризуемом ста-
е=хо-х тической характеристикой (рис.
11.31). Если отклонение регу-
лируемой величны от заданно-
го значения е>£, то двигатель
открывает регулирующий ор-
ган с постоянной скоростью
dy!d%= + v\ если е находится
Рис. /1.31. Статическая характе-
ристика релейного регулятора с
постоянной скоростью исполни-
тельного механизма
в пределах зоны нечувстви-
тельности —fe<E< + b, то двигатель стоит; если е<—Ь,
то двигатель закрывает регулирующий орган с посто-
янной скоростью dy!dt =—v (величина скорости двига-
теля постоянная, а направление вращения меня-
92
ется, что и характеризуется соответствующим зна-
ком) .
При использовании релейных регуляторов с постоян-
ной скоростью исполнительного механизма в системе,,
как правило, также возникают автоколебания, особен-
но на астатических объектах.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое статическая характеристика?
2. Какой общий вид имеет линейное дифференциальное
уравнение системы автоматизации?
3. Что понимается под начальными условиями при ре-
шении дифференциальных уравнений?
4. Что такое передаточная функция?
5. Что такое переходная функция?
6. Что такое типовое динамическое звено?
7. Какие существуют типовые динамические звенья?
8. Какие существуют типы соединений звеньев? Како-
вы их передаточные функции?
9. Что такое статические и астатические объекты ре-
гулирования?
10. Какие применяются типовые непрерывные законы
регулирования? Каковы их передаточные функции?
11. Чем отличаются «реальный» и «идеальный» регуля-
торы?
12. Что такое замкнутая система автоматического регу-
лирования? Как найти ее передаточную функцию?
13. В чем заключается понятие устойчивости САР?
14. Каков характер переходных процессов в устойчивых
и неустойчивых САР?
15. Какими показателями характеризуется качество ре-
гулирования?
16. Что такое интегральный квадратный критерий каче-
ства?
17. Какие существуют методы улучшения качества ре-
гулирования?
18. Что такое релейная статическая характеристика?
19. Что такое «автоколебание» в нелинейных САР?
20. Что такое двухпозиционный регулятор?
21. Что такое трехпозиционный регулятор?
Глава III
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
ИНФОРМАЦИИ О ПАРАМЕТРАХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
.И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АСУ ТП
1. Преобразователи и дистанционная
передача сигналов
В современных измерительных системах комплексов тех-
нических средств (КТС) АСУ ТП весьма существенную
роль играют преобразователи, предназначенные для
преобразования измеряемой величины в сигнал другой
физической величины (чаще всего в электрический сиг-
нал), удобный для дистанционной передачи по линии
связи к вторичным измерительным приборам, средствам
регулирования, аналого-цифровым преобразователям,
используемым в вычислительном комплексе АСУ ТП.
Первичный преобразователь устанавливается около объ-
екта измерения; он (или его часть) непосредственно
контактирует с контролируемой средой.
Преобразователи входят в структуру Государствен-
ной системы промышленных приборов и средств авто-
матизации (ГСП). Важной особенностью современных
преобразователей и приборов является унификация их
выходных сигналов, напряжения питания и др., что обес-
печивает взаимозаменяемость средств измерения, удоб-
ство централизованного контроля и позволяет сократить
номенклатуру вторичных измерительных приборов. Наи-
более перспективным являются нормирующие преобразо-
ватели с унифицированным выходным сигналом постоян-
ного тока (0—5 мА или 4—20 мА).
Принцип действия нормирующих преобразователей
основан на компенсации входного сигнала отрицатель-
ной обратной связью, получаемой с выхода усилителя.
В зависимости от характера входного сигнала (усилие,
перемещение, электрический или пневматический сигнал)
изменяются только способы реализации обратной связи,
однако во всех случаях выходной сигнал преобразова-
теля однозначно определяется обратной связью.
На рис. III.1 показана структурная схема нормирую-
•щего преобразователя. Входной сигнал хВх в сумматоре 1
алгебраически складывается с сигналом отрицательной
е94
обратной связи хос; результирующий сигнал суммато-
ра I усиливается в усилителе 2 до величины ху. Этот
сигнал подается на вход блока обратной связи 3, вы-
ходной сигнал которой х0.с в значительной мере ком-
пенсирует входной сигнал хвх.
Рис, II 1.1. Структурная схема нормирующего преобразователя
рис. III.2. Схема дифференциально-трансформаторного преобразователя с
токовым выходом
В установившемся состоянии преобразователи описы-
ваются следующей системой уравнений
1 = Хвх—Хо.с.
Xy=lky‘, (III.1)
Xo.c = ko.cXy,
где ky — коэффициент усиления усилителя 2; ko.c —
коэффициент пропорциональности, характеризующий’
обратною связь, отсюда xy=xBXAy / (1+^о.с) и хос =
= АГвх^у^о.с / (1+^у/г0.с), т. е. величина сигнала обратной
связи х0.с однозначно связана с входным сигналом.
Соответствующим выбором коэффициентов ky и k0.c
можно нормировать параметры обратной связи и в цепи
этой связи получить нормированный токовый сигнал
/вых, который можно использовать для передачи инфор-
мации о величине входного сигнала хвх, например во
вторичный прибор 4.
На рис. III.2. показана схема входного устройства
дифференциально-трансформаторного преобразователя.
Преобразователь предназначен для преобразования ли-
нейного перемещения сердечника, связанного с чувстви-
тельным элементом первичного измерительного прибора,
в выходной электрический сигнал постоянного тока.
Принцип действия его основан на зависимости взаимной
индуктивности обмоток возбуждения 1 и вторичных об-
моток 3 от положения сердечника 2. Обмотки возбуж-
95»
дения соединены между собой последовательно и на них
подается напряжение питания переменного тока. Вто-
ричные обмотки включены между собой встречно. Соз-
даваемый током возбуждения /в магнитный поток про-
низывает обе секции вторичной обмотки и в последних
наводятся э. д. с. ei и е2, значения которых зависят от
положения сердечника.
В среднем положении сердечника в] = е2, т. е. резуль-
тирующая э.д.с., равная Е—ех — е2, в этот момент равна
нулю. При смещении сердечника от среднего положения
в ту или иную сторону будут изменяться значения э.д.с.
ех и е2 и на вход усилителя 4 будет поступать э.д.с.
Е — ех — е2, которая в усилителе усиливается и преобра-
зуется в унифицированный сигнал постоянного тока/ВЫх,
как показано на схеме рис. III.1.
Принцип действия магнитомодуляционных преобра-
зователей заключается в том, что управляющий маг-
нитный поток, создаваемый в специальном устройстве
(индикаторе магнитных потоков) при перемещении пос-
тоянного магнита цилиндрической формы, компенсиру-
ется магнитным потоком обратной связи, создаваемым
в этот же индикаторе током обратной связи. При этом
устанавливается определенная зависимость между вы-
ходным током и перемещением подвижного постоянного
магнита, связанного с чувствительным элементом пер-
вичного измерительного прибора. Схема преобразователя
.приведена на рис. Ш.З.
Преобразователь имеет две обмотки возбуждения
WB и две обмотки обратной связи W'o.c, расположенные
Рис. Ш.З- Схема магнитно-модуляционного преобразователя
•36
на левом 5 и правом 6 магнитопроводах. Обмотки WB
включены в два плеча измерительного моста; двумя
другими плечами служат резисторы /?1 и R2. К одной
из диагоналей моста подводится напряжение питания
иш:т переменного тока. Благодаря диодам VD1 и VD2
в плечах моста (следовательно, и в измерительной диа-
гонали ab) протекает пульсирующий ток, порождающий
пульсирующий магнитный поток.
Индуктивное сопротивление каждой обмотки №в
равно 7?ь = (о№2в£р.//, где <о — угловая частота; S и I —
соответственно сечение и средняя длина магнитопрово-
да; ц — магнитная проницаемость магнитопровода для
переменного магнитного потока.
При симметричном расположении постоянного маг-
нита 3 (магнит связан с чувствительным элементом
измерительного прибора и может перемещаться вверх
либо вниз относительно сердечников 2 и 7 пропорцио-
нально изменению измеряемого параметра) относитель-
но сердечников 2 и 7 магнитный поток Фм, создаваемый
магнитом 3, равен магнитному потоку Фо.с, создаваемо-
му обмотками обратной связи. При этом магнитопроводы
5 и 6 подмагничены только магнитным потоком, порож-
денным обмотками возбуждения, и измерительный мост
находится в равновесии.
При неравенстве потоков Фм и Фо.с. т. е. при смеще-
нии магнита относительно среднего его положения раз-
ностный поток Фм — Ф0.с вызывает дополнительное под-
магничивание магнитопроводов, в результате чего
изменяется величина р, а следовательно, и индуктивное
сопротивление обмотки возбуждения. Это приводит к
разбалансу моста, и в диагонали ab возникает напря-
жение, которое через сглаживающую емкость С посту-
пает на вход усилителя 1. На выходе усилителя полу-
чают сигнал постоянного тока /вых, величина которого
пропорциональна измеряемому параметру.
Значение этого тока фиксируется вторичным изме-
рительным прибором 8. Одновременно выходной ток
через резистор /?Тар подается к обмоткам обратной свя-
зи, в результате чего магнитный поток Ф0.с компенси-
рует магнитный поток Фм. Таким образом в момент из-
мерения (компенсации) выходной ток (0-5 мА) /Вых=
= kx, где х — смещение магнита 3 относительно нейтра-
ли сердечников 2 и 7.
Постоянный магнит 4 предназначен для точной кор-
ректировки нуля выходного сигнала преобразователя.
4.
97
Магнитомодуляционные преобразователи широко ис-
пользуются в приборах давления типа МПЭ,. ММс>, МСЭ-
и др., а также приборах расхода типа ДСЭР и ДМЭР.
На рис. III.4 показана схема нормирующего преоб-
разователя для измерения усилий и механических пе-
Рис. III.4. Схема нормирующего преобра-
зователя для измерения усилий или пере-
мещений
ремещений. На рычаг 1,.
который может повора-
чиваться вокруг оси О,
действуют моменты
внешней силы F (вход-
ной сигнал) и компен-
сирующей силы F0.c,
создаваемой выходным
током преобразователя
/пых- Рычаг 1 в момент
появления входного си-
гнала F, приложенного на конце А, рычага, поворачива-
ется вокруг оси 0. При этом конец В рычага 1 прибли-
жается к индикатору 2, подключенному на вход усили-
теля 3. На выходе усилителя появляется ток /вых, вели-
чина которого пропорциональна зазору h. Выходной ток
протекает через резистор нагрузки 4, измерительный
прибор 5 и устройство обратной связи 6, развивающее
усилие Fo.c- Равновесие в системе наступит при условии
Fl\ = F0Cl^ отсюда Foc = (lilh)F. Так как F0.c=kIBax, то<
/вь1х=(/1/^)/?=СЛ (III.2)
где C=lt/lzk — константа преобразователя; k — коэффи-
циент пропорциональности, характеризующий обратную
связь.
На рис. III.5 показана конструктивная схема норми-
рующего преобразователя для измерения усилий (пе-
ремещений) с электросиловой компенсацией типа П-Э1.
По принципу действия он аналогичен нормирующему
преобразователю, показанному на рис. III.4.
Усилие F или (F1), с которым чувствительный эле-
мент воздействует на преобразователь, создает вращаю-
щий момент, вызывающий поворот рычагов 4, 6, 10 и
перемещение связанного с рычагом 10 плунжера 8 диф-
ференциально-трансформаторного индикатора рассогла-
сования 9. Индикатор преобразует это перемещение в
сигнал переменного тока, поступающий на вход усили-
теля 1. В усилителе сигнал переменного тока усили-
вается и преобразуется в сигнал постоянного тока /вых,-
98
усилие обратной связи г0.с> ко-
Рис. П1.5. Схема преобразователя с элек-
тросиловой компенсацией
который подается в обмотку катушки 2 узла обратной
-связи и одновременно — во вторичные измерительные
приборы 11. Взаимодействие магнитного поля, создавае-
мого в обмотках узла обратной связи, с полем постоян-
ного магнита 3 создает
торое через рычажную
систему 10 компенси-
рует входное усилие
F.
На рычаге 6 разме-
щается ползунок 7, с
помощью которого про-
изводится изменение
диапазона измерения
путем изменения пере-
даточного отношения
рычажной системы 4—
6. Начальное значение
выходного сигнала пре-
образователя устанав-
ливается корректором
нуля 5.
Рассмотренные преобразователи обладают тем до-
стоинством, что при их использовании нелинейность ха-
рактеристик чувствительных элементов практически не
влияет на погрешность преобразования. Вместе с тем, ос-
новная погрешность преобразования достаточно велика
(0,25—1,0%), а кинематические схемы преобразователей
обусловливают их низкую выброустойчивость и эксплуа-
тационную надежность.
Указанных недостатков лишены тензометрические
преобразователи, принцип действия которых основан на
изменении электрического сопротивления проводящего
материала при его механической деформации.
Известно, что сопротивление проводника связано с
удельным электрическим сопротивлением р материала,
длиной I и площадью поперечного сечения S этого про-
водника зависимостью 7?=(p/)/s.
При изготовлении и монтаже тензометрические пре-
образователи имеют такие форму и способ крепления
на чувствительном элементе, при которых изменение со-
противления R определялось бы в основном изменением
длины |.
Тензопреобразователи выполняют из металлической
проволоки, фольги или полупроводников. В качестве
4*
99
материалов для изготовления проволочных и фольговых
преобразователей чаще всего используют константан,
полупроводниковых — кремний или германий.
Основной характеристикой тензопреобразователей
является коэффициент тензочувствительности, определя-
емый как отношение относительного изменения сопро-
тивления к относительному изменению длины проводника
К=(Д/?/Я) / (МЦ).
Для проволочных и фольговых преобразователей
этот коэффициент лежит в пределах 0,5—5 для полу-
проводниковых 50—100.
Преобразователь с так называемой плоской решет-
кой имеет подложку 3 (рис. II 1.6,а) из тонкой бумаги,
на которую наклеена плоская решетка 2 из тензочувст-
Рис. III.6. Тензорезисторные преобразователи
вителыюй проволоки. К концам проволоки присоединены
выводы 1 из медного провода. Сверху преобразователь
покрыт слоем лака 4. Такие преобразователи имеют из-
мерительную длину (базу Л) 3—20 мм, а их начальное
сопротивление 20—500 Ом.
Фольговые тензопреобразователи (рис. Ш.6,б) пред-
ставляют собой наклеенную на подложку тензочувстви-
тельную решетку, вытравленную из константовой фольги
толщиной 0,01—0,02 мм.
Полупроводниковые тензопреобразователи изготов-
ляются в виде гантелеобразной пластины кремния 1
100
(рис. 1П.6,б). На концы пластины наносят контактный
слой 2 и присоединяют выводы 3.
К преимуществам таких преобразователей относятся
высокая чувствительность и миниатюрность. К недос-
таткам — сложность монтажа, сильное влияние темпе-
ратуры.
В современной измерительной технике получили рас-
пространение полупроводниковые мостовые тензорезис-
торные структуры, которые представляют собой моно-
литно соединенные в схему одинарного моста полупро-
водниковые тензорезисторы Rl, R2, R3 и R4 (рис. Ш.б.г).
Размеры таких преобразователей 2—6 мм при толщине
20—25 мкм. Мостовая тензорезисторная структура в вите
квадрата является универсальной для упругих элемен-
тов, используемых в мембранных приборах давления
(приборы типа «Сапфир», «Кристалл» и т. п.). Преобра-
зователи, выполненные на основе мостовых тензорезис-
торных структур являются наиболее точными (их по-
грешность не превышает 0,1%).
Тензопреобразователи наклеиваются на деформирую-
щийся чувствительный элемент (например мембрану)
при деформации которого изменяются размеры, а сле-
довательно, и электрическое сопротивление преобразо-
вателя. В мостовых тензорезисторных структурах вы-
ходной сигнал получают в виде напряжения, которое
в дальнейшем усиливается и преобразуется в сигнал
постоянного тока, пропорциональный измеренному пара-
метру.
Таким образом, в системах автоматики используются
преобразователи, позволяющие преобразовывать различ-
ные физические величины в нормированные сигналы по-
стоянного тока: перемещение—ток, усилие — ток, дав-
ление— ток, э.д.с. — ток, сопротивление — ток. В пнев-
матических системах также применяются преобразова-
тели различных физических величин в нормированное
давление сжатого воздуха (20—100 кПа).
Дистанционная передача сигналов на расстояние
(например от первичного ко вторичному прибору) ос-
новывается на использовании двух одинаковых преоб-
разователей, включаемых встречно. На рис. III.7 показа-
но использование для дистанционной передачи показаний
дифференциально-трансформаторных преобразователей,
хотя могут применяться любые другие преобразователи,
в том числе и с токовым сигналом. В первичный прибор
1 встроен преобразователь 2, положение сердечника ко-
101
дорого и, следовательно, вырабатываемая э.д.с. Е\ за-
висит от значения измеряемой величины хВх. Во вторич-
ный прибор 3 встроен преобразователь 4, вырабатываю-
щий э.д.с. £2, зависящую от положения сердечника,
перемещаемого электродвигателем 5. При встречном
включении преобразователей 2 и 4 разность э.д.с. Д£=
= Е\— Е? поступает на усилитель 6 и после усиления на
рис. II 1.7. Схема дистанционной передачи сигналов
электродвигатель 5, который перемещает сердечник
преобразователя 4 до тех пор, пока э.д.с. £2 не станет
равной £ь Одновременно электродвигатель 5 перемеща-
ет стрелку указателя, которая позволяет при остановке
электродвигателя 5 производить отсчет по шкале 7 вто-
ричного прибора, проградуированной в единицах изме-
ряемой величины.
§ 2. Средства измерения давления газа, жидкости
и пара
Контроль за протеканием большинства технологических
процессов в аглодоменном и сталеплавильном производ-
ствах связан с измерением давления или разности дав-
лений газовых и жидких сред.
Давление измеряют в паскалях (Па), оно характе-
ризует нормально распределенную силу (Н), действую-
щую на единицу поверхности тела (м2). При измерениях
различают абсолютное ра, избыточное рг и барометри-
ческое ро давления. В производственных условиях обыч-
но измеряют избыточное давление, которое определяется
как разность между абсолютным и барометрическим
давлениями.
Приборы дтя измерения давления называются мано-
метрами. Последние подразделяются на барометры, ма-
102
нометры избыточного давления, ваккумметры и маномет-
ры абсолютного давления в зависимости от измеряемого
ими соответственно атмосферного, избыточного, ваку-
умметрического или абсолютного давления. Манометры
для измерения давления или разрежения до 40 кПа
называются напоромерами и тягомерами соответствен-
но.
Приборы для измерения разности давлений называют
дифференциальными манометрами (дифманометрами).
По принципу действия различают манометры жидкост-
ные, пружинные, мембранные, сильфонные и др.
В простейших жидкостных манометрах избыточное
давление или разность давлений уравновешивается си-
лой тяжести столба жидкости. По высоте этого столба
при известной плотности жидкости можно определить
давление. Жидкостные манометры чаще всего приме-
няются как лабораторные приборы при выполнении ис-
следовательских работ. Их можно использовать для из-
мерения давления до ± 10 кПа.
В пружинных манометрах сила измеряемого давле-
ния уравновешивается силой упругой деформации чув-
ствительного элемента (пружины).
Для передачи сигнала, пропорционального измеряе-
мому давлению, на расстояние (другим техническим
средствам) манометры снабжаются электрическими или
пневматическими преобразователями. На рис. III.8 по-
казана схема мембранного манометра. Мембрана 1
закреплена в корпусе 2 манометрам делит его внутрен-
нюю полость на две камеры, в одну из которых подается
Рис. П1.8, Схема мембранного манометра
Рис. III.9. Сильфонный манометр с токовым выходом
103
измеряемое давление ра(р}), а другую — барометричес-
кое рб(Рг)- Под действием разности давлений мембрана
смещается и через рычаги 3 передает усилие F рычаж-
ной системе токового преобразователя с электросиловой
компенсацией (см. рис. III.5), с усилителя которого
снимается электрический сигнал в виде постоянного тока
/вых. Этот сигнал пропорционален измеряемому давлению
(или разности давлений) и может быть подан на вторич-
ный измерительный прибор либо другое устройство.
На рис. III.9 показана схема манометра типа МСЭ
с магнитомодуляционным преобразователем. Измеряемое
давление р подается внутрь сильфона 1, в результате
чего сильфон растягивается и перемещает постоянный
магнит 3 магнитомодуляционного преобразователя 2.
Возникающее при этом на выходе преобразователя нап-
ряжение поступает на усилитель 4, в котором оно уси-
ливается и преобразуется в постоянный ток, пропорцио-
ни
нальный значению измеряемо-
го давления. Преобразователь
2 и усилитель 4 размещаются
в корпусе прибора под крыш-
кой 5.
Рассмотренные манометры
с магнитомодуляционными пре-
образователями и с преобразо-
вателями с электросиловой
компенсацией широко исполь-
зуются при измерении давле-
ния газов, воды и пара в диа-
пазоне 400 Па— 100 МПа.
На рис. III.10, а приведена
конструктивная схема мембран-
ного манометра типа «Сапфир»
пли «Кристалл», выполненного
на основе полупроводниковых
тензометрических структур
«кремний на сапфире». Мано-
метр содержит мембрану 2 из
титанового ептава, имеющую
жесткий центр 3. Основание
мембраны приварено к корпу-
су 1, который имеет штуцер
для подачи измеряемого дав-
ления р. К мембране по
всей поверхности присоеди-
нен чувствительный элемент 4, представляющий собой
сапфировую пластинку с напыленными кремниевыми ре-
зисторами. Топология тензочувствительного элемента
показана на рис. III.10, б. Тензорезисторы сопротивле-
нием Rl, R2, R3 и R4 соединены между собой в мосто-
вую схему и с помощью выводов 6 (рис. III. 10,а) подсое-
диняются к усилителю 5, выполненному на интегральной
микросхеме. Чувствительный элемент закрыт крышкой
7. Под действием измеряемого давления происходит де-
формация мембраны, а следовательно, изменение соп-
ротивления тензорезисторов. Поскольку резисторы R1 —
—R4 соединены между собой по мостовой схеме, на вы-
ходе этой схемы в результате деформации мембраны
появляется напряжение разбаланса, которое поступает
на усилитель. После усиления напряжение разбаланса
преобразуется в усилителе в постоянный ток, пропорцио-
нальный измеряемому давлению.
Манометры с тензорезистивными преобразователями
выгодно отличаются от других ранее рассмотренных
приборов давления быстродействием, виброустойчи-
востью, высоким классом точности (не ниже 0,1ч-0,25) и
поэтому находят самое широкое применение в схемах
АСУ ТП металлургии. Они могут быть использованы для
измерения давления в диапазоне 5Па-ь100 МПа по верх-
нему пределу измерения.
§ 3. Средства измерения расхода газообразных,
жидких и сыпучих материалов
Расход — это количество вещества, протекающего через
поперечное сечение трубопровода в единицу времени.
Массовый расход измеряется в кг/с или кг/ч, объемный
в м3/с или м3/ч.
Измерительный прибор, служащий для измерения
расхода вещества, называется расходомером.
Существует большое разнообразие методов измере-
ния расхода вещества. Для измерения расхода газа,
жидкости и пара нашли применение следующие методы:
переменного перепада, постоянного перепада, динами-
ческого давления, объемный и скоростной. Наибольшее
распространение получил метод переменного перепада,
измерение расхода по которому основано на определе-
нии изменения давления вещества, протекающего через
местное сужение в трубопроводе. Местное сужение соз-
105
дается специальными сужающими устройствами — ди-
афрагмами (реже соплами или трубами Вентури).
На рис. III.11 показаны стандартные сужающие ус-
тройства: диафрагма (а) и сопло (б). Диафрагма пред-
ставляет собой тонкий диск 1. установленный между
фланцами 2 в трубопроводе 3 так, чтобы его отверстие
было концентрично внутрен-
нему" контуру трубопровода.
Передняя (входная часть
отверстия имеет цилиндри-
ческую форму, а выходная
часть — расширяющийся ко-
ну'с. Сопло 1 имеет профили-
рованную входную часть,
которая затем переходит
в цилиндрический участок.
Создаваемый в сужающем
устройстве перепад давле-
ния р[—р? измеряется диф-
манометром.
Принцип измерения заключается в том, что при про-
текании потока через отверстие сужающего устройства
повышается скорость потока по сравнению со скоростью
до сужения. Увеличение скорости, а следовательно, и
динамического давления вызывает уменьшение стати-
ческого давления (т. е. Рг<Рь рис. Ш.П). Разность
давлений pi—р2, называемая перепадом давления на су-
жающем устройстве, зависит от расхода вещества, про-
текающего через трубопровод.
Рис. III.12. Характер потока и распределение ста-
тического давления в сужающем устройстве
106
На рис. III.12 показан характер потока в трубопро-
воде и приведен график изменения статического давле-
ния по его длине. Расход вещества является функцией
перепада давления Ap'=p'i—р'2;
Ус=/(АР’)- (Ш.3>
Однако удобнее измерять давление непосредственно
до (pi) и после (Рг) сужающего устройства и поэтому
объемный расход вещества определяют по формуле
Vo=aeF0V2(p1—р2)/р, (III.4)
где а — коэффициент расхода, учитывающий переход от
использования перепада Ap' = p'i—р'2, к перепаду Др =
=Pi—Рг, неравномерность распределения скоростей в
сечениях потока, коэффициент сужения потока p = F2/Fa
и зависящий от модуля сужающего устройства т —
=F0/Fi; е.— коэффициент, учитывающий расширение по-
тока после сужающего устройства; р — плотность веще-
ства.
Выражая в формуле (II 1.4) площадь Го через диаметр
сужающего устройства d, получают окончательную
формулу объемного расхода вещества (м3/с или м3/ч).
V0=Aaed^AplpT (III.5)
где А — числовой коэффициент, зависящий от размер-
ности величин Уо> d и Др.
Если расход измеряют в массовых единицах (кг/с
или кг/ч), то выражение (III.5) принимает вид
VM=^ded2VApp7 (III.6)
Из характера распределения статического давления
(см. рис. III. 12) видно, что установка сужающего ус-
тройства вызывает так называемые безвозвратные поте-
ри давления рп, которые могут достигать существенных
значений. Причем, чем больше эти потери, тем выше пог-
решность измерения расхода методом переменного пере-
пада. Меньшие потери и, следовательно, большую точ-
ность измерения обеспечивают сопла и сопла Вентури.
При практических измерениях величины а, е, d и р
не зависят от расхода и формулы расхода принимают
весьма простой вид
Уо = МДр? VM = KMVAp, (Ш.7>
где Ко и Км— постоянные коэффициенты.
107
Таким образом, для измерения расхода вещества
(газа, жидкости или пара) достаточно измерить пере-
пад давления на сужающем устройстве, а расход вы-
числить по формуле (III.7).
В датчиках расхода (дифманометрах) расчет по фор-
мулам (Ш.7) производится автоматически и выходной
сигнал пропорционален расходу вещества (а не перепа-
ду давления). Датчиком расхода (дифманометром) мо-
жет быть мембранный прибор (см. рис. III.7) с преоб-
разователем (например, с электросиловой компенсацией,
рис. III.5), в котором предусмотрено извлечение квад-
ратного корня из значения перепада давления, а выход-
ной сигнал /пых пропорционален расходу.
В ряде случаев датчик перепада давления работает
в комплекте с вторичным прибором (без нормирующего
преобразователя) и операция извлечения квадратного
корня осуществляется в этом приборе. Сигнал о расходе
вещества для системы регулирования может быть по-
лучен в этом случае со специального вторичного норми-
рующего преобразователя, встроенного во вторичный
прибор.
На рис. III.13 показана схема измерения расхода с
помощью мембранного дифманометра-расходомера в
комплекте с вторичным прибором. Перепад давления
Др, снимаемый с сужающего устройства 1, воспринима-
ется дифманометром 2 и уравновешивается силой упру-
гой деформации мембраны 3. При равенстве силы, соз-
Рис. 111.13. Схема измерительного расход ^мерного комплекта
даваемой разностью давлений pi—р2, силе упругой де-
формации мембраны сердечник дифференциально-транс-
форматорного преобразователя 4, устанавливается в
108
-определенное положение, при котором э.д.с. Е\ перемен-
ного тока на его выходе будет пропорциональна изме-
ренному перепаду давления. Эта э.д.с. вычитается из
э.д.с. Е2 преобразователя 6 вторичного прибора 5 и их
разность поступает на усилитель 7, который управ-
ляет реверсивным двигателем 8. Электродвигатель через
профильный кулачок 9 перемещает сердечник преобра-
зователя 6 до тех пор, пока сигнал Д£ не станет рав-
ным нулю т. е. до момента, когда E2=Ei. Одновременно
через кулачок движение от двигателя передается указа-
телю 10. Благодаря кулачку 9 производится извлечение
квадратного корня из значения перепада давления, сле-
довательно, перемещение указателя 10 пропорционально
расходу вещества и шкалу И вторичного прибора можно
отградуировать в единицах расхода V.
В формулы для определения расхода вещества
(III.4) — (III.6) входит его плотность, поэтому итоговые
формулы (Ш.7) дают достаточно точный результат,
когда плотность вещества равна расчетной. Для газов
данного химического состава плотность зависит от дав-
ления и температуры и, если они отличаются от расчет-
ных значений, то для получения точного результата
необходимо вводить соответствующие поправки. Суще-
ствуют дифманометры-расходомеры, в которых коррек-
ция (поправка) на отклонение температуры и давление
газов от расчетных значений вводится автоматически.
Измерение расхода газа с коррекцией по его температу-
ре и давлению применяется в тех случаях, когда к точ-
ности предъявляются повышенные требования, например,
при определении расхода кислорода в конвертере.
Рассмотренная схема измерения расхода находит ши-
рокое применение для контроля расхода неагрессивных
газов и жидкостей (природного газа, воздуха, техни-
ческой воды).
Схемы измерения расхода кислорода отличаются от
приведенной на рис. III.13 только тем, что в линии свя-
зи между сужающим устройством и первичным измери-
тельным прибором включаются так называемые разде-
делительные сосуды, или мембраны, предотвращающие
попадание кислорода (агрессивного по отношению к бо-
льшинству металлов) к металлическим узлам дифма-
нометра.
На рис. 111.14 приведена схема измерения расхода
вязких сред. Основным узлом схемы является специ-
альное измерительное сопло 2, позволяющее измерять
109
расход вязких жидкостей (в частности, мазута). Сопло
объединено в одном корпусе 1 с двухсильфонным ком-
пенсационным дифманометром. Перепад давления на
сужающем устройстве 2, вызванный протекающей жид-
костью, передается через каналы 3 и 4, преобразуется
двумя сильфонами 5 и 6 в усилие, которое восприни-
Рис. 111.14. Схема измерения расхода вязких жидкостей
Рис. 111.15. Конструкция месдозы весоизмерительного устройства (а) и рас-
положение тензодатчиков на стакане (б)
мается рычагом 7. При повороте рычага на некоторый
угол относительно оси 8 плунжер дифференциально-тран-
сформаторного преобразователя 9 смещается от ней-
трального положения и на вход усилителя 10 поступает
сигнал, пропорциональный перепаду давления р\—рч..
Усиленное напряжение приводит во вращение двигатель
11, который перемещает лекало 12, отклоняя рычаг 13
и растягивая пружину 14. При этом плунжер возвра-
щается в исходное (нейтральное) положение. На об-
щей оси с лекалом находится указатель отсчетного ус-
тройства 15, поворачивающийся одновременно с лека-
лом. Профиль лекала выбран таким, чтобы угол его
поворота, отображаемый на шкале, был пропорциона-
лен расходу.
Для определения количества газа или жидкости ВО'
вторичные приборы встраиваются счетчики (сумматоры,
интеграторы), которые показывают суммарное количест-
во вещества, прошедшее через сечение трубопровода за
1К
время от начала отсчета до данного момента. Суммато-
ры могут быть выполнены и в виде отдельных приборов.
Для измерения количества (массы) твердых и жид-
ких веществ в емкостях применяются весоизмеритель-
ные устройства (весы). Простейшими весоизмерительны-
ми устройствами являются рычажные весы.
Для взвешивания больших количеств вещества, нап-
ример вагонов с грузом, ковшей с жидким металлом
на стендах или на мостовых кранах, промежуточных
ковшей машин непрерывного литья заготовок применя-
ются весоизмерительные устройства с тензорезистивны-
ми или магнитоупругими чувствительными элементами.
На рис. Ш.15 изображена конструкция чувствитель-
ного тензорезистивного элемента — месдозы. В корпусе
1, опирающемся на плиту весоизмерительного устрой-
ства. установлен стакан 2 с опорными стержнем 3.
Взвешиваемая емкость, например, промежуточный ковш
МНЛЗ, опирается на шаровую поверхность стержня и
усилие от его веса через шар 4 и вкладыш 5 передается
на дно стакана (в весоизмерительном устройстве может
использоваться несколько месдоз). Нижняя часть ста-
скана удлиняется пропорционально прикладываемому
усилию (сила тяжести ковша). На наружной боковой
поверхности нижней части стакана 2 приклеены две па-
ры фольговых тензодатчиков — одна из них 6 (рабочая)
наклеена с двух сторон стакана параллельно оси и при
наличии усилия (растяжения стакана) электрическое
сопротивление этой пары изменяется. Другая пара тен-
зодатчиков 7 (компенсационная) расположена перпен-
дикулярно оси стакана и ее сопротивление практически
не зависит от растяжения стакана. Пары тензодатчиков
включаются в противоположные плечи измерительного
моста, показания которого будут пропорциональны при-
ложенному усилию (силе тяжести ковша), а наличие
компенсационных тензодатчиков 7 обеспечивает неза-
висимость этих показаний от температуры окружающей
среды.
В магнитоупругих чувствительных элементах имеются
магнитопроводы, магнитная проницаемость которых за-
висит от прилагаемого усилия (измеряемого веса). Ток
в обмотке элемента служит мерой измеряемого усилия
(силы тяжести материала). Применение тензорезистив-
ных и магнитоупругих чувствительных элементов позво-
ляет получать электрический сигнал, пропорциональный
•силе тяжести материала и поэтому осуществлять дис-
111
танционную передачу показаний на вторичный прибор
или к другому элементу системы автоматического уп-
равления.
В системах дозирования сыпучих материалов приме-
няются весоизмерители непрерывного действия. Схемы
таких рычажных весоизмерителей показаны на рис.
III.16. Весоизмерители тарируются на определенный вес
(силу тяжести) материала, с помощью уравновешиваю-
щего груза Г. Для передачи показаний на расстояние
используются дифференциально-трансформаторные пре-
образователи (рис. III.16,а и б) или магнитоупругий
датчик (рис. III. 16, в). Погрешность взвешивания на спи-
санных весоизмерителях составляет ±1,0%-
Рис. 111,16. Весоизмерители непре-
рывного действия:
а — ленточный; б — ЛТМ; в — с маг-
нитоупругим датчиком
Первичные измерительные приборы давления и рас-
хода вещества выпускаются бесшкальными. Для полу-
чения информации об измеряемом параметре они снаб-
жаются преобразователями. Современные первичные
приборы давления (МП, МС-Э, МП-Э, «Сапфир» и др.)
и расхода (ДМ-ЭР, ДС-ЭР, «Сапфир» и др.) в зависи-
мости от используемого в них преобразователя имеют
на выходе унифицированный сигнал в виде постоянного
тока (0—5 мА или 4—20 мА) либо напряжения постоян-
ного тока (0—10 мВ; 0—100 мВ или 0—10 В). В связи
с унификацией выходного сигнала в комплекте с прибо-
рами давления и расхода применяются унифицирован-
ные вторичные измерительные приборы типа КСУ, КПУ,
112
КВУ, серии А (А502, А542 и др.) агрегатированной-
системы АСКР.
На рис. III.17 в качестве примера рассматривается
электрическая схема вторичного прибора типа КСУ. Для
измерения силы тока, поступающего со стороны первич-
ного прибора давления или расхода, на входе вторич-
Рис. 111.17. Электрическая схема прибора КСУ
ного прибора включен резистор Ri. Ток, протекая по
резистору, создает падение напряжения, которое срав-
нивается с напряжением измерительной диагонали ab
электрического четырехплечего моста. Плечи моста сос-
тавлены из резисторов R\ (плечо cb), Rc (плечо bd), RB,
гв, части резисторов Rn, гп, 7?ш, RP (плечо ас). Rd и дру-
гой части резисторов RB, ru, Rm, RP (плечо ad). В диа-
гональ моста cd подается напряжение питания от ис-
точника постоянного тока ИПС.
Если падение напряжения на резисторе Ri равно нап-
ряжению в диагонали ab, их разность равна нулю и на
вход усилителя УПД сигнал не поступает. В случае не-
равенства указанных напряжений на вход усилителя
подается сигнал разбаланса, который после усиления
-поступает на реверсивный электродвигатель Ml. Вал
двигателя, связанный с помощью шкива и тросов с ука-
зателем и пером прибора, а также с движком перемен-
ного резистора А’р (реохорда), вращается в ту или иную
сторону до тех пор, пока существует напряжение раз-
баланса. В момент равновесия измерительной схемы
положение указателя определяет значение измеряемого
параметра.
Приборы типа КСУ, КПУ, КВУ и серии А строятся
по прогрессивному блочно-модульному принципу и име-
пот класс точности 0,25—0,5.
§ 4. Средства автоматического контроля температуры
Температура — важнейший параметр технологических и
-теплотехнических процессов в металлургии. Она харак-
теризует степень нагретости тела. В аглодоменном и
сталеплавильном производствах весьма широк диапазон
контролируемых температур и разнообразны условия их
измерения.
Единицей измерения температуры является кельвин
(К); допускается измерять температуру в градусах
Цельсия (°C).
Из всего многообразия методов измерения темпера-
туры и измерительных средств в металлургии широкое
распространение получили термометры сопротивления,
термоэлектрические термометры, пирометры излучения.
Первые две разновидности датчиков используются для
контроля температуры охлаждающей воды, подогретых
газов и воздуха, поступающих к горелочным устройст-
вам, отходящих продуктов сгорания, футеровки агрега-
тов. жидких металлов и шлака и др. Пирометры нашли
применение для измерения температуры насадок реге-
нераторов, рабочего пространства и свода мартеновских
печей, жидких металла и шлака и др.
Принцип действия термометров сопротивления осно-
ван на способности металлов или полупроводниковых
материалов изменять электрическое сопротивление с
изменением температуры. Для изготовления чувстви-
тельных элементов термометров применяются медная,
платиновая или никелевая проволока.
Для термометров из меди и никеля сопротивление
с температурой t изменяется линейно
114
Rt=Ro(l+ai)» (111.8)1
где 7?о — сопротивление термометра при 0°С; а — тем-
пературный коэффициент сопротивления проволоки.
Диапазон измеряемых температур для них — 200-ь
-т-+200°С. Зависимость сопротивления платиновой про-
волоки от температуры в интервале от — 260°С до 0°С
описывается выражением
#; = /?о[1+Л/+В^+С73(/—100)], (III.9)
в интервале от 0°С до 650 °C выражением
Rt=W+At+Bt2), (111.10}
где А, В и С — постоянные коэффициенты.
Полупроводниковые термометры сопротивления, ко-
торые называют термисторами, применяются в диапа-
зоне температур —90-е-+ 180°С. Чувствительные элемен-
ты изготовляются из оксидов меди, марганца, никеля,
кобальта и других металлов. Сопротивление термистора
изменяется в зависимости от температуры по экспонен-
циальному закону
(111.11}
где А и В — постоянные, зависящие от свойств полупро-
водника.
Конструктивные схемы чувствительных элементов
промышленных термометров сопротивления приведены
на рис. III.18. Чувствительный элемент платинового тер-
мометра (рис. III.18, а) выполняется в виде спирали 2,
помещенной в двух- или четырехканальный керамичес-
кий чехол 1. К концам спирали припаяны выводы 4, с
помощью которых элемент подключается к измеритель-
ному прибору. Каркас 1 герметизируется специальной
глазурью 3.
Чувствительный элемент медного термометра (рис.
111.18,6) представляет собой обмотку 2 из тонкой про-
волоки, покрытой снаружи защитной хлорвиниловой
лентой 1. К обмотке припаяны выводы 3. Чувствитель-
ный элемент помещается в защитный металлический или
керамический чехол (рис. III.18,в), заканчивающийся
головкой 2 с клеммами для подключения к измеритель-
ному прибору. На объекте измерения термометр уста-
навливается с помощью штуцера 1 или другим спосо-
бом.
В качестве вторичного измерительного прибора в
комплекте с термометрами сопротивления применяются
115
автоматические измерительные мосты либо вторичные
измерительные приборы с унифицированным входным
сигналом (типа КСУ, КПУ, КВУ, серии А, типа ДИСК-
250). Если термометры сопротивления используются в
Рис. HI. 18. Чувствительные элементы: платиновый
(а), медный (6) и конструкция термометра сопро-
тивления (в)
•комплекте с вторичными приборами, имеющими унифи-
цированный вход, то между термометрами и вторичным
прибором включается специальный нормирующий пре-
образователь «сопротивление — ток», который преобра-
зует электрическое сопротивление термометра в унифи-
цированный токовый сигнал (0—5 мА или 4—20 мА).
Довольно широко в комплекте с термометрами сопро-
тивления применяются так называемые уравновешен-
ные измерительные мосты.
В основу работы уравновешенных мостов положен
нулевой метод измерения электрического сопротивления.
Прибор представляет собой одинарный мост, состоя-
щий из двух постоянных резисторов, одного перемен-
ного резистора (реохорда) и термометра сопротивления.
В одну диагональ моста подается напряжение питания,
во вторую (измерительную) включается измерительный
прибор (милливольтметр) или усилитель (если мост
автоматический). Мост находится в равновесии, когда
произведение сопротивлений противоположных плеч рав-
Л16
ны между собой. Если мост не уравновешен, то разность
потенциалов между вершинами измерительной диагона-
ли поступает на измерительный прибор (нуль-прибор)
и стрелка последнего отклоняется от нулевой отметки.
Перемещая ползунок реохорда, добиваются установки
стрелки нуль-прибора на нулевую отметку. Таким об-
разом положение ползунка реохорда в момент равнове-
сия моста служит мерой температуры, измеренной тер-
мометром сопротивления.
В автоматических мостах в измерительную диаго-
наль включается фазочувствительный усилитель, а пол-
зунок реохорда снабжается приводом в виде реверсив-
ного электродвигателя, включаемого на выход усилителя.
На рис. III.19 приведена принципиальная схема ав-
томатического уравновешенного моста. В состоянии рав-
новесия моста имеем (RJ+ri)Rt = (R2+r%)R3\ при этом
Рис. 1П.19. Электрическая схема автоматического уравновешенного
моста
напряжение в измерительной диагонали cd моста равно
нулю. На вход усилителя сигнал не поступает и ревер-
сивный электродвигатель М неподвижен. С изменением
температуры измеряемой среды изменяется сопротивле-
ние термометра Rt. Мост выходит из равновесного сос-
тояния и на вход усилителя поступает напряжение раз-
баланса, под действием которого двигатель начнет вра-
щаться в ту или иную сторону, перемещая ползунок
реохорда Rp и указатель прибора. Ползунок переме-
щается до тех пор, пока изменение сопротивления рео-
хорда не скомпенсирует изменение сопротивления термо-
метра. В этот момент производится отсчет показаний по
шкале прибора (в градусах).
В комплекте со стандартными термометрами сопро-
тивления используются автоматические мосты типа
117
tg Рис- Hl JO. Термоэлектрическая цель не двух
* разнородных проводников
Л \ КСМ, КПМ » КВМ, имеющие класс
% точности 0,25—0,5. Приборы типа
1 ДИСК-250 и РП160 также исполь-
1 зуются в качестве вторичных при-
В-2 боров для работы с термометрами
ц I сопротивления и отличаются от авто-
\\ ш матических мостов универсаль-
Л I ностью: на их вход можно подклю-
'X ш чать различные преобразователи (с
'Х я токовым выходом, термометры со-
противления, термоэлектрические
* термометры, пирометры излучения
и др.).
Первичным преобразователем термоэлектрического
термометра служит термопара, состоящая из двух раз-
нородных проводников 1 и 2 (рис. III.20). Принцип дей-
ствия термопары основан на термоэлектрическом эф-
фекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи из
двух разнородных проводников возникает электрический
ток, если места соединения (спаи) проводников имеют
разную температуру.
Спай с температурой t называется горячим или ра-
бочим, а спай с более низкой (обычно постоянной)
температурой t0—холодным или свободным. Термо-
электрический эффект объясняется наличием в металле
свободных электронов, число которых в единице объема
различно для разных металлов. Если допустим, электро-
ны диффундируют из проводника 1 в проводник 2, тс
первый в спаях с температурами t и t0 заряжается по-
ложительно, а второй — отрицательно. Между проводни-
ками 1 и 2 возникает разность потенциалов — термо-
электродвижущая сила (т.э.д.с.).
£12(/, /о) =«12(0-^12(/о), (III.12)
где £12(0 —разность потенциалов при температуре
£12(^0) —то же, при температуре t0.
Таким образом результирующая т.э.д.с. E(i,t0) будет
зависеть от температур i и t0.
На практике температуру t0 поддерживают постоян-
ной, поэтому E(i,t0) =f(0- Для термопар, используемых
в промышленности, зависимость т.э.д.с. E(t,t0) от изме-
ряемой температуры t находят экспериментально и та-
118
ким образом получают возможность судить об измеряе-
мой температуре по величине т.э.д.с.
В комплект термоэлектрического термометра входят
термопара и вторичный прибор (пирометрический мил-
ливольтметр или автоматический потенциометр), вклю-
чаемый в разрыв проводников 1 и 2 в точке с температу-
рой t0.
Термопары стандартных термоэлектрических термо-
метров изготовляют из проволоки чистых металлов или
сплавов диаметром 0,5—3,2 мм. В зависимости от ма-
териалов проволоки различают следующие термопары:
хромель-алюмелевые (ТХА) с диапазоном измеряемых
температур 200—1000°С; платинородий (10% родия)-
платиновые (ТПП) 20—1300°C; платинородий (30% ро-
дия)-платинородиевые (6% родия) (ТПР) 3004-
4-1600°С; вольфрам-рениевые до 2500°С и др. При крат-
ковременных измерениях верхний предел температур
увеличивается на 200—300 °C.
На рис. [11.21 показан один из вариантов защитной
арматуры термопары. С целью защиты спая 1 от меха-
нического и химического воздействия среды термопару
помещают в защитный металлический или керамический
чехол 4 с головкой 6, армируют керамическими бусами
3 и засыпают огнеупорным порошком 5. Рабочий спай
погружают в защитный колпачок 2.
На рис. III.22 показана установка термопары для из-
мерения температуры газовой или жидкой среды в тру-
119
Рис. 111.23. Термопара кратковременного погружении
из
Рис. III.24. Термопара погруже-
ния со сменной измерительной
головкой
бопроводе. Термопара 1 с помощью фланцев 2 крепится
ча штуцере 3, приваренном к трубопроводу 4. Во избе-
жание оттока газа вдоль чехла термопары между флан-
цами устанавливается прокладка 5.
Для определения температуры жидких металлов и
шлаков применяют термопары кратковременного и дли-
тельного погружения. Термопары
гружения (рис. 111.23) состоят
рез которую протянуты арми-
рованные керамическими изо-
ляторами термоэлектроды 2,
сматываемые по мере их ра-
сходования с бухты 3, огне-
упорной обмазки 5 и графито-
вого блока 4. В торец блока с
помощью графитовой пробки
6 устанавливается кварцевый
наконечник 7, в котором раз-
мещается рабочий спай термо-
пары; наконечник рассчитан
на одно погружение (20—40 с).
Применяются термопары
кратковременного погружения
со сменной измерительной го-
ловкой (рис. III.24), которые
также состоят из стальной тру-
бы с защитным чехлом из прес-
сованного картона /, измери-
тельной головки 3 с термопа-
рой 5 в кварцевой трубке 4.
Свободные спаи термопары
подключаются к измерительно-
му прибору с помощью разъемного контактного устрой-
ства 2. Защитный металлический колпачок 6 после по-
гружения в металл (шлак) расплавляется.
Термопары длительного погружения отличаются от
термопар, привеценных на рис. III.23 и рис. III.24, тем,
что термоэлектроды помещаются в защитную водоох-
лаждаемую фурму, которая вводится в жидкий металл
через горловину конвертера или заднюю стенку (для мар-
теновских печей) на время от нескольких минут до
нескольких часов. Рабочий спай этих термопар защи
щается наружным наконечником из кварца или диборида
циркония и внутренним наконечником из алунда с за-
сыпкой между ними порошка оксида алюминия. В ка-
кратковременного по-
стальной трубы 1, че-
121
честве термоэлектродов в термопарах используется пла-
тинород левая или вольфрамрениевая проволока.
Пирометры излучения относятся к бесконтактным
датчикам температуры. В основу работы пирометров
положен принцип использования теплового и светового
излучения нагретых тел.
Лучистая энергия выделяется нагретым телом в ви-
де волн различной длины. При температурах до 500°С
нагретое тело излучает инфракрасные лучи, не воспри-
нимаемые человеческим глазом. По мере повышения тем-
пературы цвет тела от темно-красного доходит до бело-
го, содержащего волны всех воспринимаемых глазом
длин. Одновременно с повышением температуры тела
и изменением его цвета возрастает интенсивность моно-
хроматического излучения (яркость), т. е. излучения при
определенной длине волны, а также увеличивается сум-
марное излучение (световое и тепловое). Монохромати-
ческое и суммарное (полное) излучения используются
для измерения температуры нагретых тел и в соответ-
ствии с этим пирометры излучения делятся на пиромет-
ры частичного и полного излучения.
Интенсивность монохроматического и суммарного
излучений, кроме температуры, зависит от физических
свойств веществ. Поэтому шкалы приборов, работающих
в комплекте с пирометрами, градуируются по излучению
абсолютно черного тела, степень черноты которого по-
стоянна и равна единице (ео=1). Реальные физические
тела излучают энергию менее интенсивно, чем абсолют-
но черные, т. к. у них 0<е<1. В связи с этим пирометры
излучения показывают так называемую кажущуюся тем-
пературу, т. е. показания пирометров обычно занижены
относительно действительной температуры контролируе-
мого тела. Следовательно, требуется введение соответ-
ствующих поправок на степень черноты реального тела.
Зависимость между интенсивностью монохроматиче-
ского излучения абсолютно черного тела и его темпера-
турой выражается законом Планка:
Л=СД-5 (е^г_ 1)-1, (Ш.13)
где Ci и С2 — постоянные; Л — длина волны; Т — абсо-
лютная температура.
Зависимость (III. 13) используется в пирометрах ча-
стичного излучения.
Следствием закона Планка является закон Стефа-
на — Больцмана, выражающий зависимость между су м-
122
парной анергией излучения и температурой абсолютно
черного тела
_£о=*оП (Ш.14)
где По—константа излучения абсолютно черного тела.
Формула (III.14) положена в основу работы пиро-
метров полного излучения.
В общем случае пирометр излучения состоит из пер-
вичного датчика, вторичного преобразователя и изме-
рительного прибора.
На рис. III.25 показаны упрощенные схемы датчи-
ков пирометров частичного (а) и полного (б) излучения.
Рис. 111.25. Датчики пирометров излучения
Излучение от нагретого тела 1, пройдя через объектив 2
и диафрагму 3, попадает на чувствительный элемент 4,
.который, поглощая энергию излучения, вырабатывает
пропорциональный ей, а следовательно, и температуре
электрический сигнал (напряжение). Этот сигнал по-
ступает в измерительную схему (вторичный преобразо-
ватель и вторичный измерительный прибор, градуиро-
ванный в градусах Цельсия). В качестве чувствитель-
ного элемента в пирометрах частичного излучения
используются фотодиоды, фоторезисторы и т. п., в пиро-
метрах полного излучения — термобатарея, состоящая из
нескольких последовательно соединенных миниатюрных
термопар. Для выделения из общего спектра излучения
•определенной длины волны применяется цветной свето-
фильтр 7 (см. рис. III.25,а). Окуляр 6 служит для удоб-
ства визирования пирометра на тело 1. Все элементы
датчика размещаются в корпусе 5.
К пирометрам частичного излучения относятся опти-
ческие, фотоэлектрические и цветовые (спектрального
отношения) пирометры. Принцип действия оптических и
фотоэлектрических пирометров основан на сравнении
123
интенсивности монохроматического излучения нагре-
того тела и этачонной пирометрической лампы накали-
вания.
В ручных оптических пирометрах типа ОППИР и-
«Проминь» сравнение интенсивностей излучения произ-
водится глазом наблюдателя. С помощью объектива и
окуляра пирометра получают четкое изображение нити
накаливания на фоне объекта. Далее, изменяя силу тока
в пирометрической лампе с помощью реостата, доби-
ваются при красном светофильтре совпадения интенсив-
ностей излучения объекта и нити накаливания — нить
как бы «исчезает» на фоне объекта. Отсчет температуры
производится по шкале милливольтметра в градусах.
В пирометрах частичного излучения ФЭП, «Смотрич»
(комплекса АПИР-С) сравнение интенсивностей излу-
чения нагретого тела и лампы накаливания производит-
ся автоматически с использованием фотоэлемента; в
пирометрах с первичным преобразователем ПЧД (ком-
плекс АПИР-С) излучение нагретого тела воспри-
нимается чувствительным элементом (фотодиодом, фото-
резистором) , преобразуется в унифицированный сигнал
(О—5 мА, 4—20 мА или 0—100 мВ) и фиксируется
вторичным прибором, шкала которого размечена в гра-
дусах.
В цветовых пирометрах, иначе пирометрах спектраль-
ного отношения «Спектропир», «Веселка» (комплекса
АПИР-С), температура определяется по отношению
интенсивностей излучения нагретого тела для двух за-
ранее выбранных длин волн Х2 и
Пирометры полного (интегрального) излучения носят
название радиационных пирометров. Выпускаются пиро-
метры с пирометрическими преобразователями ППТ
различных типов агрегатированного комплекса стацио-
нарных пирометрических преобразователей и пирометров
излучения АПИР-С.
Различные типы пирометров излучения позволяют
измерять температуру в интервале 30—6000 °C. Кроме
степени черноты тела на точность измерения сильно
влияет промежуточная среда (пыль, дым, пар и т. п.)
между нагретым телом и датчиком. Поэтому при изме-
рении температуры кладки в некоторых случаях датчик
визируется на донышко так называемого калильного
стакана, вмонтированного в кладку.
В качестве вторичных измерительных приборов с
термопарами и пирометрами используются милливольт-
124
метры, автоматические потенциометры или приборы с
унифицированным входным сигналом.
Милливольтметры не отличаются высокой точностью1
измерения и поэтому используются довольно редко, на-
пример, при измерении температуры отходящих продук-
тов сгорания, температуры охлаждающей воды и т. п.
При использовании с термопарами или пирометрами-
вторичных приборов с унифицированным входом (типа
КСУ, КПУ, КВУ или серии А) между первичным пре-
образователем и вторичным прибором обязательно уста-
навливается промежуточный преобразователь, который
преобразует т. э. д. с. термопары или сигнал пирометра
в унифицированный сигнал.
Самое широкое распространение для работы в ком-
плекте с термопарами и с некоторыми модификациями
пирометров излучения получили автоматические потен-
циометры. Принцип действия потенциометра заключа-
ется в том, что измеряемая т. э. д. с. (или напряжение)
уравновешивается равным ей по величине, но обратным'
по знаку напряжением вспомогательного источника то-
ка, которое затем измеряется с большой точностью.
На рис. III.26 показана схема автоматического по-
тенциометра, выполненного в виде моста постоянного-
тока, напряжение измерительной диагонали которого
компенсирует измеряемую т. э. д. с. Ех (или напряже-
ние). Плечами мостовой схемы потенциометра служат
постоянные резисторы RI, R2 и R3, выполненные из ман-
ганиновой проволоки, резистор RM, изготовленный из
медной проволоки и предназначенный для автоматиче-
ского введения поправки на температуру холодных
спаев термопары, и переменный резистор Rv (реохорд).
В диагональ ab моста включен источник стабилизиро-
ванного напряжения ИПС. Напряжение снимаемое
с измерительной диагонали cd, включено с измеряемой
т. э. д. с. так, что на вход вибропреобразователя ВП
поступает разностный сигнал Ех—UCd- Преобразователь
предназначен для преобразования напряжения постоян-
ного тока в напряжение переменного тока (в некоторых
приборах преобразователи ВП отсутствуют, так как ис-
пользуется усилитель постоянного тока).
При изменении измеряемой температуры на вход
усилителя подается напряжение разбаланса Ех—UCd,
которое усиливается в нем до величины, достаточной
для приведения в действие реверсивного электродвига-
теля. Последний при помощи кинематической связи
125
управляет перемещением ползунка реохорда и указате-
ля прибора. Двигатель находится в работе до тех пор,
пока не наступит состояние равновесия схемы. В момент
равновесия т. э. д. с. Ех равна падению напряжения,
-Рис. 111.26, Электрическая схема автоматического потенциометра
снимаемому с диагонали cd, т. е. падению напряжения
па участке dac Ex=h(Rl + rt)—1?Rm.
В момент равновесия двигатель останавливается и
по шкале прибора можно отсчитать значение измеренной
температуры.
Современные автоматические потенциометры типа
КСП, КПП, КВП, ДИСК-250 и другие имеют класс точ-
ности 0,25—0,5.
§ 5. Средства определения химических составов
’чугуна, стали и газов, окисленности металла
Химический состав металла и шлака в процессе плав-
ки обычно определяется в экспресс-лаборатории хими-
ческим путем. Пробы на анализ отбираются из стале-
плавильной ванны и пневмопочтой доставляются в ла-
бораторию. Такие элементы как С. S. Р определяются
в каждой пробе металла. Пробы шлака анализируются
на содержание SiOz, CaO, FeO, Р2О5 и другие состав-
ляющие. Время на получение результатов анализа до-
стигает 10 мин и более, что недопустимо при современ-
ной интенсивности плавки в мартеновских печах, и,
особенно, в кислородных конвертерах. Поэтому более
прогрессивным методом анализа является метод с ис-
пользованием спектрометров, позволяющих выполнять
анализ за 1—2 мин.
Процесс спектрометрического анализа состоит из сле-
дующих последовательных операций:
126
1) превращение анализируемого вещества в газо-
вую фазу;
2) понижение давления газовой фазы анализируемо-
го вещества;
3) превращение молекул анализируемого вещества »
положительные ионы (обычно путем «обстрела» их элек-
тронами с большой энергией);
4) формирование ионного пучка с помощью электро-
статического поля;
5) разделение ионного пучка по массам в магнитном
или электрическом поле;
6) улавливание и регистрация ионов, происходящие
раздельно для каждой массовой составляющей ионного
пучка (запись масс-спектра);
7) расшифровка масс-спектра, т. е. определение ис-
комых концентраций с помощью определенных вычисли-
тельных операций, производимых с отдельными пиками:
на масс-спектрах.
При измерении спектрометрами используется основ-
ной физический параметр вещества — масса молекулы
или атома. В условиях глубокого вакуума молекулы
или атомы анализируемого вещества ионизируются с
образованием положительно заряженных ионов, кото-
рые, получив ускорение в электрическом поле, разделя-
ются по своим массам в магнитном поле. Сумма элек-
трических зарядов движущихся ионов образует ионный
ток. Измерение ионного тока, создаваемого частицами
той или иной массы, позволяет судить о концентрации
частиц в общем составе анализируемого вещества.
Преимущественное применение получили спектро-
метры с разделением ионов в однородном магнитном
поле (рис. III.27). В ионизационную камеру 1, находя-
щуюся под глубоким вакуумом, вводится анализируемая.
Рис, 111,27. Схема спектрометра
127
газовая смесь. Молекулы газа бомбардируются пучком
электронов; образующиеся при этом положительные
ионы, обладающие одинаковым положительным зарядом
е, но различной массой т (для различных компонентов),
имеют незначительную начальную энергию. Под дейст-
вием электрического поля, обусловленного приложенной
к стенкам ионизационной камеры разностью потенциа-
лов U, ионы получают ускорение и вылетают с опреде-
ленной скоростью через щель в камеру 2 анализатора,
где действует однородное магнитное поле с вектором на-
пряженности Н, направленным перпендикулярно плос-
кости рисунка. В зависимости от величин Н, U и отноше-
ния т/е различные ионы опишут траектории различных
радиусов Г] г2, г3 и т. д. При постоянных Н, U и е в
выходную щель камеры 2 и далее на коллектор 3 по-
падают только ионы с определенным значением т. Ион-
ный ток создает на резисторе R определенное падение
напряжения, которое через усилитель 4 подается па из-
мерительный прибор 5.
Изменяя напряженность магнитного поля или раз-
ность потенциалов, можно направить на коллектор ионы
различных масс (ионы различных компонентов) и за-
писать на диаграмме измерительного прибора кривую с
пиками, соответствующими ионам определенной массы.
Высота отдельных пиков, пропорциональная ионному
току, проходящему через резистор R, характеризует
концентрацию компонентов анализируемого вещества.
Для экспресс-анализа содержания углерода в метал-
ле находят применение устройства, основанные на за-
висимости термоэлектродвижущей силы, возникающей
в цепи из двух разнородных металлов или сплавов, от их
природы и свойства. С целью повышения точности опре-
деления содержания углерода пробу стали, отбираемую
по ходу плавки, подвергают закалке, при этом основной
структурной составляющей пробы является мартенсит,
т. е. твердый раствор углерода в альфа-железе. В таких
бинарных растворах между содержанием углерода и
т. э. д. с. существует линейная зависимость. Устройство
работает на принципе измерения величины т. э. д. с.
пробы стали в паре с элементом сравнения — железом
армко.
В последние годы получили распространение устрой-
ства для определения содержания углерода в жидкой
стали по температуре ликвидус Принцип действия та-
ких устройств основан на зависимости температуры кри-
128
сталлизации жидкого металла от содержания в нем угле-
рода. Концентрация углерода определяется по градуи-
ровочным кривым или таблицам, составленным на осно-
ве диаграммы состояния железо — углерод.
Жидкая сталь вручную заливается в пробницу 1
(рис. Ш.28,а), в донышке которой имеется смен-
ная термопара 3 в защитной кварцевой трубке 2. Термо-
пара с помощью разъемов 4 подключается к измеритель-
Рис. III.28. Схемы устройства определения содержания углерода по темпе-
ратуре ликвидус (а) и комбинированного датчика (б)
ном\ прибору 5, шкала которого градуирована в про-
центах углерода. В процессе затвердевания металла в
пробнице на диаграмме прибора фиксируется площадка
ликвидуса, положение которой определяется содержа-
нием углерода в пробе Точность определения содержа-
ния углерода ±0,03%, длительность измерения 10—15 с.
В конвертерном производстве стали широко использу-
ются комбинированные датчики (рис. III.28,б), позволя-
ющие измерять температуру ванны конвертера, опреде-
5. 15.
129
лять содержание углерода в ванне по температуре ли-
квидус и получать пробу металла для химического и
спектрометрического анализов без прекращения продув-
ки и повалки конвертера.
Датчик вводится в рабочее пространство конвертера
с помощью измерительной водоохлаждаемой фурмы
(зонда) и состоит из защитной бумажной гильзы 1 и
запрессованной в нее измерительной головки. Головка
содержит платинородий-платиновую термопару 5 с двумя
рабочими спаями, которая крепится к пластмассовой
колодке 3 с тремя контактными выводами 2. Спай термо-
пары, предназначенный для измерения температуры ван-
ны, защищен кварцевым чехлом 10 и расположен вне
корпуса головки; спай, служащий для измерения темпе-
ратуры ликвидус расположен внутри корпуса в кварце-
вом капилляре 8. В боковой стенке головки для прохода
жидкого металла имеются два отверстия 6, закрытые
тонкими стальными крышками, которые предотвращают
затекание шлака при погружении в ванну конвертера.
Кварцевый капилляр 8 крепится верхней частью в кера-
мической пробнице 4. Наконечник 10 защищен металли-
ческим колпачком 9, расплавляющимся в жидком ме-
Рис. 111.29. Схема термокондуктометрического газоанализатор»
130
талле. В пробницу помещается алюминиевая проволока
7 для раскисления пробы металла.
Для контроля химического состава газов широко
используются автоматические газоанализаторы. В ме-
таллургии наибольшее распространение полечили газо-
анализаторы на СО, СОг, Ог, Нг и СН4.
На рис. II 1.29 показана принципиальная схема авто-
матического газоанализатора, принцип действия которо-
го основан на измерении теплопроводности газовой сме-
си (термокондуктометрические газоанализаторы). В этих
приборах чувствительный элемент — нагреваемую элект-
рическим током платиновую нить омывает анализиру-
емая газовая смесь, теплопроводность которой зависит
ют содержания в ней определяемого компонента. При
изменении теплопроводности смеси меняется теплоотда-
ча от нити к газовому потоку, а следовательно, темпера-
тура нити и ее электрическое сопротивление. Величина
сопротивления однозначно связана с концентрацией из-
меряемого компонента, так как, если теплопроводность
одного компонента газовой смеси значительно превос-
ходит теплопроводность остальных компонентов, то из-
менение теплопроводности смеси практически будет
определяться изменением концентрации компонента,
имеющего большую теплопроводность.
Такие газы как Н2 и СОг значительно отличаются по
теплопроводности от основных компонентов промышлен-
ных газов — N2, Ог, СО, СН4 и др. Следовательно, кон-
дуктометрические газоанализаторы могут быть исполь-
зованы для определения содержания Нг или СОг в газо-
вой смеси.
Схема газоанализатора состоит из двух неуравнове-
шенных мостов — рабочего I и сравнительного II, питае-
мых от двух вторичных обмоток одного и того же тран-
сформатора. Чувствительный элемент R1 — платиновая
спираль находится в открытой стеклянной ампуле и
омывается анализируемой газовой смесью. Чувствитель-
ные элементы R2, R5 и R6 помещены в закрытые стек-
лянные ампулы, заполненные сравнительным газом, в
качестве которого в зависимости от пределов измерения
применяют азот или смесь того или иного состава. Состав
газа в камерах R2 и R6 соответствует началу шкалы
прибора, в камере R5—концу шкалы. Напряжение в из-
мерительной диагонали моста II всегда постоянно и часть
его (между точками а и d) используется для компенса-
ции напряжения в измерительной диагонали ас моста I.
5*
131
При содержании анализируемого компонента в га-
зовой смеси, соответствующем начальной отметке шкалы
газоанализатора, мост I уравновешен, т. е. t7ac=0, и
указатель прибора находится в начале шкалы. С ростом
концентрации анализируемого компонента мост I вы-
ходит из состояния равновесия и в диагонали ас возни-
кает напряжение разбаланса, которое оказывается не-
скомпенсированным напряжением, снимаемым с измери-
тельной диагонали моста II. На вход усилителя по-
ступает разность напряжений Uac—Uad и двигатель .И
перемещает движок реохорда Rp до тех пор, пока эта
разность не станет равной нулю. Термокондуктометри-
ческие газоанализаторы выпускаются типа ТП и предна-
значены для определения в газовых смесях содержания
Н2 или СО2. Пределы измерения в зависимости от мо-
дификации прибора могут быть от долей до десятков
процентов, вплоть до 100% (объемн.). Приборы ТП ши-
роко используются, например, для контроля содержания
Н2 в колошниковом газе. В комплекте с газоанализа-
торами типа ТП использу ются вторичные приборы, вы-
полненные на базе автоматических мостов типа КСМ.
В так называемых магнитных газоанализаторах кон-
центрация определяемого компонента измеряется по из-
менению магнитных свойств газовой смеси. Газообраз-
ный кислород по своим магнитным свойствам отличается
от других промышленных газов: он относится к пара-
магнитным газам, т. е. обладают свойством втягиваться
Рис. II 1.30. Схема магнитного газоанализатора
132
в магнитное поле. Такие компоненты газовой смеси как
СН4, Н2 и N2 имеют в десятки и сотни раз меньшую
магнитную восприимчивость по сравнению с кислородом.
Следовательно, концентрация кислорода практически
однозначно определяет магнитную восприимчивость га-
зовой смеси. С повышением температуры магнитная
восприимчивость кислорода снижается.
Принцип действия газоанализатора на кислород рас-
смотрим на примере газоанализатора типа МН, схема
которого приведена на рис. 111.30. Первичный преобразо-
ватель (приемник) газоанализатора представляет собой
компенсационно-мостовую схему, состоящую из двух
мостов — рабочего I и сравнительного II. Мосты пита-
ются от вторичных обмоток трансформатора Т. Ре-
зисторы R1 и R2 моста 1 представляют собой платино-
вые спирали, омываемые анализируемым газом. Два
других чувствительных элемента R5 и R6 размещены
в камерах сравнительного моста II и омываются воз-
духом. Резисторы R3, R4, R7 и R8 являются постоянными
и выполнены из манганиновой проволоки. Чувствитель-
ные элементы R1 и R5 находятся в магнитном поле и нагре-
ты протекающим по ним током до температуры 200°C.
При отсутствии кислорода в анализируемом газе
мосты I и II находятся в равновесном состоянии и на
входе усилителя вторичного прибора; выполненного на
базе автоматического моста КСМ, сигнал равен нулю.
При появлении кислорода в газе частицы кислорода втя-
гиваются в поле магнита и резистор R1 охлаждается, а
кислород нагревается от резистора R1 и его магнитная
восприимчивость снижается. Холодный газ выталкивает
нагретый, создавая поток магнитной конвекции. Чем
выше концентрация кислорода в газе, тем сильнее
охлаждается резистор R1, тем в большей степени мост
I выходит из равновесного состояния и в диагонали ab
моста I появляется напряжение разбаланса. Это напря-
жение сравнивается с напряжением в измерительной
диагонали bd моста II, которое всегда постоянно, так
как концентрация кислорода в воздухе является ста-
бильной. Под действием разности напряжений Uab—Ucb,
усиленной усилителем вторичного прибора, двигатель М
начинает вращаться и перемещает движок реохорда RP
до тех пор, пока иаъ не станет равным U,-u. В момент
равновесия по шкале вторичного прибора производится
отсчет показаний.
Приборы МН применяются, в частности, для опреде-
133
ления концентрации технического кислорода, используе-
мого при продувке жидкого металла в конвертерах и
мартеновских печах. Пределы измерения приборов МН
0,5—100% О2.
Весьма широкое распространение в металлургии по-
лучили так называемые оптико-акустические газоанали-
заторы типа АО. Принцип действия этих анализаторов
основан на селективном поглощении различными газами
инфракрасного излучения; величина поглощения зави-
сит от состава газа. При поглощении инфракрасных
лучей температура газа повышается, вследствие чего
повышается и его давление в замкнутом объеме. Если
облучение газа инфракрасными лучами производить
прерывисто, то изменение давления будет носить пуль-
сирующий характер. Воздействуя этим пульсирующим
давлением на мембрану микрофона можно получить
э. д. с., пропорциональную содержанию анализируемого
компонента в газовой смеси
Анализаторы типа АО выпускаются для определения
содержания СО, СО2, СН4, Н2. Часто они применяются
для определения концентрации СО и СО2 в колошнико-
вом газе. Пределы измерения так же, как у анализато-
ров МН, самые различные и зависят от модификации
прибора.
Для анализа отходящих газов металлургических агре-
гатов применяются специализированные быстродейст-
Анализируемыи
Рис. ПГ.31. Схема газоиндикатора
ТЕФЛОКС
вующие газонндикато-
ры ТЕФЛОКС. В сов-
ременных АСУ ТП они
нашли применение для
определения концент-
рации О2 и СОЧ-Н. в
отходящих газах кис-
лородных конвертеров,
двухванных мартенов-
ских печей. Погреш-
ность определения со-
держания кислорода и
горючих компонентов
в газе не превышает
0,5%, а быстродейст-
вие газоиндикатора 5—
10 с.
Принцип работы
индикатора ТЕФЛОКС
134
рассмотрим по схеме рис. III.31. Проба анализируемого
газа непрерывно поступает в штуцер 1. Разветвляясь на
два потока, газ направляется в трубки 2 и 3 к термо-
элементам 4 и 5. Через штуцер 6 и 7 в эти потоки под-
мешиваются дополнительные реагенты — водород и ки-
слород. Расходы этих реагентов выбраны такими, что в
рабочем диапазоне концентраций спаи 8 и 9 термоэле-
мента 4 омываются газом с избытком водорода, а спаи
10 и 11 термоэлемента 5 — газом с избытком кислорода.
Каждый термоэлемент содержит две хромель-алюме-
лиевые термопары и предназначен для преобразования
измеряемых величин (концентраций соответственно О2 и
СО+Н2) в э. д. с. постоянного тока. На рабочие спаи
так называемых активированных термопар 9 и 11 на-
несены сильнодействующие катализаторы, благодаря ко-
торым горение Н2 и СО начинается при температурах
порядка 100 ч-200 °C. Две другие термопары с рабочими
спаями 8 и 10 называются компенсационными. Трубки
2 и 3 погружены в электрическую печь. Температура на-
грева газа в трубках 300 °C.
Термоэлемент 4 работает следующим образом. Спай
8 его компенсационной термопары всегда имеет темпе-
ратуру омывающего газа. Поэтому э. д. с. £"i этой
термопары практически не зависит от состава газа и
равна относительно постоянной величине E°i, соответ-
ствующей температуре газа. При отсутствии в пробе
кислорода горение на катализаторе рабочего спая 9 не
происходит и активированная термопара развивает
э. д. с. E't, также равную E°t. Активированная и ком-
пенсационная термопары включены встречно между со-
бой, поэтому э. д. с. на их выходе
£,=£',-£"!. (III.15)
При отсутствии горения э. д. с. Еъ развиваемая
термоэлементом 4, равна нулю Е\ = Е\—£"i = 0.
Появление в анализируемом газе кислорода приводит
к развитию реакции горения на поверхности катализа-
тора спая. 9. Спай разогревается и э. д. с. Е'\ активи-
рованной термопары возрастает. С достаточной степенью
точности приращение температуры спая и э. д. с. Е\
пропорционально концентрации кислорода
(Ш.16)
где й, — коэффициент пропорциональности; О2 — кон-
центрация кислорода в пробе.
13S
После подстановки выражения (III.16) в формулу
(III.15) с учетом того, что, E"i = E°i получим
£,= £01 + ^О2—£°i = fciO2. (III.17)
Из выражения (III.17) следует, что термоэлемент 4
является анализатором газа на кислород, вырабаты-
вающим э. д. с., пропорциональную содержанию в пробе
кислорода.
Термоэлемент 5 работает аналогично термоэлементу 4.
Э. д. с. Е"2 его компенсационной термопары также рав-
на постоянной величине Е°2, определяемой нагревом га-
за в трубке 3. Поверхностное горение на катализаторе
спая 11 возникает при появлении в пробе горючих ком-
понентов — оксида углерода и (или) водорода. Э. д. с.
Е'2 активированной термопары может быть представлена
в виде
£'2=£о2+МСО + Н2), (III.18)
где k2 — коэффициент пропорциональности; СО, Н2 —
концентрация в пробе окси юв углерода и водорода
соответственно.
Аналогично выражению (III.17), получим, что э. д. с.
Е2, равная разности э. д. с. Е'2 и Е"2, имеет вид
Е2 = Е ®2+^2 (СО + Н2) —Е®2 = &2(СО+Н2), (III. 19)
т. е. термоэлемент 5 является анализатором газа на го-
рючие составляющие, вырабатывающим э. д. с., пропор-
циональную суммарному содержанию горючих компо-
нентов.
В комплекте с газоинднкаторами используются авто-
матические потенциометры, шкалы которых градуиро-
ваны в % О2 и (СО + Н2).
Окисленность является важным технологическим по-
казателем, определяющим в дальнейшем качество ста-
ли и расход раскислителей. В последние годы в стале-
плавильных агрегатах осуществляют контроль окислен-
ности металла в процессе доводки. Определение окис-
ленностн осуществляется с помощью активометров с
использованием твердоэлектролитных датчиков.
Принцип действия актинометра основан на измерении
э. д. с., возникающей в концентрационном по кислороду
гальваническом элементе с твердым электролитом из
ZrO2 или А120з, обладающим ионной производимостью
по кислороду, при погружении его в жидкую сталь. Эта
э. д. с. пропорциональна температуре стали и разности
136
Рис. 111.32. Датчик окислены ости жид-
кого металла и непрерывного контроля
температуры
логарифмов активностей (концентраций) свободного
кислорода в стали и элементе сравнения.
Одна из конструкций актинометра приведена на
рис. III.32. Твердый электролит в форме наконечника 7
из ZrO2 расположен внутри кварцевого защитного чех-
ла 3. Электрод сравнения 9 — железоуглеродистый сплав
(чугун) с известной по-
стоянной концентрацией
кислорода О.р помещается
внутрь наконечника 7.
Графитовый стержень 8
служит в качестве токо-
съемника. В чехле 3 также
размещена термопара 6
непрерывного контроля
температуры жидкой ста-
ли, защищенная алундо-
вым наконечником 5 и за-
сыпкой 4 из глинозема.
Вся конструкция с по-
мощью асбестового уплот-
нения 2 крепится в водо-
охлаждаемой фурме 1.
При погружении уст-
ройства в ванну образует-
ся гальванический эле-
мент. графитовый элек-
трод/железоуглеродистый
сплав — Оср // твердый
электролит ZrO2//жидкий
скольку Оср — постоянная
электроде сравнения, то показания ИП будут опреде-
ляться значением концентрации кислорода в ванне [О]
и шкалу прибора можно проградуировать в величинах
концентрации (активности) кислорода в расплаве.
металл— [О] / фурма. По-
концентрация кислорода в
§ 6. Понятия о технических средствах автоматики
Логические элементы
Автоматическое управление в ряде случаев может быть
представлено как определенная последовательность обо-
снованных логических действий, приводящая к достиже-
нию поставленной цели Например, подача кислорода в
фурму кислородного конвертера разрешается только
тогда, когда корпус его находится в строго вертикальном
137
положений, фурма опущена в конвертер на заданную
глубину, а давление охлаждающей фурму воды не ниже
допустимого значения. Осуществить такое управление
возможно с использованием логических элементов.
Существует три основных типа логических операций:
логические отрицание (операция НЕ), умножение (опе-
рация И) и сложение (операция ИЛИ). Для осущест-
вления этих операций выпускаются соответствующие ло-
гические элементы (ЛЭ). ЛЭ могут быть и более слож-
ными, выполняющими операции И — НЕ ИЛИ — НЕ и
другие. ЛЭ являются устройствами дискретного дейст-
вия, оперирующими двумя сигналами 0 и 1. Эти сигналы
могут быть представлены двумя уровнями потенциалов,
а также наличием или отсутствием импульса.
Элемент НЕ реализует операцию логического отри-
цания у=х, где х — входной сигнал; у — выходной. Вы-
ходной сигнал «отрицает» входной, т. е. если входной
сигнал 1, то выходной 0 и наоборот (рис. Ш.ЗЗ,а). Ло-
гический элемент И реализует операцию логического
Рис. [11.33. Условное обозначение и порядок работы ло-
гических элементов НЕ (а), И (б) и ИЛИ (в)
умножения двух или более сигналов y—xix?. Выходной
сигнал будет равен 1 только тогда, когда все входные
сигналы равны 1 (рис. 111.33,6). Логический элемент
ИЛИ реализует операцию логического сложения у=
=Х1 + х2. Выходной сигнал равен 1, если хотя бы один
из входных сигналов равен 1 (рис. Ш.ЗЗ,в).
Современные ЛЭ создаются на элементной базе эле-
ктронных интегральных микросхем. Небольшие размеры,
высокая надежность позволяют размещать в одном
138
корпусе несколько простых или комбинированных ЛЭ и
создавать сложные функциональные системы из ограни-
ченного числа элементов.
На рис. III.34 при-
ведена схема, которая
позволяет получать си-
гнал на выходе только
тогда, когда состояние
обоих входов одинако-
во. На этом рисунке
показано действие схе-
мы при отсутствии сиг-
налов на обоих вхо-
дах, действие схемы при
Рис. 111.34. Пример схемы логической
операции
трех остальных возможных
комбинациях состояния входов легко проследить само-
стоятельно, пользуясь рис. III.34.
Промышленные комплексы средств автоматического
регулирования
Для создания локальных систем автоматического ре-
гулирования и управления, а также для их связи с ЭВМ,
в структуре АСУ ТП разработаны и выпускаются про-
мышленностью ряд комплексов, построенных в основном
по агрегатному принципу. Рассмотрим некоторые из них.
Система управления с переменной структурой
(СУПС) является частью комплексных технических
средств (КТС) локально-информационных управляющих
систем (ЛИУС) Государственной системы приборов.
(ГСП). В состав СУПС входят средства преобразова-
ния, хранения и передачи информации, средства пред-
ставления информации и обмена ее с управляющим вы-
числительным комплексом (УВК), средства формирова-
ния законов регулирования и др.
Система «Каскад» реализует все функции локальных
и комплексных систем регулирования, включает набор
измерительных модулей и регулирующие средства не-
прерывного и дискретного действия. Универсальная си-
стема элементов промышленной пневмоавтоматики
(УСЭППА) построена по элементному принципу, т. е.
любое устройство пневмоавтоматики изготавливается
из отдельных унифицированных простейших элементов
(сопротивлений, емкостей, усилителей, переключателей и
т. д.). В системе УСЭППА реализуется все типы авто-
матических регуляторов, а также устройства оператив-
13»
ного управления, устройства статического преобразова-
ния (алгебраическое суммирование, извлечение корня и
т. д.), логические устройства и т. д.
Более подробно рассмотрим агрегатный комплекс
электрических средств регулирования (АКЭСР), широ-
ко применяемый в металлургии. АКЭСР включает регу-
лирующие и функциональные устройства, необходимые
для преобразования, хранения и распределения инфор-
мации, получаемой от объекта управления, и для фор-
мирования управляющих воздействий в виде аналоговых,
импульсных и позиционных сигналов, воздействующих
на исполнительные механизмы. Регулирующие блоки
разных видов формируют пропорциональный, пропор-
ционально-интегральный, пропорционально-дифферен-
циальный, пропорционально-интегрально-дифференци-
альный и позиционные законы регулирования.
В состав АКЭСР входят:
1) устройства ввода — вывода информации: блоки
KOHivKTHBiioi о разделения БКР;
2) функциональные устройства: блок вычислитель-
ных операций БВО; блок нелинейных преобразований
БНП; блок сигнализации БСГ; блок динамических пре-
образований БДП и др.;
Рис. 111.35. Структурная схема системы регулирования из типовых блоков
АКЭСР
От УВМ
Рис. III.36. Структурная схема системы регулирования соотношения топливо-
воздух на блоках АКЭСР
140
3) регулирующие блоки: импульсные РЕИ и анало-
говые РБА;
4) блоки адаптивного управления: блоки ручного
управления БРУ; ручной задатчик РЗД.
Принцип построения системы регулирования из типо-
вых блоков АКЭСР показан на рис. 111.35. Объект авто-
матического регулирования 1 оснащен датчиком 2,
сигнал с которого поступает в блок распределения и
конд\ ктивного разделения сигналов 3. С этого блока сиг-
налы поступают в функциональные блоки: вычислитель-
ный блок 4, блок нелинейных преобразований 5, блок
динамических преобразований 6, блок логических опера-
ций 7. Соответствующим образом подготовленная инфор-
мация поступает в регулирующий блок 8, формирующий
закон регулирования. В реальных системах блоки 4—7
могут отсутствовать частично или полностью; в после-
днем случае с блока 3 сигнал может непосредственно
поступать в блок 8. Корректирующие сигналы от УВЛ1
или других систем могут поступать через блок 3 или
непосредственно в блок 8, в который подается сигнал
и от ручного задатчика 9.
Выходные сигналы блока 8 могут быть получены в
виде постоянного тока I (0—5 мА) либо постоянного
напряжения U (±10 или ±24 В) и подаются на блок
управления 10, в котором осуществляется переход от
ручного управления к автоматическому, дистанционное
управление исполнительным механизмом 13, перемеща-
ющим регулирующий орган 14. Выходные сигналы бло-
ка 10 усиливаются по мощности усилителем 12, выход
которого может быть релейным (Р) или аналоговым
(А). Блок индикации 11 показывает состояние системы
(отклонение регулируемой величины от заданного зна-
чения и характер выходного сигнала блока 8 («боль-
ше», «меньше»).
Примером использования АКЭСР может служить
система регулирования соотношения топливо — воздух
(см. рис. 1.23), структурная схема которой показана на
рис. III.36. Сужающее устройство 1 в газопроводе в
комплекте с датчиком-дифманометром 2 измеряет ра-
сход газа. Расход воздуха измеряется с помощью су-
жающего устройства <3 и датчика 4. Сигналы от датчи-
ков через блоки кондуктивного разделения БКР посту-
пают в систему регулирования на регулирующий блок
РБИ 5 непосредственно или через блок вычислительных
операций БВО 6. В блоке 6 осуществляется умножение
141
сигнала на заданный коэффициент расхода воздуха,
устанавливаемый ручным задатчиком РЗД 7 через
управляющий блок БРУ 8. Регулирующий блок 5 фор-
мирует ПИ-, ПД- или ПИД-законы регулирования и
через блок БРУ управляет исполнительным механизмом
9, перемещающим регулирующий орган 10. Информация
о расходах газа и воздуха может вводиться в УВМ че-
рез блоки БКР. Рассчитанное УВМ заданное значение
коэффициента расхода воздуха вводится в блок 6 через
блоки БРУ. Предусмотрена регистрация расходов при-
борами 11 и 12.
Микропроцессорные средства автоматического
контроля и регулирования
Достижения электроники, связанные с появлением
микропроцессоров на больших интегральных схемах,
позволили создать новый класс технических средств
автоматического контроля и регулирования. Микропро-
цессорные измерительные приборы позволяют произво-
дить первичную обработку получаемой от датчиков ин-
формации (запоминание, хранение, сглаживание и т. д.)
и представлять ее в любой удобной, в том числе и
цифровой, форме. Микропроцессорные регулирующие
устройства носят название микропроцессорных контрол-
леров. Выпускаются регулирующие микропроцессорные
контроллеры (ремиконты), диалоговые микропроцессор-
ные контроллеры (димиконты), позволяющие работать
оператору в диалоговом режиме, логические микропро-
цессорные контроллеры (ломиконты), позволяющие осу-
ществлять и ряд логических операций управления и др.
Микропроцессорные средства — это наиболее совре-
менная регулирующая техника, которая в ближайшем
будущем вытеснит другие управляющие устройства в
большинстве систем управления. Примером таких уст-
ройств может служить ремиконт Р-100, который пред-
ставляет собой программируемое устройство с компью-
терной организационной структурой, предназначенное
для управления достаточно сложными технологическими
процессами. Функциональные элементы ремиконта осу-
ществляют сбор, преобразование и хранение информа-
ции, получаемой от объекта регулирования и других
систем управления, формирование управляющих воз-
действий и связь с оператором-технологом. Программные
средства ремиконта составляются при его разработке и
142
вводятся в неразрушающуюся память. При эксплуата-
ции оператор выбирает некоторые из многих заранее
составленных программ.
Ремиконт Р-100 имеет большое число входных и вы-
ходных каналов и достаточно широкий ресурс алгорит-
мов, что позволяет осуществлять многоканальное, ка-
скадное и программное регулирование, а также управ-
ление с переменной структурой. Ремиконт ориентирован
в основном на автоматизацию непрерывных технологи-
ческих процессов металлургического производства, но
может быть использован для решения несложных за-
дач дискретного управления.
Ремиконт состоит из трех основных частей: устрой-
ства связи с объектом (УСО), микропроцессорного вы-
числителя и устройства связи с оператором. Информация
в ремиконт Р-100 может поступать как в аналоговой,
так и в дискретной форме.
Библиотека алгоритмов ремиконта Р-100 насчиты-
вает 25 наиболее употребляемых в практике автоматиче-
ского управления алгоритмов, включая динамические
преобразования, математические функции, управляю-
щую логику, П-, ПИ-, ПД-, ПИД-аналоговое и импуль-
сное регулирование и др.
Основные данные ремиконта Р-100
Число аналоговых входов............................До 64
Число дискретных входов............................До 126
Число аналоговых выходов...........................До 64
Число дискретных выходов...........................До 126
Число импульсных выходов для управления исполнитель-
ными механизмами................................ До 64
Число алгоритмических блоков.......................До 64
Число алгоритмов управления........................25
Число функций управления...........................40
Входные — выходные аналоговые сигналы .... 0—5;
0—20;
4—20 мВ
Входные дискретные сигналы .... 0—10 В
Логический нуль....................................0—3 В
Логическая единица.................................18—30 В
Вопросы для самопроверки
1. Какие функции выполняют первичные преобразо-
ватели?
2. Какова роль обратной связи в формировании вы-
ходного сигнала?
143
3. В чем заключается принцип электросиловой ком-
пенсации в преобразователе?
4. В чем состоит принцип действия тензометриче-
ских преобразователей?
5. В чем состоит принцип дистанционной передачи
сигналов?
6. В чем заключается метод переменного перепада
измерения расхода газов и жидкостей?
7. Что такое тензометрические весоизмерительные
устройства?
8. В чем заключается принцип действия термомет-
ров сопротивления?
9. На каком физическом эффекте основан принцип
действия термопары?
10. Какие существуют методы контактного и бес-
контактного измерения температуры?
11. Что такое пирометры частичного и полного из-
лучения?
12. В чем заключается определение содержания угле-
рода в жидкой стали по температуре «ликвидус»?
13. В чем заключается принцип действия твердо-
электролитных элементов для определения окисленнос-
ти расплавленных металлов?
14. В чем состоит принцип действия термокондук-
тометрических газоанализаторов?
15. В чем заключается принцип действия индикатора
ТЕФЛОКС?
16. В чем состоит агрегатный принцип построения
систем автоматики?
17. В чем заключаются преимущества микропроцес-
сорных средств автоматического регулирования?
Глава IV
АВТОМАТИЗАЦИЯ СПЕКАНИЯ
И ОКОМКОВАНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД
§ 1. Особенности процессов агломерации
и окомкования как объектов управления
Эффективность выплавки чугуна в доменной печи во
многом зависит от содержания железа в рудной части
шихты, от величины и прочности кусков сырых мате-
144
риалов, загружаемых в печь. Подготовка руды к плавке
заключается в ее сортировке, обогащении (повышении
концентрации железа) на обогатительных фабриках,
усреднении материалов и агломерации пылеватых руд
и концентратов, полученных в результате обогащения.
Агломерация — это спекание смеси пылеватых руд,
концентратов и измельченного топлива (коксика) в
прочные и пористые куски — агломерат. На агломера-
ционной фабрике шихту, состоящую из рудной части,
флюса, возврата (мелкой фракции агломерата) и кок-
сика, загружают на конвейерную агломерационную ма-
шину (аглоленту), зажигают сверху и спекают, проса-
сывая воздух через слой спекаемых материалов.
В процессе агломерации из руд удаляются примеси
серы и некоторых других элементов. При производстве
офлюсованного агломерата происходит ошлакование
пустой породы. Применение агломерата в доменных пе-
чах способствует улучшению качества чугуна, повыше-
нию производительности печей и снижению расхода
кокса.
Качественная подготовка аглошихты к спеканию яв-
ляется одним из важнейших факторов, определяющих
эффективность агломерационного, а следовательно, и
доменного производства. Подготовка шихты заключается
в обеспечении рациональных значений ее химического,
гранулометрического составов и влажности.
Конечной задачей процессов подготовки шихты явля-
ется обеспечение высокого качества агломерата и мак-
симальной производительности агломашин.
Производственные операции, осуществляемые на агло-
фабрике, и кчюстрирует схема аглофабрики (рис. IV.1).
В производственный участок аглофабрики входит по-
точно-транспортная система, выполняющая самостоя-
тельные функции. С помощью согласованно работающе-
го комплекса механизмов и аппаратов на участке осуще-
ствляется складирование, транспортировка, дозирование,
смешение компонентов, увлажнение и загрузка шихты на
агломашину. В комплекс входят дробилки для измель-
чения топлива и известняка, загрузочные, разгрузочные,
дозирующие, взвешивающие, смесительные и увлажняю-
щие устройства.
Шихта с рудного двора поступает в приемные бун-
кера 1, откуда в определенном соотношении по тран-
спортерным конвейерам 2 и 4 она подается в первичный
смеситель-окомкователь 5, где происходит ее смешива-
145
„чие, увлажнение и окомкование. Из бункера 3 в сме-
ситель поступает возврат. Мелкие увлажненные частицы
шихты при перемешивании укрупняются, образуя комоч-
ки; шихта становится зернистой и рыхлой, что повышает
ее газопроницаемость. Усредненная шихта из смесите-
ля загружается в бункер 6 и транспортером 7 в опреде-
ленном соотношении с коксиком, поступающим из бун-
кера 8, подается во вторичный смеситель-окомкова-
гель 9.
Дозирование осуществляется установлением необхо-
димых расходов компонентов шихты, выдаваемых на
Рис, IV.1. Технологическая схема аглофабрики
сборный транспортер 2 питателями 26 из соответствую-
щих бункеров. Для выдачи материалов из бункеров при-
меняют в основном тарельчатые и вибрационные пи-
татели.
Подготовленную шихту 15 из промежуточного буи
кера 13 равномерно и непрерывно подают системой за-
грузки на агломашину 17 и укладывают на бесконечную
движущуюся цепь колосниковых тележек (паллет),пред-
варительно поместив на них постель 16, которая посту-
пает из приемного 10 и промежуточного 12 бункеров
по транспортеру 11.
Зажигание слоя шихты, загруженной на аглоленту,
производится при прохождении слоя под зажигатель-
ным горном 14 в результате сгорания в нем жидкого
146
ил» газообразного топлива. По мере движения тележек
к хвостовой части машины горение коксика с верхнего
слоя распространяется в нижние слои; этому способст-
вует размещение под тележками вакуум-камер 22, в ко-
торых при помощи эксгаустера 25 создается разрежение
до 10000 Па.
Готовый агломерат сбрасывают в конце машины с
тележек, дробят с помощью дробилок 18, подвергают
отсеиванию на грохотах 19, охлаждают и отправляют
по транспортеру 20 в доменный цех. Неспекшуюся ме-
лочь (возврат) помещают в приемные бункера 21 и
возвращают для повторного спекания (в бункер 10) в
качестве добавки к шихте.
Продукты сгорания и воздух из вакуум-камер по кол-
лектору 23 поступают на очистку в циклоны 24 и уда-
ляются эксгаустером 25 через трубу 27.
Просасываемый через слой шихты воздух образует
зону горения высотой 15—35 мм с температурой 1400—
1600 °C, передвигающуюся вниз с вертикальной ско-
ростью спекания ц>с=0,15ч-0,7 мм/с. Спекаемая шихта
перемещается от головной к хвостовой части машины со
скоростью движения аглоленты шл=604-120 мм/с.
В таких условиях зона
горения приобретает фор-
му наклонного плоского
слоя (рис. IV.2). В зоне
длиной /3 происходит за-
жигание сырой шихты 1;
в зоне горения 2 осуще-
ствляется спекание шихты
на участке длиной /с; го-
товый агломерат 4 образу-
ется за зоной спекания.
На участке длиной /о аг-
ломерат охлаждается про-
сасываемым воздухом.
Сырая шихта и агломе-
рат размещаются на пос-
тели 3.
Продукты :гооа“ия воздух
рис. IV.2. Схема спекания шихты
на агломашине
В зоне охлаждения агломерат охлаждается до 400-s-
600 °C. Основные параметры агломерационного процесса
при установившемся режиме связаны соотношением
lclwn=h/wc=TC, (IV. 1)
где h — высота слоя шихты; тс — время спекания.
14 Т
Скорость движения юл поддерживается такой, чтобы
процесс спекания заканчивался на заданной длине спе-
кания 1с. Температура продуктов сгорания, выходящих
из колосников, составляет 60—70 °C и только при при-
ближении зоны горения к колосникам повышается в
районе последних вакуум-камер до 200—400 °C. В зоне
горения спекаемый материал сплавляется, образуя по-
ристый агломерат.
Основными показателями хода технологического
процесса агломерации (выходными величинами) явля-
ются производительность агломашины и качество агло-
мерата. Производительность агломашины измеряют в
тоннах годного агломерата, полученного за час работы.
Качество оценивают по химическому составу агломера-
та, прочности и восстановимости его. Косвенным обоб-
щенным показателем качества агломерата может слу-
жить отношение РеО/Ре2Оз в готовом продукте, одно-
значно связанное с технологическими свойствами
агломерата.
Процесс производства агломерата протекает в усло-
виях возмущающих воздействий: изменения химико-ми-
нералогического и зернового состава компонентов
спекаемой шихты, условий дозирования, транспортиро-
вания, смешения и увлажнения шихты, а также укладки
шихты на агломерационную машину. Для устранения
влияния возмущений на ход технологического процесса
используют следующие основные управляющие воздей-
ствия: соотношение (дозирование) компонентов спека-
емой шихты, содержание углерода (коксика) в шихте,
влажность шихты, скорость движения аглоленты, раз-
режение в вакуум-камерах и др.
Процесс снабжения агломашин шихтой состоит из
двух основных этапов (участков): а) транспортирование
шихты из шихтового отделения и загрузка ее в прием-
ные бункера; б) транспортирование шихты от приемных
бункеров к агломашинам и загрузка ее на аглоленты.
Главной задачей систем автоматического управления
на первом участке является обеспечение бесперебойного
снабжения спекательного отделения шихтой в количест-
ве, равном потреблению ее агломашинами, при одно-
временном обеспечении равномерного гранулометриче-
ского состава шихты. Выполнение этих условий исклю-
чает простои агломашин из-за отсутствия шихты и
аварийные ситуации при переполнении бункеров, а также
обеспечивает более ровный ход процесса спекания.
148
На втором участке автоматические системы загрузки
должны обеспечить сохранение структуры окомкованной
шихты при ее транспортировке и качественную укладку
шихты на аглоленту (равномерно и слоем заданной тол-
щины).
Системы автоматического согласования производи-
тельностей шихтового и спекательного отделений преду-
сматривают коррекцию заданий дозаторам компонентов
шихты по величине расхода шихты, потребляемой агло-
машинами. Системы загрузки предусматривают стаби-
тизацию уровня шихты в промежуточном бункере и
стабилизацию слоя шихты на аглоленте. При обеспече-
нии равенства между количеством подаваемой шихты
GM и расходом ее в спекательном отделении Gc средний
уровень шихты в приемных бункерах будет неизмен-
ным. Однако потребление шихты спекательным отделе-
нием является переменной во времени величиной и ра-
венство GM = GC восстанавливается изменением произ-
водительности шихтового отделения. При этом в связи с
большим транспортным запаздыванием обеспечить вы-
сокое качество управления затруднительно. Временные
несоответствия между GM и Gc приводят к колебаниям
уровня шихты в приемных бункерах спекательного от-
деления, что может привести к переполнению бункеров
или, наоборот, перебоям в снабжении шихтой агло-
машин.
В процессе подготовки агломерационная шихта для
обеспечения южной газопроницаемости увлажняется.
Заданная влажность и, следовательно, газопроницае-
мость обеспечивается путем регулирования расхода во-
ды, поступающей в смесительный барабан При изме-
нениях расхода шихты, исходной ее влажности, а также
при произвольных изменениях расхода воды влажность
шихты отклоняется от заданной, что приводит к нару-
шению сс окомкования, а это, в свою очередь, ведет к
снижению газопроницаемости и скорости спекания
шихты.
Качество зажигания шихты существенным образом
влияет на ход процесса спекания. При недостаточно ин-
тенсивном зажигании верхняя часть слоя может оказать-
ся неспекшейся. Чрезмерно же высокая температура в
горне и, следовательно, интенсивность зажигания при-
водит к оплавлению верхнего слоя агломерата, ухудше-
нию газопроницаемости и снижению скорости спекания.
Для каждых конкретных условий существует определен-
149
ное значение интенсивности зажигания, при котором до-
стигается высокая производительность агломашины и
удовлетворительное качество агломерата. Количество
тепла, вносимого в слой шихты при зажигании, зависит
от температуры продуктов сгорания, продолжительнос-
ти зажигания, расхода топлива на зажигание и др.
Весьма важным является выделение тепла за счет горе-
ния твердого топлива, содержащегося в самой шихте.
Определенные затруднения при автоматизации зажига-
ния шихты связаны с отсутствием точных методов и
средств контроля его эффективности. Кроме того, про-
цесс зажигания подвержен влиянию целого ряда возму-
щающих воздействий (изменения теплоты сгорания то-
плива зажигания, состава и свойств шихты, скорости
аглоленты и др.); значительное влияние оказывает ве-
личина разрежения под зажигаемым слоем.
Таким образом, результаты процесса зажигания опре-
деляются рядом факторов, которые в значительной сте-
пени взаимозависимы. В связи с этим в качестве основ-
ного показателя процесса зажигания часто применяют
расход тепла зажигания qT, приходящегося на единицу
поверхности слоя шихты. Расход топлива в горне опре-
деляется в данном случае выражением
VT=(qTbwB)l (r]QT), (IV.2>
где Кт — расход топлива на зажигание; b — ширина слоя
шихты; — скорость аглоленты; QT — удельная теп-
лота сгорания топлива; т] — тепловой к. п. д. зажига-
тельного горна.
Результаты агломерационного процесса во многом
зависят от управления процессом спекания. Сложность
процесса спекания как объекта автоматического управ-
ления определяется его зависимостью от большого числа
технологических факторов, таких как свойства шихты,
количество топлива, условия зажигания и т. д.
Управление процессом спекания заключается в ста-
билизации его законченности в определенной точке по
длине аглоленты и в подборе входных параметров с
целью обеспечения максимальной производительности и
высокого качества агломерата. Для оценки и контроля
хода процесса спекания используются такие показате-
ли, как температура и состав отходящих газов, освещен-
ность в вакуум-камерах, магнитная проницаемость слоя
и др.
Законченность процесса спекания может нарушаться
150
в результате изменений состава шихты, ее влажности,
степени уплотнения, высоты слоя шихты и скорости дви-
жения аглоленты. Все указанные возмущения в конеч-
ном итоге проявляются через изменение скорости спека-
ния шихты, которая, таким образом, является возмущаю-
щим воздействием для системы управления закончен-
ностью спекания.
В качестве показателей законченности спекания ших-
ты обычно используются температурные показатели про-
цесса: температура в одной из последних вакуум-камер,
разность или сумма температур в разных вакуум-каме-
рах, температура в общем газовом коллекторе. Приме-
нение микропроцессорной техники позволяет использо-
вать некоторые комплексные показатели.
Наиболее распространенным управляющим воздейст-
вием в системе автоматического управления процессом
спекания является изменение скорости аглоленты. Для
обеспечения окончания процесса спекания в одном и
том же месте по длине аглоленты скорость аглоленты
№л должна постоянно соответствовать скорости спекания
шихты wc-
wn=(llhc)wc, (IV.3)
где I — расстояние от места зажигания до точки измере-
ния; hc — заданная величина спеченного слоя в точке
измерения.
Обычно добиваются окончания процесса спекания в
конце аглоленты, т. е. при l/hc = ln/H (где /л— рабочая
длина ленты; Н — высота слоя шихты). При этом ско-
рость аглоленты должна составлять
дал-(/л/Я)№с. (IV.4)
Для реализации указанного соотношения необходимо
контролировать скорость спекания шихты. Одним из по-
казателей скорости спекания может служить расход воз-
духа, просасываемого через спекаемый слой.
Обеспечение высоких показателей агломерационного
процесса может быть достигнуто путем его оптимиза-
ции, что предполагает выполнение качественного метал-
лургического расчета аглошихты, обеспечение необходи-
мого усреднения материалов, поступающих в шихтовое
отделение, повышение точности дозирования компонен-
тов. Весьма перспективными в этой связи являются раз-
работки и применение средств контроля химического
состава компонентов. К оптимизации процесса относится
151
также выбор наиболее рациональных режимов окомко-
вания шихты, зажигания и спекания ее. В ходе процесса
спекания оптимизирующие воздействия обычно направ-
лены на изменение содержания углерода в шихте, влаж-
ности шихты и высоты спекаемого слоя. Непременным
условием обеспечения автоматической оптимизации про-
цесса является наличие на отдельных его участках авто-
матических систем стабилизации основных парамет-
ров.
Наряду с агломерацией окускование железорудных
материалов производится окатыванием Этот способ
переработки тонкоизмельченных концентратов заключа-
ется в окатывании концентрата в смеси со связующими
добавками в шарики диаметром 5—25 мм с последую-
щим упрочнением высокотемпературным обжигом. Про-
цесс производства окатышей состоит из двух стадий:
получения сырых окатышей в результате окомкования
железорудного концентрата с добавкой 4—6% извести
для получения необходимой основности и 0,5—1% бен-
тонита (связующей добавки) для придания окатышам
необходимой прочности в барабанных или чашевых
окомкователях и последующего обжига их на конвейер-
ных машинах или в трубчатых вращающихся печах.
Окатыши представляют собой плотные хорошо спе-
ченные гранулы диаметром 5—25 мм, которые облачают
рядом преимуществ перед бесформенными кусками
агломерата: более высокой прочностью столба шихтовых
материалов в доменной печи и меньшим выносом колош-
никовой пыли.
Конвейерная машина для обжига окатышей подобна
агломерационной, но отличается тем, что горн прости-
рается почти на всю длину ленты. Окатыши обжигают-
ся при температуре 1350—1500°С за счет тепла проса-
сываемых через слой продуктов сгорания, получаемых
при сжигании газообразного или жидкого топлива в гор-
не. По длине машины различают зоны: сушки, подогре-
ва, обжига и охлаждения. В зону охлаждения, располо-
женную за горном по ходу движущейся ленты,
нагнетается воздух, который проходит через слой охлаж-
дающихся окатышей, нагревается до 200—300 °C и
подается в зоны подогрева и обжига для сжигания то-
плива. Готовый продукт поступает в бункер-охладитель,,
где охлаждается вентиляторным воздухом.
§ 2. Методы автоматического контроля
технологических процессов на аглофабрике
Разработка и внедрение любых по сложности систем
автоматического управления не мыслимы без надежных
средств измерения.
Контроль температуры, измерение давления и расхо-
дов газа, жидкости, сыпучих материалов, а также другие
аналогичные измерения на аглофабрике обычно выпол-
няются с помощью типовых средств измерения. Рас-
смотрим некоторые специфические методы контроля па-
раметров агломерационного процесса.
Одним из важных технологических параметорв агло-
мерационного процесса являются химический состав и
физические свойства исходных компонентов шихты и
готового агломерата. На большинстве фабрик операции
отбора, разделки и доставки проб в химическую лабора-
торию и сам экспресс-анализ производится вручную, с
большой затратой времени. Информация о результатах
анализа поступает к агломератчику с опозданием, не
позволяющим предпринять оперативное воздействие на
процесс. Чтобы ускорить передачу информации, приме-
няют телетайпные аппараты с цифропечатающими уст-
ройствами, а для автоматического контроля в потоке —
рентгеноспектральный метод анализа.
icTpoiicTBa, применяемые для контроля количества
материала в бункерах, выполняют двойную функцию;
как датчики наличия материала и как измерители уров-
ня (уровнемеры). Информация об уровне шихты исполь-
зуется преимущественно в системах автоматического ве-
сового дозирования.
Контроль уровня шихты в бункерах осуществляется
обычно электродными датчиками, принцип работы кото-
рых основан на изменении электрического сопротивления
(или емкости) между электродами и шихтой при изме-
нении ее уровня. Па рис. IV.3,a приведена схема авто-
матического дискретного контроля уровня шихты в про-
межуточном бункере агломашины. Индикация уровня
осуществляется в четырех точках по высоте бункера с
помощью стержней-электродов 1—4 различной длины.
Электроды изолированы друг от друга и последователь-
но с ними включены реле К1—К4, срабатывающие, ког-
да уровень шихты достигнет стержня-электрода. При
этом загорается соответству ющая индикаторная лам-
почка.
153
Для непрерывного контроля уровня шихты применя-
ют датчик, в основу работы которого положен электро-
магнитный принцип. В защитном чехле 1 из нержавею-
щей стали (рис. IV.3,6) расположен сердечник 2 линей-
ного трансформатора. Длина ферромагнитного сердеч-
ника соответствует диапазону измерения уровня. На
Рис, 1V.3. Схема уровнемеров дискретного (а) и непрерывного (б)
действия
сердечнике размещены первичная 3 и вторичная 4 обмот-
ки. На первичную обмотку подается напряжение пита-
ния переменного тока, во вторичной наводится э.д.с. вза-
имоиндуктивности. При отсутствии шихты в бункере
величина взаимоиндуктивности мала и начальное на-
пряжение на вторичной обмотке невелико. По мере за-
полнения бункера изменяется магнитное сопротивление
пространства вокруг датчика, возрастают взаимоиндук-
тивность и напряжение на вторичной обмотке. Это на-
пряжение преобразуется с помощью устройства 5 в по-
стоянное и поступает на измерительный прибор 6, шка-
ла которого градуируется в единицах уровня.
Положение уровня материалов в бункерах контроли-
руют также с помощью радиоизотопных датчиков, прин-
цип работы которых основан на поглощении у-лучей
при их прохождении через слой материала. Интенсив-
ность поглощения у-излучения веществом выражается
зависимостью
Д=7оехр(—рЗ), (IV.5)
где Jo — начальная интенсивность; р — коэффициент ос-
лабления излучения, зависящий от природы вещества;
S — толщина слоя.
154
При постоянных значениях 10 и ц интенсивность /х
определяется толщиной слоя.
На рис. IV.4 показана схема радиоизотопного уров-
немера. Излучатели 1 и счетчики 2 устанавливаются с
противоположных сторон бункера. Ионизационный ток
через электронный блок 3 поступает на измерительный
прибор 4. Интенсивность облучения блока счетчиков 2
Рис. IV.4. Схема радиоизотопного уровнемера
Рис. JV.5. Схема датчиков высоты откоса шихты
и, следовательно, величина ионизационного тока зависит
от уровня шихты. Чем выше уровень, тем меньше иони-
зационный ток. Измерительный прибор может быть про-
градуирован в единицах уровня.
Для контроля высоты откоса шихты на загрузочном
лотке агломашины применяют датчик, схема которого
приведена на рис. IV.5. Датчик включает в себя рычаг
2 из изолирующего материала, на котором укреплен
щуп 1 в виде контактной металлической пластины. Ры-
чаг соединен с валом двигателя 3. Электронный преоб-
разователь содержит мостовую измерительную схему,
составленную из резисторов R1—R3, и электронный уси-
литель 4. При изменении высоты откоса h шихты меня-
ется степень погружения в шихту измерительного щупа
1 и, следовательно, сопротивление перехода электрод—
шихта Rx. Это сопротивление включено в одно из плеч
измерительного моста и при изменении его величины на
выходе моста появляется сигнал, подавляемый после
усиления на электродвигатель. Электродвигатель пово-
рачивает рычаг 2 в таком направлении, чтобы привести
к балансу измерительную схему моста, т. е. до получе-
ния на выходе моста нулевого сигнала, что имеет место,
когда щуп находится на поверхности шихты. Сигнал,
пропорциональный высоте откоса шихты, снимается со
встроенного в электродвигатель специального преобра-
155
зователя и поступает на измерительный прибор, шкала
которого градуирована в миллиметрах высоты откоса.
Контроль увлажнения аглошихты основывается на
непосредственном измерении влажности и контроле кос-
венных параметров, определяющих качество шихты при
ее увлажнении. В системах автоматического контроля
увлажнения шихты получили распространения нейтрон-
ный и электрический методы.
Нейтронный метод основан на измерении замедления
быстрых нейтронов атомами водорода. Если облучать
влажный материал быстрыми нейтронами и сосчитать
количество медленных нейтронов, полученных в резуль-
тате рассеяния нейтронного потока в материале, можно
определить количество атомов водорода и косвенно-вла-
госодержаннс материала. Чем больше количество мед-
ленных нейтронов, тем выше влагосодерж.чние. Для по-
лучения быстрых нейтронов во влагомерах используют
плутоний-бериллиевый источник 3, представляющий со-
бой запаянную в металлическую гильзу 2 (рис. IV.6)
смесь порошков плутония и бериллия. Источник отде-
ляется от у-счетчиков 5 свинцовой перегородкой 4. Дат-
чик с помощью трубы 6 вводится в объект измерения 1
(шихту). Импульсы от счетчиков по кабелю 7 передают-
ся на радиометр 8, а с него в виде напряжения на из-
мерительный прибор 9.
Кондуктометрический метод измерения влажности ос-
нован на зависимости электрического сопротивления Rx
увлажненного материала от количества в нем влаги МД
156
R*=klWn, (IV.6)
где k и n — постоянные, зависяшче от структуры и при-
роды материала.
Датчик влагомера представляет собой два электрода,
конструктивно выполненных в форме плоских пластин
или цилиндрических трубок. Сопротивление Rx между
электродами, введенными в материал, изменяется с из-
менением влажности материала и контролируется изме-
рительными мостами, шкалы которых градуируются в
единицах влажности.
Методы контроля законченности процесса спекания
довольно различны: по разности температур отходящих
газов в двух последних вакуум-камерах; по освещен-
ности в последней вакуум-камере; по разнице в величи-
нах поглощения у-излучения сырой шихтой и готовым
агломератом соответственно в головной и хвостовой час-
тях агломашины; по концентрации СОг в отходящих га-
зах; по магнитному сопротивлению шихты и агломерата.
Остановимся на последнем методе. Индукционный
датчик (рис. IV.7) представляет собой два П-образных
магнитопровода 1, разомкнутые концы которых имеют
контакт с поверхностью агломерационного пирога. Вслед-
ствие различной магнитной проницаемости спеченного 2
и неспеченного 3 слоев пирога, а также наличия между
ними немагнитной прослойки (зона горения топлива),
сопротивление магнитопроводов изменяется в соответст-
вии с ростом толщины спекающейся части шихты по дли-
не аглоленты. Магнитопроводы расположены в головной
(после зажигательного горна) и хвостовой частях аглома-
шины и включены в мостову ю измерительную схему (ре-
зисторы R1 и R2). С увеличением то ццины слоя агломе-
рата увеличивается его магнитная проницаемость, рост
которой изменяет соотношение индуктивностей L1 и L2
в катушках 4 и 5, что приводит к разбалансу мостовой
схемы и на ее выходе появляется сигнал Ди, пропорцио-
нальный толщине спеченного слоя. После усиления в
устройстве 6 сигнал поступает на измерительный прибор
7, шкала которого проградуирована в сантиметрах вы-
соты слоя спеченного агломерата.
§ 3. Локальные системы автоматического
регулирования агломерационного процесса
Агломерационный процесс можно подразделить на сле-
дующие операции (участки): поточно-транспортные опе-
рации; весовое дозирование компонентов шихты;
увлажнение и окомкование шихты; загрузка шихты на
зглоленту; зажигание шихты; спекание шихты. В соот-
ветствии с этими участками строятся локальные систе-
мы автоматического регулирования и управления.
Поточно-транспортные операции
Рис. /V. 8. Структурная схема автома-
тического управления поточно тран-
спортными операциями
Основной задачей участка транспортирования и загруз-
ки шихтовых материалов является бесперебойное снаб-
жение отделения спекания шихтой в количестве, равном
потреблению ее агломашинами.
Система автоматического регулирования конвейерно-
го тракта и загрузки материалов состоит из отдельных
функциональных блоков (рис. IV.8): блока запусков ме-
ханизмов 2; датчиков
уровня материалов (ниж-
него ДНУ и верхнего
ДВУ) в бункерах и поло-
жения загрузочного агре-
гата ДПА 1; блока логи-
ческого управления 3;
блока управления меха-
низмами транспортиров-
ки 4 и блока управления
движением загрузочных
механизмов 5.
В качестве блока ло-
гического управления мо-
жет использоваться регулирующий микроконтроллер (ре-
миконт) или микро-ЭВМ. Ремиконт на основе поступаю-
щей в него информации от блоков 1,4 и 5 и в соответствии
с заданной программой управления выполняет следую-
щие функции, прием и обработку информации о поло-
жении механизмов трактов подачи материалов и наличия
материалов в бункерах; решение логических задач по вы-
бору бункеров для загрузки, направления движения
загрузочных агрегатов и последовательности запуска
механизмов; автоматический пуск механизмов трактов;
заполнение соответствующих бункеров и программное
158
перемещение загрузочного агрегата к незаполненным
бункерам; автоматическую остановку работающих ме-
ханизмов в заданной последовательности и возвращение
их в исходное положение после окончания загрузки; вы-
дачу информации персоналу о состоянии механизмов
конвейерного тракта и наличии материалов в емкостях
(информация выдается на цифровое табло, дисплей или
цифровое печатающее устройство ЦПУ).
Дозирование компонентов шихты
Подготовка шихты — одна из важнейших операций по-
лучения качественного агломерата. Наиболее постоян-
ный состав шихты достигается при дозировании-
компонентов по массе. Поэтому основной задачей авто-
матизации шихтовых отделений является точное автома-
тическое весовое дозирование и поддержание заданного^
постоянного соотношения компонентов шихты в соответ-
ствии с расчетом шихты. Измерение расхода компонен-
тов осуществляется весоизмерительными устройствам»
(см. гл. III), а дозирование по массе — тарельчатыми,
барабанными или вибрационными питателями, произво-
дительность которых меняется путем изменения сечения
потока шихты, регулированием частоты вращения таре-
ли (для тарельчатых питателей), изменением угла на-
клона или амплитуды и частоты колебаний лотка (для
вибрационных питателей).
Применяются два типа систем автоматического дози-
рования: системы, в которых задается расход каждого-
компонента; следящие системы, в которых задается со-
отношение расхода «ведомого» и «ведущего» компонен-
тов. Так, если в шихту дозируются концентрат с массо-
вым расходом GK, руда Gp, известняк Gu, топливо GT и
возврат GB, то расход каждого компонента определяется
соотношениями:
Ск=£кСш; Gp=^pGm; GH=&ИСШ;
GT = ftTGm; Св = ^вОш, (IV.7)
где Gm — общий расход шихты; kK, kv, kiU /гт, kB — соот-
ветствующие коэффициенты пропорциональности (соот-
ношения).
Приняв во внимание, что Gm = GK+ Gp+ Gu+ GT+ GB,.
получим
(IV .8)
15»
Возврат
Известняк
Рудный концентра, 7
Put. IV.9. Схема весового дозирования
«60
На рис. IV.9 приведены типовые схемы весового до-
зирования. В системе, показанной на рис. IV.9,a, расход
компонентов, посыпающих из бункеров I, контролиру-
ется датчиками 1а, 2а и За, установленными на транспор-
терах III, и измерительными приборами 16, 26 и 36.
Сигналы с приборов, пропорциональные расходам соот-
ветствующих компонентов, поступают на регуляторы
расхода 1г, 2г и Зг. Заданное (расчетное) значение рас-
хода каждого компонента поступает с задатчиков 1в,
2в и Зв. При отклонении текущего значения расхода от
заданного, регуляторы вырабатывают управляющее воз-
действие и исполнительные механизмы 1д,2диЗд через
вибропитатели II приводят расход в соответствие с за-
данием. В рассматриваемой системе необходимое соот-
ношение между компонентами, поступающими на сбор-
ный транспортер IV, устанавливается с помощью задат-
чиков. Это значит, что в случае необходимости изменить
расход одного из компонентов для обеспечения постоян-
ства соотношения всех компонентов следует изменить
положения задатчиков и остальных компонентов.
В системе, показанной на рис. IV.9,6, регуляторы
1г, 2г и Зг, воздействующие через исполнительные меха-
низмы 1д, 2д и Зд на тарельчатые питатели //, снабже-
ны задатчиком 1в, 2в и Зв, изменяя положение которых
вручну ю, можно задавать необходимые расходы компо-
нентов. Система позволяет также управлять расходом
«ведомых» компонентов (возврат и известняк) по задан-
ному отношению к «ведущему» компоненту (рудный
концентрат). Выходной сигнал весоизмерителя «ведуще-
го» компонента (сигнал снимается с датчика За и при-
бора 36, умноженный в задатчиках соотношения 1е и
2е на заданный коэффициент соотношения между «веду-
щим» и каждым из «ведомых» компонентов k,, сравни-
вается с сигналом весоизмерителя «ведомого» компонен-
та и разность этих сигналов является выходным сигналом
для регулятора расхода «ведомого» компонента. При
этом задатчики 1в и 2в с помощью переключателей вы-
бора режима работы SB1 и SB2 отключаются от регу-
ляторов 1г и 2г, а в систему подключаются (переключа-
телем SB3) задатчики соотношения 1е и 2е.
Увлажнение шихты
В ходе агломерационного процесса заданная влажность
шихты стабилизируется путем регулирования расхода
воды, поступающей в смесительный барабан. Влажность
6. 15.
161
шихты, поступающей из барабана I (рис. IV. 10) в про-
межуточный бункер IV, измеряется радиоизотопным!
влагомером. Излучение от источника III, пройдя через
течку барабана, воспринимается счетчиком 1а и преоб-
разуется в устройстве 16 в электрический сигнал. Изме-
рительный прибор 1в регистрирует этот сигнал и в свога-
очередь, посылает его на регулятор влажности 1д. Пр»
Рис. 1V.I0. Схема автоматического регулирования влажносп
шихты
отклонении текущего значения влажности от заданного
с помощью задатчика 1г регулятор вырабатывает уп-
равляющее воздействие и через исполнительный меха-
низм 1е изменяет положение регулирующего клапана.
1ж. Расход воды на душирующее устройство II изменя-
ется до тех пор, пока текущее значение влажности не
сравняется с заданным.
Возможно также регулирование влажности путем под-
держания определенного соотношения расход шихты —
расход воды с коррекцией этого соотношения по дейст-
вительной влажности шихты, измеряемой одним из пе-
речисленных выше способов или по некоторым косвен-
ным параметрам, определяющим газопроницаемость
шихты.
Высота слоя шихты на агломашине
Укладка шихты на аглоленту является последним эта-
пом ее транспортировки. Загрузка шихты на аглоленту
из промежуточного бункера обычно производится бара-
162
Рис. IV. И. Схема автоматического
регулирования высоты слоя шихты
банным питателем, производительность которого регули-
руется изменением скорости его вращения. С барабан-
ного питателя шихта поступает в загрузочный лоток
агломашины и затем укла-
дывается на колосники аг-
лоленты. Система автомати-
ческого регулирования вы-
соты слоя шихты обес-
печивает постоянную высоту
•слоя при изменении скорости
движения аглоленты.
Информацию о высоте
слоя шихты (рис. IV.11) по-
лучают от датчика высоты
•слоя шихты 1а. Сигнал дат-
чика поступает на измери-
тельный прибор /бис него
на регулятор 1г, где он срав-
нивается с сигналом задат-
чика 1в. В случае неравенства этих сигналов регулятор
с помощью двигателя 1д изменяет скорость вращения
барабанного питателя I промежуточного бункера II.
Зажигание шихты
В большинстве случаев системы автоматического регули-
рования процесса зажигания выполняются как системы
стабилизации температуры в горне зажигания. Для обе-
спечения устойчивого режима зажигания шихты систе-
ма дополняется схемой автоматического регулирования
соотношения топливо — воздух. Вместе с тем может
быть применена и более сложная система, учитывающая
и скорость аглоленты. Схема такой системы приведена
на рис. IV.12. Основной контур регулирования включает
датчик скорости аглоленты 1а, датчик расхода газа 4а*
с измерительным прибором 46, регулятор соотношения
скорость аглоленты — расход газа 16, задатчик соотно-
шения 1в (буква F в регуляторе 16 и задатчике 1в озна-
чает «соотношение») и исполнительный механизм 1г с
регулирующим клапаном 1д. Этот контур изменяет ра-
сход газа на горн в зависимости от скорости движения
аглоленты. Задатчиком 1в изменяют соотношение меж-
* На рис. IV. 12 и далее принято упрощенное изображение, при
•котором сужающее устройство и датчик расхода (дифманометр)
объединены в один прибоо. обозначенный FE.
.6*
163
ду скоростью аглоленты и расходом газа при изменении
влажности и химического состава шихты.
Контур автоматического регулирования соотношения
топливо — воздух включает датчики расхода газа 4а и
воздуха За с измерительными приборами 46 и 36, регуля-
тор соотношения 4г, задатчик соотношения 4в и испол-
нительный механизм 4д с регулирующим клапаном 4е.
Этот контур поддерживает заданное соотношение между
расходами газа и воздуха.
Рис. IV. 12. Схема автоматического регулирования процесса зажига-
ния шихты
Коррекция по температуре в горне вводится в сис-
тему соотношения топливо — воздух (в регулятор 4г) с
помощью пирометра 2а, вторичного измерительного при-
бора 26 и корректирующего регулятора температуры 2г.
При отклонении температуры в горне от заданной за-
датчиком 2в регулятор 2г выдает сигнал коррекции за-
дания регулятору 4г. который с помощью исполнитель-
ного механизма 4д и клапана 4е изменяет расход воз-
духа до устранения указанного отклонения.
При развитии средств управления в современных
условиях цетесообразно построение системы управле-
ния процессом зажигания с использованием микропро-
цессорных регулирующих устройств. В качестве примера
на рис. IV. 13 приведена схема системы автоматического
164
управления процессом зажигания, реализующая алго-
ритм (IV.2). Информация о текущих значениях скорости
аглоленты и расхода газа поступает в микропроцессор
МП от соответствующих датчиков 1а и 2а\ текущее зна-
чение расхода газа регистрируется прибором 26. Зна-
чения параметров Ь,
ir и т] вводятся в МП
вручную. Также вруч-
ную вводится значение
заданного удельного ра-
схода тепла <7з- Микро-
процессор в соответст-
вии с введенной в него
программой и на осно-
вании алгоритма (IV.2)
рассчитывает необхо-
димое (заданное) зна-
чение расхода газа VT
и сравнивает его с те-
Воздцх
КуЩИМ, ПОСТуПаЮЩИМ С Рпс. IV.13. Схема управления пронес-
ппибопа 26 В случае сом зажигания с помощью микропро-
Hr* J цессора
неравенства этих расхо-
дов МП выдает управляющее воздействие на исполни-
тельный механизм 2в, который с помощью регулирую-
щего клапана 2г приводит расход газа в соответствие с
заданным. Одновременно МП может выдавать информа-
цию на дисплей или цифропечатающее устройство ЦПУ.
В реатьных системах схема содержит узел авто-
матического регулирования соотношения топливо — воз-
дух.
Процесс спекания
Качество готового агломерата и производительность
агломашины во многом определяются характером про-
цесса спекания. Максимальная производительность при
прочих равных условиях получается в том случае, если
спекание всего слоя агломерата закончится в конце ра-
бочей (активной) длины аглолснты. При раннем окон-
чании спекания часть длины аглоленты не используется.
Если спекание не завершится, то нижний неспеченный
слой уйдет в возврат. В обоих случаях производитель-
ность агломашины уменьшается. Таким образом основ-
ной целью управления спекания является автоматиче-
ское согласование скорости аглолснты с вертикальной
165
скоростью спекания, чтобы обеспечить окончание про-
цесса спекания над последними камерами зоны спека-
ния и полностью использовать активную длину агло-
ленты. Для управления этим процессом автоматически
изменяют скорость движения аглоленты или разрежение
в вакуум-камерах (вертикальную скорость спекания).
Наиболее простым показателем законченности процесса
спекания является температура продуктов сгорания в
общем коллекторе или в двух-трех последних ваку\м-ка-
мерах. Установлено, что процесс спекания заканчивается
над (п—1)-ой камерой при tn-i—/п = 20-ь40°С.
На рис. IV.14 приведена схема одной из систем регу-
лирования процесса спекания, разработанная Киевским
институтом автоматики. Устройством для контроля газо-
проницаемости шихты сл] жит «нулевая» вакуум-камера,
Рис. IV. 14. Структурная схема автоматического регулирования процесса
спекания агломерата
установленная перед зажигательным горном и оборудо-
ванная отдельным эксгаустером. Вакуум-камера снаб-
жена системой стабилизации заданного значения ваку-
ума и датчиком Д1 со вторичным прибором ИП1 расхо-
да воздуха, просасываемого через слой шихты. Сигналы
с датчиков газопроницаемости Д1, скорости аглоленты
Д2 и высоты слоя шихты ДЗ поступают на корректирую-
щий регулятор РК, который суммирует поступившие
сигналы и рассчитывают высоту слоя готового агломера-
166
та H=f(h, wc, VB); здесь h — высота слоя шихты; wc—
вертикальная скорость спекания; VB— расход воздуха в
«нулевой» вакуум-камере. Регуляторы скорости аглолен-
ты PC, скорости вращения барабанного питателя РБП
и законченности спекания (разности температур в по-
следних вакуум камерах) РЗС стабилизируют соответст-
вующие величины, заданные соответственно задатчика-
ми Зд2, ЗдЗ и Зд4. При неравенстве рассчитанной вы-
соты слоя готового агломерата Н, заданной задатчиком
Зд1, регулятор РК вырабатывает воздействия, коррек-
тирующие задание регулятором PC, РБП и РЗС. Ука-
занные регуляторы с помощью соответствующих испол-
нительных устройств Дв1, Дв'2 и ИМ приводят скорость
аглоленты, высоту слоя шихты и разность температур
в последних вакуум-камерах к новым (скорректирован-
ным) заданным значениям; РО — регулирующие органы
(заслонки) в двух последних вакуум-камерах,
§ 4. АСУ ТП агломерационного производства
Стремление получить максимальную производительность
агломерационных машин при высоком качестве агломе-
рата и минимальных затратах обусловили разработку
автоматизированных систем управления с применением
ЭВМ — АСУ ТП. Для функционирования АСУ ТП ис-
пользуются математические модели.
В качестве примера рассмотрим математическую мо-
дель агломерационного процесса, учитывающую режим
использования возврата. Возврат (неспекшийся и мел-
кий агломерат) представляет собой оборотный продукт
агломерационного процесса и, следовательно, не входит
в состав товарного агломерата. В то же время возврат,
поступающий на повторное спекание, оказывает поло-
жительное воздействие на процесс. С одной стороны,
увеличение доли возврата повышает скорость спекания
шихты, с другой — приводит к снижению выхода годного
агломерата. В целом зависимость производительности
агломашины по годному агломерату от содержания в
шихте возврата определяется сочетанием указанных
факторов.
Зависимость производительности агломашины от со-
держания в шихте возврата записывается в виде:
G = Go Г1 + | — -5—. feB.m--------------£2В.Ш ], (IV.9)
L 'Шсо 1—fc* ' Wcc(l—*Вс) J
167
где Go — производительность агломашины при отсутст-
вии возврата; т и п — постоянные коэффициенты;
w —скорость спекания без возврата; /?Во—выход
возврата из агломерата при спекании без возврата,
Ав.ш — содержание возврата в шихте.
Зависимость (IV.9) невозможно использовать как
алгоритм управления, принимая в качестве управляюще-
го воздействия изменение содержания возврата в шихте,
так как при обычной технологии поддерживается баланс
возврата (/гвш = const). Вветя в уравнение (IV.9) вместо
Авш выход аглоспека из шихты, получим
q Г1 + /_^_____'2_\ ______тп_____/ \2j
L 'И)со >+£во/1— ПГ WCtl (1+^Вс) \1— Пг) ]’
(IV. 10)
где r=Gc/Gm; Gc— производительность по спеку; Gm —
расход шихты.
В уравнении (IV.10) парамерты т, п, г, и
зависят не от содержания возврата, а от таких входных
величин процесса, как содержание топлива в шихте, се
влажность, высота слоя шихты и др. Именно эти вели-
чины и являются управляющими воздействиями, обеспе-
чивающими изменение производительности агрегата.
Рис. IV.15. Структурная схема АСУ ТП спекания
168
На рис. III.15 приведен один из вариантов АСУ ТГТ
агломерационного процесса. Система предусматривает
стабилизацию основных пара метров процесса спекания и
его оптимизацию по производительности и качеству го-
тового агломерата. Локальные системы 7, II и III слу-
жат для стабилизации расходов соответственно топлива,
воды и шихты, заданные значения которых определяются
регулятором скорости агломашины IV. Скорость машины
при этом регулируется так, чтобы процесс спекания за-
канчивался над последней вакуум-камерой. Координата
точки окончания спекания определяется при помощи
ЭВМ по показаниям датчиков температуры газов 4а и
освещенности в вакуум-камерах 5а. Газопроницаемость
шихты измеряется при помощи «нулевой» вакуум-каме-
ры V, датчиком 6а и стабилизируется регулятором I 7 за
счет коррекции задания регулятору расхода воды. Тем-
пература зоны спекания в слое шихты контролируется
пирометром За, установленным после горна и свизиро-
ванным на зону. Стабилизация температуры зоны спе-
кания производится регулятором VII за счет коррекции
задания регулятору расхода топлива.
Оптимизация процесса спекания осуществляется дву-
мя отдельными подсистемами. Первая из них использует
показания прибора 7а для измерения качества агломе-
рата и обеспечивает поиск и установление оптимального
значения температуры зоны спекания. Вторая подсисте-
ма использует данные измерителя массы готового агло-
мерата 8а и устанавливает оптима чьное значение газо-
проницаемости, реализуемое регуляторами VI и 77.
Качество агломерата оценивается по степени окислен-
ности, т. е. по отношению ЕеО/ЕегОз, определяемому
по его магнитным свойствам. Производительность агло-
машины определяется путем взвешивания вагонов с
готовым агломератом или с помощью ленточного весо-
измернтеля.
АСУ ТП агломерационного производства включает
подсистемы, реализующие рассмотренные выше и неко-
торые другие функции:
— автоматического контроля запасов материалов в-
бункерах шихтового отделения;
— автоматической стабилизации заданного соотно-
шения компонентов в шихте;
— автоматического управления подачей возврата в-
шихту;
16»
— автоматического согласования работы агломашин
и тракта дозирования и подачи шихты;
— автоматического управления увлажнением шихты;
— автоматического управления загрузкой шихты на
агломашину;
— автоматического управления зажиганием шихты;
— автоматического управления процессом спекания
шихты;
— автоматического управления охлаждением спека;
— автоматического контроля и анализа результатов
технологического процесса.
§ 5. Автоматизация процесса обжига окатышей
На фабрике окомкования основными являются две
системы автоматического управления: гранулятором и
обжиговой машиной. Системы управления дозированием
материалов аналогичны таким же системам на агло-
фабриках.
На рис. IV. 16 приведена схема системы управления
гранулятором. Работа гранулятора зависит от угла на-
UJutma
Рис. IV, 16. Структурная схема автоматического регулирования гранулятора
170
клона к горизонту и скорости его вращения. Комбинируя
эти два параметра, можно получать окатыши заданного
размера.
Регулятор Р1 поддерживает постоянный расход воды
к форсункам, измеряемый сужающим устройством и из-
мерительным прибором ИП1, с помощью исполнитель-
ного механизма Дв1 и регулирующего клапана РО1.
Окончательно влажность шихты в процессе грануляции
поддерживается на постоянном заданном уровне регуля-
тором Р2, получающим информацию о расходе воды к
форсункам, расходе воды к брызгалам (прибор ИП2),
влажности исходной шихты (датчики ДВл и вторичный
прибор ИПВ), расходе шихты (датчик ДР и измери-
тельный прибор ИП4) и воздействующим на регулирую-
щий орган РО2 с помощью исполнительного механиз-
ма Дв2.
Производительность гранулятора поддерживается
регулятором Р4, который работает в комплекте с весо-
измерителем ДР и прибором ИП4 и управляет двигате-
лем Дв4 транспорта. Регулятор РЗ, получая сигнал от
датчиков расхода шихты ДР, крупности окатышей ДК
и производительности гранулятора ДП с соответствую-
щими измерительными приборами ИП4, ИПЗ и ИПП,
управляет скоростью вращения гранулятора и углом его
наклона с помощью двигателей Дв1 и Дв2.
Системы управления тепловым и технологическим
режимами обжиговой машины включают узлы автома-
тического контроля и регулирования температуры в гор-
не, распределения тепла по зонам, вакуумно-дутьевого
режима и высоты слоя окатышей на паллетах. Эти сис-
темы во многом аналогичны таким же системам на агло-
лентах.
Вопросы для самопроверки
1. Какие основные задачи возложены на системы
контроля и управления производством агломерата и
окатышей?
2. Какие существуют возмущающие воздействия на
ход технологического процесса агломерации?
3. Какие основные функции возлагают на систему
автоматического согласования производительности ших-
тового и спекательного отделений?
4. С какой целью и как регулируется влажность
шихты?
171
5. Как влияет качество зажигания шихты на ход про-
цесса спекания?
6. В чем заключается управление процессом спекания
на агломерационной машине? Какие главные управляю-
щие воздействия?
7. Какие локальные системы регулирования применя-
ются на аглофабриках?
8. Как определяется законченность процесса спека-
ния?
9. В чем заключается оптимальное управление агло-
мерационным процессом1
10. Какие основные функции АСУ ТП аглофабрики?
Глава V
АВТОМАТИЗАЦИЯ
ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
§ 1. Особенности доменного процесса как объекта
автоматического управления
Доменное производство является сложным многостадий-
ным процессом, состоящим из комплекса специализиро-
ванных операций по обработке разнородных материалов.
Ввиду непрерывности, высокой степени механизации,
большой насыщенности контрольно-измерительной аппа-
ратурой доменный процесс довольно хорошо подготов-
лен для автоматического управления.
Доменный процесс — это процесс удаления кислоро-
да из окси iob железа, содержащихся в агломерате, ока-
тышах и железной руде, с последующим образованием
чугуна — сплава железа с углеродом. Этот сложный фи-
зико-химический процесс протекает последовательно по
всей высоте доменной печи в условиях встречного дви-
жения и взаимодействия двух потоков: нисходящего по-
тока загружаемых сверху печи шихтовых материалов,
топлива (кокса) и восходящего потока газов. Скорости
указанных потоков существенно отличаются друг от дру-
га; материалы проходят через современную доменную
печь за 6—8 ч, газовый поток за 3—4 с.
Рудная часть шихты современных печей состоит из
офлюсованного агломерата, окатышей, рудных добавок
(железная и марганцевая руды), металлодобавок; в ка-
172
честве флюса используется известняк; топливом служит
кокс. В результате доменного процесса получаются про-
дукты плавки — чугун, шлак, колошниковый (домен-
ный) газ и колошниковая пыль. Главной целью авто-
матизации доменного процесса является выплавка
максимального количества чугуна заданного качества
(состава) при наилучших технико-экономических пока-
зателях.
Доменная печь и процесс плавки — объекты автома-
тизации с большой аккумулирующей способностью, рас-
пределенными параметрами и значительной инерцион-
ностью. Основными возмущающими воздействиями,
нарушающими ход доменного процесса, являются изме-
нения качества загружаемых материалов — их грануло-
метрического и химико-минералогического состава, что
приводит к изменению распределения газового потока по
сечениям печи, теплового состояния печи, степени ис-
пользования тепловой и химической энергии газового
потока.
К основным управляющим воздействиям относятся
параметры режима загрузки — управление «сверху»
(рудная нагрузка, т. е. отношение массы агломерата и
руды к массе кокса, загружаемых в печь, последователь-
ность загрузки материалов и распределение их по сече-
нию колошника) и режима дутья — управление «снизу»
(расход, температура, влажность воздушного дутья,
расход кислорода, пара и природного газа, добавляемых
в дутье).
Выходными величинами доменной печи как объекта
управления являются производительность печи и эконо-
мическая эффективность ее работы. Производительность
оценивается по фактическим показателям выплавки чу-
гуна (т/сут), экономическая эффективность — по расхо-
ду кокса на единицу выплавляемого чугуна.
Одной из главных задач при управлении доменным
процессом является стабилизация теплового состояния и,
следовательно, производительности печи, состава и тем-
пературы продуктов плавки. Непрерывность доменного
процесса значительно облегчает задачу автоматического
управления. Однако осложнения в управлении возни-
кают из-за нарушения непрерывности процесса периоди-
ческим выпуском продуктов плавки.
Характерной особенностью доменного производства
является необходимость поддержания практически по-
стоянными производительность печи и состав чугуна.
173
Такое постоянство требует стабилизации как параметров
загрузки, так и дутьевого режима.
Доменная печь как объект управления обладает боль-
шой инерционностью и временем запаздывания. Напри-
мер, при изменении состава шихты переходный процесс
длится (2ч-3)ты (тм — время нахождения материалов
в печи), а время запаздывания может доходить до 3—
4 ч. При изменении параметров дутья переходный про-
цесс продолжается (1-^2)тм, а запаздывание составляет
до 30 мин. Это значительно усложняет управление осо-
бенно «сверху» и требует использования всей возможной
информации о ходе доменного процесса для прогнозиро-
вания изменения теплового состояния и других пара-
метров. Управление «снизу» значительно менее инер-
ционно, но и воздействие его существенно слабее..
Поэтому управление «снизу» часто используется для
исправления нарушений процесса, вызванных неточ-
ностью управления «сверху». Кроме того, на управляю-
щее воздействие «снизу» наложен ряд ограничений. Так,
отсутствует возможность повысить при управлении тем-
пературу дутья, так как она всегда поддерживается
максимально возможной по техническим условиям (стой-
кость кладки воздухонагревателей). Можно было бы
создать резерв управления «снизу» по температуре дутья,
но это неминуемо привело бы к повышению расхода
кокса.
При управлении «сверху» наиболее существенное воз
действие на тепловое состояние печи оказывает расход
загружаемого в печь кокса (при неизменном расходе
рудной части шихты) и его влажность. Важное значение
играет гранулометрический состав шихты и распределе-
ние шихтовых материалов по сечению шахты доменной
печи. Для ровного схода шихты в печи и равномерного
распределения газового потока по сечению шахты не-
обходимо обеспечить требуемое распределение материа-
лов по периметру большого конуса и, следовательно,
колошника. Так, во избежание чрезмерного развития
периферийного газового потока (газовый поток в основ-
ном образуется в районе фурм и его кратчайший путь —
вдоль стен печи) газопроницаемость периферийной части
столба материалов должна быть ниже осевой, поэтому
в периферийную часть должно быть направлено боль-
шее количество рудной части шихты.
При загрузке вся подача может быть собрана в во-
ронке большого конуса и опущена в печь. При этом по-
174
рядок расположения материалов на конусе может быть
разным: агломерат внизу, а кокс сверху; кокс внизу, а
.агломерат сверху. Поскольку подача материалов в печь
односторонняя (скипы или конвейер подходят на ко-
.лошник только с одной стороны), в воронке малого ко-
нуса материалы располагаются неравномерно по высоте,
«образуя односторонний откос. Если материалы опустить
в таком положении на большой конус, а затем в печь,
то сопротивление проходу газов по сечению шахты печи
будет неравномерным, чго приведет к нарушению нор-
мального хода печи. Для создания равномерного сопро-
тивления проходу газов по окружности колошника при-
меняются вращающиеся распределители шихты (ВРШ),
в состав которых входят вращающаяся воронка и малый
конус. После загрузки шихты воронка поворачивается
вместе с малым конусом на заданный угол поворота
(60, 120, 180, 240, 300°) и останавливается. После этого
малый конус опускается и материал высыпается на
большой конус. Соответствующие меры по распределе-
нию шихты по радиусу и периметру колошника при-
меняются и при бесконусных методах загрузки шихты,
например с помощью аппаратов лоткового типа.
Снизу в доменную печь воздуходувными машинами
подается дутье. Подготовка дутья к вводу в рабочее
пространство заключается в сжатии его до нужного
давления (0,4 МПа), нагреве до температуры 1300°C,
обогащении кислородом и увлажнении паром. Обычно
в доменных печах применяется комбинированное дутье,
включающее подачу природного газа.
За счет кислорода, содержащегося в дутье, в оки-
слительной зоне вблизи фурм происходит горение кокса
и образуется оксид углерода, восстанавливающий на
своем пути вверх железо из его оксидов по схеме:
ЗЕе20з + СО — 2ЕезО4-Ь СО»; ЕезО4-Ь СО = 3FeO -F СО^;
FeO+CO = Fe+CO2.
По примерно такой же схеме (но с образованием
железа и водяного пара) происходит восстановление
железа водородом, содержащимся в печных газах и
являющимся продуктом диссоциации влаги шихты и
кокса или водяного пара, вдуваемого в печь. Восстанов-
ление, продуктом которого является СО2 или Н2О, а в
качестве восстановителя используется газ СО или Н2
называют косвенным.
Криме косвенного, в рабочем пространстве печи про-
текает прямое восстановление железа за счет углерода
175
кокса с образованием железа и оксида углерода. Так
как прямое восстановление протекает с поглощением
тепла, то его область простирается от внешней границы
окислительных околофурменных зон до горизонта с тем-
пературой 900—950 °C. Выше области прямого восста-
новления (вплоть до колошника) газ попадает в об-
ласть, где проходят реакции косвенного восстановления.
По мере подъема газового потока вверх изменяются его
температура и состав. Максимальная температура на-
блюдается в горне печи у фурм, где идет горение то-
плива. Содержание СО в газовом потоке внизу печи
велико, СОг практически нет; выйдя из области высоких
температур, газы обогащаются СОг, а содержание СО
понижается при неизменной сумме СО + СОг- Таким об-
разом по составу газа, находящегося в печи, можно
судить о характере восстановительных процессов в до-
менной печи. Чтобы печь работала экономично, необхо-
димо определенное сочетание процессов прямого и кос-
венного восстановления, которое зависит от распределе-
ния температур в печи. Зная состав колошникового газа,
допустимые перепады давления по высоте печи, а так-
же характер газораспределения по сечению печи, можно
определять необходимое количество дутья, либо изме-
нять в необходимую сторону расходы кислорода, при-
родного газа или пара, добавляемых в дутье и, тем са-
мым, влиять на характер восстановительных реакций.
Значительные трудности при разработке систем авто-
матического управления доменными процессами возни-
кают из-за отсутствия целого ряда первичных датчиков
информации (датчики химического состава чугуна и
шлака, датчики распределения материалов и газа по
радиусу печи и др.). Сложность доменного процесса, труд-
ность или даже невозможность контроля многих его па-
раметров безусловно требуют использования для управ-
ления математических моделей. Разработкой и примене-
нием математических моделей в АСУ ТП доменной
плавки занимаются многие ведущие научно-исследова-
тельские и учебные институты страны: ВНИИМТ, Ураль-
ский политехнический институт, Киевский институт
автоматики, ВНИИАчермет, Институт черной металлур-
гии и др.
На современных доменных печах автоматически кон-
тролируются и регулируются следующие основные па-
раметры:
1) шихты и ее загрузки: содержание в шихте железа,
176
SiO2, CaO, MgO, фракций <5 мм; влажность кокса; со-
держание серы в коксе; скорость опускания шихты; мас-
са рудных компонентов и добавок в подаче; загрузка
печи по заданной программе; профиль и уровень засыпи
шихты;
2) комбинированного дутья: расход и давление хо-
лодного и горячего дутья; температура и влажность го-
рячего дутья; содержание кислорода в дутье; расход
природного газа и кислорода на печь; соотношение меж-
ду природным газом и кислородом дутья; распределение-
природного газа по фурмам;
3) доменного процесса и продуктов плавки: содер-
жание СО, СО2 и Н2 в колошниковом газе и в газе под
уровнем засыпи; температура колошникового газа в
газоотводах и в общем газоотводе; давление колошни-
кового газа (контроль и стабилизация); температура
газа по двум взаимноперпендикулярным диаметрам под
уровнем засыпи; перепады давления по высоте печи;
содержание в чугуне Si, Мп, S; содержание в шлаке
SiO2, CaO, MgO; температура чугуна и шлака; масса
чугуна и шлака на выпуске;
4) состояния печи: степень износа кладки лещади,
горна и шахты; прогар холодильников; режим работы
систем испарительного охлаждения; прогар воздушных
Фурм;
5) состояния воздухонагревателей: температура под-
купольной зоны, продуктов сгорания, кладки и в камере
горения; наличие факела в камере горения; расход и
давление доменного, коксового газов и воздуха на воз-
духонагреватель.
Рассматривая особенности доменной печи как объек-
та управления, в АСУ ТП доменной плавки выделяют
три основные подсистемы автоматического управления:
загрузкой шихтовых материалов; тепловым состоянием
печи; ходом доменной печи.
§ 2. Автоматический контроль
На современных доменных печах осуществляют автома-
тический контроль большого числа технологических и
теплотехнических параметров. Рассмотрим особенности
контроля некоторых из них.
Для определения сопротивления столба шихты в пе-
чи, прогнозирования нарушения схода материалов (под-
висаний), выявления зон с повышенным сопротивлением
177
тазовому потоку измеряют давление холодного и горя-
чего дутья в кольцевом воздухопроводе, разность дав-
лений между кольцевым воздухопроводом и шахтой пе-
чи, кольцевым воздухопроводом и колошником, шахтой
и колошником.
Автоматический контроль уровня поверхности засыпи
шихты является важным фактором для разработки сис-
тем стабилизации шихтового режима, вровень поверх-
ности шихты в промежутках между загрузкой очередных
подач опускается примерно на один метр. Уровень за-
сыпи автоматически измеряется механическими или ра-
диометрическими уровнемерами. Механическими уровне-
мерами (зондами) уровень измеряется в двух точках
по сечению колошника. Зонд представляет собой трос и
цепь с чугунным грузом на конце, который опирается
на поверхность шихты. Зонды с помощью лебедок опу-
щены в рабочее пространство печи через отверстия в
воронке большого конуса. Поворот барабана лебедки
фиксируется датчиком угла поворота и измерительным
прибором, записывающим на диаграмме положение уров-
ня шихты.
Зондовые уровнемеры не дают точных измерений
уровня вследствие погружения их в шихту и затягива-
ния вниз. В этом отношении
^ис, V.I. Схема радиометрического
уровнемера
радиометрический уровне-
мер (рис. V.1) имеет пре-
имущества. Принцип дей-
ствий уровнемера основан
на поглощении гамма-из-
лучения шихтой. Излуче-
ние от двух диаметраль-
но противоположных ис-
точников 3 направлено на
стенки колошника, где
установлены трубы 2 с
подвешенными на кабель-
тросах четырьмя прием-
никами излучения 1. При
опускании шихты увели-
чивается интенсивность
облучения приемнйков,
выходной ток которых воз-
растает и вызывает (через блок управления 7) включе-
ние двигателя 4 в сторону опускания приемника 1. При
повышении уровня облучение приемников уменьшается
и двигатель вращается в обратном направлении. С ва-
178
лом двигателя связан преобразователь 5, сигнал с кото
рого, пропорциональный уровню засыпи, передается на
измерительный прибор 6.
Контроль профиля поверхности засыпи необходим
для определения расположения впадины и гребня ших-
ты по диаметру колошника, перекосов поверхности и
одностороннего схода шихты. Наличие такой информа-
ции позволяет усовершенствовать управление распреде-
лением шихтовых материалов и газового потока по диа-
метру колошника и сечению печи. Для замера профиля
засыпи используются радиометрические (гамма-локато-
ры) или электромагнитные профилемеры.
О характере распределения газового потока по сече-
нию печи можно судить по составу газа, отобранного
по радиусам с определенного горизонта печи, или пс
его температуре. При правильно выбранном горизонте
наблюдается полное соответствие между содержанием
диоксида углерода в газе и его температурой; более
высокой температуре соответствует низкое содержание
СОг и наоборот.
Для отбора проб газа и измерения температуры по
радиусу печи используется установка, которая стацио-
нарно монтируется на кожухе печи ниже уровня мате-
риалов. Установка состоит из двух консольных балок, в
которых размещаются водоохлаждаемые газоотборные
трубки и термопары для измерения температуры. Хими-
ческий состав газов непрерывно измеряется газоанали-
заторами, а температура регистрируется вторичным из-
мерительным прибором.
На одной из доменных печей НЛМК внедрен способ-
контроля параметров газового потока по сечению с ис-
пользованием топограмм, которые представляют собой
круговую карту границ распределения отклонений ана-
лизируемых компонентов газа от их средневзвешенных
значений. Расчет топограмм осуществляется на ЭВМ пс
результатам полного анализа колошникового газа пс
четырем радиусам колошника. Технический персонал
обращается к топограммам для оценки характера газо-
вого потока при нарушениях равномерности схода ших-
товых материалов.
Применяется и прямой метод контроля распределе-
ния материалов по радиусу колошника радиометриче-
скими зондовыми устройствами. Контроль расположения
железорудных компонентов и кокса основан на различ-
ном поглощении ими радиактивного гамма-излучения.
17?
Для оценки теплового состояния низа печи и хода
всего процесса на современных печах внедрены инфор-
мационно-измерительные системы непрерывного контро-
ля температуры чугуна на выпуске. В основу системы
положен бесконтактный способ измерения температуры
расплавов с помощью бихроматнческих датчиков (пиро-
метров излучения, работающих в видимой области спек-
тра и реагирующих на излучение при двух различных
длинах волн). Датчик визируется непосредственно на
струю чугуна. Относительная погрешность измерения
±1%. В ряде случаев контроль температуры чугуна и
шлака осуществляется термопарами, погружаемыми в
чугунные и шлаковые желоба соответственно.
Для измерения температуры горячего дутья в настоя-
щее время используются пирометрические преобразова-
тели агрсгатированного комплекса АПИР-С, которые
визируются непосредственно на внутреннюю поверх-
ность воздухопровода через канал в футеровке. Погреш-
ность измерения не превышает ±25 °C. Впервые этот
способ контроля реализован на доменных печах Ново-
липецкого и Череповецкого металлургических комбина-
тов.
§ 3. Локальные системы автоматического
регулирования и управления
Загрузка сырых материалов в доменную печь
Система управления загрузкой шихты в печь решает
две основные задачи: 1) управление набором, взвешива-
нием и доставкой материалов к скипам или транспорте-
ру; 2) управление загрузкой материалов в печь.
Современные мощные печи оснащены транспортерны-
ми системами загрузки материалов в скипы, но на боль-
шинстве печей пока используют вагон-весы.
Система загрузки доменной печи при подаче шихто-
вых материалов из бункеров в скипы ленточными тран-
спортерами включает следующие операции: набор кокса
из коксовых бункеров в весовые воронки и отсев коксо-
вой мелочи на грохотах; взвешивание кокса в весовой
воронке с регистрацией массы его; заливку воды в ски-
пы; набор агломерата и добавок из бункеров в весовые
воронки и взвешивание их с регистрацией массы; загруз-
ку в скипы агломерата и добавок из весовых воронок;
загрузку в скипы кокса из весовых коксовых воронок;
работу скиповой лебедки (пуск, ускорение, замедление,
180
остановка); выравнивание давления в межконусном про-
странстве до атмосферного перед опусканием малого
конуса; вращение BPLU перед опусканием малого ко-
нуса; опускание малого конуса после вращения ВРШ с
материалом из каждого скипа; выравнивание давления в
межконусном пространстве с давлением под большим ко-
нусом; измерение уровня засыпи шихты; опускание боль-
шого конуса.
Управление системой загрузки осуществляется с по-
мощью командоконтроллера программы (ККП) и
командоконтроллера циклов подач (ККЦ). Первый уста-
навливает очередность загрузки скипов, второй—чере-
дование подач в цикле загрузки. Цикл загрузки состоит
из нескольких подач.
Пример цикличной системы загрузки: /пААК|
/7нКААК|//, где Н — уровень шихты, при котором опу-
скается большой конус, т. е. расстояние от нижней кром-
ки большого конуса в опущенном положении до поверх-
ности шихты в печи (вертикальная стрелка означает
опускание большого конуса); т и п — число подач в
цикле (допустим, m:n=6:l; 5:2; 2:5; 3:4 и т. д.); А —
скип агломерата; К — скип кокса.
Механизмы системы загрузки взаимосвязаны между
собой блокировкой, которая обеспечивает включение их
в заданной последовательности. Функции блокировки вы-
полняются самим ККП, который имеет 12 фиксирован-
ных рабочих положений, позволяющих загружать даже
12-скиповые подачи по двум различным программам А
и Б. Такая возможность изменения программы позволяет
автоматически чередовать загрузку различных компонен-
тов шихты скипами в одной подаче и подачами в разных
циклах. На панели программы ККП задается число ски-
пов в подаче, вид и последовательность загрузки ком-
понентов шихты. Число и последовательность подач по
программам А и Б в цикле устанавливается на пане-
ли ККЦ.
Автоматическая работа всех механизмов загрузки
при транспортной шихтоподаче в скип происходит в та-
кой последовательности. Включение пластинчатого тран-
спортера для агломерата начинается по импульсу от-
правки очередного рудного скипа при наличии агломе-
рата в соответствующем бункере, уровень заполнения
которого контролируется уровнемером, и установки пере-
кидного лотка в положение загрузки заданной весовой
воронки. После набора установленной массы в воронку
181
транспортер останавливается. Затвор весовой воронки
автоматически открывается при условии, что рудный
скип установлен в скиповой яме, в воронку загружена
заданная масса агломерата, транспортер агломерата не
работает, а по программе загрузки необходимо грузить
агломерат. То же самое относится к загрузке различных
добавок.
Загрузка кокса из бункеров в скипы осуществляет-
ся при помощи коксового грохота и взвешивающей во-
ронки. После закрытия затвора воронки автоматически
включается грохот, служащий затвором коксового бун-
кера, и начинается наполнение воронки отделенным от
мелких фракций коксом. По достижении заданной мас-
сы грохот останавливается. Импульс на выдачу из во-
ронки порции кокса поступает от ККЦ, если скип стоит
в крайнем нижнем положении, предыдущий скип засчи-
тан программой, ККП находится в положении погрузки
кокса, грохот прекратил погрузку кокса и в весовой
воронке находится его заданная масса.
При установке правого скипа в крайнее нижнее по-
ложение высыпается агломерат из правой весовой во-
ронки. После закрытия затвора воронки подается им-
пульс на отправление первого в подаче скипа; переме-
щение перекидного лотка для наполнения опорожненной
правой воронки; включение конвейера и виброгрохотов
бункеров агломерата. Далее цикл выдачи агломерата
из бункеров повторяется.
Когда скип начинает двигаться вверх, открываются
уравнительные клапаны малого конуса, давление в меж-
конусном пространстве выравнивается с атмосферным.
ВРШ по команде ККП поворачивается на заданный
угол, открывается малый конус, материал высыпается
из скипа на большой конус, после чего малый конус
закрывается. Разрешающий сигнал на опускание боль-
шого конуса поступает от уровнемеров засыпи шихты,
после чего срабатывают уравнительные клапаны боль-
шого конуса. После выравнивания давления между пе-
чью и межконусным пространством большой конус опу-
скается, содержимое высыпается в печь.
Для предотвращения взрыва в межконусном прост-
ранстве в результате попадания воздуха при опускании
малого конуса в пространство между конусами подают
пар или очищенный доменный газ. На рис. V.2 показана
схема сигнализации, выдающая разрешающий сигнал на
маневрирование конусами.
182
Перед опусканием малого конуса межконусное про-
странство через выпускные клапаны 1 соединяется с
атмосферой. На период опускания большого конуса вы-
пускные клапаны закрываются и открываются наполни-
тельные клапаны. Заполнение межконусного пространст-
Рио. 0.2. Схема уравнительных клапанов на колошнике доменной печи
за газом или паром через наполнительные клапаны кон-
тренируется сигнализаторами разности давления Сч2,
которые при разности давления менее 8—10 кПа выдают
сигналы в схему управления загрузкой. Последняя по-
средством исполнительных механизмов 3 осуществляет
переключение клапанов 1 и 2 в соответствии с програм-
мой загрузки. Сигнализатор Сч1 контролирует давление
в межконусном пространстве.
В момент опрокидывания правого груженого скипа
левый скип останавливается в скиповой яме и ККП
дает команду на его загрузку по описанной программе.
Если шихтоподача осуществляется вагон-весами, то
система автоматического управления загрузкой допол-
няется схемами автоматического передвижения вагон-
весов от бункера к бункеру, а также к скиповой яме и
обратно; автоматического сцепления затворов бунке-
ров с приводной трансмиссией вагон-весов; автомати-
ческого взвешивания шихты в заданной последователь-
ности; автоматической разгрузки шихты из вагон-весов
в скипы или промежуточный бункер.
183
Автоматическая работа вагон-весов осуществляется
при помощи программного коммутатора, на, котором
мастер печи набирает программу подач — поездок для
набора материалов рудной части шихты и необходимую
массу ее компонентов. После выполнения заданной про-
граммы поездок вагон-весы уходят на разгрузку к ски-
повой яме. По сигналу об остановке скипа у разгрузоч-
ной воронки вагон-весы разгружаются.
На доменной печи контроль работы системы автома-
тического управления загрузкой производится по специ-
альному сигнальному световому табло, установленному
на пульте управления печью.
На печах, оборудованных бесконусными загрузочны-
ми устройствами лоткового типа (печь № 6 НЛМК и
печь № 9 «Криворожстали»), применяют системы авто-
матического контроля распределения шихты на колош-
нике и в шахте печи, которые функционируют на базе
математических моделей, описывающих процесс схода с
лотка и траекторию падения потока шихтовых материа-
лов, процесс распределения материалов по сечению ко-
лошника с определением профиля засыпи на колошнике,
а также процесс радиального распределения рудной
нагрузки.
Стабилизация некоторых параметров
доменного процесса
На рис. V.3 показана схема стабилизации давления га-
за на колошнике. Давление на колошнике поддержива-
ется в интервале 150—350 кПа и регулируется при по-
мощи дроссельной группы /, состоящей из пяти или
шести труб, соединенных параллельно. В трубы встроены
регулирующие дроссельные заслонки II, оснащенные
электроприводом III и указателями положения засло-
нок IV. Одна из труб имеет меньший диаметр, а ее за-
слонка 1е используется для автоматического регулирова-
ния давления колошникового газа.
Отбор давления производится из подконусного про-
странства печи и передается на датчик давления 1а,
вторичный прибор 16 и регулятор 2г, воздействующий
с помощью исполнительного механизма 1д на регули-
рующий орган 1е. Заданное значение давления устанав-
ливается с помощью задатчика 1в.
Особенностью дутьевого режима доменных печей
является постоянство расхода дутья при всех возмож-
184
ных колебаниях сопротивления столба шихтовых мате-
риалов. Однако при управлении ходом печи возникает
необходимость изменять расход дутья. Это изменение
на печах осуществляется автоматически с помощью ре-
гулятора расхода. Задание регулятору расхода устанав-
рис. V.3. Схема автоматической стабилизации давления газа под ко-
-Л0ШНИК0М
ливает оператор воздуходувной машины по указанию
мастера печи. Регулятор изменяет частоту вращения ро-
тора турбовоздуходувки до тех пор, пока расход д>тья
не достигнет заданного уровня.
Прогрессивным направлением интенсификации до-
менного процесса является применение комбинирован-
ного дутья, состоящего из воздуха, обогащенного кисло-
родом, и природного газа. Обогащение дутья кислородом
повышает производительность печи, а природный газ
обеспечивает снижение расхода кокса. Природный газ
в воздушные фурмы поступает из кольцевого коллектора,
расположенного над кольцевым воздухопроводом горяче-
го дутья.
При комбинированном дутье расход природного газа
регулируется в зависимости от расхода дутья, т. е. под-
держивается их заданное соотношение. На рис. V.4 при-
ведена функциональная схема системы автоматического
185
регулирования соотношения дутье — природный газ. Ра-
сходы газа и дутья измеряются при помощи сужающих
устройств и дифференциальных манометров 1а и 2а, а
также измерительных приборов 16, 26 сигналы с кото-
рых, пропорциональные расходам газа и дутья соответ-
Рисл V.4. Схема автоматического регулирования соотношения дутье-
газ
ственно, поступают на регулятор соотношения 2в. На
вход регулятора также подается сигнал с задатчика 2г,
соответствующий заданному значению коэффициента
соотношения. Если соотношение между расходами при-
родного газа и дутья не соответствует заданному, регу-
лятор вырабатывает управляющее воздействие и испол-
нительный механизм 2е и регулирующий орган 2ж
изменяют расход газа до тех пор, пока не будет достиг-
нуто заданное соотношение. В случае выхода из строя
автоматического регулятора управлять регулирующим
органом можно вручную с помощью универсального
переключателя 2д.
В систему, кроме перечисленных технических средств
автоматики, входят устройства автоматической зашиты
и блокировки (на рисунке не показаны), обеспечиваю-
щие взрывобезопасную подачу и отключение газа.
А именно, перед подачей газа печной участок газопро-
вода автоматически продувается паром. При внезапном
понижении давления газа во избежание обратного про-
никновения горновых газов в газопровод автоматически
с помощью сигнализаторов падения давления произво-
дится отсечка газа.
Расход кислорода, добавляемого в дутье, обычно ре-
гулируется регулятором соотношения дутье — кислорода.
На кислородопроводах перед каждой трубовоздуходув-
186
кой устанавливается регулирующий орган, при воздей-
ствии на который обеспечивается постоянство соотно-
шения расходов воздуха и кислорода. В зависимости от
требуемого режима регулятор настраивается на опреде-
ленное содержание кислорода в дутье.
Тепловой режим воздухонагревателей
Воздухонагреватели предназначены для нагрева дутья
до температур выше 1300 °C. Чтобы обеспечить непре-
рывный нагрев дутья, доменную печь оснащают тремя
или четырьмя воздухонагревателями, представляющими
собой регенеративные устройства периодического дей-
ствия и работающими поочередно в режимах аккумуля-
ции тепла насадками регенераторов (режим нагрева)
или нагрева дутья (дутьевой режим). Перевод воздухо-
нагревателей из одного режима в другой осуществляется
автоматически по программе (1 ч в режиме дутья, 2 ч
в режиме нагрева) или по показателю, характеризую-
щему остывание воздухонагревателя. Это может быть
-степень закрытия заслонки, регулирующей подмешива-
ние холодного воздуха к дутью, проходящему через
воздухонагреватель. Очевидно, что, если заслонка при-
ближается к полному закрытию, то воздухонагреватель
•остыл и температура нагрева дутья в нем близка к мини-
мально допустимому значению. Требуется переключение
воздухонагревателя на режим нагрева.
Задачами автоматического управления тепловым ре-
жимом воздухонагревателей являются полное и эконо-
мичное сжигание топлива, нагрев насадки до заданной
температуры с ограничением предельной температуры
купола для предотвращения разрушения огнеупоров,
-автоматическое переключение с режима нагрева на ре-
жим дутья и наоборот.
Функциональная схема системы управления нагревом
воздухонагревателя приведена на рис. V.5. Газ для ото-
пления воздухонагревателей поступает по газопрово-
ду I. Давление газа стабилизируется локальной систе-
мой регулирования, включающей датчик 5а, вторичный
измерительный прибор 56, регулятор 5г, задатчик 5в,
исполнительный механизм 5д и регулирующую заслон-
жу 5е.
Расход газа на каждый воздухонагреватель II кон-
тролируется датчиком 2а в комплекте со вторичным при-
бором 26 и поддерживается на заданном уровне регуля-
187
тором расхода 2г с помощью исполнительного механиз-
ма 2д с регулирующей заслонкой 2е, установленной на
подводе газа к горелке III.
Рис. V.5. Схема автоматического регулирования нагрева воздухонагре-
вателя
Температура купола стабилизируется системой, со-
стоящей из датчика температуры (пирометр или термо-
электрический термометр 1а), вторичного прибора 16, ре-
гулятора 1в и исполнительного механизма 1д, который
воздействует либо на лопатки направляющего аппарата
вентилятора IV, либо на жалюзи воздушного тракта го-
релки.
Температура дыма после воздухонагревателя измеря-
ется термоэлектрическим термометром (термопара 4а и
вторичный прибор 46).
Работа системы регулирования нагрева протекает
следующим образом. Из схемы автоматического пере-
ключения воздухонагревателей поступают сигналы на
включение вентилятора и частичное открытие клапана
на газопроводе. Если в камере горения вспыхивает фа-
кел, то датчик наличия факела За дает разрешение на
включение регулятора расхода 2г, который с этого мо-
188
мента начинает поддерживать заданный расход газа.
Расход воздуха в этот момент устанавливается с таким
расчетом, чтобы коэффициент расхода воздуха был бли-
зок к единице. Температура купола начинает возрастать
и в некоторый момент времени достигает максимально
допустимого значения, установленного задатчиком.
С этого момента регулятор 2г начинает увеличивать рас-
ход воздуха, открывая лопатки направляющего аппарата
вентилятора 1е. При этом температура купола стабили-
зируется вследствие уменьшения температуры продуктов
сгорания, а теплопередача от газов к насадке воздухо-
нагревателя увеличивается, так как возрастает количес-
тво продуктов сгорания и увеличивается скорость их
движения по каналам насадки.
По мере прогрева насадки возрастает температура
дыма, уходящего из воздухонагревателя. Когда она дос-
тигает максимально допустимого значения, заданного
задатчиком 4в, корректирующий прибор 46 изменяет
задание регулятору расхода газа 2г, не допуская даль-
нейшего увеличения температуры дыма. Если при этом
температура купола несколько снизится, то регулятор
температуры 1в сократит расход воздуха и обеспечит по-
вышение температуры купола до заданного значения.
§ 4. АСУ ТП доменного производства
Для систем подачи и загрузки шихты АСУ ТП осуще-
ствляет расчет масс шихтовых материалов в подаче,
управление набором и взвешивание шихтовых материа-
лов, управление механизмами тракта шихтоподачи и за-
грузки шихты по заданной программе.
Для собственно доменного процесса АСУ ТП реали-
зует управление шихтовкой плавки, тепловым состояни-
ем доменной печи, ходом доменной печи, распределением
газового потока по сечению шахты. Для воздухонагрева-
телей АСУ ТП обеспечивает максимальный тепловой
к. п. д.
Современные АСУ ТП являются распределенными
системами, у которых управление отдельными подсисте-
мами строится на базе применения мини микро-ЭВМ и
микропроцессорной техники. Отдельные мини-ЭВМ могут
быть объединены центральной УВМ.
Структурная схема одной из АСУ ТП доменным про-
изводством приведена на рис. V.6. Система включает
четыре взаимосвязанные мини-ЭВМ1 — мини-ЭВМ4, при-
189
меняемые соответственно для управления подсистемой
загрузки, вращающимся распределителем шихты, режи-
мом дутья и тепловым состоянием печи. Регулирующие
^воздействия на шихтовый режим передаются исполни-
увп
Рис. V.6. Структурная схема АСУ ТП доменного производства
гельными устройствами 2—4, которые воздействуют на
процесс доменной плавки «сверху», изменяя рудные на-
грузки на кокс P/К, соотношение системы загрузки по
программам А и Б и по программе работы распредели-
теля ВРШ.
Датчики автоматического контроля верхнего 5 и ниж-
него 6 перепадов давления газов по высоте печи вы-
дают информацию о газопроницаемости и режиме схода
шихты для выработки регулирующих воздействий «свер-
ху» и «снизу» изменением давления газа под колошни-
ком 1, рудных нагрузок на кокс 2, температуры дутья
11, влажности 13 и количества горячего дутья 16. В ми-
ни-ЭВМ поступает информация о составе от датчиков
7, 8, 14, 15 и 17 и температуре 9 газа по окружности
и радиусу колошника, о температуре фурменной зоны 18
и продуктов плавки 19 и 12. Контроль схода шихты осу-
ществляется датчиком уровня шихты 10.
Л 90
Назначение центральной УВМ состоит в согласовав
нии работы верхней и нижней частей печи и согласо-
вании мер теплового регулирования и регулирования
хода печи.
Рассмотрим подробнее управление тепловым состоя-
нием и ходом доменной печи. Тепловое состояние до-
менной печи определяется разностью между количеством
тепла, поступающим в печь, и количеством тепла, необ-
ходимым для получения чугуна заданного состава и тем-
пературы из данного сырья. Основной причиной нару-
шения теплового равновесия является изменение тепло-
вой и восстановительной работы газового потока, которое-
меняет соотношение прямого и косвенного восстановле-
ния железа.
При сжигании углерода топлива в дутье, подаваемом
через фурмы, образуется газ (углерод топлива сгорает
в конечном счете с образованием СО, так как образую-
щийся диоксид углерода при температурах 1600—2000°С
взаимодействует с углеродом), содержащий —35 % СО и
—65% N2. Однако к дутью современных печей добавля-
ется водяной пар, кислород и природный газ. Поэтому
состав горнового газа определяется также составом
дутья: увеличение содержания кислорода в дутье повы-
шает в горновом газе содержание СО и снижает со-
держание N2; при вводе природного газа возрастает со-
держание Н2. Наличие в горновом газе заметных коли-
честв Н2 приводит к увеличению содержания СО ь
области прямого восстановления. Выше этой области
проходят реакции косвенного восстановления, где вос-
станавливаются высшие оксиды железа и марганца.
При всех реакциях косвенного восстановления происхо-
дит образование СО2. Состав газа в области косвенно-
го восстановления зависит от степени окисленности
железорудной части шихты, степени использования га-
за, а также количества газа на единицу рудной части,
которое определяется относительным расходом топлива.
Таким образом по составу газа, находящегося в пе-
чи, можно судить о ходе процессов, протекающих во
всем ее объеме. Зная, например, состав колошникового
газа и некоторые другие величины, можно определить
необходимое количество дутья и количество образован-
ного в печи газа.
На тепловое состояние печи влияют состав, физичес-
кие свойства шихтовых материалов и другие факторы.
При правильном соотношении процессов прямого и кос-
191:
венного восстановления железа, а также при стабилиза-
ции параметров шихтовых материалов обеспечивается
минимальный расход кокса на тонну выплавленного чу-
гуна. Однако самая совершенная подготовка сырых ма-
териалов к плавке не исключает отклонения в распреде-
лении и использовании газового потока по сечению
печи.
Тепловое состояние печи оценивают по содержанию
кремния и серы в чугуне, составу и физическим свойствам
шлака, температуре чугуна и шлака на выпуске, яркости
сечения фурменных очагов. Тепловая работа печи может
быть оценена и непосредственным вычислением тепло-
вого к.п.д. печи и коэффициента использования углерода
в печи. Для подсчета указанных коэффициентов состав-
ляется тепловой баланс доменной плавки.
Задачей управления тепловым состоянием доменной
печи является создание условий, при которых приход
тепла соответствует необходимому расходу и наблюда-
ется оптимальное соотношение процессов прямого и кос-
венного восстановления. При таких условиях достигает-
ся главный показатель экономичности процесса — мини-
мальный расход кокса, а также максимальная
производительность печи при необходимом составе чу-
гуна.
Управление тепловым состоянием печи предполагает
предупреждение нарушения теплового равновесия. Уп-
равляющими воздействиями на процесс являются из-
менение рудной нагрузки и параметров дутья (влаж-
ности, температуры и расхода, подачи природного газа
и кислорода). Эффективное управление тепловым сос-
тоянием требует контроля непрерывно изменяющейся
восстановительной и тепловой работы газа, расшифров-
ки (по результатам химического состава газа) тенденций
изменения восстановительной и тепловой работ газа и
подачи соответствующих команд на изменение управ-
ляющих воздействий.
Ввиду того, что доменная печь как объект управле-
ния является высокоинерционным агрегатом, информа-
ция о тепловом состоянии получается с запаздыванием.
А такие выходные параметры теплового состояния как
состав и температура чугуна и шлака на выпуске харак-
теризуют работу печи за прошедший длитетьный период
(несколько часов) и нс позволяют с\дить о тепловом
состоянии печи в текущий момент времени и прогнозиро-
вать его на будущее. Поэтому для управления тепловым
192
состоянием идут по пути составления математического
описания доменного процесса.
Разработанные алгоритмы автоматического управле-
ния тепловым состоянием доменной печи главным обра-
зом основаны на материальных и тепловых балансах и
учитывают с определенной степенью полноты отдельные
стороны технологического процесса.
В качестве примера рассмотрим алгоритм, основан-
ный на определении тенденции к изменению восстано-
вительной и тепловой работы по анализу колошникового
газа и температуре в различных точках по высоте печи.
Принцип анализа процессов восстановления и тепло-
обмена в верхней и нижней частях печи по составу ко-
лошникового газа сводится к следующему. Если усили-
вается косвенное восстановление железа, то в газе воз-
растает содержание СОг и настолько же уменьшается
содержание СО; сумма (СОг+СО) остается неизменной.
Если же усиливается прямое восстановление, то в газе
возрастает содержание СО при незначительном умень-
шении содержания СО2; сумма (СО2+СО) также увели-
чивается. Контроль СО2 и СО дополняется контролем со-
держания водорода; если последнее уменьшилось, соот-
ветственно увеличилось косвенное восстановление и
наоборот. Однако содержание Н2 в газе может изменя-
ться по причинам, не связанным с процессами восста-
новления (с увеличением количества природного газа и
пара в дутье возрастает содержание Н2 в газе).
Входными величинами алгоритма (табл. V.1) явля-
ются знаки изменений за установленные интервалы вре-
мени усредненных значений компонентов колошниково-
го газа, а также температуры фурменной зоны (Д/ф).
Увеличение или уменьшение каждой величины в алго-
ритме обозначено знаками «плюс» или «минус». Если
значение параметра не меняется, его состояние обозна-
чают знаком 0.
Основными признаками, свидетельствующими об из-
менении восстановительных процессов, являются на-
правления изменений компонентов колошникового газа.
Направление изменения температуры фурменной зоны
является сопутствующим признаком, подтверждающим
изменение теплового состояния нижней части печи вслед-
ствие изменения восстановительных процессов. Знак при-
ращений алгебраической суммы содержания СО и СО2
в газе позволяет судить о преобладающем изменении
величины того или иного компонента.
7. 15.
193
- Таблица V.l. Алгоритм управления тепловым состоянием доменной печи (фрагмент)
Строка
Входные параметры Выходные параметры
ДСОз ДСО ДСО+ДСОг Д,Ф Резерв увеличения температуры дутья есть Резерва увеличения температуры дутья нет
Качественная рекомендация Количественная рекомен- дация Качественная рекомендация Количественная рекомен- дация
’’ к д/д ДК 'д К Д*д дк
1 ;+ 0 — 0 — 0 5ДСО2 0 — 0 5ДСО2
2 + — — — 0 — 0 5ДСО» 0 — 0 5ДСО2
3 + 0 — 0 + 0 5ДСО2 0 + 0 5ДСО2
4 + — 0 + 0 5ДСО2 0 + 0 5ДСО2
5 + + + — — 80(ДСО + ЛСО2) 5ДСО2 — — 80(ДСО+ДСО2) 5ДСО2
6 + + + Запрет — 0 5ДСО2 Запрет — 0 5ДСО2
7 + + + + 80(ДСО+ДГО2) 5ДСО2 0 + 0 5ЛСО2
8 — + + Запрет + 0 5ДСО2 0 + 0 5ДСО2
17 0 + -— + — 0 80ДСО 0 0 + 0 ЗДСО
18 0 + — — — Запрет — 0 + 0 ЗДСО
Примечание. Знак
указывает, что параметр может принять
чивается; знак + указывает, что параметр может принять значение <плюс> или
значение <минус> или
О, т- е- уменьшается.
О,
т.
е. не увели
Выходными величинами алгоритма (управляющими
величинами) являются изменения количества кокса (ДК)
в подаче и температуры дутья (Д/д). Изменение количес-
тва кокса производится сразу же после выдачи рекоменда-
ций; изменение же температуры дутья производится через
2—3 ч после изменения состава газа, если изменение тем-
пературы на фурмах подтверждает соответствие тепло-
вого состояния горна выданной рекомендации. Если со-
ответствие нарушается, налагается запрет.
Принятые в алгоритме коэффициенты для определе-
ния количественных рекомендаций (5% и 3% расхода
кокса, 80°C температуры дутья на 1% изменения со-
держания СО2 и СО в газе) получены расчетом.
Логическая обработка той или иной строки алгорит-
ма при различных комбинациях входных параметров
следующая (см. табл. V.1).
1-я строка: увеличилось косвенное восстановление
( + СО2 и —СО); требуется уменьшить количество кокса
в подаче;
5-я строка: увеличилось косвенное восстановление и
уменьшилось прямое, знак изменения температуры фур-
менной зоны подтверждает уменьшение прямого восста-
новления; требуется уменьшить количество кокса в по-
даче и снизить температуру дутья.
Ход доменной печи характеризуется в первую оче-
редь опусканием шихтовых материалов, обусловленным
плавлением материалов и горением кокса. Скорость хо-
да печи является показателем ее производительности.
Опускание шихтовых материалов присходит под дей-
ствием силы тяжести, которая в известной мере уравно-
вешивается силами трения и подъемной силой потока
встречных газов. Последняя зависит от расхода дутья,
распределения материалов по сечению и высоте печи,
их гранулометрического и химического составов и других
факторов. При данных условиях работы печи существует
критическое значение расхода дутья, при котором сила,
противодействующая сходу шихты, полностью компен-
сирует гравитационную силу. При этом материалы пре-
кращают свое движение, т. е. шихта зависает в печи.
Одной из основных задач управления сходом шихты
является достижение максимальной и равномерной по
сечению печи скорости опускания материалов. Такая
скорость достигается подачей соответствующего количе-
ства дутья. Превышение его нарушает ровный ход печи,
а уменьшение приводит к снижению производительности.
7*
195
Измерение уровня засыпи шихты в печи является по
существу единственным методом прямого контроля хода
доменного процесса Косвенными показателями, характе-
ризующими условия движения газового потока в столбе
шихтовых материалов и, следовательно, противодавление
потока газов сходу шихты, являются распределение ста-
тического давления газов по высоте шахты печи и ха-
рактер распределения содержания диоксида углерода
по диаметру колошника.
Основные управляющие воздействия на ход печи
«сверху» заключаются в изменении распределения мате-
риалов на колошнике и состава шихты. Более эффек-
тивны управляющие воздействия «снизу»: изменение ко-
личества дутья, его температуры и влажности, а при
применении комбинированного дутья—изменение его
состава и распределения по фурмам.
На современных доменных печах основным парамет-
ром для управления ходом печи является распределе-
ние статического давления
Рис. V.7. Схема контроля перепадов
давления газов
газов по высоте шахты
(перепад давления га-
за). В доменной печи
измеряют три перепада
статического давления
(рис. V.7): общий, ха-
рактеризующий общее
аэродинамическое соп-
ротивление всего стол-
ба шихты 4 (от коль-
цевого воздухопровода
до колошника печи);
нижний, характеризую-
щий сопротивление ни-
жнего участка 2 (от
кольцевого воздухопро-
вода до середины шах-
ты); верхний, характе-
ризующий сопротивление верхнего участка печи 3 (от
середины шахты до колошника). Прибор 1 измеряет
давление горячего дутья.
Характер изменения всех трех измеряемых перепа-
дов давления позволяет определить участок, на котором
произошло изменение газопроницаемости. Например,
верхний перепад увеличился, нижний уменьшился, об-
щий увеличился. Такие изменения перепадов свидетель-
ствуют о том, что газопроницаемость в верхней части
196
печи ухудшилась, а в нижней осталась без изменения.
Следовательно, для приведения процесса к норме
следует увеличить газопроницаемость в верхней части
печи.
После определения места нарушения процесса не-
обходимо выбрать меру воздействия. Для рассматрива-
емого примера увеличение газопроницаемости верхнего
участка можно добиться, увеличив неравномерность рас-
пределения агломерата по радиусу печи, т. е. уменьшив
его количество в центре и на периферии и увеличив на
гребне (в середине радиуса). Такое изменение будет ак-
тивным, так как повлияет на причину, вызвавшую на-
рушение. Но можно изменить процесс и пассивными ме-
тодами: повысить давление на колошнике или умень-
шить количество дутья. Это ликвидирует опасность
зависания шихты, но причина вызвавшая нарушение про-
цесса, не устраняется и газопроницаемость верхней части
печи не изменится. В соответствии с этим при управле-
нии ходом печи следует в первую очередь применять
активные меры («сверху» — изменение распределения
материалов; «снизу» — изменение температуры и влаж-
ности дутья) и только вынужденно применять пассив-
ные меры («сверху» — изменение давления на колошни-
ке; «снизу» — изменение расходов дутья, природного га-
за и кислорода).
Рассмотренная схема управления ходом печи по из-
мерению трех перепадов давления позволяет осуществ-
лять управление с большой степенью приближенности.
Это связано с тем, что перепады давления, измеряемые
по одной — двум образующим печи, характеризуют со-
стояние шихты в ограниченном секторе печи.
В Киевском институте автоматики разработан способ
контроля газопроницаемости шихты в каждом из ло-
кальных секторов, максимальное число которых равно
числу фурм. Суть способа состоит в одновременном из-
мерении давления и расхода дутья через каждую из
фурм, определении перепадов между давлениями дутья
на каждой фурме (или группе фурм) и давлениями в
середине шахты, измеряемыми в нескольких точках, и
в колошниковом пространстве, а также вычислении на
основе полученных данных газодинамических сопротив-
лений в каждом из локальных секторов. Благодаря пред-
ложенной системе существенно повысилась достоверность
информации о газодинамическом режиме работы домен-
ной печи.
197
Последовательность действий по управлению ходом
печи должна быть следующей. Обеспечивается возмож-
ная мера стабилизации шихтовых условий. Непрерывно
контролируются величины перепадов давления. Если
нарушение произошло в верхней части печи, то на осно-
ве непрерывного контроля распределения материалов
устанавливается направление отклонения. После этого
изменяется распределение материалов в нужном на-
правлении. Если нарушение произошло в нижней части,
то в соответствующем направлении изменяется темпера-
тура и влажность дутья. Если принятые меры не дают
необходимого результата и опасность зависания не умень-
шается, то снижается расход дутья. По мере действия
активных мер управления расход дутья восстанавлива-
ется. При изменении процесса одновременно и в верх-
ней и в нижней частях печи воздействие оказывают на
обе части печи.
Вопросы для самопроверки
1. Какие основные особенности доменной печи, как объ-
екта автоматического управления?
2. Какие основные параметры автоматически контро-
лируются в доменной печи?
3. Какие основные параметры регулируются в домен-
ной печи?
4. Какие управляющие воздействия на ход доменного
процесса оказываются «сверху»?
5. Какие управляющие воздействия на ход доменного
процесса оказываются «снизу»?
6. Какие существуют способы измерения уровня засы-
пи шихты на колошнике?
7. В чем заключается сущность управления тепловым
состоянием доменной печи? Как оценивается тепловое
состояние?
8. Какие локальные САР применяются в доменном про-
изводстве?
9. Как оценивается остывание воздухонагревателя?
10. В чем состоят принципы автоматического управле-
ния воздухонагревателями?
11. Какие основные функции АСУ ТП доменного произ-
водства?
Глава VI
АВТОМАТИЗАЦИЯ МАРТЕНОВСКИХ
И ДВУХВАННЫХ ПЕЧЕН
§ 1. Особенности теплового
и технологического режимов
Мартеновский процесс производства стали, существую-
щий уже более 100 лет, в последние годы заменяется
другими, менее энергоемкими процессами — конвертер-
ным и электросталеплавильным. Однако в конце XI пя-
тилетки в мартеновских печах в нашей стране выплав-
лялось 56% всей стали, в XII пятилетке доля мартенов-
ской стали будет уменьшаться.
Мартеновские печи металлургических заводов рабо-
тают скрап-рудным процессом, при котором шихта сое
тоит из 50—60% чугуна и 50—40% лома; при необхо-
димости количество лома в шихте может быть увеличено.
Мартеновский процесс заключается в переплавке лома
и удалении примесей из чугуна (углерода, серы, фосфо-
ра). В качестве окислителей используется железная ру-
да, даваемая в завалку, и технический кислород, вду-
ваемый в ванну. При интенсивной продувке ванны кис
лородом расход руды существенно снижается и
мартеновский процесс в значительной степени утрачи-
вает свое название, т. е. становится, по-существу, без-
рудным.
Мартеновские печи относятся к регенеративным пе-
чам с открытым подом. Регенераторы предназначены
для использования физического тепла отходящих газов
на нагрев воздуха горения. До появления процессов по-
лучения дешевого технического кислорода регенераторы
были необходимы для получения высокой температуры
в рабочем пространстве, обеспечивающей ход сталепла-
вильного процесса. Большинство мартеновских печей
отапливается природным газом с добавлением мазута
(до 30% по количеству тепла).
Плавка в мартеновской печи подразделяется на сле-
дующие периоды: I—заправка печи; II — завалка сы-
пучих материалов (руда, известняк) и лома; III — прог-
грев заваленных материалов; IV — заливка жидкого чу-
гуна; V—плавление; VI — доводка металла до задан-
ного состава; VII — выпуск стали.
199
На рис. VI. 1 показан тепловой и температурный ре-
жимы плавки в 650-т мартеновской печи. В период за-
правки тепловая мощность обеспечивает поддержание в
рабочем пространстве печи температуры 1600—1700°С
и расходуется на покрытие тепловых потерь с охлаж-
1500
1700
70
60
50
90
1,2
2
1100
900
Рис. Vl-b Тепловой и темпе-
ратурный режимы плавки в
650-т мартеновской печи:
/ — усредненная тепловая
мощность; 2 — усредненный
коэффициент расхода воз-
духа; 3 — расход кислорода;
4 — температура свода рабо-
чего пространства; 5 — тем-
пература продуктов сгора-
ния в вертикальном канале;
6 — температура верха грею-
щейся насадки регенерато-
ров; 7 — температура нагрева
воздуха
дающей водой, через кладку, излучением через окна и
щели и с уходящими продуктами сгорания. Во время
завалки тепловая мощность поддерживается на макси-
мально возможном уровне, так как при загрузке в печь
холодных материалов усвоение тепла шихтой велико и
достигает удельных значений 200—250 кВт/м2 площади
пода. Для интенсификации процесса сгорания топлива
и повышения температуры факела в этот период пода-
ется технический кислород через отдельные сопла горе-
лок. Количество воздуха, подаваемое вентилятором,
должно быть таким, чтобы обеспечить сжигание топлива
в пределах рабочего пространства. Коэффициент расхо-
да воздуха на входе в печь («на клапане») с учетом
расхода кислорода составляет 1,3—1,4. Фактическое зна-
чение коэффициента расхода воздуха в рабочем прос-
транстве будет меньше (—1,15), так как часть воздуха
после измерительного устройства теряется через не-
плотности кладки боровов, регенераторов и вертикаль-
ных каналов головок. Опасности перегрева кладки в
200
этот период нет; наоборот, необходимо предохранять
свод рабочего пространства от чрезмерного переохлаж-
дения, так как резкие перепады температур уменьшают
стойкость свода.
В период прогрева обеспечивается нагрев шихты до-
некоторой средней температуры, достаточной для актив-
ного течения дальнейшего процесса плавления, а тем-
пература ее поверхности постепенно повышается, что
сопровождается увеличением температуры свода (см.
рис. VI.1), уменьшением усвоения тепла шихтой и сни-
жением тепловой мощности.
С момента начала заливки жидкого чугуна на про-
гретый и окисленный лом начинается выгорание кремния,
марганца и частично углерода за счет кислорода желез-
ной руды и окисленного лома. Ванна покрывается слоем
относительно холодного пенистого шлака с большим со-
держанием оксидов железа (во время плавления шлак
частично сливают из печи). Во время или после окон-
чания заливки чугуна начинают продувку ванны кисло-
родом через сводовые фурмы. Вдуваемый кислород рас-
ходуется на окисление углерода, а в начальный период
(при температуре ванны менее 1450°С) также и на окис-
ление железа. Скорость выгорания углерода в началь-
ный период плавления несколько меньше (до 1,5 раз),
чем во второй половине периода. Углерод в ванне окис-
ляется до СО, который всплывает в виде пузырей и обес-
печивает активное перемешивание («кипение») металла
и шлака, что способствует теплопередаче к металлу че-
рез шлак и позволяет получить равномерный состав рас-
плава в ванне при небольших градиентах температуры и
концентраций. Оксид углерода — горючий газ и его до-
жигание в рабочем пространстве обеспечивает поступле-
ние дополнительного тепла. Тепловая мощность от сжи-
гания топлива во время плавления снижается и при ин-
тенсивной продувке ванны кислородом может стать ни-
же тепловой мощности холостого хода. Для дожигания
СО необходим дополнительный воздух. Поэтому коэф-
фициент расхода воздуха (рассчитанный на топливо)
увеличивают до 1,8 и даже более (см. рис. VI.1).
Температура свода рабочего пространства и верха
насадок регенераторов достигают в период плавления
максимальных значений и возникает опасность перегрева
кладки.
Главной теплотехнической задачей всех периодов
плавки от начала завалки до окончания плавления яв-
201
ляется передача ванне как можно быстрее и как можно
большего количества тепла. Эта же задача, сводящаяся
к обеспечению необходимой тепловой мощности, являет-
ся и главной задачей управления, поскольку обеспечи-
вает минимальную продолжительность плавки и, следо-
вательно, максимальную производительность печи. Дру-
гими задачами управления мартеновской печью явля-
ются защита кладки от перегрева и разрушения и обес-
печение полного сжигания топлива в рабочем простран-
стве печи.
С технологической точки зрения управление процес-
сом плавления направлено на удаление из металла оп-
ределенной части углерода и значительной части серы и
фосфора. Последнее обеспечивается главным образом
шихтовкой плавки, определяющей нужный шлаковый ре-
жим, а также удалением и частичной корректировкой
состава шлака.
В период доводки основной задачей управления яв-
ляется получение стали заданного состава и температу-
ры. Для окончательного удаления вредных примесей и
обеспечения хорошего «кипения» ванны, способствующе-
го удалению из металла газов, осуществляется коррек-
тировка состава шлака присадками железной руды, ока-
лины, боксита, извести и других материалов. В процессе
доводки плавки важно соблюдать синхронность обезугле-
роживания и нагрева металла — желательно поддержи-
вать постоянный перегрев над температурой ликвидуса.
Если нагрев металла отстает от его обезуглероживания,
то необходимо уменьшить интенсивность продувки ван-
ны кислородом и увеличить тепловую мощность. Если
нагрев ванны опережает обезуглероживание, то приме-
няют присадки железной руды или окалины, ускоряющие
окисление углерода и охлаждающие ванну.
§ 2. Автоматический контроль мартеновского процесса
Для облегчения ручного управления мартеновской печью
ряд величин в печи контролируется автоматически: тем-
пература (свода рабочего пространства; верха насадок
регенераторов; в общем борове перед дымовой трубой;
жидкого металла в ванне печи): расходы (природного
газа, мазута или другого топлива; вентиляторного воз-
духа; кислорода; сжатого воздуха); давление (под сво-
дом рабочего пространства; разрежение в общем боро-
ве); содержание кислорода в продуктах сгорания; со-
202
держание углерода в металле; положение кислородных
фурм.
Температура свода рабочего пространства в пределах
1400—1800 °C измеряется радиационными пирометрами,
устанавливаемыми в водоохлаждаемой арматуре и нап-
равленными на свод через амбразуры в задней стенке
печи. Используется два пирометра, подключаемые к вто-
ричному прибору попеременно так, чтобы измерялась,
температура свода на отводящей стороне печи.
Измерения с помощью пирометров не очень надеж-
ны из-за частого загрязнения оптики пирометра, засо-
рения амбразур, а также из-за влияния излучения слоя
запыленных газов между сводом и пирометром. Указан-
ных недостатков лишен шомпольный термозонд. В своде
печи устанавливается водоохлаждаемая амбразура, в
которой перемещается водоохлаждаемый цилиндричес-
кий шомпол с чувствительным элементом. Шомпол тер-
мозонда периодически один раз в 1—2 мин вдвигается
в печь с помощью специального пневмопровода на время
примерно 30 с. В печи под воздействием излучения рабоче-
го пространства в стенке чувствительного элемента возни-
кает разность температур, измеряемая термопарами, ус-
тановленными в отверстиях на разной глубине от по-
верхности. При постоянном расходе воды, охлаждающей
шомпол, разность температур в стенке шомпола харак-
теризует тепловой поток, воспринимаемый чувствитель-
ным элементом термозонда. Величина этого теплового
потока функционально связана с температурой окружаю-
щего участка свода.
Температура верха насадок регенераторов в диапа-
зоне 1000—1400°С измеряется радиационными пиромет-
рами, устанавливаемыми в водоохлаждаемой арматуре
и направленными сверху вниз на поверхность верхнего
ряда насадки.
Температура в общем борове в диапазоне 400—700°С
измеряется хромель-алюмелсвой термопарой, устанавли-
ваемой в стальном чехле. Температура жидкого металла
измеряется в основном в период доводки плавки 2—3
раза термопарами периодического действия (см. гл. III).
В некоторых случаях применяют термопары непрерыв-
ного замера для измерения температуры металла во вре-
мя доводки в течение 30—60 мин.
Избыточное давление под сводом рабочего простран-
ства (30—60 Па) измеряется колокольными дифмано-
метрами. Отбор давления в рабочем пространстве осу-
203
ществляется импульсной трубкой через отверстие в цен-
тральной части свода печи (ближе к задней стенке).
Для компенсации изменения геометрического давления
в импульсной трубке, проложенной на разной высоте
в местах с различной температурой, параллельно ей ук-
ладывается вторая трубка, открытая в атмосферу над
сводом печи и подсоединяемая к минусовому входу диф-
манометра.
Продукты сгорания в мартеновских печах контроли-
руются на содержание кислорода и СО. Водоохлаждае-
мые газоотборные фурмы устанавливаются в вертикаль-
ных каналах или в пережимах между шлаковиками и
регенераторами. Печи оборудуют системами отбора га-
зов с обеих сторон. После охлаждения, очистки и осушки
продукты сгорания поступают к датчику газоанализато-
ра или газоиндикатору ТЭФЛОКС (см. гл. III).
Состав металла и шлака определяется в экспресс-ла-
бораториях химическим путем или с применением фи-
зических методов (например, спектрометров) при ана-
лизе проб, отбираемых специальной ложкой из ванны
мартеновской печи. В металле определяется содержа-
ние углерода, марганца, серы, фосфора, меди и некото-
рых других элементов. В шлаке определяется содержа-
ние SiO2, CaO, FeO, Р2О5 и др.
В некоторых случаях осуществляется непрерывный
или периодический контроль окисленности металла в пе-
риод доводки с помощью твердоэлектролитных датчи-
ков-активометров (см. гл. III). При низком содержании
углерода в ванне показания актинометра можно исполь-
зовать для определения концентрации углерода в ме-
талле. Так при содержании углерода менее 0,1% точ-
ность его определения составляет±0,01 %.
Контроль положения кислородных фурм относитель-
но фиксированной точки осуществляется с помощью се-
льсинов, механически связанных с редуктором привода
фурм. Положение фурм фиксируется на вторичном при-
боре с точностью 1 см.
Применяются и электрические методы контроля, нап-
ример по величине электросопротивления участка фур-
ма — металл. Этот метод основан на различии электри-
ческой проводимости газовой фазы, шлака и металла.
При нахождении электрически изолированной фурмы
в газовой фазе рабочего пространства сопротивление
между фурмой и заземленным каркасом печи составля-
ет 25—30 кОм. В момент касания фурмой шлака сопро-
204
тивление скачкообразно снижается, продолжает умень-
шаться при дальнейшем погружении и становится рав-
ным нулю при соприкосновении фурмы с металлом.
Таким образом по величине сопротивления возможно су-
дить о положении фурмы, особенно на границах газо-
вая фаза — шлак и шлак — металл.
§ 3. Локальные системы управления
В наиболее распространенных системах управления мар-
теновским процессом автоматизируется только тепловой
режим мартеновской печи, технологический режим авто-
матизации практически не подвергается. В системах ав-
томатического управления тепловым режимом решается
четыре основных задачи: управление тепловой мощ-
ностью, регулирование горения, регулирование давления
в рабочем пространстве и автоматическая защита на-
садок регенераторов от перегрева (перекидка клапанов).
Локальные системы управления, предназначенные для
решения указанных задач, связаны между собой через
объект управления (мартеновскую печь) и иногда до-
полняются внешними связями в схемах.
Тепловая мощность
Тепловая мощность мартеновской печи должна изме-
няться по периодам плавки (см. рис. V1.1). На большин-
стве печей изменение тепловой мощности производит
сталевар в соответствии с тепловой инструкцией, опреде-
ляющей пределы тепловой мощности в каждый
период плавки, и состоянием ванны и печи, оценивае-
мым визуально по показаниям измерительных приборов.
Системы автоматического регулирования (рис. VI.2)*
стабилизируют заданные сталеваром расходы топлива
(природного газа и мазута) с помощью регуляторов 1.
Задания расхода каждого топлива устанавливаются ста-
леваром ручными задатчиками 2.
Можно управлять тепловой мощностью таким об-
разом, чтобы поддерживать постоянную заданную темпе-
ратуру свода рабочего пространства. Такой принцип при-
нят в системе АВТЕР (автоматизация теплового режи-
ма), разработанной Челябинским научно-исследователь-
* На рис. VI.2 и далее, как и в гл. IV сужающие устройства в
датчики расхода изображены упрощенно как один прибор.
205
ским институтом металлургии. Температура свода
измеряется шомпольным термозондом и поддерживается
постоянной в период плавки. Принято целесообразным
поддерживать следующую температуру свода по перио-
дам плавки: завалка 1580—1620; прогрев 1650—1700;
плавление 1650—1700; доводка 1680—1720°С.
Рис. VL2. Схема системы стабилизации тепловой мощности:
/ — горелки; /7 — перекидные устройства (исполнительные механизмы и кла-
паны)
Система стабилизации температуры свода показана
на рис. VI.3. Регулятор управляет расходом основного
топлива, в данном случае расходом природного газа.
Расход мазута поддерживается отдельным регулятором
Мазут
Рис. VI.3. Схема системы стабилизации температуры свода рабочего про-
странства (стрелками показано направление движения газов)
на заданном сталеваром уровне. Применение такой сис-
темы превращает мартеновскую печь из агрегата с от-
носительно постоянной тепловой мощностью (в пределах
периода плавки) и переменной температурой свода в
206
агрегат с переменной тепловой мощностью и относитель-
но постоянным температурным режимом свода рабочего
пространства. В режиме работы /Св = const подача топ-
лива автоматически меняется в соответствии с возмож-
ностями ванны поглощать тепло, например в соответст-
вии с темпом загрузки шихты.
Регулирование горения
Задача регулирования горения — обеспечить полное сжи-
гание топлива и выделяющегося из ванны СО в преде-
лах рабочего пространства мартеновской печи. Для этой
цели могут применяться отдельные регуляторы расхода
вентиляторного воздуха и кислорода, стабилизирующие
эти расходы на уровнях, заданных сталеваром. Как и
при стабилизации тепловой мощности, пределы измене-
ния расходов по периодам плавки определяются тепло-
вой инструкцией.
Поскольку расход топлива довольно часто и сущест-
венно (особенно при стабилизации температуры свода,
как в системе АВТЕР) меняется в ходе плавки, для обес-
печения лучшего качества сжигания целесообразно при-
менение регуляторов соотношения топливо / воздух. Так
как в мартеновской печи используется несколько видов
топлива и кислородоносителей (вентиляторный воздух,
технический кислород, сжатый воздух), то возможно
построение суммарной схемы соотношения, учитываю-
Рис. VI.4. Схема регулирования соотношения топливо —
кислородоносители
207
щей расходы всех видов топлива и кислородоносителей.
Функциональная схема регулирования соотношения топ-
ливо / кислородоносители показана на рис. VI.4. Регуля-
тор соотношения 1 поддерживает заданный коэффици-
ент расхода воздуха, который определяется формулой
= Уз+4,76Ук
Ут.пр.г+Ут.м *
(VI.1)
где VB — действительный расход воздуха, измеряемый
прибором 2; Ук — расход кислорода, измеряемый прибо-
ром 3; Рт.пр.г — теоретический расход воздуха на сжига-
ние природного газа; Ут.м — то же, мазута.
Расходы природного газа и мазута измеряются при-
борами 4 и 5 и пересчитываются приборами 6 и 7 ум-
ножением на постоянные коэффициенты в теоретические
расходы воздуха. Прибор 8 служит для пересчета рас-
хода кислорода в соответствующий расход воздуха.
В рассмотренной схеме регулятор поддерживает задан-
ный коэффициент расхода воздуха, изменяя при необ-
ходимости расход вентиляторного воздуха. Расход кис-
лорода при этом стабилизируется отдельным регулято-
ром. Можно оказывать воздействие на расход кислоро-
да (так предусмотрено в системе АВТЕР), стабилизируя
расход воздуха отдельным регулятором. Изменения за-
данного значения а, необходимые, например, для обес-
печения дожигания СО в период плавления (см. рис.
VI.1), производятся сталеваром с помощью ручного за-
датчика 9.
Схема соотношения (см. рис. VI.4) обеспечивает под-
держание заданного значения коэффициента избытка
воздуха по показаниям измерительных приборов («на
клапане»). Схема не учитывает потерь вентиляторного
воздуха через неплотности кладки регенераторов и вер-
тикальных каналов и действительного количества СО
ванны.
Наиболее качественное регулирование горения полу-
чается, если задание регулятору соотношения или регу-
лятору расхода воздуха устанавливать автоматически
специальным корректирующим устройством по содержа-
нию кислорода в продуктах сгорания. Функциональная
схема системы регулирования расхода воздуха с кор-
рекцией по составу продуктов сгорания в вертикальном
канале показана на рис. VI.5. Расход вентиляторного
воздуха стабилизируется регулятором 1 на уровне, ус-
тановленном сталеваром с помощью ручного задатчика
208
2. Корректирующий прибор 3 получает информацию от
анализатора избыточного кислорода 4 и корректирует’
задание регулятору 1 в зависимости от отклонения со-
держания избыточного кислорода от заданного (задат-
чик 5). Анализатор избыточного кислорода 4 и задатчик
5 имеются для каждой стороны печи и поочередно под-
ключаются к корректирующему прибору 3.
Рис. VI.5. Схема регулирования расхода воздуха с коррекцией по соста-
ву отходящих газов:
/ — вентилятор для подачи воздуха; II—перекидные устройства
Давление в рабочем пространстве
Избыточное давление в рабочем пространстве мартенов-
ской печи регулируется таким образом, чтобы под сво-
дом в зависимости от размера печи оно составляло 30—
60 Па. При этом на уровне гляделок рабочих окон избы-
точное давление практически равно нулю, что обеспе-
чивает минимальные подсосы холодного воздуха на
уровне ванны и небольшое выбивание продуктов сгора-
ния в верхней части окон рабочего пространства.
Функциональная схема регулирования давления по-
казана на рис. VI.6. Регулятор получает информацию
от датчика перепада давления и воздействует с помо-
щью исполнительных механизмов на направляющий
аппарат дымососа или на регулирующий дымовой ши-
бер IV в зависимости от работы печи с котлом-утилиза-
тором или без него. Выбор исполнительного механизма
обеспечивается ручным переключателем 3, а ручной пе-
209
реключатель 6 обеспечивает возможность управления
дымовым шибером или направляющим аппаратом ды-
мососа вручную кнопками 7.
Рис. VI.6. Схема регулирования давления под сводом рабочего
пространства:
1 — перекидные устройства; II — котел-утилизатор; III — ды-
мосос; IV — регулирующий дымовой шибер; V—отсечной ши-
бер; VI — дымовая труба; 1 — регулятор; 2 — датчик перепада
давления; 3, 6 — ручные переключатели; 4 — ручной задатчик;
5 — указатель положения дымового шибера; 7 — кнопки управ-
ления
Автоматическая перекидка клапанов
Система автоматической перекидки клапанов (ревер-
сирование факела) служит в мартеновской печи для
предохранения насадок регенераторов от перегрева и
для обеспечения рационального режима работы регене-
раторов (уменьшение интервала между перекидками по
ходу плавки по мере разогрева печи).
Перевод всех перекидных клапанов из одного поло-
жения в другое осуществляет командоаппарат по зара-
нее установленной схеме таким образом, чтобы обеспе-
чить минимальную продолжительность всего цикла пе-
рекидки и времени отсутствия факела в рабочем
пространстве печи. Команда (импульс) на перекидку
клапанов может формироваться различными способами.
Наиболее простой является система перекидки кла-
панов по времени с использованием моторного реле вре-
210
мени. Задание интервала между перекидками устанав-
ливает сталевар отдельно для каждой стороны печи и
меняет вручную по ходу плавки (большие интервалы в
периоды завалки и прогрева и меньшие в периоды плав-
ления и доводки). Такая система не гарантирует защи-
ты насадок от перегрева, эти функции выполняет ста-
левар.
При другом варианте команда на перекидку клапа-
нов поступает при достижении температурой верха гре-
ющей насадки максимально допустимого значения и за-
мыкания при этом соответствующего контакта в
измерительном приборе (потенциометре). Во избежание
ложного срабатывания системы перекидки при случай-
ных кратковременных изменениях показаний прибора
(при проскоке пламени в регенератор) система блоки-
руется дополнительным реле времени, которое не про-
пускает командный сигнал до истечения минимального
установленного времени (например 10 с). Указанная сис-
тема гарантирует автоматическую защиту насадок от
перегрева и обеспечивает уменьшение интервала между
перекидками по мере разогрева печи. Иногда приме-
няется комбинированная система перекидки клапанов —
по времени (с ограничением по температуре греющейся
насадки).
У некоторых мартеновских печей при большой фор-
сировке их работы насадки регенераторов перегреваются
при любой частоте перекидки клапанов и тогда прихо-
дится ограничивать питание печи теплом или принимать,
дополнительные меры по охлаждению продуктов сгора-
ния путем подачи в шлаковики распыленной воды.
В этом случае применяют локальные системы автомати-
ческого регулирования температуры верха насадки ре-
генератора.
§ 4. Особенности автоматизации двухванных печей
Двухванная сталеплавильная печь имеет два соединен-
ных друг с другом рабочих пространства (две ванны),
в одном из которых происходит продувка металла кис-
лородом, в другом—завалка и прогрев твердой шихты.
Выделяющийся при продувке СО из первой ванны пос-
тупает во вторую, дожигается там и отдает тепло хо-
лодной твердой шихте, чем достигается частичное ис-
пользование тепла отходящих газов. После выпуска
плавки назначение ванн меняется. В двухванной печи
211
дожигание СО и сжигание дополнительного топлива
(природного газа), подаваемого, как правило, в «холод-
ную» ванну через сводовые горелки, производится в
техническом кислороде. Печь не имеет регенераторов и
все физическое тепло уходящих из «холодной» ванны
газов используется в котле-утилизаторе.
Технология сталеплавильного процесса в двухванной
печи аналогична технологии в мартеновской печи с
высокой интенсивностью продувки ванны кислородом.
Процесс организован без использования твердых оки-
слителей и практически единственным окислителем явля-
ется вдуваемый в ванну кислород. Из-за необходимости
синхронизации работы двух ванн предъявляются весьма
высокие требования к организации всех стадий процесса.
К моменту выпуска плавки из одной ванны в другой
ванне обязательно должна быть закончена подготовка
к заливке чугуна, т. е. проведены завалка и прогрев
шихты и другие вспомогательные операции.
Функциональная схема управления тепловым режи-
мом двухванной печи представлена на рис. VI.7 (вто-
ричные приборы и ручные задатчики не показаны). На
схеме показаны локальные системы управления продув-
кой кислородом правой ванны и тепловым режимом ле-
вой ванны (дымовые газы движутся справа налево).
Аналогичные системы существуют для управления ра-
ботой печи при противоположном направлении движения
газов.
Расход кислорода на продувочные фурмы правой
ванны стабилизируется регулятором 1, а заданное поло-
жение этих фурм поддерживается регулятором 2. Пре-
дусмотрена стабилизация расхода природного газа в
сводовые горелки левой ванны регулятором 3 на уровне,
задаваемом сталеваром. Возможна коррекция этого за-
дания прибором 4 по температуре свода рабочего прост-
ранства «холодной» ванны. В итоге система будет под-
держивать заданную температуру свода. Расход кисло-
рода на сжигание природного газа и дожигание СО из
правой ванны поддерживается регулятором 5 с коррек-
цией задания прибором 6 по содержанию кислорода в
продуктах сгорания на выходе из печи. С целью защиты
котла-утилизатора применяется система 7 регулирования
температуры отходящих газов в борове путем подачи
воды в шлаковик. Гидравлическим режимом управляют
путем стабилизации регулятором 8 разрежения в боро-
ве перед котлом-утилизатором. Регулятор воздействует
212
Стационарные гооелли
левой ванны'
Ш
и
BmpyS'y
Кислород
на фурмы
правой ванны
а
Кислород
Ври. wd
ныйгаз
Вода в
шлаковик
Ш
VI.7. Схема автоматизации двухванной печи:
Рис.
/ — продувочные фурмы; II — сводовые горелки (в правой ванне
V — котел-утилнзатор; VI — дымосос
не показаны); III — шлаковики; IV — отсечные шиберы;
на направляющий аппарат дымососа VI. В качестве
варианта управления применяют стабилизацию избы-
точного давления под сводом «холодной» ванны тем же
регулятором 8. Выбор датчика осуществляется ручным
переключателем 9. Прибор 10 служит для контроля тем-
пературы ванны. Температура металла крайне важна
для правильного ведения доводки плавки, однако в ло-
кальных системах автоматического управления непосред-
ственно не используется.
§ 5. АСУ ТП двухванных печей
На двухванных печах, имеющих годовую производитель-
ность более 1 млн. т. стали, целесообразно создание АСУ
ТП, выполняющих информационно-вычислительные и
управляющие функции (в настоящее время такие сис-
темы отсутствуют).
АСУ ТП могут выполнять следующие основные фун-
кции:
I. Информационные и информационно-вычислительные
1. Контроль параметров теплового и температурного
режимов:
а) измерение, регистрация и суммирование кислорода
на продувку;
б) измерение и регистрация расходов кислорода на
горение;
в) измерение и регистрация расхода топлива;
г) измерение давления под сводом рабочего прост-
ранства;
д) измерение температуры сводов с сигнализацией
недогрева и перегрева относительно заданных пределов;
е) измерение температуры отходящих газов после
шлаковика;
ж) анализ газов в вертикальном канале на содер-
жание избыточного кислорода и горючих компонентов.
2. Контроль состояния ванны:
а) периодическое или непрерывное измерение темпе-
ратуры металла;
б) периодическое или непрерывное измерение окис-
ленности жидкого металла;
в) непрерывное определение содержания углерода в
металле (по окисленности или другим способом).
3. Расчетные операции:
214
а) расчет шихты;
б) расчет количества ферросплавов;
в) расчет технико-экономических показателей плавки.
11. Управляющие
1. Управление параметрами (локальные системы уп-
равления) :
а) регулирование расхода кислорода на продувку;
б) регулирование расхода природного газа;
в) управление температурой свода рабочего прост-
ранства «холодной» ванны введением коррекции задания
регулятору расхода природного газа;
г) управление горением путем коррекции задания
регулятору расхода кислорода по анализу отходящих
газов;
д) регулирование разрежения в борове;
е) регулирование температуры продуктов сгорания
перед котлом-утилизатором;
ж) управление положением кислородных продувоч-
ных фурм.
2. Управление процессами:
а) синхронизация работы ванн;
б) нагрев и обезуглероживание ванны, поддержание
заданного перегрева металла под линией ликвидуса;
в) оптимальное управление доводкой плавки.
Локальные системы управления рассмотрены в § 4
гл.. VI. Они могут выполняться на любой аппаратуре
(например АКЭСР), имеющий унифицированные выход-
ные сигналы для передачи информации в ЭВМ. С раз-
витием и удешевлением микропроцессорной техники на
нижнем уровне в локальных системах управления все
большее применение будут находить регулирующие мик-
ропроцессорные контроллеры. На втором уровне в рас-
сматриваемой АСУ ТП может использоваться мини-ЭВМ,
например серии СМ.
Рассмотрим для примера оптимальное управление
доводкой плавки, которое основывается на обеспечении
синхронизации нагрева и обезуглероживания ванны. Это
управление может строиться либо на непосредственных
периодических измерениях температуры металла tM и
содержания углерода [С] (ведет плавку сталевар), либо
на прогнозируемых значениях АЦт) и [С] (т), вычисля-
емых с помощью какой-либо математической модели.
Модель ЦИНИКА и ЦНИИЧМ позволяет рассчиты-
вать 1М (т) и [С] (т) в зависимости от состояния металла
215
и шлака и ряда управляющих воздействий (интенсив-
ность продувки ванны кислородом, уровень кислородных
фурм, время продувки, тепловая мощность в конце про-
дувки). Расчетные уравнения содержат более 30 коэф-
фициентов, часть из которых определяется теоретически
(например, из стехиометрических соотношений), часть —
на основании предварительных исследований и часть —
по результатам предыдущих плавок (идентификация мо-
дели) .
Система ЦНИИКА (для мартеновской печи она име-
ла название «Процесс») может работать в двух режи-
мах: обеспечивать минимальное и заданное время довод-
ки. В первом случае оптимальное управление минимизи-
рует продолжительность доводки, во втором — расходы
на процесс. При минимизации времени доводки задача
оптимального управления сведена к отысканию несколь-
ких управляющих воздействий: интенсивности и длитель-
ности продувки ванны кислородом, тепловой мощности
«горячей» ванны в конце доводки (для отопления в
этот период применяются сводовые или торцовые го-
релки, не показанные на рис. VI.6).
Задача решается с использованием управления с
прогнозированием, при котором определение оптималь-
ных управляющих воздействий осуществляется путем
итеративных расчетов в ускоренном масштабе времени
по уравнениям прогнозирующей модели при целенап-
воздействий. В каждом расчете прогнозируется измене-
равленном переборе различных вариантов управляющих
ние /м (т) и [С] (т) и определяется время достижения
заданных конечных значений /м.к и Сст. Из многих ва-
риантов выбираются значения управляющих воздейст-
вий, обеспечивающие минимальную расчетную продол-
жительность доводки и являющиеся поэтому оптималь-
ными. Результаты выдаются на световое табло в
качестве рекомендаций сталевару (система работает в
режиме советчика). В процессе плавки при получении
экспериментальных значений tM и [С] производятся пе-
ресчеты и уточнения оптимальных управляющих воз-
действий.
Вопросы для самопроверки
1. Каковы основные особенности мартеновской печи как
объекта автоматического регулирования?
2. Каким образом контролируется температура свода»
рабочего пространства мартеновской печи?
216
3. Какие локальные системы регулирования применяют-
ся при автоматизации мартеновских печей?
4. Каким образом осуществляется управление тепловой
мощностью по периодам плавки?
5. В чем заключаются особенности регулирования горе-
ния в мартеновской печи?
<5. Каким образом обеспечивается автоматическая защи-
та насадок регенераторов от перегрева?
7. Какие особенности имеют системы автоматизации
двухванных печей?
-8. В чем заключается оптимальное управление доводкой
плавки в мартеновской или двухванной печи?
Глава VII
АВТОМАТИЗАЦИЯ
КОНВЕРТЕРНОГО ПРОЦЕССА
ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
1. Технологические особенности конвертерного
процесса как объекта автоматического управления
Самым распространенным способом производства стали
в настоящее время является кислородно-конвертерный
процесс с верхней продувкой. Вместе с тем существуют
процессы с донной продувкой кислородом и комбини-
рованные процессы, в которых верхняя продувка допол-
няется нижней продувкой, например инертным газом.
Процессы с комбинированной продувкой имеют сущест-
венные преимущества и поэтому их доля в конвертерном
производстве стали будет увеличиваться.
Ниже рассмотрена автоматизация конвертерного про-
цесса с верхней продувкой. Такой процесс является пе-
риодическим процессом и заключается в продувке жид-
кого чугуна через одну опускаемую сверху кислородную
фурму. При продувке окисляются примеси чугуна: угле-
род, кремний, марганец, фосфор, сера, а продукты ре-
акций переходят в газовую фазу или в шлак. При экзо-
термических окислительных реакциях выделяется больше
тепла, чем нужно для нагрева металла до температуры
выпуска (1600—1640°C). Поэтому в шихту вводят охла-
дители— стальной лом или железную руду. Для фор-
217
мирования шлака и обеспечения десульфурации и де-
фосфорации применяют известь.
Плавка в конвертере начинается с загрузки всего
лома и части извести. Затем заливается жидкий чугун
и начинается продувка ванны кислородом. Оставшуюся
известь, руду (если она применяется) и плавиковый
шпат, объединенные общим названием «сыпучие», дают
несколькими порциями по ходу продувки. В конце плав-
ки для охлаждения металла вместо руды может приме-
няться известняк. Кислородно-конвертерный процесс
протекает очень быстро: время собственно продувки в-
100—350-т конвертерах обычно не превышает 20—
25 мин и определяется расходом кислорода (интенсив-
ность продувки ванны кислородом достигает 5—
8 м3/(т-мин) и имеет тенденцию к увеличению). Для
предотвращения насыщения стали азотом чистота дутья
должна быть как можно больше (не менее 99,5%О2).
Характеристика типичной конвертерной плавки пред-
ставлена на рис. VII.1, где показано изменение состава
металла, шлака и скорости выгорания углерода по ходу
плавки. В начале плавки активно окисляется кремний
и марганец. Скорость окисления углерода относительно
невелика, так как при низких температурах ванны часть
кислорода расходуется на окисление железа. В начале
плавки окисление железа — полезный процесс, так как
рис. VIJ.1. Характеристики кислородно-конвертерного процесса:
а — изменение состава металла в процессе продувки; б — то же, шлака; в —
скорость выгорания углерода в процессе продувки
он способствует увеличению содержания оксидов железа
в шлаке и более быстрому формированию шлака и, сле-
довательно, улучшению дефосфорации и десульфурации-
218
Продувка ведется при высоком расположении фурмы
над уровнем ванны, что способствует окислению же-
леза.
Во втором периоде плавки окисляется главным обра-
зом углерод и скорость обезуглероживания увеличивает-
ся в 2—2,5 раза по сравнению с начальной (см. рис.
VII. 1,6). При этом практически весь кислород, усваи-
ваемый ванной (степень усвоения составляет 90—95%),
расходуется на окисление углерода, а также происходит
окисление углерода оксидами железа шлака (содержа-
ние FeO в шлаке уменьшается). В конце плавки ско-
рость окисления углерода снижается, особенно при со-
держании углерода в ванне ниже критического. В этот
период продувку ведут при более низком положении
кислородной фурмы.
Продолжительность плавки в 100—300-т конвертерах
составляет~40—50 мин. Например, на одном из заводов
средняя продолжительность плавки в 300-т конвертере
составила 42 мин, в том числе: завалка лома и заливка
чугуна 10; продувка кислородом 17; повалка и отбор
проб 6; слив металла и шлака, осмотр футеровки 9 мин.
Если проанализировать
конвертерный процесс как
объект автоматического
управления (рис. VII.2),
то можно выделить сле-
дующие управляемые ве-
личины, возмущающие и /л
управляющие воздействия
(вопросы контроля и регу-
лирования охладителя*
конвертерных газов и га-
зоочистки не рассматри-
ваются) .
1. Основные выходные управляемые величины (вели-
чины х): концентрация углерода, фосфора и серы в ме-
талле в процессе [С] (т),[Р] (т), [S] (т) и в конце про-
дувки Сет, Рет, Sct, %; температура металла в процессе
/м(т) и в конце продувки tM.K, °C; масса металла в про-
цессе Gm(t) и в конце продувки GCT, т.
2. Дополнительные выходные величины (величины
xi): окисленность металла в конце продувки Ост, %;
масса шлака Gm, т; состав шлака, %; количество кон-
вертерных газов VK.r> м3/мин; температура конвертерных
газов /к.г, °C; состав конвертерных газов, %.
z,
iz
Объект управления
(конвертерный
процесс)
рис. VII.2. Структурная схема конвер-
терного процесса как объекта автома-
тического управления
219
3. Контролируемые возмущающие воздействия (вели-
чины zi): содержания в чугуне кремния, марганца, серы,,
фосфора Si4, Л1пч, S4, Рч, %; изменение температуры
чугуна t4, °C; интервал времени между плавками тПрост;
содержание кислорода в дутье Огд, %.
4. Неконтролируемые возмущающие воздействия (ве-
личины z2): содержание углерода в чугуне; состав сы-
пучих материалов; состав, размеры и температура лома;
масса и состав попадающего в конвертер миксерного
шлака.
5. Управляющие воздействия (величины и): масса
чугуна G4, т; масса лома бл, т; масса руды в каждой
порции сыпучих Gp, т; масса извести в каждой порции
сыпучих Си, т; время ввода в конвертер сыпучих мате-
риалов Тдоб, мин; расход кислорода и Ог, м3/мин; рас-
стояние между кислородной фурмой и уровнем спокой-
ной ванны Н, мм; продолжительность продувки тПроД. мин_
К основным выходным управляемым величинам от-
несены те величины, получение конечных значений ко-
торых является целью конвертерного процесса (получе-
ние заданной массы стали заданного состава и необходи-
мой температуры).
Основные и дополнительные выходные величины ха-
рактеризуют состояние конвертерного процесса как по
ходу, так и в конце плавки и их значения определяются
возмущающими и управляющими воздействиями. К до-
полнительным выходным величинам отнесены такие ве-
личины, значение которых не является целью управления
процессом. Кроме перечисленных выше можно выделить
еще ряд дополнительных величин, характеризующих ход
и состояние процесса: скорость окисления углерода, ско-
рость изменения температуры конвертерных газов, ин-
тенсивность шума конвертера, излучение пламени над
горловиной конвертера (в конвертерах с дожиганием!
СО), вибрацию продувочной фурмы и др.
Возмущающие воздействия подразделены на контро-
лируемые, (значения которых измеряются и известны
в процессе плавки), и неконтролируемые, значения кото-
рых нецелесообразно или невозможно измерить. Все-
возмущающие воздействия, кроме содержания кислоро-
да и давления дутья, действуют до начала процесса,
поскольку относятся в основном к характеристикам ших-
товых материалов.
Управляющие воздействия призваны обеспечивать
реализацию целей управления (получение стали задан-
220
лого состава и температуры). Первые два управляю-
щих воздействия (масса чугуна и лома) относятся к
разовым (статическим), которые по ходу плавки изме-
нить невозможно. Почти все остальные воздействия ди-
намические, т. е. могут изменяться во времени по ходу
плавки.
Главная задача управления конвертерной плавкой —
получение заданного состава стали по углероду, что в
основном сводится к определению времени прекращения
продувки. Эта задача очень сложна, тем более, что
обычно непосредственная информация о содержании уг-
лерода в металле отсутствует, а скорость выгорания
углерода столь велика, что одна минута продувки при-
водит к получению другой марки стали. Выполнение
задачи усложняется и тем, что скорость выгорания уг-
лерода существенно меняется по ходу продувки (см.
рис. VII. 1,а).
Другая задача управления заключается в получении
к моменту достижения заданного содержания углерода
необходимой по условиям разливки температуры стали
(около 1600°С). Обеспечивается это предварительным
расчетом количества охладителей (прежде всего лома,
а также руды в завалку) и частично за счет присадок
руды и известняка по ходу продувки. Некоторое влия-
ние оказывает высота расположения кислородных фурм.
Требуемые дефосфорация и десульфурация обеспечи-
ваются за счет получения нужного количества и состава
шлака, что в основном определяется количеством извести
на плавку.
Таким образом выбор управляющих воздействий сво-
дится к определению:
1) количества чугуна и охладителей (лома, руды),
которые нужно подать в конвертер для получения массы
стали и ее температуры в заданных пределах;
2) рационального режима продувки, т. е. расхода
кислорода, положения фурмы, времени присадок сы-
пучих материалов, обеспечивающих быстрое протекание
процесса и минимальные потери железа с выбросами и
шлаком;
3) количества шлакообразующих материалов, обес-
печивающих заданный состав (основность) шлака и ус-
пешное протекание процесса дефосфорации и десуль-
фурации;
4) момента окончания продувки при заданном со-
держании углерода.
22 Г
При реализации рассмотренных управляющих воз-
действий приходится сталкиваться с рядом ограничений,
возникающих в связи с особенностями технологического
процесса.
Производительность конвертера определяется в ос-
новном скоростью окисления углерода, а последняя за-
висит от интенсивности подачи кислорода. Повышая
расход кислорода, можно почти пропорционально увели-
чивать скорость обезуглероживания и уменьшать дли-
тельность периода продувки. Однако при этом увели-
чение производительности конвертера приходит в про-
тиворечие с качеством металла. Для хорошего удаления
серы и фосфора из металла требуется шлак достаточ-
ной основности и жидкоподвижности. Растворение из-
вести в шлаке — довольно медленный процесс и для его
ускорения в шлаке нужно иметь достаточное количество
оксидов железа. Этого можно добиться снижая в начале
плавки расход кислорода и увеличивая высоту располо-
жения кислородной фурмы, т. е. большим расходом кис-
лорода на окисление железа. Таким образом, в началь-
ной стадии плавки на интенсивность подачи кислорода
наложено определенное ограничение.
Выход жидкой стали зависит от ряда факторов: окис-
ления примесей чугуна (необходимый процесс), окисле-
ния железа и перехода оксидов в шлак, выбросов ме-
талла из конвертера, уноса металла при отсутствии
достаточно! о шлакового покрова в начале плавки, испа-
рения железа и потерь его с отходящими газами. По-
следний процесс практически не поддается регулирова-
нию, так что на выход жидкой стали возможно влиять
изменением окисления железа, а также уменьшая или
устраняя выбросы и унос металла из конвертера. Таким
образом минимизация потерь металла связана с усло-
виями шлакообразования (через унос металла) и с ог-
раничением скорости окисления металла — интенсивности
продувки (через выбросы из конвертера).
На суммарное количество окислившегося за плавку
железа влияет главным образом шихтовка плавки: если
в конвертер загружено избыточное количество лома, то
недостающее тепло для нагрева металла до нужной
температуры выпуска может быть получено только окис-
лением дополнительного количества железа.
222
§ 2. Контроль конвертерного процесса
В кислородном конвертере в процессе плавки автома-
тически контролируются следующие величины:
1) положения корпуса конвертера и кислородной
фурмы;
2) расходы кислорода на продувку и охлаждающей
воды на фурму, а также конвертерных газов;
3) давление кислорода на продувку и охлаждаю-
щей воды; давление в кессоне над горловиной конвер-
тера;
4) температуры металла, конвертерных газов и ох-
лаждающей воды после фурмы;
5) составы металла и конвертерных газов.
Рассмотрим особенности контроля некоторых величин
и их отличие от типовых методов, изложенных в гл. III.
Положение корпуса конвертера контролируется сис-
темой сельсин-датчик/сельсин-приемник. Измерение по-
ложения кислородной фурмы относительно постоянной
отметки также производится с помощью сельсинов: сель-
син-датчик связан с редуктором привода. Для определе-
ния уровня спокойного металла, установки по нему
начального положения фурмы и нулевой точки шкалы
прибора применяются различные методы. Например, к
фурме приваривается металлический штырь, который в
момент погружения в металл образует замкнутую цепь
и обеспечивает появление импульса в системе измере-
ния.
Момент появления импульса соответствует нахож-
дению фурмы на границе металла или на определенном;
от нее расстоянии, равном длине штыря.
Уровень жидкого металла может быть определен с
помощью специального зонда на вспомогательной водо-
охлаждаемой фурме. Зонд имеет два графитовых элект-
рода, расположенных в керамическом корпусе и высту-
пающих из него примерно на 20 мм. Керамический кор-
пус вставлен в картонную гильзу, а концы электродов
защищены металлическим колпачком, расплавляющимся
в металле. Электроды замыкаются через жидкий металл.
При подъеме вспомогательной фурмы изменение напря-
жения во время перехода электродов из металла в шлак
дает импульс на электронный прибор, связанный с ме-
ханизмом подъема вспомогательной фурмы и показываю-
щий уровень жидкого металла. Измерение производит-
ся до начала продувки, точность ±20 мм.
223
Получает распространение метод определения уров-
ня ванны с помощью микроволновой локации. Приемник
микроволн, расположенный над конвертером, фиксирует
отраженные от поверхности шлака микроволны, излу-
чаемые микроволновым генератором. По времени про-
хождения микроволн рассчитывается на ЭВМ уровень
ванны.
Подъем уровня шлака во время продувки и появле-
ние возможности выбросов можно определить по воз-
никновению разности давлений в двух трубках диамет-
ром ~10 мм, устанавливаемых на разной высоте в фу-
теровке конвертера, через которые вдувают воздух, азот
или аргон. Разность давлений появляется тогда, когда
шлак вспенивается и поднимается выше нижней трубки.
Расход кислорода на продувку определяется по пе-
репаду давления на диафрагме с помощью дифманомет-
ра. Поскольку к точности измерения расхода кислорода
предъявляются повышенные требования, обязательно
вводится коррекция по температуре и давлению.
Расход конвертерных газов определяется после газо-
очистки с помощью сужающих устройств (труб Венту-
ри) и дифманометров. Известен метод определения рас-
хода отходящих газов с помощью газа-«метки». К кис-
лородному дутью добавляется известное количество (не
билее 5%) другого газа (например аргона), не реаги-
рующего с металлом и не присутствующего в шихте и
продуктах плавки. Концентрация этого газа определяется
в конвертерных газах с помощью масс-спектрометра и
пересчитывается на расход отходящих газов. Добавка
газа-«метки» может производиться в течение всей плавки
или только в отдельные моменты, например в конце
плавки.
Температура металла в конвертере может измерять-
ся периодически и непрерывно. Разовое измерение тем-
пературы жидкой стали производится при повалке кон-
вертера обычными термопарами погружения (см. гл. III).
Наибольшее распространение получили вольфрамрение-
вые термопары со сменными головками. Разовые изме-
рения температуры могут производиться и без прекраще-
ния продувки. Для этого используют зонды различной
конструкции. Зонд представляет собой дополнительную
водоохлаждаемую фурму с независимым приводом, вво-
димую в ходе продувки через горловину конвертера. На
конце зонда располагается измерительная головка с тер-
мопарой в защитном чехле.
224
Непрерывное измерение температуры металла в кон-
вертере может производиться несколькими способами.
Один из них заключается в установке через отверстие
в футеровке конвертера ниже уровня металла термо-
пары в защитном чехле, обеспечивающем достаточно
длительную службу. Недостатки метода — низкая
стойкость наконечника и трудность установки и замены
термопары.
Перспективным способом непрерывного измерения
температуры является применение радиационных пиро-
метров в сочетании со специальными световодными ус-
тройствами. Стержневой световод из лейкосапфира ус-
танавливается в кладке конвертера ниже уровня метал-
ла так, что один торец световода располагается
заподлицо с внутренней поверхностью кладки. Износ
лейкосапфира соизмерим с износом футеровки конвер-
тера и поэтому устройство обеспечивает измерение тем-
пературы в течение всей кампании конвертера. Точность
измерения не ниже, чем при измерении термопарами.
Состав конвертерных газов (содержание СО и СОа)
определяется с помощью автоматических оптико-акусти-
ческих газоанализаторов (см. гл. III). Проба газов
отбирается обычно после газоочистки и подвергается
очистке и осушению. Конвертерными газами называют
газы, выходящие из горловины конвертера, отходящими
газами — газы после газоочистки. В конвертерах без
дожигания оба понятия практически совпадают.
Непосредственное определение содержания в металле
углерода и других элементов производится в экспресс-
лабораториях с помощью современных физических ме-
тодов спектрального анализа. Квантометры оборудуют-
ся микро-ЭВМ, которые управляют процессом анализа,
производят обработку результатов и осуществляют связь
с управляющей ЭВМ
Пробы металла отбираются при повалке конвертера
или с помощью специальных зондов, вводимых вспомо-
гательной фурмой.
Измерение температуры жидкого металла зондом
-совмещают обычно с измерением активности кислорода
или с отбором пробы жидкого металла. Универсальный
зонд показан на рис. VII.3. Измерительная и пробоот-
5орная головка смонтирована в картонной гильзе 2,
насаженной на картонную трубку 1. Керамический
корпус 4 из двух половин имеет входной канал 8, в ко-
тором помещена для раскисления пробы алюминиевая
8. '5-
225
проволока 7. Жидкий металл попадает в смесительную
камеру 6, разрушает тонкую перегородку И и по каналу
12 поступает в камеру для пробы. Для удаления возду-
ха из смесительной камеры и из камеры для пробы пре-
дусмотрены отверстия 5.
6 -
1Z
8
9
5-
Рис. V1I.3. Зонд измерения температуры и огиора
пробы металла:
1—трубка картонная; 2 — гильза картонная; 3 —
контакты термопары, 4 — корпус керамический; 5 —
отверстия для выхода воздуха; 6 — смесительная ка-
U мера; 7 — проволока алюминиевая; в —входной канал;
" 9 _ стальной защитный колпачок; 10 — термопара в
защитном чехле; 11 — перегородка; 12 — канал; 13 —
10 камера для пробы
Текущее содержание углерода может быть рассчи-
тано по уравнению баланса углерода. В конвертерном
процессе практически единственным источником углеро-
да служит чугун и металлический лом (при хорошем
обжиге известь не содержит углерод). Углерод покидает
конвертер только с конвертерными (отходящими) газа-
ми в виде СО и СОг-
С учетом сказанного из уравнения мгновенного ба-
ланса углерода получается формула для расчета ско-
рости окисления углерода, кг/мин
t’c=0,00536 V0.r (СОо.г+СО2о.г), (VI1.1)
где У0.г—расход отходящих газов, м3/мин; СОо.г и
СОго.г — содержание СО и СОг в отходящих газах, %.
Интегрируя выражение (VII.1) по времени, получаем
количество углерода, окислившегося в металле к момен-
ту времени т, кг:
т
ЛС=0,00536 J lzo.r(COo.r+CO2o.r)dT.
(VI 1.2)
о
226
На основе этой зависимости текущее содержание уг-
лерода в металле определяется по формуле:
о
[С] (т)= <7л.о[С]с—0,536 [|о.г(СОо.г+С02о.г)йт /Gm(t),
(VII.3)
где Gm.o и Gm(t) —начальная и текущая масса метал-
ла, кг; [С] о — начальное содержание углерода.
Для расчета текущего содержания углерода по фор-
муле (VII.3) необходимо знать: 1) массу металлической
шихты; 2) начальное содержание углерода в шихте;
3) текущую массу металлической ванны; 4) текущий
расход отходящих газов; 5) текущее содержание СО и
СОг в отходящих газах. Точность определения текущего
содержания углерода по формуле (VII.3) невелика из-за
больших погрешностей определения [С]о и Gm(t) и по-
этому метод не получил широкого распространения. Сле-
дует добавить, что точность этого метода существенно
снижается с уменьшением содержания углерода в ме-
талле. Так, при содержании углерода в ванне —0,1%
относительная ошибка расчета может превышать 100%.
Вместе с тем метод мгновенных балансов углерода
применяется достаточно часто для определения текущей
скорости окисления углерода по формуле (VII.1). Ско-
рость обезуглероживания (кг/мин) может оцениваться
и по некоторым косвенным величинам, меняющимся
аналогично или в зависимости от скорости окисления
углерода, например по газодинамическому сопротивле-
нию дымового тракта охладителя конвертерных газов
или скорости парообразования в котле-утилизаторе.
§ 3. Локальные системы управления и регулирования
Локальные системы управления и регулирования
автоматически функционируют на основании заданий,
устанавливаемых оператором. В АСУ ТП задания ло-
кальным системам рассчитываются ЭВМ и устанавли-
ваются автоматически или оператором на основе реко-
мендации ЭВМ. Может применяться и прямое цифровое
управление В современных условиях локальные систе-
мы могут выполняться на базе микропроцессорных ре-
гулируемых контроллеров (например, типа Ремиконт-
100). В этом случае микропроцессорный контролер осу-
ществляет также связь с ЭВМ более высокого уровня,
в*
227
передавая соответствующую информацию о регулируе-
мой величине и работе локальной системы управления.
Наиболее важной локальной системой является сис-
тема регулирования расхода кислорода (рис. VII.4).
Главное требование к этой системе — обеспечение вы-
сокой точности поддер-
жания расхода кис-
лорода, что достигает-
ся измерением расхода
сужающим устройст-
вом 1 с коррекцией по
температуре 2 и давле-
нию кислорода 3. При-
бор 4 обеспечивает из-
мерение расхода с по-
правками на отличие
давления и температу-
ры от расчетных. При-
бор 5 осуществляет ин-
дикацию и регистрацию
расхода кислорода. Ре-
гулятор 6 обеспечивает
поддержание заданно-
Рис. VI1.4. Схема регулирования ра-
схода кислорода на продувку
го ручным задатчиком 7 расхода кислорода.
В схеме может использоваться сумматор (интегратор)
расхода кислорода 8, который после подачи в ванну
заданного задатчиком 9 количества кислорода дает сиг-
нал (буква S в характеристике функции прибора) на пре-
кращение продувки и извлечение фурмы из конвертера.
Другие локальные системы управления показаны на
рис. VII.5. Система 2 предназначена для регулирования
положения фурмы относительно постоянной отметки.
Определение положения фурмы производится с помощью
сельсинов. Система работает как стабилизатор заданно-
го положения фурмы или как программное устройство.
Программа задается оператором (или УВМ) и является
ступенчатой функцией времени или количества израсхо-
дованного с начала продувки кислорода, определяемого
интегратором 8 (см. рис. VII.4). Для определения уров-
ня спокойной ванны и корректировки начала шкалы
прибора, работающего с сельсинами, используются ме-
тоды, рассмотренные ранее. Дальнейшее функциониро-
вание системы в процессе продувки осуществляется от-
носительно скорректированного уровня.
В конвертерах без дожигания конвертерных газов
228
необходимо поддерживать в кессоне над конвертером
небольшое (несколько паскалей) избыточное давление,
чтобы предотвратить подсос окружающего воздуха в
дымоотводящий тракт и выбивание токсичных конвер-
терных газов, содержащих СО. Для этой цели служит
система 3, в которой регулирование давления в кессоне
осуществляется воздействием на поворотную заслонку в
трубе-распылителе газоочистки.
Рис. \11.5. Локальные системы управления в конвертере:
/ — конвертер; // — продувочная фурма; Ш— кессон: /V — газоотвод; V —
лебедка перемещения фурмы; / — система регулирования расхода кислорода;
2 — система регулирования положения фурмы; 3—система регулирования
давления в кессоне; 4 — устройство безопасности
Устройство 4 (см. рис. VII.5) обеспечивает безопас-
ную работу конвертера и защиту фурмы от прогара.
Оно дает команду на прекращение продувки и извлече-
ние фурмы из конвертера при падении давления кисло-
рода, падении давления или расхода охлаждающей во-
ды (на подводе воды к фурме) ниже допустимых преде-
лов, а также при увеличении температуры воды на сли-
ве после фурмы выше определенного уровня. Уменьше-
ние давления и расхода охлаждающей воды сигнализи-
рует об ухудшении охлаждения и опасности прогара
фурмы и она извлекается из конвертера для предотвра-
щения прогара. Повышение температуры воды на сливе
(при постоянных давлении и расходе воды на входе)
свидетельствует о перегреве фурмы, наступившем в ре-
зультате прогара фурмы и потери части охлаждающей
воды. В этом случае фурма извлекается из конвертера
для предотвращения попадания воды в расплавленный
229
230
Рис. V1I.6. Структурная схема САДСМ:
/ — расходные бункера; // — вибропитатели; /// — весоизмерительные бункера; IV — транспорте-
ры; V — промежуточные бункера; 1 — тензодатчики весов; 2 — показывающие приборы; 3 — схемы
управления затворами течек; 4 — схемы управления вибропитателями; 5 — схемы управления за-
творами весоизмерительных бункеров
металл и шлак. Кроме того, продувка прекращается и
фурма извлекается из конвертера при аварийных ситуа-
циях в некоторых других устройствах конвертера (га-
зоочистка, охладитель конвертерных газов).
К локальным системам управления можно отнести и
систему автоматического дозирования сыпучих материа-
лов (САДСМ), структурная схема которой показана на
рис. VI 1.6. САДСЛА. представляет собой разомкнутую
систему управления и построена с использованием эле-
ментов логики и вычислительной техники.
САДСМ предназначена для автоматического взвеши-
вания и дозирования различных сыпучих материалов
(руда, известь, шпат, боксит), загружаемых в конвертер
по программе. САДСМ обеспечивают любой порядок
разгрузки материалов и любую очередность загрузки
весовых бункеров.
Предусмотрены три режима работы САДСМ:
1) ручное дозирование (дистанционное управление
оператором с пульта);
2) автоматическое дозирование с ручным вводом
программы (по времени или по количеству поданного
кислорода);
3) автоматическое дозирование с вводом заданий от
управляющей ЭВМ.
Программное задающее устройство САДСМ имеет
несколько ручных задатчиков и переключателей, позво-
ляющих задать номер подачи, номер расходного бунке-
ра, количество взвешиваемого материала и время ввода
порции металла в конвертер. В целом программное ус-
тройство обеспечивает возможность набора десяти раз-
личных подач из восьми компонентов как по одному,
так и по два компонента в каждой подаче. Для обеспе-
чения визуального контроля работы САДСМ предус-
мотрена мнемосхема, располагаемая в пульте управ-
ления.
§ 4. Математические модели
Математические модели конвертерного процесса по сво-
ему назначению могут быть контролирующими и прогно-
зирующими. К контролирующим относится модель, поз-
воляющая рассчитывать содержание углерода в металле
по анализу конвертерных газов [см. уравнения (VII.1) —
(VI 1.3)]. Все остальные математические модели конвер-
тера относятся к прогнозирующим моделям.
231
Статические модели
Под статическими моделями конвертерного процесса
понимаются модели, основанные на априорной (извест-
ной до начала процесса) информации и позволяющие
рассчитывать конечные значения выходных величин или
интегральные (не являющиеся функцией времени) уп-
равляющие воздействия.
Статические модели конвертерного процесса могут
быть предназначены для прогнозирования конечных зна-
чений состава и температуры стали при известной харак-
теристике шихты (количество чугуна, лома, температу-
ра и состав чугуна) и управляющих воздействиях (об-
щий расход кислорода и руды). Эти же модели могут
быть использованы для расчета шихты (количество ло-
ма и чугуна, извести) или управляющих воздействий
(расходы кислорода и руды), обеспечивающих заданные
значения массы, состава и температуры готовой стали.
Детермированные (теоретические) модели. Такие
модели составляются на основе законов сохранения ве
щества и энергии и представляют собой совокупность
балансовых уравнений. Вместе с тем для конвертерного
процесса теоретически невозможно построить статичес-
кою модело только из балансовых уравнений. Причина
этого заключается в том, что балансовые соотношения
не могут дать ответа на вопрос: какое количество ве-
щества переходит из одного состояния в другое в резуль-
тате химической реакции (например, неизвестно какое
количество железа окисляется в процессе продувки).
Для компенсации недостающих уравнений имеется две
возможности — ввести эмпирические зависимости, полу-
чаемые на основе исследований проведенных плавок, или
ввести соотношения, вытекающие из второго закона тер-
модинамики, и применяемые, строго говоря, только в
условиях равновесия.
Примером статической модели, использующей хими-
ческие стехиометрические соотношения и закон сохране-
ния энергии, может служить модель ЦНИИЧМ, по ко-
торой рассчитываются количество кислорода на плавку,
количество охладителя (железной руды), масса извести
при известных количествах чугуна и лома, составе и
температуре чугуна и заданных составе и температуре
готовой стали.
Общее количество кислорода Z(7o2. которое нужно
подать на плавку, чтобы получить заданное конечное со-
232
держание углерода, определяется из сравнения баланса
кислорода с учетом стехиометрических коэффициентов
реакций окисления элементов:
2G Ог = 100[G4(9,33C4-F8,0Si4 + 2.04Mn4-b
+ 9,03Рч + 2,0AFe) — (GCT— Сл) (9,ЗЗСст +
+ 2,04МпСт+9,03РгТ) — G р (2,1 Fe2O3p+
+ 1,55F«OP)+L]/О2к, (VII.4)
где SGO, —количество технического кислорода, м3;
О2К — содержание кислорода в дутье, %; Fe2O3p, FeOp
— содержание Fe2O3, FeO в руде; AFe — количество окис-
ляющегося за плавку железа, отнесенное к массе чугу-
на, %; L — количество не использованного ванной кисло-
рода, м3.
В уравнении (VII.4) неизвестны AFe и L.
Масса готовой стали GCT находится из уравнения
баланса железа с учетом 5% потерь железа с королька-
ми металла в шлаке
GCT= G., + [G4 (95 — Сч — Si4 — Мпч — Рч —
-AFe) + Gp (0,7Fe2O3p+0,778FeOp) ] / (100—
—Сст—MnCT—Pct). (VII.5>
Количество руды-охладителя определяется из урав-
нения теплового баланса. В приходной части уравнения
учитывались энтальпия чугуна; тепло реакций окисления
примесей чугуна; количество тепла, выделяющегося в
полости конвертера от окисления СО и СО2, за счет
кислорода, не использованного ванной (L). В расходной
части уравнения учитывались энтальпия жидкой стали,
включающая тепло на плавление лома; энтальпия шла-
ка; количество тепла, уносимого конвертерными газами;
охлаждающее действие руды; тепловые потери через
футеровку, определяемые экспериментально как функ-
ция номера плавки по футеровке и длительности прос-
тоя между плавками.
Приравнивая приход и расход тепла и решая урав-
нение теплового баланса относительно 6Р, получаем:
GP={G4 [ 108500+838/ч + 114000Сч+308000Si4+
+ 314000Р, + 48200AFe— 13,65СЧ (/ч+/м.к) ] -
—GCT (64900+838/м.к) — (GCT— G л) 114000Сст+
+ 70000Мпст + 314000РСт— 13,65Сст (/,+ /м.к) —
233
—0,85L (t4 + гм.к) —Gm (1245/м.к+209000) + 25200L—
—Qn}/ (51500Fe203p+37300FeOp), (VII .6)
где Qn — потери тепла через футеровку.
Расчет конечного количества шлака проводится с
учетом массы извести и плавикового шпата
бш.к = G„+ бп.ш + G4 (0,0214 S i4+0,0129Мпч+
+ 0,0299Рч+0,0129AFe) —GCT (0,0129MnCT+0,0299РСт) -
(VII.7)
Расчет общего количества извести проводится из ус-
ловия получения заданной основности шлака В:
GH= (2.143G4Si4+GpSiO21)), (VII.8)
УиСаОп
где уи — коэффициент усвоения извести; СаОи — содер-
жание СаО в извести, %; SiO2p — содержание SiO2 в
РУДе. %.
Эти же балансовые уравнения можно использовать
и для расчета других величин. Так, уравнения могут
быть решены относительно количества чугуна Сч и лома
Gn и использованы для расчета G4 и Сл при известном
расходе руды Gp с целью получения заданной массы,
состава и температуры металла.
Статические балансовые модели могут быть приспо-
соблены для прогнозирования конечных содержаний уг-
лерода Сет и температуры металла /мк, если соответст-
вующие балансовые уравнения решить относительно Сст
и При этом естественно должны быть известны G4,
Сл, Gp, состав чугуна, состав готовой стали и т. д. На-
пример, для рассмотренной модели ЦНИИЧМ Сст мож-
но рассчитывать (прогнозировать) по формуле
Сст = {G4 [ 10,0Сч+8.57Siq + 2,19 (Мп,—0,9Мпгт) +
+ 9,68 (Рч—0,9РеТ) + 2,14AFe] + Ga (2.19MnCT +
+ 9,68Рет)— Gp(2,25Fe2O3p+ l,66FeOp) + l,07L—
—0,0107бО; O2K)/9(Gq+ Ол). (VII.9)
Статические балансовые модели относятся в целом
к детерминированным моделям, поскольку они строятся
на основе физических и химических закономерностей.
Однако в них входят величины AFe, L, Qn, для опреде-
ления которых применяют и статистические методы.
Например, величину L можно найти по уравнению рег-
234
рессии, полученному на основе обработки плавок теку-
щего производства
L =Яо+а1/Сст + а2Н+Оз№ф+6z<Gp+
+ ^5Gii+a6^pGu+O7-Nsc, (VII. 10J
где а0—а7 — коэффициенты регрессии; Н — высота распо-
ложения фурмы; №ф — номер плавки по футеровке;
№с — номер плавки по соплам фурмы.
Следует отметить, что, хотя величины L и AFe имеют
конкретный физический смысл, их численные значения
могут не соответствовать этому смыслу. Причина заклю-
чается в том, что они по-существу являются подстро-
ечными коэффициентами, обеспечивающими адекват-
ность модели реальным плавкам при идентификации
модели, и учитывают некоторые другие неконтролируе-
мые возмущающие воздействия.
В итоге рассмотренная математическая модель ста-
новится комбинированной, поскольку в ней используют-
ся и теоретические закономерности и эмпирические зави-
симости, полученные на основе материалов проведенных,
плавок.
Экспериментально-статистические модели. Конвертер-
ный процесс подвержен влиянию многих факторов, ко-
торые не могут быть учтены из-за отсутствия необходи-
мой информации (неконтролируемые возмущающие воз-
действия). Эти воздействия носят случайный характер,
что определяет также случайный характер и выходных,
управляемых величин, т. е. невозможно обеспечить иден-
тичный ход плавки даже при наличии одинаковой ших-
товки и одинаковых управляющих воздействий.
Для построения математической модели конвертер-
ного процесса можно использовать метод пассивного
наблюдения, не вмешиваясь в ход конвертерной плавки.
Обработка полученных данных с использованием мето-
дов регрессионного и корреляционного анализов осу-
ществлятся с помощью ЭВМ.
При использовании пассивных методов производят
регистрацию входных и выходных величин, а затем ус-
танавливают зависимость выходной величины от не-
скольких входных (называемую уравнением множествен-
ной регрессии). При этом необходимо правильно оце-
нить роль различных входных величин и выделить те
из них, которые наиболее существенно влияют на вы-
ходную величину.
235
Статистические модели обладают рядом недостатков,
из которых можно выделить два основных: а) недоста-
точная точность, так как невозможно соблюдение многих
требований регрессионного и корреляционного анали-
зов; б) возможность применения полученных зависимо-
стей только в исследованном диапазоне изменения вход-
ных величин.
Примером может служить статистическая прогнози-
рующая модель конвертерной плавки, полученная на
основе обработки данных 180 плавок в конвер-
терах Мариупольского металлургического комбината
им. Ильича
Сст = 3.804—4.3- 10-4t/o, —0,145G°r,—0,552G°„—
—0,00041тпрод—0.0028тпРост + 0.0091G4 + 0.2930^ 1
(VII.11)
/м.к= 1365,5+0,049GOa + 11.877тх—2§,813тПрод—
—12,568тпРпст—264.59С ‘сатя. (VII. 12)
где UQt — расход кислорода; Gpr, G°H — начальное ко-
личество ру ды и извести; тпрод — время продмвки; тпРост —
время простоев; СстД —заданное содержание углерода
в готовой стали.
Аналогичные выражения могут быть получены и для
расчета управляющих воздействий, например суммарно-
го количества кислорода на плавку SGOa.
Коэффициенты уравнения регрессии (VII.11) и
(VII.12) получены на основе обработки материалов боль-
шого числа предшествующих плавок. При использовании
уравнений для прогнозирования С, т н Гм.к в них постав-
ляются величины текущей плавки.
Эмпирические модели. Эти модели строятся на осно-
ве анализа и формализации практических действий опе-
ратора при ручном управлении процессом. Так, при опре_
делении какого-либо управляющего воздействия, напри-
мер расхода руды-охладителя, оператор обычно исходит
из значения этого воздействия на предыдущей плавке и
корректирует его по изменению заданного значения угле-
рода и температуры готовой стали; по отличию от пре-
дыдущей плавки входных величин, таких как количество,
состав и температура чугуна, количество лома и др.
(компенсирует возмущения); по результатам предыду-
щей плавки. Например, если температура стали на пре-
236
.дыдхщей плавке была выше, чем нужно на текущей, то
добавляется определенное количество руды, если ниже —
количество руды уменьшается. Таким образом учиты-
ваются отклонения других величин текущей плавки от
предыдущей.
Прп математическом описании рассмотренного про-
цесса управления представляют корректирующую добав-
ку суммой частных поправок, определяемых действием
каждого фактора. Например, количество руды, отнесен-
ное к 1 т чугуна на н-ную плавку gp(n), рассчитывается
исходя из количества руды на предыдущую (п—1)-ую
плавку gP(n— 1)
gP(«)=gP(«—l)+AgP; (VII.13)
= Им.1 (П-1)-/м.к(пИ +ПС.1 (П-1),
С, т (n) ] — k2 [/ч (п—1) — /ч («) ] — k3 [Si4 (п— 1) —
Sin (и) ] — [Л1Пч(и — 1) — Мпч(и)] 4- <( [тпрост(и 1),
Тпрост(п)] +И11[^л(п— 1)— £л(п)] +т2 [£и(п—1) —
—Яи(п) 4-Л2з[£п.ш(п—1)—£пш(п)], (VII.14)
где gn, g„, gn.m — расходы лома, извести и плавикового
шпата на 1 т чугуна; индексы (п) и (п—1) означают
принадлежность величины к текхщей и предыдущей
плавкам; kt, nij— коэффициенты.
Вид функций f и ср, значения коэффициентов kt и tiij
определяются исходя из физических и химических соот-
ношений и из экспериментальных данных путем стати-
стической обработки результатов предшествующих пла-
вок. Можно использовать и экспертные оценки значений
коэффициентов опытными операторами.
Аналогичные уравнения могут быть составлены для
расчета суммарного количества кислорода на плавку
(п), Для прогнозирования содержания углерода в
стали на n-ной плавке ССт(п) и конечной температуры
металла /м.к(и)-
Динамические модели
Для построения динамических моделей конвертерно-
го процесса используется детерминированный подход на
основании физико-химических закономерностей. Но так
как составить чисто детерминированную модель при су-
ществующем уровне знаний о сталеплавильных процес-
сах невозможно, то часть коэффициентов уравнений
237
определяется статистическим путем при идентификации
модели по результатам предыдущих плавок. В целом
динамические модели конвертерного процесса относятся
к комбинированному детерминированно-эксперименталь-
ному типу.
Покажем построение динамической модели исходя из-
двухстадийной схемы окисления углерода и других при-
месей чугуна, по которой вдуваемый кислород исполь-
зуется сначала на окисление железа по реакции
[Fe]+0,5O2= [FeO], (VII.15)
а затем FeO расходуется на окисление углерода
[FeO] + [С] = [Fe]+CO (VII.16)
и других примесей чугуна.
Рассмотрим технологию конвертерной плавки без ру-
ды в завалку. Принимаем, что окисление железа за счет
вдуваемого кислорода и перенос FeO в зону реакции
окисления углерода описывается дифференциальным
уравнением первого порядка:
Гре dgF|«+^Fe(T) =So2oT]Oj (T)Uoif (VII. 17)
где Тре — постоянная времени окисления железа, с;
gFeo — скорость образования FeO, кг/с; S°eo — стехио-
метрический коэффициент образования FeO, кг/м3;
Чо, —коэффициент использования кислорода в метал-
ле; Uо, — расход кислорода, м8/с.
Образующийся оксид железа непрерывно расходуется
на окисление углерода и других примесей. Составление
баланса по FeO позволяет определить итоговую ско-
рость изменения количества FeO — скорость формирова-
ния окислительного потенциала:
g FeO (t) =gFeo(r)— 5реО [С] (т) —
—Sfco [Мп] (т)— $S‘O [Si] (т), (VII. 18)
где SpeO, SfIo, SfU —стехиометрические коэффициент
расхода FeO на окисление С, Мп, Si, кг/%; [С] (т),
[Мп] (т), [Si] (т)—скорость изменения концентрации
С, Мп, Si в металле, %/с.
Вторичные процессы окисления примесей описывают-
ся уравнениями
[С] (г)=5£еО^ео (т)ЩСр,
(VII.19)
238
7’мп^1(-)-+ [Мп] (т) =S Мп S FeO (т)тНп[Мп], (VII.20)
rs[d[^L(T) + (T)=Sr4^?eO(T)msl[Si], (VII.21)
здесь Тс, Тмп, T'st — постоянные времени окисления С,
Мп, Si; SceO, £мп°, SsieO —стехиометрические коэффи-
циенты, учитывающие количество окислившихся С, Мп,
Si на 1 кг FeO, %/кг; тмп, msi— коэффициенты; f [С] —
нелинейная функция от концентрации углерода в ме-
талле:
f[C] = [1 ПрИ W>IC1KP’ (VII.22)
lJ 1МС](т)+МС]2(т) при [С|(т)<[С]кр.
Динамика плавления лома характеризуется уравне-
нием
Гл dGn[x} + бл (т) = О°л, (VII.23)
di
где Тл — постоянная времени плавления лома; О°л —
начальное количество лома.
Растворение извести учитывается уравнением
Th^^ + G„(t)=G°„, (VII.24)
dr
где Ти — постоянная времени; G°„ — начальное количе-
ство извести."
Кроме того, в модель входит уравнение динамическо-
го баланса тепла
AQ (т) = Qc (т) + Фмп (т) + Qsi (т) + QFe (т) + Q4 —
-[<2л(т)+<2и(т)4-<2п], (VI 1.25)
где Qc(t), Qmu(t), Qsi(t), Qfb(t)—тепло от окисления
соответствующего элемента; Q4 — энтальпия чугуна;
Ол(т), Qn(r)—тепло на нагрев и плавление лома
и извести; Qn — тепловые потери конвертера.
В итоге модель включает 6 дифференциальных урав-
нений, из них одно (VII.19) нелинейное и два алгебра-
ических уравнения. Постоянные времени Тре, Тс, Tsi,
Гмв, Тл, Ти, коэффициенты bi, b2, тмп, mst и потери тепла
Qn определяются из специальных экспериментов и при
идентификации модели по результатам предыдущих пла-
вок. Сложность модели и алгоритма идентификации при
одиннадцати коэффициентах идентификации требует для
239
расчетов больших затрат времени ЭВМ и не дает воз-
можности использовать модель для оперативного про-
гнозирования хода конвертерного процесса. В связи с
этим те коэффициенты, по которым модель имеет мень-
шую чувствительность, применяются постоянными и
число идентифицируемых коэффициентов уменьшается,
например, до трех: Туе, Тс, Qn, что резко сокращает за-
траты машинного времени.
Другим примером прогнозирующей динамической
модели может служить модель, разработанная в
ЦНИИЧМ и ЦНИИКА. Модель основана на физико-хи-
мических процессах, происходящих в отдельных зонах
ванны, в частности учитываются первичные реакции пря-
мого окисления примесей металла струей вдуваемого
кислорода и вторичные реакции на границах шлак — ме-
талл и металл — газ (пузырьки СО).
Основные уравнения модели:
с? [С] (t)!d%=k\{a\tyi(т) +G2[С] (т) +
+ «з^о2ш (т)+а4{/ОгМ (т)+а5] (SFeO(x) —[О] (т)/у),
(VII.26)
где С7О!ш—расход кислорода на окисление железа в
шлак; С/О,м —расход кислорода на окисление примесей
в металле; 5ЁеО(т)—содержание оксидов железа в
шлаке; [О] (т) — концентрация кислорода в металле;
у — коэффициент распределения кислорода между ме-
таллом и шлаком;
1/у = а6—а7/м(т);
[О] (т) =а8+а9/[С];
dSFeO(x)/dT= [k2(Uo,m + t/o,4 )—
-do [С] (т)+ацСр(т)]А [С],
где 6Р(т) —количество руды, внесенное в
ницу времени.
f ([Cl)= fa,2fCl— 013 ПРИ [С]<0,15;
I 1 при [С] >0,15.
Распределение общего расхода вдуваемого кислорода
17 оа определяется соотношениями
U OjM = ^УСВ ( 1-Локисл) t/o, J (VII.31)
U О2ш =Т]усвТ)окисл(VII.32)
где т)усв — коэффициент усвоения кислорода ванной;
(VI 1.27)
(VII.28)
(VII.29)
ванну в еди-
(VII.30)
240
Доннел — коэффициент использования кислорода на оки-
сление железа.
Коэффициенты k2, —а}3, т]Усв. т]„кисл частично
определяются на основании теоретических соображений,
частично на основании специальных исследований и час-
тично при идентификации модели по результатам про-
веденных промышленных плавок.
В модель входят также уравнения, характеризующие
плавление лома, усвоение ванной руды и извести и изме-
нение температуры металла.
Следует отметить, что многие модели, подобные рас-
смотренным, малопригодны для решения задач управле-
ния в реальном масштабе времени, так как они требуют
достоверной информации о многих величинах, а реально
получаемые данные не отвечают этим требованиям; не
учитывают влияние неконтролируемых возмущений; не
являются адаптивными к изменяющимся условиям плав-
ки; не приспособлены для решения задач в диалоговом
режиме с участием технологов, обладающих дополни-
тельной информацией и большим опытом ведения пла-
вок.
§ 5. Управление конвертерной плавкой
В соответствии с использованием математических моде-
лей управление плавкой в конвертере подразделяется на
статическое и динамическое. Динамическое управление
включает также управление на основании текущей (ди-
намической) информации. И статическое, и динамиче-
ское управления современными конвер серами можно
успешно реализовать только с использованием ЭВМ,
как составную часть АСУ ТП конвертерной плавки.
Классификация методов управления конвертерным
процессом приведена на рис. VI 1.7. Как статическое, так
и динамическое управления могут производиться без об-
ратной связи и с введением обратной связи. Управле-
ние без обратной связи обеспечивает наименьшую точ-
ность. Обратная связь может быть прямой — тогда в
системе управления используются результаты непосред-
ственных измерений управляемых величин (состава ме-
талла, температура ванны). Непрямая обратная связь
при статическом управлении означает использование для
уточнения коэффициентов моделей результатов предыду-
щей плавки. Непрямая обратная связь при динамиче-
ском управлении означает использование динамической
241
информации о некоторых косвенных величинах, харак-
теризующих ход конвертерной плавки (состав и темпера-
тура конвертерных газов, интенсивность шума и др.)
или о работе оборудования в процессе плавки, например,
вибрации кислородной фурмы, вибрации конвертера,
удлинения фурмы.
Статическое управление
рис. VI 1.7. Классификация методов
управления конвертерной плавкой:
/ — на основе детерминированных мо-
делей; // — на основе эксперименталь-
ных моделей; III — на основе комби-
нированных моделей; а — статическое
управление; б — динамическое управле-
ние; 1 — без обратной связи; 2— с об-
ратной связью; 3 — прямая обратная
связь (зонды для контроля содержания
углерода, температуры, активности ки-
слорода; разовые термопары погруже-
ния; устройства непрерывного измере-
ния температуры; устройства измере-
ния уровня ванны); 4— непрямая об-
ратная связь при статическом управле-
нии (по данным предыдущих плавок);
5 — непрямая обратная связь при ди-
намическом управлении; 6 — косвенные
показатели конвертерной плавки (ин-
тенсивность шума, состав и температу-
ра конвертерных газов, излучение пла-
мени над горловиной и др.); 7 — воз-
действие процесса на оборудование
(вибрация фурмы, вибрация конверте-
ра. удлинение фурмы)
В системах статического управления на основе ма-
тематических моделей с использованием информации о
составе и температуре жидкого чугуна в общем случае
рассчитывается и реализуется на данной плавке количе-
ство чугуна, лома, охладителя (руда, окалина), шлако-
образующих (известь, плавиковый шпат), а также общее
количество кислорода на плавку. Расчеты ведутся для
получения заданных конечных значений содержания
углерода и температуры стали.
В алгоритме управления ЦНИИЧМ (уравнения
(VII.4) — (VII.8)] рассчитывается общее количество
кислорода на плавку St/о, , количество руды Gv и из-
вести би. Количество чугуна бч и лома бл рассчиты-
ваются или принимаются такими же, как на предыдущей
плавке для получения заданной стали бгТ так, чтобы
температура металла в конце продувки была выше нуж-
ной температуры стали, т. е., чтобы была возможность
в процессе плавки применять руду-охладитель.
При расчете по уравнениям (VII.4) — (VII.6) значе-
ния AFe и L принимаются по результатам специальных
242
экспериментов или как среднее за большое число пре-
дыдущих плавок. Такое использование модели обеспечи-
вает статическое управление без обратной связи.
Точность расчетов по уравнениям статической модели
(VII.4) — (VII.6) может быть существенно повышена,
если ввести коррекцию AFe и £ по результатам преды-
дущей плавки, т. е. использовать непрямую обратную
связь (см. рис. VII.7). Эта коррекция выполняется сле-
дующим образом. При расчете управляющих воздейст-
вий (SGOj > Ср, Gn) на данную плавку используются
средние экспериментальные, статистические значения
AFe и £ и получаются рекомендованные значения S UOj с
Gp, GH, которые и реализуются на этой плавке. После
окончания плавки и получения фактических данных по
составу и температуре стали Сст и /м.« эти данные под-
ставляются в уравнения (VII.4) — (VII.6), которые ре-
шаются относительно ДРе и £. В итоге получаются фак-
тические значения ДРе и £, используемые при расчете
следующей плавки.
Точность управления с использованием балансового
статического алгоритма с коррекцией ДРе и £ по преды-
дущей плавке характеризуется следующими пример-
ными цифрами: в интервале отклонений от заданного
содержания углерода ±0,02% укладывается 60% пла-
вок, в интервале ±0,04%—84% плавок; в интер-
вал отклонений от заданной температуры стали ± 10 °C—
60% плавок, в интервал ±20°С—86% плавок.
Статистические прогнозирующие модели типа
(VII.11) и (VII.12) могут использоваться для целей
управления следующим образом. Перед началом плавки
при определенной шихтовке плавки на основе заданных
или принятых значений величин, входящих в правую
часть уравнений, прогнозируются Сст и /м.к- Если они
не соответствуют нужным значениям, то методом после-
довательного перебора вариантов рассчитывают управ-
ляющие воздействия UO1 , G°p, G°H, обеспечивающие
получение Сст и /м.к в заданных пределах.
Как статистические так и эмпирические модели могут
применяться без обратной связи, когда используются
коэффициенты, полученные по результатам многих пред-
шествующих плавок, и с непрямой обратной связью,
когда значения всех коэффициентов или некоторых из
них корректируются по результатам предыдущей плавки.
Точность управления и прогнозирования по статисти-
ческим моделям определяется в основном правильностью
243
и точностью нахождения корректирующих величин и
коэффициентов уравнений. Поскольку эти величины и
коэффициенты определяются на основе одних и тех же
данных о предшествующих плавках, то разница между
детерминированными, статистическими и эмпирическими
моделями в значительной степени нивелируется. Так сред-
неквадратичные отклонения фактически полученных зна-
чений /мк от прогнозируемых по трем типам статических
моделей находятся в пределах 21,2—23,6°С (максималь-
.ное отличие ~10%).
При статическом управлении время прекращения
продувки определяется по количеству кислорода, подан-
ного в ванну. Когда это количество достигает расчетно-
го значения [например, по уравнению (VII.4)], дается
команда на прекращение продувки.
После прекращения продувки и повалки конвертера
определяется содержание углерода в металле и его тем-
пература. Если [С] и tM отличаются от заданных ССт
и /м.ю то возникает необходимость корректирующих опе-
раций, называемых додувкой. В зависимости от откло-
нений [С] и /м от заданных значений возникает несколь-
ко вариантов додувки. Если [С] >ССт, a tK несколько
ниже tM.n, то присадка сыпучих не предусматривается,
фурма устанавливается на той же высоте, что и при ос-
новной продувке, и операцию называют нормальной до-
дувкой. Если tM существенно ниже заданной, т. е. тре-
буется ее значительное повышение в процессе додувки,
то додувку производят при более высоком положении
фурмы, что способствует окислению железа и появлению
за счет этого дополнительного количества тепла. Опе-
рацию называют додувкой с повышенным положением
фурмы. Если /м выше заданной или можно ожидать, что
она станет такой в конце додувки то присаживают ох-
лаждающие материалы (руда, окалина, известняк) и
операцию называют додувкой с охлаждением.
Для каждого вида додувки рассчитывается количест-
во кислорода, которое необходимо подать в ванну, во
втором случае рассчитывается высота расположения
фурмы и в третьем — количество охлаждающих материа-
лов.
Поскольку состояние ванны перед додувкой хорошо
известно на основе прямых измерений, а сама додувка
характеризуется малым воздействием возмущений при
небольшой длительности операций, то расчет количест-
ва кислорода производится по достаточно простым вы-
244
ражениям. Например для нормальной додувки общее
количество кислорода, которое необходимо подать в
этот период определяют по формуле
St/о, = 12,2( [С] ^ад-о.эс [С] С*т) +
+ 0,214(1/Сст—1/[С] ]),
(VI 1.33)
где [С] 1 — содержание углерода в металле перед нача-
лом додувки.
В последние года все большее распространение по-
лучает статическое управление конвертерной плавкой с
использованием прямой обратной связи при определении
содержания углерода и температуры металла с помощью
зонда. Большей частью зонд используют один раз за
2—3 мин до примерного окончания продувки. Управле-
ние окончанием продувки после получения информации
о содержании углерода в металле [С] i и его температу-
ре tMI в определенной степени аналогично управлению
додувкой плавки. Для расчета управляющих воздей-
ствий и прогнозирования изменения управляемых вели-
чин используют простые зависимости.
На одном из металлургических заводов Японии коли-
чество кислорода At/Oa , необходимого для снижения
концентрации углерода от измеренной зондом [С] i до
заданной в конце продувки Сст определяется по формуле
АС/о,
(Ск—Ср) [Сст—[С]
&с I Ср—Ск
+ 1п
(1-ехр|₽-^)
\ Ср—Ск /
1—ехр
CpJC],
Ср—Си /. J
(VII.34)
где Ск — критическое содержание углерода, ниже кото-
рого существенного обезуглероживания не происходит:
г'с — теоретическая максимальная скорость обезуглеро-
живания; Ср—постоянная величина, определяемая рег-
рессионным анализом по данным большого массива
предшествующих плавок.
Для прогнозирования температуры металла в конце
продувки используют эмпирическую зависимость
/м.к = /м1+ОгАС/о,, +G1 (1/Сст—l/[C]i)+Oo. (VII.35)
где а0, ai, а% — коэффициенты, определяемые регрессион-
ным анализом.
Стратегия управления доводкой плавки (после зон-
дового измерения) состоит в следующем. Если ожидае-
мая температура металла [рассчитанная, например, по
245
формуле (VII.35)] укладывается в допустимые пределы,,
то продувка ведется в течение расчетного времени, оп-
ределяемого по количеству окисляемого углерода. Если
ожидаемая tM.K оказывается выше верхнего предела за-
данной температуры стали, то продувка продолжается
в течение расчетного времени и дополнительно рассчи-
тывается и подается в ванну необходимое количество
охладителей. Если ожидаемая /м.к меньше нижнего пре-
дела заданной температуры стали, то производят опре-
деление количества углерода, окисление которого обес-
печивает повышение tM.K до нижнего предела. Если по-
лучаемое содержание углерода к концу продувки не
меньше нижнего предела для заданной марки стали, то
продувка ведется в течение времени, рассчитанного на
получение данной концентрации углерода. Если содер-
жание углерода оказывается меньше заданного предела,
то рассчитывается и вводится в конвертер необходимое'
количество экзотермических добавок, например ферро-
силиция.
В целом применение статического управления в ус-
ловиях разных заводов позволяет получить 50—70% пла-
вок с попаданием в заданные пределы по содержанию*
углерода и температуре металла (без додувки). Кор-
ректировка статических моделей по показаниям изме-
рительного зонда увеличивает долю плавок без додувки
до 80—90%. Нужно отметить, что рассматриваемые циф-
ры очень сильно отличаются в разных цехах и поэтому
назвать точные значения, характеризующие тот или иной
метод управления, не представляется возможным.
Динамическое управление
Цель динамического управления состоит не только в по-
лучении к моменту прекращения продувки заданных
температур /ы.к и содержания углерода ССт, но и опре-
деленных траекторий измерения температуры металла
/м(т) и концентрации углерода [С] (т) в ходе плавки.
От того, как изменяется температура металла в продол-
жении продувки, зависит ход шлакообразования, а от
него возможность выбросов из конвертера и степень
дефосфорации и десульфурации металла.
Динамическими управляющими воздействиями (часть
величин й на рис. VII.2) служит расход кислорода, вы-
сота расположения продувочной фурмы и темп (время)
присадок охладителей и шлакообразующих. Путем ди-
246
намического управления стремятся обеспечить быстрое
шлакообразование и спокойное течение процесса без
выбросов и выносов, т. е. уменьшение потерь железа и
увеличение выхода жидкой стали. Динамическое управ-
ление не заменяет и не исключает применения стати-
ческого управления, а только дополняет и уточняет его.
Все АСУ ТП с динамическим управлением используют,
в частности, статические алгоритмы для расчета ших-
товки плавки.
Динамическое управление может основываться на
прогнозирующих динамических моделях, позволяющих
рассчитывать изменение выходных величин по ходу
плавки на основе информации, имеющейся до начала
продувки. Например в системе «Конста», разработанной
ЦНИИКА, используется прогнозирование управляемых
величин по уравнениям, аналогичным (VII.26) —
(VII.32), с учетом случайного (стохастического) харак-
тера процесса плавки. На этой основе строится система
оптимального управления режимом продувки, позволяю-
щая максимизировать выход жидкой стали за счет умень-
шения выбросов и выносов из конвертера при обеспе-
чении соответствующего шлакового режима. Поскольку
функционирование динамических прогнозирующих мо-
делей характеризуется недостаточной точностью, то в
системе «Конста» используется дополнительная инфор-
мация о скорости выгорания углерода, определяемой по
составу и количеству конвертерных газов, по которой
корректируется прогнозируемое значение [С](т).
Динамическое управление без обратной связи прак-
тически не применяется, а всегда используется или пря-
мая или непрямая обратная связь (см. рис. VII.7).
При прямой обратной связи, как и в случае стати-
ческого управления, используются измерительные зон-
ды. На основе полученных значений температуры ме-
талла и содержания углерода [С] i прогнозируются
дальнейшие изменения /м(т) и [С] (т) по простым ма-
тематическим зависимостям. Например, скорость выго-
рания углерода определяется зависимостью:
d[С] (т)/с?т=а[С] +b, (VII.36)
где а и b — коэффициенты, получаемые статистической
обработкой данных предыдущих плавок.
Наиболее часто применяется непрямая обратная
-связь, т. е. для управления процессом используется ди-
намическая информация о некоторых косвенных вели-
247
чинах, в определенной степени характеризующих ход.
технологического процесса (характер шлакообразования,
возможность выбросов и т. д.). Такими величинами в
разных системах управления служат: излучение факела
над горловиной конвертера; интенсивность шума при
продувке; состав, температура, расход и давление кон-
вертерных газов; тепловые потоки на продувочную фур-
му и ее вибрация; скорость окисления углерода и др.
Рассмотрим несколько примеров динамического управ-
ления с использованием динамической информации о
косвенных величинах.
Одной из наиболее представительных косвенных ве-
личин является скорость окисления углерода (опреде-
ляемая, например, по формуле (VII. 1) на основе анали-
за состава конвертерных газов). Систему динамического
управления, воздействующую на расход кислорода и
положение продувочной фурмы, можно строить из усло-
вий получения заданной кривой изменения скорости-
окисления углерода по ходу плавки. Такая желаемая
(рациональная) кривая, характеризующая ход плавки
без выбросов и определенную продолжительность плав-
ки, определяется для каждой марки стали на основе
специальных экспериментов.
Другой вариант динамического управления связан
с установлением также на основе предварительных ис-
следований желаемой кривой изменения СО2 в отходя-
щих газах в процессе продувки, обеспечивающей нор-
мальный ход плавки без выбросов. Если фактическое
значение содержания СО2 выше желаемого, то оператор
осуществляет приближение его к заданной кривой пу-
тем подъема фурмы и уменьшения расхода кислорода.
Если необходимо увеличить содержание СО2 в отходя-
щих газах, то прибегают к противоположным действиям.
Один из методов динамического управления строится
на значении температуры отходящих газов в газоходе
конвертера to.r, измеряемой хромель-алюмелевой термо-
парой. Вид возможных кривых температуры газов (рис.
VII.8,a) дает представление о характере процессов обез-
углероживания и шлакообразования. Кривая 1, харак-
теризуемая быстрым подъемом температуры отходящих
газов, наблюдается при ускоренном обезуглероживании.
В этом случае шлак не успевает хорошо сформироваться
и его состояние дает возможность выносов и выбросов.
Чтобы избежать этого, нужно усилить окисление желе-
за, что будет сопровождаться понижением /ог во втором
248
периоде продувки. Кривая 2 соответствует низкой ско-
рости окисления углерода, при этом шлак чрезмерно на-
сыщается оксидами железа и становится очень жидким.
Затем, когда наступает момент ускоренного окисления
углерода. /о.г начинает быстро повышаться, но шлак
остается переокисленным, что увеличивает общие по-
тери железа. Кривая 3 характеризуется равномерным
повышением fe.r. В этом случае распределение кислоро-
да на окисление хглерода и железа близки к оптималь-
ному. формируется хороший шлак, низка опасность выб-
росов, и именно к такой кривой следует стремиться на
практике.
Рис. VII.8. Динамическое управление процессом продувки:
а — возможные типы кривых температуры отходящих газов; б — желаемое
изменение температуры отходящих газов; в — расход кислорода; г—поло-
жение кислородной фурмы
Стратегия динамического управления состоит в том,
что в каждый момент продувки tc..r поддерживают на
заданном уровне или обеспечивают определенную ско-
рость ее изменения. Плавка разделяется на четыре пе-
риода в соответствии с формой кривой рис. VII.8,6:
1) начальный период («зажигание» плавки), в течение
которого расход кислорода постоянный, равный По!4
(рис. VII.8,e), а /о.г медленно повышается; 2) период
подъема tOT, в течение которого расход кислорода авто-
матически изменяется так, чтобы обеспечить повышение
/о.г с заданной скоростью (угол р); 3) период неизмен-
ной /о.г, в течение которого поддерживается примерно
постоянный расход кислорода; 4) конечный период по-
249
нижения t0.r, в течение которого расход кислорода под-
держивается на более низком уровне U™" .
Длительность периодов определяется следующим об-
разом. Второй период начинается либо в момент, когда
в конвертер введено около 7% от общего количества
кислорода на плавку, либо когда скорость повышения
/о.г достигает некоторого значения, определяемого уг-
лом у. Третий период начинается либо в момент, когда
будет достигнуто определенное повышение температу-
ры ДЛ либо когда в конвертер будет введено примерно
50% общего количества кислорода. Четвертый период
начинается с момента ввода в конвертер 85% общего
количества кислорода.
Изменение расхода кислорода сопровождается из-
менением положения продувочной фурмы: в первом пе-
риоде фурма устанавливается на самом большом рас-
стоянии от ванны; во втором периоде фурма постепен-
но опускается на величину Д/Л (рис. VII.8,a); в третьем
периоде фурма поднимается на Д/Л, а в четвертом пе-
риоде снова опускается на \Н3, достигая самого низкого
положения за плавку. Границы периодов изменения рас-
положения фурмы несколько отличаются от периодов
регулирования температуры и характеризуются вводом
в конвертер определенных количеств кислорода.
Динамическое управление продувкой может включать
специальные действия, направленные на предотвраще-
ние выбросов из конвертера. При появлении предвыб-
росной ситуации снижается расход кислорода и иногда
даются шлакообразующие присадки. Предвыбросная си-
туация связана со значительным подъемом уровня шлака
и определяется по некоторым косвенным величинам.
Так, о предвыбросном подъеме уровня шлака можно
судить по снижению интенсивности шума продувки или
вибрации кислородной фурмы ниже определенных ве-
личин. Могут использоваться и другие методы определе-
ния уровня ванны, рассмотренные в § 2 данной главы.
Динамическое управление, применяемое дополнитель-
но к статическому, позволяет увеличить точность полу-
чения заданных значений содержания углерода и тем-
пературы металла, существенно снизить долю плавок
с додувкой, уменьшить число выбросов из конвертера и
поэтому повысить выход жидкой стали. В целом при-
менение динамического управления позволяет увеличить
число плавок, укладывающихся в заданные значения
по содержанию углерода и температуре стали, сверх
250
90%. Известны данные по одному из заводов Японии,
когда статическое и динамическое управления с исполь-
зованием прямых измерений зондом, позволили получить
попадание в заданные пределы содержания углерода и
температуры стали у 98,8% плавок; количество плавок
с додувкой снизилось до 0,8%.
§ 6. АСУ ТП выплавки стали
Как уже отмечалось, достаточно полная автоматизация
современного конвертерного процесса выплавки стали
невозможна без использования ЭВМ, которые входят в
состав АСУ ТП. Функции АСУ ТП выплавки стали мо-
гут быть сформулированы следующим образом (функции
АСУ ТП по \правлению охладителем конвертерных га-
зов и газоочисткой не рассматриваются).
I. Информационные и информационно-вычислительные
функции
1. Измерение и контрочь: температуры чугуна; коли-
чества сыпучих материалов; положения конвертера; по-
ложения продувочной фурмы; расхода кислорода на
продувку и его количества, поданного от начала продув-
ки; параметров кислорода (давление, чистота); пара-
метров воды на охлаждение фурмы (давление, расход,
температура); температуры металла в конвертере (нспре-
прерывное или разовое тмерение); окисленности металла
(непрерывное или разовое измерение); содержания уг-
лерода в металле; времени продувки с сигнализацией
истечения заданного времени; расхода отходящих газов;
состава отходящих газов (содержание СО, СОг, Ог);
температуры отходящих газов.
2. Расчетные функции: расчет металлической части
шихты и выдача рекомендаций по расходу чугуна и ло-
ма; расчет и выдача рекомендаций по расходу сыпучих
материалов (известь, руда, плавиковый шпат); расчет
и выдача рекомендаций по расходу ферросплавов; рас-
чет общего расхода кислорода на плавку; расчет ско-
рости выгорания углерода (например по расход} и сос-
таву отходящих газов); расчет текущего содержания
углерода в металле (например, по балансу углерода);
прогнозирование содержания углерода в металле по хо-
ду и в конце продувки; прогнозирование температуры
251
металла по ходу и в конце продувки; прогнозирование
времени прекращения продувки; расчет технико-экономи-
ческих показателей.
II. Управляющие функции
1. Управление: расходом кислорода на продувку; поло-
жением кислородных фурм; давлением в кессоне (в
конвертерах без дожигания).
2. Управление процессами: дозирования и загрузки
сыпучих материалов; продувки (динамическое), пре-
кращения продувки (определение момента времени);,
додувки плавки.
Здесь отмечены, по-существу, все возможные жела-
тельные функции контроля и управления. В реальных
АСУ ТП в разных цехах в зависимости от принятого в
них уровня автоматизации и методов управления выпол-
няются далеко не все из перечисленных функций. На-
пример, не всегда используется прогнозирование содер-
жания углерода и температуры металла по ходу про-
дувки, не применяется динамическое управление
продувкой и т. д.
В целом АСУ ТП с ЭВМ в конвертерном производ-
стве стали обеспечивает:
1) слежение за технологическим процессом, положе-
нием и состоянием оборудования;
2) автоматизированный и централизованный кон-
троль и учет:
3) выдачу управляющих (задающих) сигналов в ло-
кальные системы автоматического управления или пря-
мое цифровое управление соответствующими величинами;
4) выдачу текущей технологической информации опе-
ратору;
5) печатание паспортов плавок и других документов.
Для функционирования АСУ ТП предусматривают
следующие автоматические и автоматизированные сис-
темы оперативного технологического контроля и управ-
ления (включающие в том числе и рассмотренные в § 3
локальные системы):
— автоматизированная система взвешивания чугуна
в ковше;
— автоматизированная система измерения темпера-
туры чугуна;
— система автоматической подачи кислорода в кон-
вертер (контроль и регулирование расхода и качества);
252
— система автоматического контроля и регулирова-
ния положения продувочной фурмы;
— система автоматического контроля положения’
конвертера;
— автоматизированная система измерения темпера-
туры и содержания углерода в металле (зонд);
— система автоматического контроля параметров-
кислорода и воды для охлаждения фурмы;
— система аварийной сигнализации основных тех-
нологических параметров процесса и автоблокировки
работы оборудования;
— система автоматического аварийного прекращения
продувки и извлечения фурмы из конвертера;
— автоматизированная система дозирования и пода-
чи в конвертер сыпучих материалов.
Работа отдельных АСУ ТП может проводиться в
следующих режимах управления:
1) в режиме замкнутого управления от УВМ (опе-
ратор-дистрибуторщик только контролирует работу
АСУ ТП);
2) в режиме программного управления, когда работа
ведется по жесткой программе (дистрибуторщик вме-
шивается в работу отдельных систем в последний период
плавки);
3) автоматическая работа локальных систем, зада-
ние которым устанавливает оператор;
4) ручное дистанционное управление оператором
всеми системами.
Различные системы могут работать в каждый дан-
ный момент с различным уровнем управления. Причем
при переходе какой-либо системы к более низкому уров-
ню управления все остальные системы продолжают ра-
ботать с установленными для них уровнями управления.
Непосредственная установка задания от УВМ (су-
первизорное управление) или прямое пифровое управле-
ние, в том числе с использованием микропроцессорных
устройств обычно применяется для трех наиболее важ-
ных систем: дозирование и подача сыпучих материалов,,
регулирование расхода кислорода и регулирование по-
ложения кислородной фурмы. Большинство других сис-
тем автоматически передают в УВМ соответствующую
информацию, которая обрабатывается УВМ и исполь-
зуется для расчета рекомендаций по ведению плавки
и для отображения на соответствующих устройствах —
дисплеях и световых табло.
253-
Вопросы для самопроверки
1. Каковы основные особенности конвертерного про-
цесса как объекта автоматического управления?
2. Какие возмущающие и управляющие воздействия
существуют в конвертере?
3. В чем состоит главная задача управления конвер-
терной плавкой?
4. Какие особенности измерения температуры и окис-
.ленностн металла в конвертере?
5. Как определяется текущее содержание углерода
в металле по ходу плавки?
6. Какие локальные системы регулирования приме-
няются при автоматизации конвертерного процесса?
7. Чем характеризуются статические математические
модели конвертерного процесса?
8. Чем характеризуются динамические математичес-
кие мотели конвертерного процесса?
9. Что такое эмпирические модели конвертерного
процесса?
10. В чем заключаются статические методы управле-
ния конвертерной плавкой?
11. В чем заключаются динамические методы управ-
ления конвертерной плавкой?
12. Что такое прямая и косвенная обратные связи
при статическом и динамическом управлении?
13. Какие функции имеет АСУ ТП выплавки стали
□ конвертере?
Тлава VIII
АВТОМАТИЗАЦИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ
РАЗЛИВКИ СТАЛИ
§ 1. Машины непрерывного литья заготовок
;ак объекты автоматического управления
Непрерывная разливка стали является самым совре-
менным способом разливки и выгодно отличается от
разливки стали в изложницы. Основные преимущества:
повышенный выход годного металла главным образом
за счет уменьшения обрези; возможность получения за-
готовок, пригодных для прокатки на листовых и сорто-
.254
вых станах, и устранение при этом из технологической
линии обжимных станов (слябингов и блюмингов) и на-
гревательных колодцев; возможность автоматизации про-
цесса и оборудования непрерывной разливки (разливка
в изложницы практически не поддается автоматизации).
Непрерывная разливка стали осуществляется на ма-
шинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и может
применяться во всех сталеплавильных производствах.
В нашей стране наибольшее распространение непрерыв-
ная разливка получила в конвертерных цехах.
По конструкции МНЛЗ для разливки стали делятся
на вертикальные, радиальные и криволинейные (ведет-
ся разработка горизонтальных МНЛЗ). Более современ-
ную конструкцию имеют радиальные и криволинейные
МНЛЗ. Особенностью таких машин является изгиб с
определенным радиусом кристаллизатора, формирующе-
го соответственно изогнутый слиток (рис. VIII.1). После
Рис. VIH.L Схема радиальной
или криволинейной МНЛЗ:
1 — сталеразливочный ковш; 2 —
промежуточный ковш; 3 — кри-
сталлизатор; 4 — зона вторич-
ного охлаждения; 5 — правиль-
но-тянущие клети; 6 — газорез-
ка; 7 — горизонтальный убороч-
ный рольганг
выхода из кристаллизатора слиток попадает в жесткий
направляющий канал вторичного охлаждения, состоя-
щий из роликовых секций, и проходит в процессе крис-
таллизации 'Д окружности. Радиус окружности выбира-
ется таким, чтобы слиток при переходе в горизонтальное
положение не содержал жидкой фазы. Особенностью
криволинейных МНЛЗ является изгиб слитка с перемен-
ным радиусом. После перехода в горизонтальное положе-
ние непрерывно литой слиток выпрямляется в правиль-
но-тянущих клетях и разрезается на мерные заготовки.
255.
В работе ЖНЛЗ можно выделить три режима: гид-
равлический, связанный непосредственно с разливкой
жидкого металла и наполнением кристаллизатора; теп-
ловой, определяющий кристаллизацию и охлаждение не-
прерывного слитка; энергосиловой, характеризующий
работу всех механизмов и приводов MHJI3.
Гидравлический режим
Металл к МНЛЗ от сталеплавильного агрегата подается
в сталеразливочных ковшах. Поступление металла из
этих ковшей в промежуточный ковш происходит через
донный разливочный стакан, перекрываемый для регу-
лирования расхода металла стопорным или скользящим
затвором (поворотного или шиберного типа).
Промежуточный ковш должен обеспечивать подачу
стабильной струи жидкого металла и возможность ре-
гулирования поступления металла в кристаллизатор.
Кроме того, промежуточный ковш является буферной
емкостью, позволяющей заменять сталеразливочные
ковши при разливке в режиме «Плавка на плавку», и
позволяет вести разливку одновременно в несколько
кристаллизаторов (ручьев).
Первая задача управления гидравлическим режимом
заключается в поддержании постоянного уровня металла
в промежуточном ковше, обеспечивающем стабильное
состояние струи металла и, следовательно, одинаковое
качество разливки. Решается эта задач путем изменения
подачи металла из сталеразливочного ковша при регули-
ровании расхода металла стопорным или скользящим
затвором.
Подача металла из промежуточного ковша в кристал-
лизатор производится в основном двумя способами;
открытой струей через донные стаканы с регулированием
расхода металла стопорным или скользящим затвором
и закрытой струей через дойные погружные стаканы
(опущенные в кристаллизатор ниже уровня металла).
Регулирование расхода металла в этом случае может
производиться как при первом способе или за счет из-
менения уровня металла в промежуточном ковше (сто-
порный или скользящий шиберный затворы служат
только запорными устройствами). Второй способ обес-
печивает отсутствие брызг и охлаждения металла и по-
этому лучшее качество слитка. Разрабатываются и дру -
гие способы регулирования истечения металла. Напри-
256
мер при электромагнитном способе вокруг разливочного
стакана размещаются индукционные катушки, взаимо-
действие магнитных полей которых с металлом вызыва-
ет сужение струи металла и его торможение, что изме-
няет в итоге расход жидкого металла.
Вторая, наиболее важная задача управления гидрав-
лическим режимом состоит в поддержании постоянного
уровня металла в кристаллизаторе. Этот уровень в про-
цессе разливки должен находиться в довольно узких
заданных пределах, что обусловлено следующими при-
чинами: превышение уровня может привести к переливу
металла через верх кристаллизатора; понижение уровня
ниже допустимого предела приводит к получению тонкой
корочки слитка, ее разрыву и прорыву жидкого металла
под кристаллизатором. Значительные колебания уровня
металла нарушают также стабильность охлаждения
слитка в кристаллизаторе, изменяют условия кристал-
лизации и сказываются на качестве слитка. Решается
эта задача путем изменения подачи металла в кристалли-
затор стопорным или скользящим затворами промежу-
точного ковша. Другой вариант заключается в измене-
нии скорости вытягивания слитка при примерно постоян-
ной подаче металла из промежуточного ковша. Может
применяться и комбинированное управление с исполь-
зованием обоих управляющих воздействий.
Рассмотренные особенности и задачи управления гид-
равлическим режимом относятся к установившемуся
режиму работы МНЛЗ. Вместе с тем определенное время
занимают режимы работы МНЛЗ, связанные с се пус-
ком и остановкой. Причем доля этих периодов работы
достаточно велика при индивидуальной разливке пла-
вок и значительно уменьшается при разливке в режиме
«Плавка на плавку».
В пусковой период главным является гидравлический
режим заполнения металлом промежуточного ковша, а
затем кристаллизатора. Заполнение промежуточного
ковша производится при полном открытии затвора ста-
леразливочного ковша до номинального уровня с после-
дующей выдачей сигнала на открытие затворов промежу-
точного ковша и включением регулятора уровня метал-
ла в промежх точном ковше.
Заполнение кристаллизатора ведется по определен-
ной программе (рис. VIII.2). Сначала дается максималь-
ный расход металла, который уменьшается после дости-
жения уровнем определенного максимального значения,
У
257
а затем достигает номинального расхода металла
(при отливке крупных заготовок заполнение кристалли-
затора ведется обычно полным потоком)’. Пуск тянущих
клетей начинается с момента достижения1 металлом зо-
ны измерения уровня hmm и быстро заканчивается вы-
Рис. VIII.2. Изменение уровня ме-
талла при заполнении кристаллиза-
тора: Лт1п — начало зоны измере-
ния уровня; ho — заданное значение
уровня; Go — номинальный расход
металла; Тц — начало пуска тяну-
щих клетей; та — окончание разгона
тянущих клетей и включение ре-
гулятора уровня металла в кри-
сталлизаторе
ходом привода на заданную частоту вращения. После-
окончания разгона привода включается в работу регуля-
тор уровня металла в кристаллизаторе, приводящий в-
соответствие подачу металла со скоростью вытягивания
слитка.
Тепловой режим
При поступлении первых порций металла в кристаллиза-
тор образуется твердая оболочка слитка, сцепляющаяся
с затравкой с помощью имеющегося в ней фигурного
паза. Кристаллизатор должен обеспечивать максималь-
ный теплоотвод от затвердевающего металла для быс-
трого формирования достаточно прочной оболочки слит-
ка, чтобы она не разрушалась под действием ферроста-
тического давления жидкого металла при выходе слитка
из кристаллизатора. Основные требования к тепловому-
режиму кристаллизатора и слитка сводятся к следую-
щему:
1) расход охлаждающей воды в кристаллизаторе
должен исключать ее перегрев, вызывающий отложение
солей и ухудшение теплоотвода от слитка;
2) при выходе слитка из кристаллизатора толщина,
твердой оболочки должна быть достаточной для исклю-
чения прорыва металла из середины слитка;
3) распределение интенсивности теплоотвода по дли-
не и периметру слитка должно обеспечивать отсутствие
больших градиентов температур и недопустимых терми-
ческих напряжений, вызывающих обоазование трещин-
в оболочке слитка.
258
На теплообмен между слитком и кристаллизатором
и, следовательно, на формирование твердой оболочки
слитка влияют очень многие факторы: марка стали, тем-
пература металла, скорость разливки, конструктивные
параметры кристаллизатора и др. Наибольшее значение
имеют конструктивные особенности кристаллизатора:
размеры граней, конусность и толщина стенок, режим
охлаждения. Из всех перечисленных параметров для
данного кристаллизатора переменным является режим
охлаждения (расход и температура охлаждающей во-
ды) и именно он является управляющим воздействием на
режим кристаллизации слитка.
В кристаллизаторе имеется несколько характеристик
зон теплоотдачи. Вначале слиток непосредственно кон-
тактирует со стенками кристаллизатора (плотность теп-
лового потока 1,8—2,3 МВт/м2), затем слиток в связи
с охлаждением несколько отходит от стенок и появля-
ется газовый зазор (плотность теплового потока 0,7—
0.9 МВт/м2). При отходе слитка от стенок и уменьшении
теплоотдачи происходит некоторый разогрев оболочки,
которая вновь прижимается к стенкам кристаллизатора
и теплоотвод от слитка на короткое время возрастает.
Окончательный отход оболочки слитка от стенок крис-
таллизатора происходит на расстоянии 600—700 мм от
уровня жидкого металла и плотность теплового потока
внизу кристаллизатора уменьшается до 0,25—0,5 МВт/м2.
Изменение теплового потока в определенной степени
соответствует изменению температуры поверхности слит-
ка, которая бистро падает до 800—900°С в начальный
момент, затем немного возрастает при отходе оболочки
от стенок кристаллизатора и далее остается примерно
постоянной.
Толщина оболочки слитка довольно точно подчиняет-
ся закону квадратного корня:
(VIII.1)
где k — коэффициент затвердевания, равный для разных
условий и граней слитка 20—25 мм-мин-0-5; т — время
движения рассматриваемого сечения слитка от уровня
жидкого металла, мин.
Основной целью управления первой стадией крис-
таллизации слитка является получение достаточно тол-
стой и прочной оболочки слитка на выходе из кристалли-
затора. Для этого необходимо отобрать от слитка впол-
9‘
259
не определенное количество тепла, зависящее от марки
стали, температуры металла и сечения заготовки
та
Q= J <?б/т, (VII 1.2)
о
где та — время пребывания металла на активной длине-
кристаллизатора; q — плотность теплового потока.
Изменение теплового потока по высоте кристаллиза-
тора может определяться на основе эмпирических зави-
симостей, получаемых в результате специальных иссле-
дований. Например при разливке слябов плотность теп-
лового потока для широких граней (МВт/м2) определя-
ется по формуле
^=1.5е-‘^+0,465. (\ II 1.3)
где т—время движения рассматриваемого сечения слит-
ка от уровня жидкого металла, мин.
Управление стадией кристаллизации слитка в крис-
таллизаторе можно на основе поддержания постоян-
ного значения величины Q. При этом управляющим
воздействием может быть время пребывания металла в>
кристаллизаторе та, обратно пропорциональное скорости
разливки (скорости вытягивания слитка), и интенсив-
ность охлаждения кристаллизатора, определяемая рас-
ходом охлаждающей воды. Следует отметить, что ох-
лаждающее воздействие воды с увеличением ее расхода
(скорости) увеличивается по затухающей кривой, так
что после достижения скорости 6 -8 м/с охлаждающее-
действие воды (коэффициент теплопередачи от металла
к воде) стабилизируется. Объясняется это тем что ос-
новное тепловое сопротивление, определяющее теплопе-
редачу, представляет участок металл —стенка кристалли-
затора, а теплоотдача от стенки к воде не лимитирует
процесса теплопередачи.
Управление первой стадией кристаллизации сводится
к управлению тепловым режимом криста ьтизатора, за-
ключающемуся в стабилизации перепада температур во-
ды на выходе и входе в каналы кристаллизатора (при
постоянной скорости вытягивания слитка) путем изме-
нения расхода воды. Величина перепада температур вы-
бирается максимальной по предельно допустимой темпе-
ратуре нагрева воды по условиям отложения солей.
Вторая стадия кристаллизации в зоне вторичного1
охлаждения определяет внутреннюю структуру и. в ко-
260
печном итоге, качество непрерывно литого слитка. По-
этому автоматизации этого процесса должно уделяться
большое внимание. Управление второй стадией крис-
таллизации осуществляется путем изменения интенсив-
ности охлаждения поверхности слитка. При чрезмерно
интенсивном охлаждении температура оболочки слитка
падает до 200—300°С и при этом деформации переходят
из пластической в упругую область, что может вызвать
появление трещин. С другой стороны, недостаточная ин-
тенсивность охлаждения и, следовательно, низкая ско-
рость роста оболочки может вызвать раздутие слитка
из-за внутреннего ферростатического давления.
В современных МНЛЗ применяется форсуночно-роли-
ковая система вторичного охлаждения, при которой по
всей длине зоны вторичного охлаждения устанавлива-
ются опорные ролики, предотвращающие раздутие слит-
ка. Такая конструкция позволяет снизить интенсивность
охлаждения и поддерживать температуру поверхности
слитка в пределах 600 -700°С, т. е. в области пласти-
ческих деформаций Вода в такой системе охлаждения
подается между роликами с помощью форсунок, обес-
печивающих хорошее распыление жидкости.
Таким образом, задачей управления вторичным ох-
лаждением слитка является создание условий, предот-
вращающих чрезмерное охлаждение оболочки слитка
и вместе с тем обеспечивающих равномерное затверде-
вание слитка с окончанием затвердевания по всей его
толщине к концу зоны вторичного охлаждения. Единст-
венным управляющим воздействием при постоянной ско-
рости вытягивания слитка служит расход охлаждающей
воды и его распределение по секциям зоны вторичного
охлаждения. Поскольку количество тепла, которое нужно
отобрать у слитка, пропорционально скорости разливки,
то и расход воды должен быть практически пропорцио-
нален этой скорости, т. е. целесообразно применение сис-
темы регулирования соотношения: скорость разливки —
расход ох 1аждающей воды.
Энергосиловые режимы
Качество оболочки слитка после кристаллизатора, от-
сутствие трещин и разрывов определяются не только
тепловым режимом процесса кристаллизации, но и уси-
лением вытягивания слитка из кристаллизатора. В про-
цессе вытягивания слитка между его поверхностью и
261
стенками кристаллизатора возникают значительные си-
лы трения, которые могут привести к «зависанию» верх-
ней части слитка и его разрыву. Д тя предотвращения
этого явления на современных МНЛЗ применяют дви-
жущиеся (качающиеся) кристаллизаторы. В течение
примерно 3/4 времени цикла кристаллизатор переме-
щается вниз на 15—25 мм со скоростью, равной или не-
сколько превышающей скорость вытягивания считка, и
после этого возвращается в верхнее положение со ско-
ростью в 2—3 раза большей. Возникает задача управ-
ления энергосиловыми режимами МНЛЗ, в частности
стабилизации усилия вытягивания слитка, с помощью
изменения подачи смазки в кристаллизатор (смазкой слу-
жат различные масла или парафин).
МНЛЗ представляет собой многоагрегатный комп-
лекс с большим количеством электрических, пневмати-
ческих и гидравтических приводных устройств. Основ-
ные механизмы (качание кристаллизатора, тянущие и
правильные клети, платформа газорезки, перемещение
резака и др.) имеют электрические приводы, что связано
главным образом с необходимостью изменения скорости
в широких пределах. Существует задача управления,
связанная с пуском этих приводов в начале разливки
в определенной последовательности, изменения их ско-
рости и синхронизация в процессе работы. Например,
после получения мерной длины слитка включается ме-
ханизм передвижения платформы газорезки в направ-
лении перемещения слитка и скорость синхронизируется
со скоростью вытягивания слитка; одновременно вклю-
чается механизм передвижения резака в поперечном на-
правлении. После завершения резки, резак и платформа
отводятся в первоначальное положение.
К управлению энергосиловым режимом следует от-
нести системы изменения ширины сляба в процессе
разливки. Регулирование осуществляется изменением
положения боковых стенок кристаллизатора со скоростью
до 100 мм/мин с помощью нескольких гидроцилиндров,
управление работой которых осуществляется микропро-
цессором.
Очень важной задачей оптимального управления ко-
нечной фазой разливки, косвенно связанной с энергоси-
ловым режимом (последовательность выключения от-
дельных механизмов), является максимизация выхода
мерных заготовок из имеющейся массы жидкого метал-
ла. Наиболее простой способ разливки заключается в
262
подаче металла из промежуточного ковша во все ручьи
(кристаллизаторы) МНЛЗ вплоть до полного его рас-
ходования. В этом случае немерные остатки могут до-
стигать большой величины, а их количество равно числу
ручьев. Оптимальное управление заключается в выборе
количества ручьев в зависимости от остатка металла в
промежуточном ковше и расхода металла на получение
заготовки мерной длины. При этом может получиться,
что окончание разливки производится (в четырехручье-
вых МНЛЗ) в четыре, три, два и даже один кристалли-
затор. При такой системе управления немерный остаток
может быть только в одном ручье, что обеспечивает
максимальный выход мерных заготовок.
§ 2. Автоматический контроль параметров разливки
В МНЛЗ автоматически контролируются следующие ос-
новные величины: температура (металла в сталеразли-
вочном ковше, металла в промежуточном ковше, охлаж-
дающей воды в кристаллизаторе, поверхности слитка в
зоне вторичного охлаждения); уровень (металла в про-
межуточном ковше, металла в кристаллизаторе); рас-
ходы (воды в кристаллизатор, воды на секции вторич-
ного охлаждения, газа на газорезку, кислорода на га-
зорезку); усилие вытягивания слитка; скорость разливки
(скорость вытягивания слитка); длина слитка.
Температура жидкого металла в сталеразливочном
ковше контролируется термопарами разового действия,
а в промежуточном ковше — термопарами разового или
непрерывного действия, аналогичными применяемым
для измерения температуры жидкого металла в других
сталеплавильных агрегатах.
Для общего контроля состояния футеровки проме-
жуточного ковша применяют поверхностные хромель-
алюмелевые термопары, устанавливаемые в штуцерах,
приваренных к корпусу промежуточного ковша.
Температурное состояние кристаллизатора оценива-
ется по температуре воды на входе и выходе из крис-
таллизатора, измеряемой медными термометрами со-
противления. В некоторых случаях измеряется разность
температур воды на выходе и входе в кристаллизатор.
Температура поверхности слитка в зоне вторичного
охлаждения измеряется бесконтактным способом в не-
скольких точках (не менее трех) по длине слитка. При-
меняются спектральные пирометры, имеющие показатель
263
визирования 1:100, что позволяет устанавливать их на
расстоянии 2—5 м от слитка в нормальных для работы
условиях и измерять температуру слитка в небольших
промежу гках между опорными роликами. Пирометры
работают в таком диапазоне длин волн, что не чувстви-
тельны к наличию паров воды в зоне визирования и
позволяет измерять температуру поверхности в пределах
700—1300°С с точностью 1%.
Уровень металла в МНЛЗ измеряется в промежу-
точном ковше и кристаллизаторе. В промежуточном ков-
ше уровень металла может измеряться непосредственным
или косвенным путем. Известны различные методы не-
посредственного измерения: расположение по высоте
футеровки контактных электродов, контакт которых с
металлом обеспечивает замыкание соответствующих кон-
туров и индикацию уровня металла; применение следя-
щей системы, в которой специальный электрод переме-
щается до образования контакта с жидким металлом-
использование проволоки, поступающей из специального
подающего устройства до соприкосновения с металлом,
по электрическому7 сопротивлению которой судят о ее
длине и, следовательно, расстоянии до поверхности ме-
талла. В Швеции разработан электромагнитный датчик
уровня, состоящий из первичной и вторичной катушек.
При изменении уровня метал за выходное напряжение
вторичной катушки меняется. Точность измерения со-
ставляет ±3 мм. Катушки устанавливаются между кор-
пусом и футеровкой промежуточного ковша и имеют не-
большую толщину.
Достаточно широкое применение нашел метод кос-
венного измерения уровня металла, основанный на оп-
ределении массы металла с помощью тензодатчиков —
месдоз (см. гл. III). Промежуточный ковш устанавли-
вается на специальной плите, которая опирается на
несколько месдоз. При нагрузке месдоз меняется элек-
трическое сопротивление тензодатчиков, встроенных в
них. что и используется для взвешивания ковша. В из-
мерительном приборе предусмотрена компенсация мас-
сы пустого промежуточного ковша. При градуировке при-
бора учитывается также расширение вверх стенок про-
межуточного ковша.
Измерение уровня металла в кристаллизаторе про-
изводится различными контактными и бесконтактными
способами. Примером контактного способа может слу-
жить использование нескольких термопар, зачеканенных
264
на стенке кристаллизатора, обращенной к металлу. На-
ибольшее значение т.э.д.с. дает представление об уровне
металла. Точность измерения уровня примерно соответ-
ствует расстоянию между ближайшими термопарами.
Другой контактный способ, разработанный в Японии,
использует специальный электрод, погружаемый в за-
сыпаемую в кристаллизатор шлакообразующую смесь.
Электросопротивление смеси меняется с высотой по оп-
ределенной зависимости. Электрод останавливается, ког-
да измеряемое сопротивление смеси становится равным
заданному, что соответствует его расположению на оп-
ределенном расстоянии от поверхности металла и, сле-
довательно, характеризует уровень металла.
Наибольшее распространение получили бесконтакт-
ные способы измерения уровня металла в кристаллиза-
торе. Один из них основан на изменении интенсивности
у-излучения, просвечивающего кристаллизатор с метал-
лом. Поток у-излучения от источника, расположенного
с одной стороны кристаллизатора, проходит через стенки
кристаллизатора, жидкий металл и попадает в приемник
излучения с другой стороны кристаллизатора. Интенсив-
ность воспринимаемого приемником у-излучения зависит
от \ ровня металла: чем выше уровень, тем сильнее ос-
лабляется поток у-излучения. В таких у-уровнемерах ди-
апазон измерения уровня составляет 0—180 мм при
точности измерения '±5 мм
Электромагнитный датчик определяет расстояние до
поверхности жидкой стали в диапазоне 0—100 мм с
точностью ± 1 мм. Датчик имеет три обмотки диамет-
ром 10 мм, расположенные на одном магнитопроводе:
средняя первичная и крайние вторичные, одна из кото-
рых находится в непосредственной близости к металлу.
Вторичные обмотки включены встречно и разность их
сигналов, пропорциональная расстоянию от металла,
преобразуется в выходной сигнал 0—5 В. Датчик за-
ключен в керамический кожух диаметром 30 мм и дли-
ной 200 мм.
Оптический датчик уровня представляет собой тепло-
мер (прибор, измеряющий тепловой поток излучения),
установленный под углом к горизонтали так, что в поле
визирования попадает часть поверхности жидкого ме-
талла и часть граничащей с ней холодной стенки крис-
таллизатора. При изменении уровня металла меняется
соотношение поверхностей и величина теплового потока,
регистрируемая тепломером. По величине этого сигнала
265
судят об уровне металла. Недостатком датчика является
существенное влияние на его показания слоя шлака на
поверхности металла.
Из других величин, измерение которых необходимо
при управлении МНЛЗ, следует рассмотреть усилие
вытягивания слитка, скорость разливки, длину слитка
и толщину оболочки слитка в зоне неполного затверде-
вания.
Усилие вытягивания слитка определяется с помощью
тензодатчиков наклеенных на балки, поддерживающие
кристаллизатор, или с помощью магнитострикционных
датчиков. Действие последних основано на изменении
магнитных свойств магнитно-мягких материалов под дей-
ствием приложенных к ним усилий. Поскольку воздей-
ствие кристаллизатора на датчики циклически меняется
вследствие качания кристаллизатора, то предусмотрена
синхронизация цикла измерения усилия с циклом кача-
ния кристаллизатора.
Скорость разливки (скорость вытягивания слитка)
измеряется тахогенератором, связанным с валом электро-
двигателя тянущей клети. Шкала вторичного прибора
проградуирована в единицах линейной скорости.
Измерение длины слитка основывается на суммиро-
вании импульсов, каждый из которых характеризует
прохождение определенного отрезка длины слитка (нап-
ример, 10 мм). В качестве датчика импульсов исполь-
зуются сельсины или специальные контактные устрой-
ства, дающие импульс (замыкание контактов) каждый
оборот валка тянущих клетей. Импульсы поступают в
сумматор и их число пересчитывается в длину слитка.
В некоторых случаях при исследовательских и на-
ладочных работах измеряется толщина оболочки слитка.
Известно несколько способов измерения: радиоизотоп-
ный, электрической проводимости, ультразвуковой лока-
ции. Радиоизотопный метод основан на различном ослаб-
лении у-излучения твердым и жидким металлом. В слу-
чае использования метода электрической проводимости
к слитку с помощью контактных роликов подводится
ток. Измеряется общее сопротивление слитка, зависящее
от толщины корочки и размера жидкой фазы (твердый
и жидкий металл имеют различное удельное сопротив-
ление) и по нему определяется толщина корочки. При
ультразвуковой локации источник и приемник ультразву-
ка расположены с одной стороны слитка под углом
друг к другу и в приемник попадает сигнал, отражен-
266
ный от границы раздела твердой и жидкой фаз. По
времени прохождения сигнала определяется расположе-
ние границы раздела и, следовательно, толщина твер-
дой оболочки слитка.
§ 3. Локальные системы регулирования
Уровень металла в промежуточном ковше
Система автоматического регулирования (рис. VIII.3)
предназначена для поддержания уровня металла в про-
межуточном ковше на заданном значении путем управ-
ления стопором или скользящим шиберным затвором
разливочного ковша. В системе могут использоваться
непрерывные или двухпозиционные регуляторы; приме-
Рис. VU1.3. Схема регулирования уровня (массы) металла в промежу-
точном ковше:
/ — сталеразливочный ковш; // — промежуточный ковш; /// — сигнал
в систему оптимизации выхода мерных заготовок; 1 — датчик массы;
2— вторичный прибор; 3— регулятор массы; 4 — ручной задатчик
Рис. VII 1.4. Схема регулирования уровня металла в кристаллизаторе:
1 — промежуточный ковш; // — кристаллизатор; /// — тянущая клеть;
IV— слиток; /—датчик уровня; 2— измерительный преобразователь;
3 — вторичный показывающий и регистрирующий прибор; 4 — регуля-
тор; 5 — датчик скорости вытягивания слитка; 6 — инвариантный пре-
образователь; 7 — исполнительный механизм
няются электрические или пневматические исполнитель-
ные механизмы. Если измерение уровня осуществляется
косвенным образом и основано на определении массы
металла в промежуточном ковше, то в процессе регули-
267
рования поддерживается фактически заданная масса
металла в ковше (буква №).
Важной функцией измерительной части системы явтя-
ется выдача информации о фактическом количестве ме-
талла в конце разливки в систему оптимизации мерных
заготовок, а также сигна пизация о полном расходовании
металла.
Уровень металла в кристаллизаторе
Регулирование уровня металла в кристаллизаторе (рис.
VIH.4) основывается на одном из описанных выше спо-
собов измерения уровня и осуществляется ПИ- или ПИД-
регулятором, воздействующим на стопор или скользя-
щий шиберный затвор промежуточного ковша. Точность
стабилизации не должна быть меньше ±20 мм.
Для увеличения точности работы системы во время
переходного процесса при наличии возмущения по ско-
рости вытягивания слитка применяют контур компенса-
ции возмущения. Сигнал с датчика скорости вытягивания
слитка (тахогенератора) 5 поступает в компенсатор воз-
мущения (инвариантный преобразователь) 6, выраба-
тывающий корректирующее воздействие на регулятор 4
таким образом, что изменение скорости вытягивания
слитка сразу компенсируется изменением: притока ме-
талла из промежуточного ковша. При этом уровень ме
талла в кристаллизаторе становится независимым (ин-
вариантным) от возмущения по скорости вытягивания
слитка.
Рассмотренная система является комбинированной,
так как в ней одновременно применяются два принципа
регулирования: по отклонению (замкнутый контур с
приборами 1, 2, 4) и по возмущению (разомкнутый кон-
тур с приборами 5, 6, 4).
При подаче металла в кристаллизатор через погруж-
ной стакан-дозатор управление уровнем металла в крис-
таллизаторе осуществляется за счет изменения скорости
вытягивания слитка. Это же регулирующее воздействие
применяется и при открытой стру'е в случае литья сор-
товых заготовок небольшого сечения (когда необходимо
иметь стабильное качество струи).
В некоторых случаях используют два управляющих
воздействия: изменение притока металла из промежу-
точного ковша и изменение скорости вытягивания слит-
ка (второе воздействие применяется как дополнитель-
ное если недостаточно первого).
268
Тепловой режим кристаллизатора
Управление тепловым режимом кристаллизатора обычно
заключается в стабилизации перепада температур ох-
лаждающей воды на выходе и входе в кристаллизатор
(датчик 2) путем изменения расхода воды с помощью
Т1И-регулятора 4 (рис. VIII.5). Этот перепад задается
Рис. VII 1.5. Схема регулирования перепада температур воды в кристаллиза-
торе:
/— датчики температуры (термометры сопротивления); 2— датчик темпера-
турного перепада; 3— задатчик температурного перепада; 4—регулятор; 5 —
корректирующий прибор; 6 — задатчик расчетного значения температуры во-
ды на входе
Рис. VII!.€. Схема регулирования соотношения перепад температур — расход
охлаждающей воды:
1—датчики температуры; 2— датчик температурного перепада; 3 — задатчик;
4 — регулятор соотношения; 5 — датчик расхода охлаждающей воды
максимально возможным по условиям отложения солей
в кристаллизаторе с тем, чтобы обеспечить минимальный
расход охлаждающей воды. Так как температура воды
на входе может меняться достаточно существенно, то
применяется автоматическая коррекция с помощью ус-
тройства 5 задания регулятору 4 в сторону уменьшения
при повышении температуры воды и в сторону увели-
чения при уменьшении температуры воды в магистрали.
Второй вариант управления тепловым режимом крис-
таллизатора связан с регулированием соотношения пе-
репад температуры—расход охлаждающей воды (рис.
VIII.6). Перепад температуры с прибора 3 и заданное
269
Рис. VHI.7. Схема регулирования
расхода охлаждающей воды в кри-
сталлизаторе:
1 — датчик температуры; 2 — вто-
ричный прибор, показывающий раз-
ность температур; 3 — датчик рас-
хода воды; 4 — вторичный прибор;
5 — регулятор расхода воды; 6 —
ручной задатчик
значение перепада с задатчика 2 поступают в регулятор
4, куда также поступает сигнал от датчика расхода ох-
лаждающей воды 5. При отклонении температурного
перепада от заданного значения регулятор 4 воздейст-
вует на клапан подачи воды в направлении ликвидации
этого отклонения, но не до-
нуля, а до некоторой вели-
чины, определяемой встреч-
ным сигналом от датчика
расхода 5. Преимуществом
такой системы регулирова-
ния является малая чувст-
вительность к возмущениям
по расходу воды. В случае
изменения подачи воды, на-
пример связанного с измене-
нием давления в сети, ре-
гулятор соотношения быст-
ро восстанавливает расход
воды и при этом перепад
температур практически не
меняется.
На МНЛЗ с маломеняю-
щейся скоростью разливки
возможно просто стабилизи-
ровать расход охлаждаю-
щей воды (рис. VIII.7), кон-
тролируя при этом разност!
температур воды на входе
и выходе прибором 1. Если
больше или меньше наиболее
перепад температур станет
целесообразного, то оператор вручную меняет задание
регулятору расхода воды.
Тепловой режим вторичного охлаждения
На многих МНЛЗ управление тепловым режимом вто-
ричного охлаждения осуществляется путем регулирова-
ния соотношения скорость разливки — расход охлажда-
ющей воды (рис. VIII.8,a). На каждую секцию зоны
вторичного охлаждения и даже на части этих секций
устанавливаются свой диапазон расхода охлаждающей
воды и коэффициент пропорциональности скорости раз-
ливки. Поэтому осуществляется отдельное регулирование
расхода воды на каждую секцию по жесткой программе
на основе общего сигнала, характеризующего скорость
270
разливки (скорость вытягивания слитка). Программа
для каждой секции разрабатывается на основе предва-
рительных исследований и имеет вид, показанный на
рис. \ Ш.8,б. При скорости разливки, меньшей Gmin,
расход воды на первых пяти секциях поддерживается
Рис. VII 1.8. Схема регулирования соотношения скорость раз-
ливки — расход охлаждающей воды на вторичное охлаждение:
/ —датчик скорости разливки; 2 — датчик расхода воды; 3 —
регулятор расхода; 4 — ручной задатчик
постоянным; на следующих секциях водяное охлаждение
вообще отсутствует, так как требуемая теплоотдача обес-
печивается при охлаждении на воздухе.
Может быть преду-
смотрен и режим автома-
тической стабилизации
расхода воды на каждую
секцию, при ручной уста-
новке заданий регулято-
рам расхода. В этом слу-
чае целесообразно преду-
смотреть коррекцию рас-
хода охлаждающей воды
по температуре поверх-
ности слитка (рис. VIII.9).
Регулятор / стабилизи-
рует расход воды на одну
из секций зоны вторично-
го охлаждения, заданный
задатчиком 2. Корректи-
рующий прибор 3 в зави-
симости от отклонения
Рис. VII 1.9. Схема регулирования ра-
схода воды на вторичное охлаждение
с коррекцией по температуре поверх-
ности слитка:
/ — регулятор расхода воды; 2 — за-
датчик расхода; 3 — корректирующий
прибор; 4— датчик температуры (пи-
рометр); 5 — задатчик температуры;
б —датчик расхода воды
271
температуры поверхности слитка, измеряемой пиромет-
ром 4, от заданной задатчиком 5, корректирует задание
регулятору 1. Корректирующее воздействие может вво-
диться в системы регулирования каждой секции на ос-
нове измерения температуры поверхности слитка в одной
точке в конце зоны вторичного охлаждения. Может так-
же использоваться и измерение температуры в несколь-
ких точках по длине слитка.
§ 4. АСУ ТП непрерывной разливки стали
АСУ ТП непрерывной разливки входит обычно как со-
ставная часть в интегрированную АСУ сталеплавильным,,
например конвертерным цехом. В целом АСУ ТП долж-
на обеспечивать за счет стабилизации и оптимизации
технологических режимов разливки: повышение произво-
дительности; повышение выхода годного металла; повы-
шение качества слитка; уменьшение числа аварийных ре-
жимов работы и повышение работоспособности МНЛЗ,
улучшение условий труда обслуживающего персонала.
Основные функции АСУ ТП непрерывной разливки
стали:
I. Информационные и информационно вычислительные
функции
1. Контроль величин:
а) температуры жидкой стали в сталеразливочном
ковше;
б) температуры жидкой стали в промежуточном
ковше;
в) массы стали в сталеразливочном ковше;
г) массы (уровня) металла в промежуточном ковше;,
д) уровня металла в кристаллизаторе;
е) усилия вытягивания слитка из кристаллизатора,
ж) скорости вытягивания слитка (скорости разлив
ки);
з) расхода и давления охлаждающей воды на крис-
таллизатор;
и) перепада температур охлаждающей воды на крис-
таллизаторе;
к) расхода технологической смазки в кристаллиза-
тор;
л) расхода и давления воды на секции зоны вторич-
ного охлаждения;
272
м) температуры поверхности слитка;
н) усилия на опорные валки участка правки слитка;.
о) общей и мерной длин слитка.
2. Расчет:
а) теплового состояния и толщины оболочки слитка
в зоне вторичного охлаждения;
б) основных параметров разливки (скорость разлив-
ки, расход смазки, расход охлаждающей воды на крис-
таллизатор и на вторичное охлаждение);
в) технико-экономических показателей работы МНЛЗ.
II. Управляющие функции
1. Управление величинами:
а) массой (уровнем) металла в промежуточном ков-
ше;
б) уровнем металла в кристаллизаторе;
в) расходом воды на кристаллизатор;
г) расходом воды на секции зоны вторичного охлаж-
дения;
д) расходом технологической смазки;
е) расходом газа и кислорода на газорезку.
2. Управление процессами:
а) пусковым режимом МНЛЗ;
б) режимом вторичного охлаждения слитка;
в) вытяжки слитка (приводом тянущих клетей);
г) порезом слитка на мерные длины;
д) оптимальным режимом окончания разливки с-
целью уменьшения отходов;
е) режимом разливки методом «плавка на плавку»
путем расчета и выдачи рекомендаций по поддержанию
нужного контактного графика.
Для реализации оптимальных функций предусмотрены
соответствующие системы контроля и управления (рис.
VIII.10).
Кроме приведенного выше перечня функций АСУ ТП
осуществляет:
— сигнализацию отклонения от норм основных тех-
нологических параметров процесса;
— накопление информации о режиме отливки и ус-
ловиях формирования каждой заготовки для последую-
щего анализа;
— регистрацию предаварийных ситуаций;
— подготовку и печать технологического паспорта
разливки и других документов о работе МНЛЗ.
273:
Вопросы для самопроверки
1. В чем состоит управление гидравлическим режи-
мом МНЛЗ?
2. Какие особенности имеет управление тепловым
режимом МНЛЗ?
3. Какие известны контактные способы измерения
уровня металла в кристаллизаторе МНЛЗ?
4. Какие известны бесконтактные способы измерения
уровня металла в кристаллизаторе МНЛЗ?
5. Какие локальные системы регулирования приме-
няются при автоматизации МНЛЗ?
6. Какие функции имеет АСУ ТП непрерывной раз-
ливки стали?
Глава IX
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
В ДУГОВЫХ ПЕЧАХ
§ 1. Особенности дуговой сталеплавильной печи
как объекта автоматического управления
Основная задача автоматизации дуговой сталеплавиль-
ной печи (ДСП) — получить сталь заданного химическо-
го состава и требуемой температуры, а также макси-
мальную производительность печи.
Плавка стали в ДСП является процессом с перио-
дически повторяющимися операциями и состоит из че-
тырех периодов: межплавочный простой, период плав-
ления, окислительный период, восстановительный период.
Каждый период плавки предъявляет индивидуаль-
ные требования к автоматизации. Так во время межпла-
вочного простоя обслуживающий персонал производит
осмотр состояния футеровки печи, при необходимости
очистку подины, откосов и выпускного отверстия, за-
правку печи огнеупорными материалами и загрузку печи'
шихтовыми материалами. Поэтому рациональна и до-
статочна в межплавочный простой механизация отдель-
ных операций.
Период плавления является энергетическим периодом
плавки. Основная задача периода — расплавление загру-
женных шихтовых материалов в кратчайший срок при
минимальном расходе электроэнергии. Некоторые тех-
нологические операции в этот период осуществляют, как
правило, в конце плавления шихты. Эти операции, к
275»
которым относятся продувка ванны кислородом (тех-
нология совмещения периода плавления и окислитель-
ного периода), скачивание шлака для создания условий
лефосфорации, не оказывают значительного влияния на
изменение подводимой к печи мощности. В период плав-
ления основное внимание необходимо уделить автомати-
зации электрического режима плавки.
Окислительный период плавки является, по-сущест-
ву, чисто технологическим. В этот период требуется
тщательный контроль за температурным режимом фу-
теровки. так как в процессе окислительного периода
температура футеровки повышается и может доходить
при выплавке, например, нержавеющих сталей до 1700—
1800 °C, а температура металла даже до 1900 °C. Автома-
тизация окислительного периода плавки должна вклю-
чать расчет и ввод в печь необходимого количества
•окислителей, отбор проб металла и получение результа-
тов химического анализа, расчет, набор и загрузку шла-
кообразующих, скачивание шлака, контроль температу-
ры футеровки стен и подины печи и выбор и поддержа-
ние рационального электрического режима.
Восстановительный период плавки является послед-
ним в технологической цепочке. При автоматизации это-
го периода необходимо обеспечить расчет и ввод в печь
требуемого количества раскислителей и легирующих эле-
ментов, контроль температуры металла и футеровки,
тщательное перемешивание металла, отбор проб и полу-
чение результатов химического анализа, а также поддер-
жание заданного электрического режима.
Электроплавка является сложным процессом, при
котором протекают различные типы электрофизических,
физико-химических, тепло-энергетических и даже квази-
плазменных явлений. Механизм протекания этих процес-
сов изучен недостаточно из-за их сложности и отсутст-
вия многих надежных датчиков различных параметров,
работоспособных в трудных условиях металлургическо-
го производства при большой запыленности и высоких
температурах. Поэтому при описании сталеплавильного
процесса в ДСП детерминированный подход пока прак-
тически невозможен и приходится пользоваться стати-
стическими (вероятностными) методами составления ма-
тематических моделей.
Плавку стали в ДСП целесообразно характеризовать
тремя режимами: электрическим, температурным и
технологическим. Электрический режим плавки — это
?76
характер изменения подводимой к печи мощности во
времени. Температурный режим включает изменение по
ходу плавки температуры металла, шлака и футеровки.
В технологический режим плавки входят изменение хи
мического состава металла и все технологические опера-
ции, выполняемые во времени, например, скачивание
шлака, присадка легирующих и др.
Все эти режимы безусловно связаны между собой, но
тем не менее при описании систем автоматизации воз-
можно рассматривать их отдельно.
§ 2. Контроль параметров в ДСП
В ДПС контролируют следующие параметры: силу тока
и напряжение в каждой фазе силовой цепи; коэффи-
циент мощности; расход электроэнергии; температуру
металла и футеровки печи; химический состав металла
и шлака; массу металла и добавочных материалов; рас-
ход и давление кислорода на продувку металла.
Для контроля электрических параметров ДСП ис-
пользуют амперметры и вольтметры, счетчики электро-
энергии и фазометры. Все приборы располагают на
пульте управления.
Несмотря на то, что датчиков температуры жидкого
металла разработано достаточно много, измерение тем-
пературы металла в ДСП является довольно сложной
операцией. Это связано в первую очередь с большим
1радиентом температуры металла по поверхности и глу-
бине ванны. В ДСП вместимостью 25 т в конце периода
плавления температура металла у откосов может быть
на 70 °C меньше, чем у электродов. По глубине ванны
градиент температуры металла в конце периода плавле-
ния составляет до 130°С/м, в окислительный период,
когда ванна кипит и металл хорошо перемешивается,
«го практически нет, в восстановительный период при
спокойной ванне и отключенном электромагнитном пе-
ремешивании он снова увеличивается и доходит до
150°С/м. Электромагнитное перемешивание уменьшает
градиент в 2,5—4,0 раза. При таких больших значениях
градиента температуры металла желательную погреш-
ность измерения до ±5°C обеспечить довольно сложно.
В этом случае необходимым условием представитель-
ного измерения температуры металла в ДСП является
правильный выбор точки ввода датчика — представи-
тельной точки. Эта точка характеризуется тем, что изме-
277
ренная в ней температура металла равна средней тем-
пературе ванны и примерно температуре металла в ков-
ше после выпуска из печи. По данным В. М.: Виноградо-
ва и В. Е. Пирожникова для 20-т печи она находится на
радиусе печи, проходящем между электродами, на по-
ловине расстояния от диаметра распада электродов до
стен печи на глубине 150—200 мм от поверхности ме-
талла.
Измерение осложняется также наличием на поверх-
ности металла шлака, толщина которого и температура
неизвестны. Экранирующее действие шлака исключает
возможность использования для измерения температу-
ры металла различных типов пирометров Поэтому в ка-
честве датчиков температуры металла по ходу плавки
используют термоэлектрические термометры.
Измерение температуры металла в ДСП производят
в основном ручными термопарами, которые держат во
время замера на весу или крепят к корпусу печи на шар-
нирном кронштейне. И в том и другом случае невоз-
можно обеспечить замер температуры металла в одной
представительной точке, что является существенным не-
достатком этого метода.
Более подходит к цели автоматизации механизирован-
ная термопара периодического действия конструкции
НПО «Черметавтоматика» и завода «Электросталь», ко-
торую вводят через водоохлаждаемую амбразуру в сте-
не печи. Эта термопара, имеющая фиксированную точ-
ку измерения, обеспечивает замер температуры метал-
ла в представительной точке, а также измерение на-
постоянной глубине при использовании специальной
электрической системы перемещения.
Термопары для непрерывного измерения температу-
ры металла пока не нашли широкого применения в ду-
говых печах. Из-за налипания на водоохлаждаемый кор-
пус термопары металла и шлака невозможен вывод ее
из печи через амбразуру после выпуска металла. Если
в условиях мартеновской плавки это не представляет
особой опасности, так как загрузка материалов проис-
ходит через рабочие окна печи, то в условиях ДСП,
когда загрузку шихтовых материалов осуществляют кор-
зиной сверху, оставшаяся термопара может быть по-
вреждена.
В технологические периоды плавки в теплообмене со
стороны футеровки стен печи принимает участие тонкий
рабочий слой, примыкающий к внутренней поверхности.
278
толщиной всего 10—20 мм. Резкое увеличение скорости
износа магнезитовой футеровки с 2—3 до 15—20 мм за
плавку наступает при перегреве ее внутренней поверх-
ности. В связи с этим необходимо измерять температу-
ру именно этого тонкого слоя внутренней поверхности.
В настоящее время известно несколько методов из-
мерения температуры футеровки стен ДСП. Широкое
распространение получили шомпольные термозонды
конструкции Челябинского НИИМа, аналогичные по
конструкции термозондам, применяемым для измерения
температуры свода мартеновских печей (см. гл. VI).
Пределы измерения температуры термозондом 1100—
1900°С с погрешностью ±25 °C. Тарировку термозонда
производят оптическим пирометром при отключенной
печи. Эта операция при использовании шомпольного
термозонда необходима, так как измеряется, по-сущест-
ву, не фактическая температура футеровки, а усреднен-
ный тепловой поток, падающий на чувствительный эле-
мент термозонда от дуг, шлака, свода, стен, электродов
и включающий конвективную теплоотдачу от газов в
рабочем пространстве печи. Недостатком термозонда
является также невозможность измерения толщины фу-
теровки и корректирования положения чувствительного
элемента по отношению к внутренней поверхности фу-
теровки при ее износе и уменьшении толщины.
Более простым способом является измерение темпе-
ратуры футеровки с помощью термопар (рис. IX. 1),
предложенный НПО «Чер-
метавтоматика» и заводом
«Электросталь».
Для измерения этим
способом в кожухе печи
делают отверстие, вста-
вляют в него металличе-
скую трубу диаметром
50 мм, которую замуровы-
вают во время ремонта в
футеровку стен. Когда в
период плавления шихта
Рис. 1Х.1. Термопара для контроля
температуры футеровки
опустится ниже этого отверстия, термопару 1 с графи-
товым блоком 2 и защитным наконечником 3 вставляют
в трубу и уплотняют снаружи огнеупорным материалом
4 для устранения подсосов воздуха. По условиям ра-
боты ДСП наиболее целесообразно использовать воль-
фрам-рениевые (ВР 5/20) и платинородий-платиноро-
279
диевые (ПРЗО/6) термопары, которые могут обеспечить
наибольшую продолжительность измерения без замены
горячего спая, выступающего в рабочее пространство
печи на 5—20 мм. Перед выпуском металла термопару
извлекают. Этот способ по принципу измерения обла-
дает аналогичны ми недостатками, что и термозонд.
Рис. IX.2. Термопарный блок для контроля температуры футеровки
Меньшей погрешностью измерения обладает термо-
пара (рис. IX. 2) отличительной особенностью которой
является прокладка термоэлектродов 1 в каналах 4Г
специально подготовленных в рабочей головке 5, кото-
рая соединена с катушкой 2 металлической трубой <3-
Горячий спай 6 термоэлектродов расположен на торце-
вой поверхности головки, выполненной из того же огне-
упорного материала, что и кладка стен. Торец головки
устанавливают заподлицо с внутренней поверхностью
футеровки, т. е. помещают его в одинаковые темпера-
турные условия, что способствует уменьшению погреш-
ности измерения. Прокладка термоэлектродов от горя-
чего спая вдоль поверхности, температуру которой из-
меряют, уменьшает погрешность измерения, так как
устраняется отвод тепла от горячего спая за счет тепло-
проводности самих термоэлектродов. Недостатком спо-
соба является необходимость контроля толщины футе-
ровки.
Все способы измерения температуры футеровки тер-
мопарами не обладают высокой надежностью из-за ма-
лого срока службы горячего спая термоэлектродов. Более
надежными датчиками по сравнению с термопарами
являются бесконтактные датчики, основанные на ис-
пользовании пирометров или косвенном измерении тем-
пературы футеровки.
В конструкции одного из таких датчиков, разрабо-
танной в Московском вечернем металлургическом инсти-
туте, используют фотоэлектрический пирометр ФЭП-4М,
установленный на прикрепленном к кожуху печи крон-
280
штейне и свизированный на дно калильного чехла, пред-
ставляющего собой стакан из огнеупорного материала
с глухим дном, вставленный в шамотную трубку. Ка-
лильный чехол устанавливают в футеровке печи так,
чтобы внешняя поверхность его дна была заподлицо с
внутренней поверхностью кладки. Наибольшей стойко-
стью (10 — 15 плавок или около 50 ч непрерывной рабо-
ты) обладают чехлы из корунда (98% А120з) длиной
350 мм, толщиной донышка 2—3 мм, внешним диамет-
ром 35 мм и внутренним диаметром 30 мм. Погрешность
измерения этим методом составляет —30 °C.
В Московском вечернем металлургическом институ-
те разработан также датчик для косвенного измерения
температуры тонкого рабочего слоя внутренней поверх-
ности футеровки по его электрическому сопротивлению.
Конструкция датчика и схема установки его на печи
показаны на рис. IX.3. Датчик состоит из двух электро-
дов— силитовых (из карбида
кремния) стержней 2 диамет-
ром 12 мм, длиной 500 мм и
двух трубок 1 из нержавеющей
стали длиной 500 мм, в кото-
рые вставляют стержни. Два
электрода во время ремонта
замуровывали в кладку стен 3
заподлицо с внутренней по-
верхностью. В печи труб-
ка из нержавеющей стали
оплавляется по длине примерно на 20 мм от внутрен-
ней поверхности футеровки. В электрическую цепь из-
мерения входят нержавеющие трубки, часть оголенных
силитовых стержней длиной 20 мм и рабочий слой фу-
теровки между электродами. Электрическое сопротив-
ление этой цепи не зависит от толщины футеровки (со-
противление стальных струб пренебрежимо мало), что
устраняет необходимость измерения толщины стен и
корректировки положения датчика. Сопротивление элек-
трической цепи зависит от сопротивления рабочего слоя
футеровки, изменяющегося в зависимости от его тем-
пературы. Градуировка шкалы вторичного прибора в
единицах температуры обеспечивает получение необхо-
димой постоянной информации о фактической темпе-
ратуре внутренней поверхности футеровки стен в лю-
бой момент плавки. Измерение сопротивления кладки
можно использовать для контроля предельного износа
Рис. /Л.З. Датчик температуры
футеровки по сопротивлению ра-
бочего слоя
281
стен печи. Для этого два электрода 4 (см. рис. IX.3)
замуровывают в местах наибольшего износа огнеупо-
ров стен и свода на расстоянии от концов стержней до
внутренней поверхности кладки, соответствующем пре-
дельно допустимому износу (—100 мм). По ходу кам-
пании печи футеровка изнашивается, ее толщина умень-
шается, рабочий слой внутренней поверхности прибли-
жается к концам электродов датчика и электрическое
сопротивление кладки уменьшается. Когда футеровка
изнашивается до такой степени, что концы электродов
попадают в рабочий слой футеровки, электрическое со-
противление между ними резко падает до 1—5 Ом и
подключенная к электродам звуковая или световая
сигнализация срабатывает, подавая сигнал о необхо-
димости ремонта кладки.
К преимуществам датчика относятся простота кон-
струкции и эксплуатации, возможность измерения в
любой момент плавки, отсутствие охлаждающей воды
и сжатого воздуха, низкая стоимость изготовления и
эксплуатации. Недостатком датчика является чувстви-
тельность к изменению сопротивления рабочего слоя
при диффузионном раскислении металла, когда в печь
вводят порошкообразные раскислители, особенно алю-
миний.
Общим недостатком всех способов контроля темпе-
ратуры внутренней поверхности футеровки является
невозможность измерения в наиболее горячих точках,
которые расположены против электродов на половине
длины дуги. т. е. на расстоянии нескольких сантимет-
ров от поверхности ванны. Любой датчик, установлен-
ный в этом месте, будет выведен из строя из-за попа-
дания в него металла и шлака.
Наиболее распространенным промышленным спосо-
бом анализа металла и шлака в электросталеплавиль-
ных цехах является анализ твердых проб, отобранных
из печи. Во многих цехах до настоящего времени ис-
пользуются химические и физико-химические методы
анализа. Однако более современным является исполь-
зование физических методов, т. е. масс-спектрального
(см. гл. III) и рентгеноспектрального контроля, обра-
ботка результатов которых ведется с помощью ЭВМ.
Следует отметить, что разрабатываются спектраль-
ные способы анализа металла непосредственно в печи.
Так во Франции использовали спектральный метод ана-
лиза на лабораторной печи. Спектр излучения получали
282
от вспомогательной дуги постоянного тока напряжением
1 кВ, которую зажигали между расплавленным метал-
лом и специальным внешним электродом. Анализ про-
водили спектрометром сканирующего типа.
В Японии для анализа металла на углерод, кремний
и марганец применили для возбуждения оптического
спектра мощный рубиновый лазер. Значительные труд-
ности возникали при определении углерода из-за влия-
ния газообразного СО, который поглощает часть линий
углерода. Для устранения этого влияния производили
обдув излучающего участка поверхности жидкого ме-
талла аргоном, но это усложняет конструкцию и экс-
плуатацию анализатора.
Вместе с тем все эти методы анализа из-за большой
сложности, невысокой точности и надежности не на-
шли еще промышленного применения, а носят поиско-
вый характер.
§ 3. Автоматизация электрического режима
Особенности электрического режима
и принципы его применения
Источником тепла в ДСП является электроэнергия, ко-
торая преобразуется в тепловую в трех электрических
дугах. Дуги горят в рабочем пространстве печи между
электродами и шихтой или расплавленным металлом.
Площадь поперечного сечения дуг очень мала по срав-
нению с площадью ванны, поэтому их можно рассмат-
ривать как точечные источники тепла. В трехфазной
ДСП электрические дуги представляют активную на-
грузку, соединенную по схеме «звезда», нулевая точка
которой расположена в расплавляемой твердой шихте
или в ванне жидкого металла.
Работающие в настоящее время ДСП в соответст-
вии с удельной (на тонну садки) установленной мощ-
ностью печного трансформатора можно разделить на
четыре группы: низкой (менее 250 кВА/т), средней
(250—400 кВА/т), высокой (400—600 кВА/т) и сверх-
высокой (более 600 кВА/т) мощности.
В начале периода расплавления дуги работают
очень нестабильно и неустойчиво. Случайное располо-
жение холодных кусков шихтовых материалов приво-
дит к частому перебрасыванию дуг с одного куска на
другой, обрывам дуг при быстром расплавлении ма-
283
леньких кусков и коротким замыканием при обвалах.
Длина дуги не превышает нескольких миллиметров, а
средняя напряженность электрического поля равна
10—12 В/мм. В печах низкой и средней мощности пос-
ле включения электроды сначала проплавляют в ших-
те три колодца, а затем за счет повышения темпера-
туры металла, скопившегося на подине, происходит
расплавление остальной шихты. В печах высокой и
сверхвысокой мощности электроды сразу проплавляют
один большой колодец, за счет чего резко сокращается
период плавления и уменьшается число обвалов ших-
ты и коротких замыканий. В обоих случаях дуги горят
внутри шихты, которая хорошо экранирует стены печи
от воздействия теплового излучения мощных дуг, и в
печь можно вводить максимальную мощность без опа-
сений перегрева футеровки. При каждом коротком за-
мыкании полезная мощность, идущая на нагрев мате-
риалов, практически равна нулю, при максимальном
значении мощност»! электрических потерь. Поэтому
подъем электрода и ликвидацию короткого замыка-
ния необходимо производить как можно быстрее. Когда
расплавленного металла на подине становится больше
и дуги горят между электродами и образовавшейся
жидкой ванной, электрический режим стабилизируется,
длина дуги увеличивается, а напряженность электриче-
ского поля уменьшается до 3,5—4,0 В/мм. Шихтовые
материалы, отдаленные от дуг, начинают контактиро-
вать с жидким металлом, нагреваются и оплавляются,
опускаясь все ниже и ниже и открывая стены тепло-
вому воздействию дуг. В этот момент возникает реаль-
ная опасность перегрева стен. Чтобы уменьшить тепло-
вой поток в конце периода плавления, уменьшают дли-
ну дуг, производя постепенное снижение ступеней на-
пряжения трансформатора.
Окислительный период характеризуется более ста-
бильным горением дуг, чем в период плавления, хотя
поверхность ванны находится в непрерывном движении
за счет кипения. В этот период нередки обрывы дуги и
кратковременные замыкания. Температура металла
быстро повышается, особенно при использовании кис-
лорода для продувки, в результате чего при выплавке
некоторых марок сталей во второй половине окисли-
тельного периода печь отключают.
В восстановительный период плавки металл покрыт
толстым спокойным слоем электропроводного шлака.
284
способствующего стабильному горению дуг. Напряжен-
ность электрического поля в дугах снижается до 1,0—*
1,2 В/мм. Напряжение питания путем переключения
ступеней напряжения трансформатора постепенно сни-
жают до 50% от номинального. Длина дуги увеличи-
вается.
На основании вышеизложенного можно сформули-
ровать основные задачи автоматического управления;
электрическим режимом плавки стали в ДСП
1) обеспечение ввода максимально возможной вели-
чины полезной мощности в любой период плавки за
счет изменения ступени напряжения печного трансфор-
матора или изменения тока на постоянной ступени;
2) минимизация электрических потерь при работе пе-
чи за счет стабилизации параметров электрического ре-
жима и уменьшения времени ликвидации коротких за-
мыканий;
3) увеличение стойкости футеровки печи за счет
поддержания рационального электрического режима;
4) улучшение технико-экономических показателей
плавки за счет сокращения продолжительности техно-
логического процесса и уменьшения расхода электро-
энергии.
Для регулирования электрического режима плавки
в ДСП используют два способа: изменение ступеней
напряжения печного трансформатора с помощью пе-
реключателя ступеней напряжения (ПСН) и изменение
силы тока на постоянной ступени напряжения. Ступень
напряжения печного трансформатора изменяется вруч-
ную сталеваром или по команде программного устрой-
ства.
Поддержание нужной величины подводимой мощ-
ности на постоянной степени напряжения печного транс-
форматора производят автоматически при помощи ре-
гулятора электрического режима — регулятора мощнос-
ти. Однако использование непосредственно измеряемой
мощности в качестве регулируемой величины нецелесо-
образно. Объясняется это тем, что зависимость подво-
димой мощности Р от силы тока I имеет экстремальный
характер (рис IX.4). При одной и той же заданной мощ-
ности Р„ печь может иметь режим, характеризующийся-
точками .4 и В. Режим точки А предпочт ите чьнее, так
как выше коэффициент мощности (coscp) и меньше мощ-
ность электрических потерь. Вместе с тем при автома-
тическом регулировании будет поддерживаться режим
285-
Рис. IX.4. Электрические характе-
ристики ДСП:
1 — подводимая мощность: 2 — мощ-
ность электрических потерь; 3 —
коэффициент мощности costp
ся вниз, так как сила тока
дет стремиться довести ее
точки В, поскольку после многочисленных коротких за-
мыканий (когда сила тока возрастает) сила тока будет
уменьшаться только до значения соответствующего точ-
ке В. Этот режим существенно менее выгоден из-за
меньшего коэффициента
мощности и больших элек-
трических потерь.
Регулирование силы тока
обеспечивает поддержание
нужного значения подводи-
мой мощности с высокой
точностью. Однако регулиро-
вание силы тока имеет очень
важный технический не-
достаток, так как при регу-
лировании только силы тока
невозможно автоматически
зажечь дуги между элек-
тродами и шихтой. После
включения печи все три
электрода начнут опускать-
равна нулю, а регулятор бу
до заданного значения. На-
ступит момент, когда один электрод коснется шихты,
но ток в этот момент не возникнет, потому что еще не
коснулся шихты второй электрод и электрическая цепь
между ними разомкнута. Регулятор будет продолжать
опускать уже коснувшийся шихты первый электрод, что
может привести к его поломке.
В качестве регулируемого параметра электрического
режима нельзя взять также и напряжение дуги (паде-
ние напряжения между нижним концом электрода и ме-
таллом), так как измерить его в рабочих условиях не-
возможно.
Наибольшее распространение для управления под-
водимой мощностью получил так называемый дифферен-
циальный способ регулирования. Он заключается в под-
держании для каждой фазы постоянства отношения пол-
ного напряжения фазы Йп к силе тока /, т. е. постоянного
сопротивления фазы. Параметр регулирования, включаю-
щий отклонение регулируемой величины полного соп-
ротивления фазы Z от ее заданного значения Zo, имеет
следующий вид:
А = al—bU„=Ы (a/b—U„/l) = Ы (Zo—Z),
(IX.1)
286
где а и b — коэффициенты, зависящие от коэффициент
тов трансформации измерительных трансформаторов1
тока и напряжения- а также от величины заданного
(требуемого) соотношения напряжения и силы тока
фазы.
В процессе регулирования устраняется отклонение
регулируемой величины от ее заданного значения е—
= Z0—Z, т. е. после окончания процесса е должно быть,
равно нулю (или близким к нулю при пропорциональ-
ном регулировании) и, следовательно, равен нулю па-
раметр регулирования А. Регулирование сопротивления
дуги Z осуществляется путем изменения ее длины за счет
подъема или опускания электрода.
Недостатком дифференциального регулирования явля-
ется зависимость подаваемой мощности от напряжения
сети, например, при уменьшении напряжения сети под
держание постоянства отношения Un/I приведет к сни-
жению силы тока и, следовательно, мощности. Кроме-
того, такое регулирование не обеспечивает автономнос-
ти (независимости) регулирования, так как возмущение
по одной из фаз влияет на две другие. Это объясняется
особенностями трехфазной дуговой печи, в которой три
дуговые разряда соединены в звезду через расплавлен-
ный металл.
Автоматические регуляторы мощности
Для реализации дифференциального способа регулиро-
вания применяют регуляторы мощности, которые также
называют дифференциальными. Структурная схема сис-
темы управления мощностью в дуговой печи показана
на рис. IX.5. Сигналы о текущих значениях тока и нап-
ряжения поступают в сравнивающий элемент (измери-
тельный блок) 1, в который также подается сигнал о
заданном значении соотношения напряжения и силы то-
ка от задающего элемента 2. Сигнал, пропорциональный
отклонению регулируемой величины от заданного зна-
чения, поступает в усилительный элемент 3, вырабаты-
вающий регулирующее воздействие, реализуемое испол-
нительным механизмом 4. Исполнительный механизм:
перемещает электрод, добиваясь равенства соотноше-
ния напряжения и силы тока заданному значению.
Для регулирования мощности на печи установлено
четыре регулятора: по одному на каждую из трех фаз
и один резервный на случай выхода из строя одного из
регуляторов.
287"
До недавнего времени в ДСП использовали много
различных типов регулятора мощности: РМД, БЭЭР,
РБС и др. Некоторые из них продолжают работать в
основном на небольших печах. В настоящее время по-
лучили распространение регуляторы, созданные на но-
Рис. IX.5. Структурная схема САР
мощности печи:
/ — печной трансформатор; // — дуго-
вая печь; II!— регулятор мощности;
IV — переключатель ступеней напряже-
ния
и блок тиристоров БТ. Испо
вой элементной базе.
Это регуляторы на тири-
сторах типа АРДТМ, СТУ,
а также электрогидравли-
ческий регулятор АРДГ.
Рассмотрим более под-
робно регулятор СТУ-022,
выпускаемый НПО «Чер-
метавтоматика». В настоя-
щее время эти регулято-
ры работают более чем
на 60 печах разных за-
водов.
Структурная схема
регулятора СТУ-022 пред-
ставлена на рис. IX.6.
Основными элементами
регулятора являются блок
измерения значений тока
и напряжения ИБ, блок
управления БУ фазосдви-
гающее устройство ФСУ
лнительный механизм для
перемещения электрода Э состоит из электродвигателя
постоянного тока М и редуктора Р. ПТ — печной транс-
форматор.
Напряжение, пропорциональное силе тока фазы, пос-
тупает от трансформатора тока Т4 через дроссель под-
магничивания Тр1 на выпрямитель В1. Напряжение,
пропорциональное полному напряжению фазы, поступает
от трансформатора Тр2 на выпрямитель В2. Нужное со-
отношение напряжения и силы тока [см. формулу (IX.1)]
при постоянном U„, определяемом ступенью напряжения
трансформатора, устанавливается путем задания силы
тока с помощью подачи напряжения U3 иа управляю-
щую обмотку дросселя подмагничивания Тр1. Выходные
сигналы выпрямителей, пропорциональные току и нап-
ряжению, вводят с двух сторон в противофазе в изме-
рительную цепочку, состоящую из резисторов R\ и R2.
Ес ли печь работает при заданном электрическом режиме
288
О
Рис. IX.6. Структурная схема регулятора СТУ-022
289
(заданном соотношении UnH), значения обоих сигналов
равны, оникомпенсируютдруг друга, а на выходе изме-
рительного блока сигнал равен нулю. При отклонении
электрического режима от заданного, один из сигналов
становится больше другого, по резисторам и Rz на-
чинает проходить ток в определенном направлении и на
выходе измерительной цепочки возникает сигнал раз-
баланса AJ7, который поступает на вход элемента регу-
лировки чувствительности РЧ, где происходит установка
значения зоны нечувствительности и быстродействия от-
работки возмущения. С элемента РЧ сигнал проходит
в блок управления БУ, в котором происходит усиление
сигнала Д{/ в усилителе напряжения У1 до величины,
необходимой для управления блоком ФСУ.
В блоке управления находится также усилитель мощ-
ности УМ, логические управляющие устройства ТЛ1, ТЛ2
и устройство ограничения тока двигателя ТО. Блок уп-
равления выполняет разделение входного сигнала на
два канала для управления группами тиристоров тирис-
торного преобразователя в зависимости от знака разба-
ланса для спуска или подъема электрода, а логические
устройства ТЛ1 и ТЛ2 обеспечивают раздельное управ-
ление по этим группам тиристоров при подъеме или спус-
ке электрода в зависимости от фактического тока элек-
тродвигателя, который поступает от датчиков тока ДТТ
и ДТ2 и осуществляет блокировку одновременного вклю-
чения обеих групп на подъем и спуск электрода.
Фазосдвигающее устройство ФСУ управляет работой
трехфазного нулевого реверсивного тиристорного пре-
образователя БТ, изменяя угол отпирания тиристоров
УВ1—УВЗ или УВ4—УВ6 подъема или спуска электро-
да через управляющие катодную и анодную группы.
Каждая управляющая группа состоит из трех модуль-
ных однотипных плат Ф\, Ф2, Фз и Ф4. Ф^, Ф^ по одной
плате на фазу при разном режиме работы электродвига-
теля (подъем и спуск электрода).
Управляемые тиристоры УВ1—УВ6 преобразуют пе-
ременное напряжение от трансформатора 380 В в регу-
лируемое пульсирующее напряжение, подаваемое для
питания на электродвигатель перемещения электрода М.
Сигнал, пропорциональный частоте- вращения вала
электродвигателя, формируется тахометрическим изме-
рительным мостом, состоящим из резисторов /?3—
через регулируемые резисторы /?6 и R7 поступает в блок
управления БУ на ограничитель тока двигателя ТО и
290
ла усилитель У1 как сигнал отрицательной обратной
связи. Введение обратной связи по частоте вращения
вала электродвигателя улучшает качество процесса ре-
гулирования. В результате регулятор СТУ-022 обладает
высоким быстродействием: время разгона и торможения
электродвигателя не более 0,5 с. Максимальная скорость
перемещения электродов 3—4 м/мин.
Регулятор СТУ-022 обеспечивает сравнительно не-
большие колебания электрической мощности относитель-
но заданного значения: в период плавления ±15%. в
технологические периоды плавки ±4%. Более точное
по сравнению со старыми регуляторами поддержание
заданной мощности повышает производительность ДСП
на 1—2%.
Электрогидравлический регулятор мощности АРД Г
с дроссельным управлением выпускает Новосибирское
НПО «Электротерм». Структурная схема регулятора
АРДГ приведена на рис. IX.7.
Рис. IX.7. Структурная схема регулятора АРДГ
10*
291
Регулятор состоит из двух частей, электрической и
гидравлической. В электрическую часть регулятора вхо-
дят элементы измерения и сравнения фактических зна-
чений силы тока и напряжения фазы. К ним относятся
блок измерения 1, усилители постоянного тока 2, блоки
импульсно-фазового управления 3, блоки тиристоров 4,
однофазные электродвигатели с полым ротором 5.
Гидравлическая часть регулятора состоит из золот-
ника 6, гидроусилителя 7, гидроцилиндра 8, пнев иогид-
роаккумулятора 9 и насоса 10. Использование в каче-
стве исполнительного механизма перемещения электрида
гидропривода позволяет упростить кинематику механиз-
ма, уменьшить его размеры и момент инерции, повысить
быстродействие регулятора и точность регулирования.
В связи с отсутствием в гидроприводе упругих звеньев,
он обладает малыми значениями постоянной времени
и время запаздывания, что повышает качество регули-
рования по сравнению с электромеханическим приводом.
Сигналы, пропорциональные силе тока и напряжению
фазы с трансформаторов тока ТА и напряжения TV
поступают в блок измерения 1, где преобразуются в
трехфазные напряжения, которые выпрямляют на дио-
дных мостах, усиливают в усилителях постоянного то-
ка 2 и вводят в блоки импульсно-фазового управления 3,
управляющих работой блоков тиристоров 4, на выходы
которых подключены обмотки возбуждения ОБ двух
электродвигателей 5. Электродвигатели имеют один об-
щий вал 13. Когда печь работает на заданном электри-
ческом режиме, развиваемые двигателями вращающие-
моменты равны и сидящая на валу двигателей шестер-
ня 12 остается неподвижной, так как вращающие мо-
менты направлены в разные стороны. В случае откло-
нения электрического режима от заданного, вращающий
момент одного электродвигателя увеличивается, а дру-
гого — уменьшается. Это приводит к повороту вала 13,
шестерни 12 и перемещению рейки 11, которая обеспе-
чивает изменение положения золотника 6 гидроусили-
теля 7, что вызывает перемещение плунжера гидравли-
ческого исполнительного механизма 8 и электрода.
При достижении заданного значения соотношения тока
и напряжения вращающие моменты электродвигателей
становятся равными и гидроэлементы регулятора при-
ходят в исходное положение.
На Узбекском металлургическом заводе разработано-
дополнительное устройство (на рис. IX.7 не показано)
292
для защиты от поломки электродов при их опускании
в период плавления и касании токонепроводящей ших-
ты. Устройство использхет фактическое давление в гид-
роцилиндре 8. Устройство защиты позволило снизить
расход электрода на печи ДСП-100 на 10—15%.
§ 4. Автоматизация температурного режима
Особенности температурного режима плавки стали
Необходимое изменение температуры металла по ходу
плавки устанавливают, исходя из химического состава
выплавляемой стали, содержания в ней углерода и ус-
ловий последующей разливки. Установленное изменение
температуры металла по ходу технологического процесса
является директивной величиной и должно поддержи-
ваться с достаточно высокой точностью путем регулиро-
вания электрического режима. В электросталеплавиль-
ных цехах есть директивные графики (или инструкции)
по температурному режиму металла и вводу электричес-
кой мощности в печь для выплавки каждой марки
стали. Однако даже при поддержании достаточно точ-
но директивного электрического режима температурный
режим выдерживать довольно трудно. так как в процес-
се плавки и от плавки к плавке существенно изменя-
ются (как правило случайным образом) условия тепло-
обмена в печи, тепловые потери и другие энергетические
и технологические характеристики. Поэтому температу-
ра металла как по ходу плавки, так и в конце плавки
перед выпуском может отличаться от заданного (ди-
рективного) значения, а это влияет на содержание в ме-
талле газов и неметаллических включений.
В теплотехническом смысле ДСП работает в неста-
ционарном режиме, который существенно изменяется по
периодам плавки. Сразу после выпуска металла преды-
дущей плавки футеровка печи начинает отдавать тепло
газам, поступающим в рабочее пространство ДСП через
открытое для очистки и заправки рабочее окно. Ско-
рость остывания внутренней поверхности стен в момент
межплавочниго простоя для ДСП вместимостью 50 т
составляет ЗО^/мин. Применение водоохлаждаемого
свода величивает скорость охлаждения стен дэ 30—
40'С/мин. Максимальные тепловые потери из рабочего
пространства печи происходят после открытия свода для
приема корзины с шихтой После окончания завалки
293
шихты футеровка начинает передавать большую часть
аккумулированного тепла холодным шихтовым материа-
лам. Продолжительность межплавочного простоя и ос-
тывание футеровки в этот период оказывают существен-
ное влияние на расход электроэнергии и время работы
лечи в период плавления.
В период плавления включение печи производят сна-
чала на пониженную ступень напряжения трансформа-
тора из-за опасности перегрева свода. Через 5—10 мин
после опускания электродов в проплавившиеся неболь-
шие колодцы, когда шихта полностью экранирует дугу,
включают максимальную ступень напряжения. На этой
ступени производят расплавление до 90% загруженной
в печь шихты. Нерасплавившаяся часть шихтовых ма-
териалов остается только на откосах и на стены начи-
нает воздействовать максимальный тепловой поток. Тем-
пература внутренней поверхности стен против электро-
дов начинает быстро увеличиваться со скоростью
Vi==b^G (IX.2)
250
где Vt — скорость подъема температуры внутренней по-
верхности стен ДСП при работе на максимальной сту-
пени напряжения трансформатора, °С/мин; Руд — удель-
ная установленная мощность печного трансформатора,
кВА/т; 250 — эмпирический коэффициент, кВА-мин/°С;
G — вместимость печи, т.
Чтобы не перегреть стены, производят переключение
ступени напряжения на меньшее значение, снижая тем
самым длину дуги и тепловой поток от нее, падающий
на стены. Наиболее тяжелые условия работы футеровки
в этот момент приходятся на участки стен, расположен-
ные против электродов.
После расплавления всей шихты и достижения ме-
таллом температуры 1510—1530 С заканчивается период
плавления и начинаются технологические периоды плав-
ки. Опыт эксплуатации ДСП показывает, что темпера-
турный режим фу геровки начинает оказывать сущест-
венное влияние на электрический режим в конце периода
плавления. Автоматизация работы печи в этот момент
плавки должна включать управление электрическим ре-
жимом с ограничением по температуре внутренней по-
верхности футеровки стен.
Особенно важное значение имеет температурный ре-
жим в окислительный и восстановительный периоды
294
плавки. В эти периоды в него входят уже три параметра:
температура металла, шлака и футеровки, которые дол-
жны обеспечить необходимую скорость и полноту про-
текания физико-химических процессов, возможно быс-
трое расплавление и нагрев присаживаемых легирую-
щих и шлакообраз\ ющпх материалов и компенсацию
тепловых потерь. В настоящее время обеспечивается
контроль и использование в системах регулирования
только двух параметров — температуры металла и тем-
пературы футеровки. Температура шлака оценивается
сталеваром только визуально.
Большое влияние на температурный режим оказы-
вают способы интенсификации процесса плавки. В период
плавления устанавливают газокислородные горелки, ко-
торые используют для подачи в ДСП дополнительного
количества тепла с целью снижения расхода электро-
энергии и ускорения расплавления шихтовых материа-
лов. Такие горелки конструкции Челябинского НИИМг
хорошо работают на 100-т ДСП. В результате использо-
вания горелок расход электроэнергии уменьшается в
среднем на 9—10%. Существенное значение для темпе-
ратурного режима имеет и продувка ванны кислородом
в окислительный период.
Применение водоохлаждаемых сводов и стен также
оказывает значительное влияние на температурный ре-
жим печи, особенно на температурный режим шлака.
Так, по данным сравнительных исследований Москов-
ского вечернего металлургического института на 50-т
ДСП завода «Днепроспецсталь» температура поверх-
ности шлака в восстановительный период у печей с во-
доохлаждаемым сводом примерно на 100сС ниже, чем у
печей с кирпичным сводом. Скорость остывания поверх-
ности ш 1ака при отключении печи с водоохлаждаемым
сводом 70—80°С/мин, с кирпичным 35—40°С/мин.
Сложность тепловых и технологических процессов в
ДСП, отсутствие надежного автоматического измерения
многих параметров (температуры дуги, напряжения дуги,
температуры шлака и др.) создают огромные труднос-
ти при разработке математических моделей температур-
ного режима. Существующие математические модели
являются статическими и не позволяют управлять тем-
пературным и электрическим режимами в динамике (по
ходу процесса).
295
Управление температурным режимом
При выборе рационального электрического режима плав-
ки и поддержания необходимой температуры металла
сталевар руководствуется директивными графиками,
которые предварительно разрабатывают для каждой
марки стали, вместимости печи и мощности трансфор-
матора. На рис. IX.8 в качестве примера представлен
директивный график электрического режима плавки ста-
ли ШХ15 в 20-т ДСП завода «Электросталь», а также
график изменения температуры металла.
В общем виде один из первых способов управления
температурным режимом плавки предложил в 1953 г.
Н. В. Окороков. Способ преду сматривает регулирование
Рис. IX.8. Директивный график электрического режима плав-
ки стали ШХ15 в 20-т ДСП завода <Электросталь>
температурного режима плавки по максимально допус-
тимой температуре наиболее горячей части футеровки с
коррекцией по фактической температуре металла. Для
296
реализации этого способа требуется тщательное изучение
ДСП как объекта управления и разработка надежных
датчиков измерения температуры футеровки в наиболее
горячих точках.
В конце 50-х годов НПО «Черметавтоматика» было
предложено корректировать директивный электрический
режим плавки по температуре металла, рассчитывая
корректирующее значение мощности АР, которое нужно
прибавить или отнять от директивного значения в за-
висимости от знака отклонения температуры металла
/м от директивного значения tR и интервала времени
Ат, за который температура металла должна достичь
директивного значения. Отклонения температуры метал-
ла от директивной на практике происходят очень часто
из-за уменьшения толщины футеровки и связанных с
этим изменениях мощности тепловых потерь, разного
количества присаживаемых раскислителей, легирующих
и шлакообразующих материалов и других причин. Расчет
АР (кВт) производят по формуле
AP=Gc(tn—М/(860Дт11), (IX.3J
где G — масса металла в печи, кг; с — удельная теп-
лоемкость жидкого металла, Дж/(кг-К); т]—постоян-
ный коэффициент усвоения энергии металлом, устаиав
ливаемый экспериментально для каждой печи.
Расчет корректирующей
мощности производит вычис-
лительное устройство, уста-
новленное в автоматическом
регуляторе температурного
режима (АРТР), который
входит в состав системы
автоматического регулиро-
вания, предложенной НПО
«Черметавтоматика» и пред-
ставленной на рис. IX.9. Си-
стема предусматривает ре-
гулирование температурного
режима по периодическому
замеру температуры металла
с ограничением по макси-
мально допустимой темпера-
туре футеровки, измеряемой
формация в АРТР поступает
металла Д\ и футеровки Д%.
Рис. IX.9. САУ температурным ре-
жимом
непрерывно. Входная ин-
от датчиков температуры
Перед началом плавки в
297
АРТР вводят данные о времени измерения температуры
металла или моментах измерения, связанных с оконча-
нием выполнения технологических операций; директив-
ные графики электрического и температурного режимов
выплавляемой марки стали и максимально допустимые
значения температуры футеровки.
АРТР начинает работать в конце периода плавления
только как ограничитель темперап ры футеровки, а пос-
ле расплавления всей шихты переходит на полный ал-
горитм управления. Измеренная в начале каждого тех-
нологического интервала температура плавления срав-
нивается в АРТР с заданным значением. При отсутствии
отклонения между ними плавка идет по директивному
графику электрического режима. Если отклонение между
ними есть, АРТР производит расчет ДР и суммирование
его с директивным значением в соответствии со знаком
отклонения («плюс» — недогрев, «минус» — перегрев).
Управляющими воздействиями АРТР являются ступень
напряжения трансформатора, измеряющаяся переклю-
чением ступеней напряжения ПСН, и ток фазы на пос-
тоянной ступени напряжения трансформатора, изменяю-
щийся регулятором мощности ДРЛ1. Когда температура
футеровки достигает максимально допустимого значе-
ния, АРТР уменьшает подводимую мощность, переклю-
чая трансформатор на более низкую ступень напряжения.
Недостатком алгоритма управления в этой системе яв-
ляется отсутствие связи между коэффициентом усвоения
энергии металлом и подводимой мощностью, что приво-
дит к недостаточно точному расчету ДР.
САР температурного режима плавки Киевского по-
литехнического института основана только на непрерыв-
ном измерении температуры металла в печи. Контроль
и ограничение температуры футеровки в этой системе
не предусмотрены, что является ее существенным не-
достатком.
Фактическая температура металла измеренная тер-
мопарой непрерывного действия, сравнивается с дирек-
тивным значением для данного момента плавки /д и в
случае их отличия вычислительное устройство в соответ-
ствии с сигналом рассогласования производит расчет
корректирующего значения количества вводимой элек-
троэнергии ДИ7 (кВт-ч) по формуле
ДГ=Сс(/д—М/(86ОЛ) (IX.4)
Коэффициент усвоения энергии металлом, используе-
298
мый в формуле (IX.4), в отличие от алгоритма НПО
«Черметавтоматика», взят не постоянным, а переменным,
увеличивающимся при повышении подводимой мощнос-
ти. Такая зависимость коэффициента усвоения энергии
металлом от подводимой мощности в среднем правильна.
Однако при регулировании мощности за счет изменения
силы тока на определенной (постоянной) ступени нап-
ряжения трансформатора
может проявиться про-
тивоположная зависи-
мость, т. е. уменьшение
коэффициента усвоения
энергии с ростом подводи-
мой мощности. Указанная
зависимость получена при
S000 6000 7000 8000 SOOO
Мещность, кВт
Put. IX. 10. Зависимость коэффициента
усвоения энергии металлом от подводи-
мой мощности в 100-т ДСП при на-
пряжении:
1 — 228 В; 2 — 243 В; 3 — 258 В
исследованиях, проведен-
ных Московским вечер-
ним металлургическим
институтом на 100-т ДСП
(рис. IX.10). Такое явле-
ние может быть объясне-
но увеличением электрических потерь в короткой сети
с повышением силы тока и затрат тепла на испарение
металла в дуге, особенно в случае очень коротких дуг,
горящих в шлаке. Поскольку испарение металла безу-
словно связано с его
температурой,то в ука-
занных исследованиях
получена довольно чет-
кая зависимость коэф-
фициента усвоения
энергии металлом от
температуры металла
(рис. IX.11).
Таким образом для
увеличения правильнос-
ти определения коррек-
тирующей величины
мощности или расхода
энергии по формулам
(IX.3) и (IX.4) можно*
получать коэффициент
усвоения энергии по за-
висимостям аналогич-
ным рис. IX. 11 на основе
Put. IX.11, Зависимость коэффициента
энергии в 100-т ДСП от температуры
металла и длительности технологиче-
ского интервала:
1 — в-1-18 мин; 2 — 20-5-40 мин; 3 —
404-55 мин
299
измеренной температуры металла (такие данные долж-
ны получаться для каждой печи и марки стали на осно-
ве специальных исследований).
Можно также получать коэффициент усвоения энер-
гии по формуле
Т) = Рм/Рпод, (IX.5)
где Р\, — мощность, усвоенная металлом; Р,ТОд— мощ-
ность, подведенная к печи.
Величина Рм оценивается по скорости изменения
температуры металла, определяемой по результатам
непрерывного или периодического измерений температу-
ры металла
Общим недостатком всех систем с коррекцией подво-
димой мощности по температуре металла и футеровки
является недостаточная надежность датчиков для непре-
рывного измерения этих температур, а также невозмож-
ность измерения температуры футеровки в наиболее наг-
ретых точках. В связи с этим указанные системы авто-
матического регулирования температу рного режима ме-
талла и футеровки в ДСП не получили еще широкого
промышленного распространения.
Интересен способ косвенного управления темпера-
турным режимом шлака в восстановительный период
ДСП с водоохлажчаемыми сводами, разработанный в
Московском вечернем металлургическом институте. Как
отмечалось выше, температура шлака в этих условиях
характеризуется меньшими значениями, чем в печах с
кирпичными сводами, а для успешного протекания тех-
нологического процесса необходимы более высокие тем-
пературы шлака. Дпя разогрева шлака требуется рабо-
тать на длинных дугах (при небольшой силе тока), но
при этом возрастает облучение стен печи и существенно
повышается их температура. Для предохранения стен от
перегрева дтину друг приходится уменьшать, что приво-
дит также к снижению температуры шлака.
Изменение длины дуг можно получать переключением
ступеней напряжения трансформатора, что однако вызы-
вает необходимость отключения печи на время этой опе-
рации. Чтобы избежать этого и вместе с тем выполнить
задачу поддержания достаточно высокой температуры
шлака в рассматриваемом способе предусмотрено при
постоянной ступени напряжения трансформатора дис-
кретное (кривая 1, рис. IX.12) или непрерывное (напри-
мер по синусоиде — кривая 2) изменение задания по
300
току регулятору мощности периодически в большую и
меньшую сторону относительно некоторого номинального
заданного значения /он. При изменении задания /0 в боль-
шую сторону регулятор мощности опускает электроды и
уменьшает длину дуги
и наоборот. Частота из-
менения задания зави-
сит от размеров печи
периода плавки, сту-
пени трансформатора и
экспериментально опре-
деляется при предва-
рительных исследова-
ниях. Регуляторы мощ-
ности (см. рис. IX.6 и IX.7)
г
Рис. IX. 12. График изменения задания
по току регулятору мощности
дополняются специальными
задающими устройствами, обеспечивающими указанное
изменение задания во времени.
§ 5. Управление технологическим режимом
Автоматическое управление технологическим режи-
мом в ДСП по-существу не применяется. Начинает по-
лучать распространение автоматизированное управление
этим режимом: сталевару выдаются рекомендации по
ведению технологического процесса, которые он затем
реализует на печи. Рекомендации рассчитываются с ис-
пользованием ЭВМ и управление технологическим режи-
мом является одной из функций АСУ ТП выплавки ста-
ли в ДСП.
Главная цель управления технологическим режи-
мом — получение стали заданного состава. Основными
управляющими воздействиями являются количество ших-
товых материалов в загрузку (определяют состав ме-
талла по расплавлении ванны) и количество легирую-
щих материалов и раскислителей в конце плавки (опре-
деляют, наряду с первым, конечный состав металла).
Определенное значение играет и расход кислорода, вду-
ваемого в ванну в окислительный период, для обезугле-
роживания металла.
Расчет количества шихтовых материалов производят
из наличия на шихтовом дворе различных сортов леги-
рованных отходов. При выплавке легированных сталей
один и тот же состав металла может быть получен при
использовании разных сортов отходов, что, естественно,
сказывается на стоимости 1 т шихты и готовой стали.
301
Так расчеты шихтовых материалов для выплавки не-
ржавеющей стали 12Х18Н1ЮТ в условиях завода «Элек-
тросталь» показывают, что при одинаковом химическом,
составе металла по расплавлении (углерод 0,3%, ни-
кель 10%, хром 14%) стоимость 1 т шихтовых материа-
лов колеблется от 366 до 476 руб.
Возникает задача расчета шихты минимальной стои-
мости (за критерий оптимальности принимают стоимость.
1 т шихты). Для расчета минимальной стоимости необ-
ходима информация о наличии отходов на заводе и в
шихтовом отделении цеха, возможности их использования
для выплавки конкретной марки стали, химическом сос-
таве и стоимости 1 т отходов, о необходимом химичес-
ком составе металла по расплавлении и угаре легирую-
щих элементов по периодам плавки, о дополнительных
ограничениях, связанных с технологией выплавки стали,
по использованию максимально возможного количества
отходов одной марки стали и количества легковесной
шихты (стружки).
Поскольку один и тот же вид отходов используется
для выплавки различных марок стали, а количество от-
ходов в шихтовом отделении, как правило, ограничено,
то при минимизации стоимости шихты на отдельную
плавку может получиться, что одна марка стали будет
действительно выплавляться на шихте с минимальной
стоимостью, а другая из-за отсутствия отходов, загру-
женных на предыдущую марку, на шихте со стоимостью,
превышающей плановую. В связи с этим расчетом необ-
ходимо охватывать все марки стали, которые должны
быть выплавлены за определенный отрезок времени
(смена, сутки и т. д.).
В общем виде критерий оптимальности (стоимость
1 т шихты) имеет вид:
Сш= 2 CjXj->min, (IX.6)
/-1
где /—вид шихтового материала (/=1,...,п);
Cj — стоимость 1 т /-того вида шихтового материала;
Xj — масса /-того вида шихтового материала, исполь-
зуемая для выплавки данной марки стали; п — число
различных видов шихтовых материалов, которые можно
использовать для выплавки сталей.
В результате расчета (например, используя методы
линейного программирования) определяются значения-
302
Xj, дающие минимум критерия оптимальности (IX.6).
При расчетах учитывается ряд ограничений:
— по минимальному и максимальному содержанию
i-того химического элемента для данной марки стали по
расплавлении;
— по имеющимся в наличии шихтовым материалам;
— по плановой стоимости единицы шихты данной
марки стали;
— по количественному использованию /-того вида
шихты для выплавки данной марки стали и некоторые
другие.
В конце плавки, перед выпуском металла из печи
химический состав его должен точно соответствовать за-
данной марке стали. Поэтому в восстановительный пе-
риод плавки производят расчет и присадку в печь необ-
ходимого количества легирующих материалов и раскис-
лителей. Так же, как в случае управления загрузкой
шихты, целесообразно использовать автоматизирован-
ную систему управления составом металла. Исходя из
назначения, система выполняет следующие функции:
производит учет наличия легирующих материалов в цехе,
грубый расчет добавок в начале плавки, сбор и хранение
результатов анализа проб металла на момент расчета
добавок и точный расчет массы легирующих материа-
лов и раскислителей, прогнозирование состояния метал-
ла в печи на момент ввода легирующих материалов по
результатам анализа предыдущей пробы.
§ 6. Особенности автоматизации
плазменных дуговых печей
Применение плазменного нагрева для выплавки высо-
кокачественных сталей язляется сравнительно новым
направлением развития металлургического производства.
Первые плавильные плазменные дуговые печи (ПДП)
были разработаны около 25 лет назад. Однако широко-
го применения они еще не получили.
С одной стороны ПДП как плавильный агрегат име-
ет ряд важных преимуществ перед ДСП, к которым
относятся высокая степень усвоения дорогостоящих ле-
гирующих элементов, возможность выплавки стали со
сверхнизким содержанием углерода, возможность леги-
рования металла азотом, возможность получения в пе-
ни любой необходимой по технологии атмосферы, лучшие
санитарно-гигиенические условия обслуживания печи.
зоз
С другой стороны ПДП имеет ряд существенных не-
достатков, сдерживающих развитие этого процесса.
К ним относятся наличие подового водоохлаждаемого
электрода, расположенного под жидким металлом и низ-
кий тепловой к. п. д. печи, не превышающий 30%. Это
связано с тем, что источником тепла в ПДП является
высокотемпературная (15000—20000 К) плазменная ду-
га значительной длины (500—1000 мм), которая боль-
шую долю мощности передает футеровке и водоохлаж-
даемым элементам печи. Низкий тепловой к.п.д. печи
приводит к очень высокому удельному расходу электро-
энергии до 1000 кВт-ч/т выплавляемой стали, что почти
вдвое превышает удельный расход электроэнергии в
ДСП. Второй недостаток является решающим, сдержи-
вающим развитие плазменно-дугового процесса.
ПДП с керамическим тиглем (подиной), предназна-
ченная для выплавки стали, по конструкции кожуха,
стен, свода и подины аналогична конструкции ДСП.
Вместо электродов в ПДП через свод вводят один или
несколько плазмотронов, а в подине устанавливают по-
довый водоохлаждаемый электрод.
Плазменная дуга в ПДП горит между катодами плаз-
матрона и загруженной шихтой или ванной расплавлен-
ного металла. После включения печи в начале периода
плавления дуга проплавляет в шихте узкий колодец и
продолжает гореть между образовавшимся на подине
расплавленным металлом, являющимся анодом, и като-
дом плазмотрона. У анодного пятна на поверхности ме-
талла выделяется наибольшее количество тепла, по-
этому плавление загруженной шихты продолжается сни-
зу. Электрический режим стабильный, без коротких
замыканий и резких изменений тока.
Напряжение дуги в ПДП пропорционально длине
дуги, но величина градиента напряжения по длине дуги
во время плавки изменяется. При включении ПДП в
начале плавки величина градиента напряжения макси-
мальная (1 В/мм) и затем уменьшается по ходу плавки
до 0,2 В/мм. Это связано с тем, что на величину напря-
жения дуги существенное влияние оказывает изменение
в атмосфере рабочего пространства ПДП соотношения
двух- и трехатомных газов. Увеличение содержания трех-
атомаого газа —оксида углерода в период расплавления
вызывает снижение напряжение дуги и, соответственно,
мощности, вводимой в печь, примерно в два раза. Вве-
дение азота в ПДП приводит к увеличению напряжения
304
на дуге на 70—100 В и повышению мощности на 30—
40%.
При выплавке стали в ПДП мощность, вводимую в
печь, необходимо изменять в соответствии с темпера-
турным режимом металла и футеровки. В период плав-
ления шихта экранирует дуги от футеровки и поэтомуг
вводимая в печь мощность может быть максимальной.
При опускании шихты по мере плавления стены ПДП
открываются и на них начинает падать тепловой поток
от мощных дуг, который приводит к повышению темпе-
ратуры футеровки и возможности ее перегрева. Чтобы
этого не произошло, необходимо снижать подводимую
мощность. После полного расплавления шихты подво-
димую мощность регулируют по температуре металла
с ограничением по температуре футеровки. При превы-
шении температуры футеровки предельно допустимого
значения управляющее устройство уменьшает длину
Куги.
Для плазмотронов в ПДП применяются специальные
источники питания с тиристорными преобразователями.
Регулирование подводимой мощности осуществляют пу-
тем стабилизации на заданных значениях силы тока и
напряжения плазменной дуги. Заданное значение силы
тока поддерживают регулятором, воздействующим на
угол отпирания тиристоров, а заданное значение напря-
жения путем изменения ступеней напряжения печного
трансформатора с помощью ПСН.
Переключение ступеней напряжения трансформатора
может осуществляться по величине коэффициента мощ-
ности costf. Если значение коэффициента мощности ста-
новится ниже минимально допустимого, производится
переключение трансформатора на одну сту пень в сто-
рону уменьшения напряжения. Переключение ступеней
напряжения продолжается до тех пор, пока cosip не ста-
нет больше минимально допустимого значения.
§ 7. АСУ ТП выплавки стали в ДСП
АСУ ТП выплавки стали выполняет следующие функ-
ции: расчет количества шихтовых материалов в загруз-
ку; расчет расхода кислорода на продувку; управление
электрическим и температурным режимом плавки; рас-
чет раскислителей, легирующих и шлакообразующих
материалов; контроль химического состава металла; ре-
гулирование давления под сводом; управление набором
305
фассчитанного количества добавочных материалов и
вводом их в печь; получение максимальной производи-
тельности ДСП при наилучших технико-экономических
показателях; учет параметров в процессе плавки и сос-
тавление документации.
Структурная схема АСУ ТП выплавки стали в ДСП
«высокой мощности Молдавского металлургического за-
вода представлена на рис. IX. 13.
Рис. IX.13. Структурная схема АСУ ТП выплавки стали в ДСП:
/ — сталеразливочный ковш; 2 — конвейеры для подачи материалов в печь;
S — САУ работой кислородной фурмы; 4 — САУ загрузкой расходных бунке-
ров; 5 — электровесы; 6 — бункер с взвешивающим устройством для шлако-
образующих и легирующих материалов; 7 — САУ дозированием и подачей
сыпучих материалов и ферросплавов в печь и ковш; в — САУ электрическим
режимом; 9— корзина с весоизмерительным устройством для загрузки ме-
таллической шихты; 10 — система контроля расхода н температуры воды для
охлаждения стен и свода; 11 — регулятор газокислородных горелок; 12 —
САУ взвешиванием металлошихты; 13 — система определения химического
состава металла; 14— система контроля температуры подины; 1Б — система
измерения продолжительности плавки; 16 — САУ дозированием заправочных
материалов в печь; 17 — система регулирования давления в печи; 18 — регу-
лятоп мощности; 19— датчик тока и напряжения по фазам
САУ загрузкой расходных бункеров обеспечивает
автоматическую подачу материалов со склада материа-
лов в бункера печного пролета с помощью электровесо-
вой тележки. При загрузке бункеров в момент, когда
306
фактическая масса материала в бункере станет равной
заданному значению, САУ выдает сигнал на отключение
питателя загружаемого бункера и перевод тележки в
новое положение для загрузки другого материала. Опе-
ратор загрузки получает всю информацию о виде и мас-
се загруженных материалов на цифровом табло и с
цифропечатающего устройства.
САУ взвешиванием металлошихты в отделении ком-
плексной переработки лома получает от управляющего
вычислительного комплекса (УВК) задание на загрузку
завалочной корзины определенными видами шихтовых
материалов требуемой массы. Заданная и фактическая
масса загружаемого вида шихтового материала переда-
ется на цифровое табло, расположенное в кабине кра-
новщика, и оператору загрузки на пульте управления
загрузкой. Эта же информация выводится на печать и
поступает в УВК.
САУ дозированием и подачей шлакообразующих и
легирующих материалов и ферросплавов по команде от
УВК осуществляет автоматическую дозировку, набор из
расходных бункеров и подачу их конвейером в печь или
сталеразливочный ковш во время выпуска металла. Ин-
формация о заданном и фактическом расходе необхо-
димого материала поступает на цифровое табло пульта
управления печью.
САУ дозированием заправочных материалов состоит
из двух расходных бункеров для порошкообразных огне-
упорных заправочных материалов, четырех расходных
бункеров для порошкообразных ферросплавов, электро-
питателей, двух дозаторов и течки для ферросплавов с
затворами. Заправку подины откосов и стен печи огне-
упорными порошкообразными материалами осуществля-
ют заправочной машиной. Загрузку порошкообразных
ферросплавов в печь производят мульдозавалочной ма-
шиной. САУ осуществляет подачу и регистрацию запра-
вочных материалов в бункер заправочной машины и фер-
росплавов в мульды. Информация о фактическом расхо-
де материалов выдается на печать и передается в УВК-
САУ работой кислородной фурмы по сигналу от УВК
или с пульта управления от оператора производит вклю-
чение привода перемещения фурмы и установку ее в
требуемое положение, включение подачи кислорода и
управление режимом продувки.
В САУ электрическим и температурным режимами
плавки используется микро-ЭВМ «Электроника 60».
307
.Микро-ЭВМ получает информацию от датчика темпера-
туры металла ВК1, датчика температуры футеровки
ВК2 и другую текущую информацию через устройство
измерения фактических значений параметров работы пе-
чи (?»ИП). К текущей информации относятся значения
активной мощности, реактивной мощности, фазного нап-
ряжения, напряжения на дуге, отношения амзитуд вто-
рой, третьей и пятой гармоник токов дуг к амплитудам
первых гармоник этих же токов, номера фазы, эффек-
тивного значения тока дуги, номера ступени напряже-
ния печного трансформатора.
АСУ электрическим режимом ДСП на базе микро-
ЭВМ «Электроника 60», разработанная ВНИИЭТО, осу-
ществляет следующие функции:
— ведет плавку по директивному электрическому
режиму с коррекцией по равномерному проплавлению
колодцев, износу футеровки и подины, быстрому форми-
рованию общей плавильной зоны, фактической темпе-
ратуре металла. В период плавления окончание основных
интервалов (проплавление колодцев, плавление шихты,
открытие дуг) и окончание всего периода определяют
статистически с учетом косвенных параметров процесса —
флуктуаций гармонического состава и амплитуд токов
дуг, положения электродов, расхода электроэнергии,
температуры поверхности футеровки и скорости ее из-
менения;
— прогнозирует температуру металла в конце тех-
нологических интервалов плавки;
— определяет и поддерживает рациональный элек-
трический режим плавки при вводе дополнительного ог-
раничения на допустимое потребление активной мощ-
ности, изменяя задания регуляторам мощности и пере-
ключая ступени напряжения печного трансформатора;
— производит периодический вывод на печать и эк-
ран дисплея усредненные, контролируемые и рассчитан-
ные значения информационных параметров плавки.
§ 8. АСУ электросталеплавильного цеха
Интегрированная АСУ электросталеплавильного цеха
(ЭСПЦ) имеет двухуровневое построение. В нижний уро-
вень входят АСУ ТП: выплавки стали в ДСП, внепечиой
обработки металла и непрерывной разливки на МНЛЗ
(рис. IX.14). Верхний включает АСУ производством в
308
цехе, которая в свою очередь может быть связана с АСУ
предприятием.
В электросталеплавильный цех (рис. IX.14) входят
дуговая сталеплавильная печь А, пост перелива металла
Б. установка для вакуумирования металла В, установка
для дугового подогрева металла Г, установка для про-
дувки металла порошкообразными материалами Д, ма-
шина непрерывного литья заготовок Е (стрелками по-
казано движение металла в ЭСПЦ), нагревательная
печь Ж.
Рис. IX. 14. Структурная схема АСУ ЭСЦП
В состав АСУ ТП выплавки стали в ДСП входят
САУ: набором шихтовых материалов 1, электрическим
и тепловым режимами 2, продувкой ванны кислородом 3,
давления под сводом печи 5, дозированием металлизо-
ванных окатышей 6, дозированием ферросплавов и сы-
пучих материалов 7, а также устройство взвешивания
металла в ковше 8 и автоматизированная система эк-
спрессного контроля химического состава металла по
ходу плавки 4.
809
АСУ ТП внепечной обработки стали обеспечивает
контроль и управление химическим составом и темпе-
ратурой металла. Она состоит из установки электромаг-
нитного перемешивания металла 9, САУ продувкой ме-
талла кислородом в вакууматоре 10, САУ давлением
под крышкой ваккуматора 11, САУ электрическим ре-
жимом подогрева 12, САУ газоотводящим трактом 13,
САУ давлением инертного газа для продувки металла
14, САУ подачей порошкообразных материалов 15 и
легирующих добавок 16.
АСУ ТП МНЛЗ обеспечивает заданный температур-
ный режим поверхности заготовки в зоне вторичного ох-
лаждения и мерный разрез заготовки в процессе и конце
разливки. В состав АСУ ТП МНЛЗ входят САУ: мас-
сой металла в промежуточном ковше 17, уровнем метал-
ла в кристаллизаторе 18, температурным режимом по-
верхности заготовки в зоне вторичного охлаждения 19
и порезом заготовки на мерные длины 20. АСУ ТП
МНЛЗ через подсистему управления складом литых за-
готовок производит сбор и обработку информации об
отлитых заготовках и отгрузке слитков в прокат, кон-
троль наличия и движения слитков на складе заготовок
и осуществляет составление и печать отгрузочной ведо-
мости.
В нагревательных печах используют САУ подачей
топлива 22 и соотношением топливо-воздух 21.
АСУ производством в ЭСПЦ состоит из подсистем
оперативного планирования, сменно-суточного учета,
оперативно-диспетчерского контроля и управления и сбо-
ра, обработки и выдачи информации.
Подсистема оперативного планирования производит
составление производственных заданий на последующую
смену или сутки по всем агрегатам ЭСПЦ и контактно-
го взаимосвязанного графика работы агрегатов на этот
период, расчет сменной или суточной потребности в
необходимых материалах и формирование ведомости де-
фицита материалов.
Подсистема сменно-суточного учета производит сос-
тавление и выдачу учетной документации, в которую
входят показатели необходимости для качественной и
количественной оценки работы агрегатов ЭСПЦ за сме-
ну, сутки и с начала месяца. Подготовленную инфор-
мацию в виде диспетчерского рапорта эта подсистема
передает в АСУП.
Подсистема оперативно-диспетчерского контроля jf
310
управления производит контроль выполнения сменных
заданий, корректировку контактных графиков произ-
водства, оперативный контроль состояния оборудования,
запасов материалов и расхода воды, газа, воздуха и топ-
лива, контроль и распределение электроэнергии по пе-
чам и установкам, обеспечивает выполнение составлен-
ных графиков всеми агрегатами и участками ЭСПЦ.
Подсистема сбора, обработки и представления ин-
формации производит сбор информации от АСУ ТП, ло-
кальных систем управления, диспетчеров участков ЭСПЦ
для создания базы данных, выдачи текущей информации
оперативно-диспетчерскому персоналу и формирования
сквозных паспортов на плавки и последующую обработ-
ку выплавленной стали.
АСУ ЭСПЦ позволяет оперативно влиять на работу
всех агрегатов цеха, начиная от выплавки стали в ДСП
и кончая отгрузкой готовых заготовок в прокатные це-
ха, для получения максимально возможной производи-
тельности цеха и минимально возможной себестоимости
слитков при высоком качестве металла, а также ликви-
дации отключения электропитания цеха из-за перерас-
хода электроэнергии и ликвидации затоваривания склада
готовых заготовок.
Рассмотренная АСУ ЭСПЦ позволяет увеличить про-
изводительность цеха на 3—4% за счет рационального
ведения технологических процессов, сокращения потерь
металла и нерациональных затрат рабочего времени, сни-
зить себестоимость стали на 5% за счет уменьшения за-
трат на шихтовые и добавочные материалы, энергоноси-
тели и т. д. и повышения стойкости оборудования.
Вопросы для самопроверки
1. Какие особенности имеет ДСП, как объект авто-
матического управления?
2. Какие существуют методы контроля температуры
футеровки в ДСП?
3 .Какие основные задачи решаются при автомати-
ческом управлении электрическим режимом ДСП?
4. Каким образом осуществляется регулирование
мощности в ДСП? Что такое дифференциальный способ
регулирования мощности?
5. В чем заключается автоматизация температурного
нежима ДСП?
311
6. Какое влияние на температурный режим ДСП
оказывает применение водоохлаждаемых сводов и стен?
7. В чем состоит управление шихтовкой плавок?
8. В чем состоят особенности управления плазмен-
ными дуговыми печами?
Глава X
АВТОМАТИЗАЦИЯ
СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ
ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
§ 1. Автоматизация индукционных печей
В индукционной печи (ИП) шихта, загруженная в ти-
гель, или расплавленный металл нагревается за счет
вихревых токов, которые наводит переменное электро-
магнитное поле, создаваемое индуктором. В зависимости
от частоты тока, подаваемого к индуктору, ИП разде-
ляют на три вида; ИП промышленной частоты (50—
60 Гц), у которых источником электропитания являют-
ся понижающие трансформаторы; ИП повышенной час-
тоты (500—10000 Гц) с источником питания от машин-
ных генераторов или тиристорных преобразователей;
высокочастотные ИП, работающие на частоте свыше
10 кГц, питающиеся от ламповых генераторов.
В настоящее время емкость и мощность ИП, рабо-
тающих в промышленности, колеблется в широких пре-
делах; максимальная емкость ИП достигает 60 т. Огра-
ничение по емкости ИП связано с трудностями приведе-
ния окислительной продувки металла кислородом из-за
тяжелых условий службы футеровки, образованием боль-
шого количества шлака, нагревающегося только от метал-
ла и отсутствием мощных источников питания. Крупные
ИП имеют важные преимущества перед ДСП: меньшие
угар металлошихты и температурный градиент по глу-
бине металла, отсутствие выбросов твердых частиц в
атмосферу, лучшее качество готового металла и отсут-
ствие шума в период плавления.
В ИП параметры электрического режима системы
индуктор — шихта (подводимая мощность, коэффициент
мощности cosqi, удельное сопротивление и магнитная про-
ницаемость шихты) во время плавления постоянно из-
312
меняются, что в некоторых случаях приводит к увели-
чению реактивной составляющей тока и уменьшению
cosq?. Фактическое значение коэффициента мощности ИП
без использования дополнительных устройств для его
увеличения составляет 0,10—0,20. Для увеличения cosq?
в ИП подключают конденсаторные батареи параллельно
индуктору. Это позволяет получать cosq близкий к еди-
нице. Примерно половину емкости конденсаторной бата-
реи подключают к индуктору постоянно, вторая половина
емкости является переменной. Емкость регулируемой
части батареи изменяют в зависимости от тек} щего зна-
чения cosq.
Весь процесс плавки в ИП состоит из трех периодов:
межплавочного простоя; расплавления шихты; техноло-
гического периода.
Особенностью периода расплавления является пере-
ход металлической части шихты из ферромагнитного в
парамагнитное состояние при разогреве до температуры
точки Кюри (для железа —770 С), что существенно из-
меняет параметры электрического режима.
В технологический период плавки электрический ре-
жим более стабильный. Подводимую мощность в этот
период изменяют в зависимости от количества присадок
добавочных материалов, фактической температуры ме-
талла и требуемой скорости ее изменения.
Параметры электрического режима (силу тока ин-
дуктора и cosq) в тигельных ИП промышленной частоты
поддерживают в рациональных пределах путем измене-
ния соответственно вторичного напряжения печного транс-
форматора и емкости конденсаторной батареи. Для этих
печей во ВНИИЭТО разработан регулятор электриче-
ского режима АРИР, структурная схема которого пред-
ставлена на рис. Х.1. Основными блоками регулятора
являются: блок регулирования тока индуктора 1 и блок
регулирования cosq) II.
Управляющим воздействием при регулировании силы
тока индуктора И является напряжение на вторичной
обмотке печного трансформатора. Для поддержания тока
на требуемом значении блок регулирования тока индук-
тора производит переключение ступени напряжения
трансформатора ПТ через переключатель ПСН.
Блок регулирования тока индуктора работает сле-
дующим образом. При включении ИП на выходных
клеммах трансформатора тока ITA появляется сигнал,
пропорциональный фактическому7 значению тока индук-
318
тора. Этот сигнал поступает в управляющую обмотку
элемента сравнения, который представляет собой трех-
позиционное бесконтактное реле, состоящее из двух маг-
нитных усилителей и двух промежуточных реле. На об-
мотку смещения магнитных усилителей подают опорное
напряжение от стабилизированного источника питания.
Рис, Х,1. Структурная схема регулятора электрического режима АРИР
пропорциональное заданному значению тока. В магнит-
ных усилителях происходит сравнение обоих напряже-
ний.
Если фактическое и заданное значения тока равны,
напряжение на выходе магнитного усилителя равно нулю.
При отклонении фактического значения тока от задан-
ного на выходе одного из магнитных усилителей в со-
ответствии с полярностью появится напряжение, пропор-
циональное разбалансу сигналов, которое включит одно
из промежуточных реле. Нормально открытые контак-
ты реле замкнутся в цепи катушки контакта включения
электродвигателя привода переключателя ступеней нап-
ряжения трансформатора. Контактор сработает и вал
электродвигателя привода ПСН начнет вращаться в сто-
314
рону, соответствующую знаку сигнала рассогласования,
приводя в действие переключающее устройство.
Блок регулирования cosip при необходимости ступен-
чато изменяет переменную емкость конденсаторной ба-
тареи 1С—5С контакторами 1КМ—5КМ. Блок состоит
из датчика сдвига по фазе, получающего информацию
от трансформатора напряжения TV и трансформатора
тока 2ТА и определяющего угол сдвига по фазе между
током и напряжением, узла расшифровки сигналов дат-
чика сдвига по фазе и узла переключения конденсаторов.
Датчик сдвига по фазе опреде1яет фактическое значе-
ние cosip и сравнивает его с заданным значением. В слу-
чае разбаланса этих значений происходит включение
привода шагового искателя, который дает команды на
срабатывание контакторов 1КМ—5КМ, переключающих
емкости конденсаторной батареи на одну ступень. Если
после первого переключения емкости фактическое зна-
чение cosip не стало равным заданному, произойдет сле-
дующее переключение емкости еще на одну ступень.
Переключение будет продолжаться до тех пор, пока
cosip не достигнет заданного значения или пока не будут
выбраны все ступени емкости конденсаторной батареи.
Точность поддержания заданного значения costp±(34-
4-5)%. При использовании регулятора АРИР расход
электроэнергии сокращается на 5—7%.
Для того чтобы не происходило одновременного сра-
батывания блоков регулирования тока и cosip, которое
мог то бы привести к колебательному процессу, в схеме
регулятора предусмотрена блокировка. Блок регулиро-
вания тока срабатывает только в том случае, когда
блок регулирования cosip уже полностью подключил или
отключил переменную часть емкости конденсаторной ба-
тареи. Преимущество в работе имеет блок регулирования
cosip. Поэтому если после переключения трансформатора
на одну ступень ток изменится на такую величину, что
начнет работать блок регулирования cosip, произойдет
отключение промежуточного реле и двигатель привода
ПСН остановится. Если изменение тока будет недоста-
точно, произойдет переключение напряжения еще на
одну ступень и так до тех пор, пока не включится блок
регулирования cosip.
Для регулирования основных параметров электри-
ческого режима ИП повышенной частоты (напряжения,
cosip и силы тока), оборудованных машинным генерато-
ром, используют регулятор АРЭР, структурная схема ко-
315
торого приведена на рис. Х.2. Регулятор состоит из бло-
ков регулирования напряжения /, регулирования costp
II и числа витков индуктора III.
В блоке регулирования напряжения основным эле-
ментом является электромашинный усилитель ЭМ-У (на
схеме отдельно не показан), с помощью которого проис-
-380 В
Рис. Х.2. Структурная схема регулятора электрического режима АРЭР
ходит изменение тока в обмотке возбуждения ОВГ ге-
нератора повышенной частоты Г. Вращение генератора
осуществляет электродвигатель Д. Входным параметром
этого блока является напряжение, значение которого
снимается с трансформатора напряжения ITV и сравни-
вается с заданным значением. Корректирующим сигналом
является значение силы тока индуктора И, который пос-
тупает от трансформатора тока 1ТА. При увеличении
напряжения печи ток в управляющей обмотке ЭМУ
уменьшается, что приводит к уменьшению выходного
тока ЭМУ, питающего обмотку возбуждения генератора
ОВГ, и напряжения генератора. Если напряжение печи
316
падает, разность заданного и фактического значений воз-
растает и ток в управляющей обмотке ЭМУ увеличива-
ется, что обеспечивает подъем напряжения генератора.
При подвалке или уплотнении шихты в период плав-
ления сила тока индуктора резко возрастает и может
превысить номинальное значение тока генератора, что
явно нежелательно и опасно. Для ограничения величины
потребляемого тока в блоке предусмотрена отсечка с
помощью магнитного усилителя.
Точность регулирования напряжения не менее 2%.
Наличие вращающих частей ЭМУ является причиной
невысокой надежности и сложности в эксплуатации. Для
устранения этого недостатка электромашинный усили-
тель может быть заменен на магнитный усилитель.
Работа блока автоматического регулирования cos а,
получающего информацию от трансформатора напря-
жения 2TV и трансформатора 2ТА, аналогична работе
соответствующего блока регулятора АРИР для ИП про-
мышленной частоты. Единственное отличие заключается
только в том, что ступени емкости конденсаторной ба-
тареи переключают обязательно при снятом напряжении-
возбуждения генератора для предупреждения появления
больших коммутационных токов. Переключение перемен-
ной части емкости батареи конденсаторов 1С—5С про-
изводят контакторами ЗКМ—7КМ.
Блок переключения числа витков индуктора исполь-
зуют для улучшения использования мощности и повы-
шения технико-экономических показателей работы ИП.
На промышленных ИП индуктор имеет как правило
одну отпайку н изменение числа витков осуществляется
контакторами 1КМ и 2КМ. Уменьшение числа витков
индуктора происходит в том случае, когда значение си-
лы тока, снимаемое с трансформатора тока ЗТА, станет
ниже оптшмального значения. Переключение индуктора
на полное число витков происходит, когда фактическое
значение тока станет выше оптимального.
Одной из основных задач обеспечения безопасной ра-
боты ПП является контроль толщины футеровки тигля
и предупреждение его прогара. Футеровка тигля явля-
ется наименее надежным элементом конструкции ИП.
От состояния футеровки тигля и ее стойкости зависят
не только производительность ИП. но и безопасность
работы обслуживающего персонала. Огнеупорный мате-
риал футеровки тигля работает в очень тяжелых усло-
виях. На него производят разрушающее воздействие:
31Т
расплавленный металл, находящийся в постоянном дви-
.жении под действием вихревых токов и размывающий
внутренний слой футеровки; химическое взаимодействие
легирующих элементов, находящихся в расплавленном
металле, с оксидами элементов огнеупорного материала
футеровки, которые восстанавливаются и переходят в
металл, а образовавшиеся поры в тигле заполняются
•металлом и процесс восстановления продолжается; тер-
мические удары в результате резкого охлаждения тиг-
ля после выпуска металла.
Системы автоматического контроля толщины футе-
ровки тигля основаны на измерении активного сопротив-
ления футеровки между индуктором и пучком металли-
ческих проволочек, закладываемых в дно или стенки
тигля при набивке. В процессе эксплуатации толщина
футеровки тигля и измеряемое сопротивление уменьша-
ются. Когда толщина футеровки тигля и ее сопротивле-
ние достигнут предельного значения, ток в измеряющей
цепи увеличится настолько, что сработает аварийная
-сигнализация.
Одновременно с предупреждением обслуживающего
персонала об аварийном состоянии футеровки тигля сис-
тема контроля дает команду на отключении печи и вклю-
чает подачу сжатого воздуха в индуктор для предотвра-
щения взрыва при проедании инд\ктора и попадании
воды в расплавленный металл. Охлаждающая вода уда-
ляется из индуктора за несколько секунд.
§ 2. Автоматизация установок
электрошлакового переплава
Особенности установок электрошлакового переплава
как объекта управления
Установки электрошлакового переплава (ЭШП) приме-
няют для переплава сталей и сп швов с целью сниже-
ния вредных примесей и получения хорошей однород-
ной макроструктуры слитка. Рафинирование металла от
вредных примесей достигают переплавом расходуемого
электрода, изготовленного из требуемой стали или спла-
ва, в ванне расплавленного шлака. При прохождении
электрического тока через шлак, играющий роль соп-
ротивления, в нем выделяется большое количество теп-
ла. Температура плавления различных шлаков 1200—
1450'С. Температура шлака во время перешава дости-
318
гает 1600—2000°С. Торец электрода, опущенный в шлак
с такой температурой, оплавляется и капли металла от-
рываются от электрода. Опускаясь вниз под действием
силы тяжести, капли проходят через слой химически ак-
тивного шлака, за счет чего и происходит рафинирова-
ние металла от вредных примесей. По мере оплавления
расходуемый электрод опускается. Внизу на поддоне
медного водоохлаждаемого кристаллизатора металл
собирается в жидкую ванну и быстро кристаллизуется,
чем обеспечивается хорошая макроструктура слитка.
Технологический процесс ЭШП характеризуется оп-
ределенными соотношениями параметров электрическо-
го режима, высотой шлаковой ванны, диаметрами элек-
трода и кристаллизатора. Эти соотношения определяют
общую глубину металлической ванны, заглубление элек-
трода в шлак и другие характеристики технологическо-
го процесса, влияющие на степень рафинирования ме-
талла и кристаллизацию слитка. Форма и глубина ванны
расплавленного металла зависят от подводимой мощ-
ности, силы тока, напряжения, температуры и количества
шлака, скорости плавления, диаметра электрода, хими-
ческого состава переплавляемого металла и других па-
раметров. Если глубина погружения электрода в шлак,
недостаточна, то между шлаком и торцом электрода
появляется возможность образования небольших элек-
трических дуг. Это приводит к увеличению окисленности
металла и неметаллических включений в слитке. Если
глубина погружения электрода в шлак большая, дуги
могут возникать между жидкой металлической ванной,
и торцом электрода, что приводит к браку по макро-
структуре. Основная задача систем автоматического уп-
равления в установках ЭШП сводится к стабилизации
параметров технологического процесса, в том числе глу-
бины погружения электрода в шлак, и электрического
режима переплава или изменению этих параметров по
заданной программе.
В настоящее время в промышленности используют
установки ЭШП с питанием постоянным и переменным
током, однофазные, трехфазные для одновременного пе-
реплава нескольких электродов в разные кристаллизато-
ры или в один кристаллизатор.
Процесс ЭШП циклический. Он состоит из четырех
периодов: межплавочного простоя; стартового периода
разведения шлаковой ванны; переплава электрода; вы-
ведения усадочной раковины.
319)
В межплавочный простой осуществляют извлечение
'ютового слитка из кристаллизатора и подготавливают
установку к последующей плавке. В этот период уста-
новку отключают.
В стартовый период на установку подают напряжение
и осуществляют нагрев и расплавление шлака, загружен-
ного в кристаллизатор. При проведении процесса между
торцом электрода и затравкой, установленной на дне
кристаллизатора, возникает дуга, которая расплавляет
шлак. Образовавшийся жидкий шлак поднимается и
шунтирует дугу. Горение дуги прекращается и установка
переходит в бездуговой режим работы как печь сопро-
тивления. Продолжительность этого периода 20—40 мин.
Почти вся подводимая мощность идет на расплавление
шлака, прогрев электрода и тепловые потери через под-
дон. Стартовый период проводят на максимальных силе
тока и напряжении трансформатора, что позволяет не-
сколько уменьшить продолжительность периода. Дуга в
этот период горит нестабильно, часто происходят срывы
и короткие замыкания. Нестабильность горения дуги
связана с тяжелыми условиями ионизации дугового про-
межутка из-за сильного охлаждения шлаком и большим
отводом тепла через электрод и поддон. Для поддержа-
ния параметров электрического режима в заданных пре-
делах САУ должна обеспечить достаточно высокую ско-
рость перемещения электрода (1—1,5 м/мин), обладать
высокими быстродействием и чувствительностью.
Возможно проведение стартового периода на жидком
шлаке, предварительно расплавленном в дуговой печи,
при этом электрический режим ЭШП становится более
стабильным и значительно сокращается продолжитель-
ность периода.
Окончанием стартового периода является начало
плавления электрода. Период переплава электрода ха-
рактеризуется относительно спокойным электрическим
режимом. Большие изменения силы тока, как правило,
не возникают. Основным возмущающим воздействием,
приводящим к отклонению параметров электрического
режима от заданных значений, является оплавление тор-
ца электрода. В процессе переплава длина расходуемого
электрода и его сопротивление уменьшаются, что при-
водит к увеличению силы тока, проходящего через шла-
ковую ванну, повышению выделяемой в ней мощности
и увеличению температуры шлака. Поэтому необходимо
одновременно с уменьшением длины электрода посте-
320
пенно снижать подводимую мощность за счет уменьше-
ния напряжения на электроде и силы тока.
Таким образом в период плавления САУ должна обес-
печить поддержание заданных параметров электриче-
ского режима, обеспечивающих постоянство формы и
размеров ванны жидкого металла, скорости плавления
электрода, скорости кристаллизации и наплавления слит-
ка, химического состава и температуры шлака. Добить-
ся этого можно путем плавного уменьшения подводимой
мощности по заданной программе и высокой чувствитель-
ностью регулятора.
Период выведения усадочной раковины проводят для
уменьшения отходов в головной части слитка, где распо-
ложена усадочная раковина. Продолжительность выве-
дения усадочной раковины зависит от размеров попереч-
ного сечения слитка и составляет 20—40 мин. В этот
период постепенно уменьшают ток, подводимую мощ-
ность и скорость плавления электрода по заданной про-
грамме, что позволяет полностью вывести усадочную
раковину и получить ровную поверхность головной час-
ти слитка. Электрический режим выведения усадочной
раковины достаточно устойчив.
Для стабилизации электрического режима ЭШП ос-
новными регулируемыми параметрами являются сила
тока электрода и напряжение на шлаковой ванне; до-
полнительными регулируемыми параметрами могут быть
сопротивление шлаковой ванны, мощность, выделяемая
в шлаковой ванне, и скорость плавления электрода.
Автоматизация электрического режима
Система автоматического регулирования силы тока. Для
реализации этого принципа управления электрическим
режимом институтами ВНИИЭТО и НИИАчермет раз-
работан автоматический регулятор АРАД III, предназ-
наченный для поддержания постоянной и равной задан-
ной силы тока установки путем перемещения электрода.
Структурная схема регулятора представлена на рис. Х.З.
Регулятор работает следующим образом. Напряжение
с трансформатора тока ТА, пропорциональное значению
силы тока 7 электрода Э, поступает в блок преобразова-
теля и сравнения БПС. В этом блоке происходит срав-
нение силы тока электрода с заданием, поступающим с
блока ручного задания БРЗ или от автоматического
программного задатчика 773. Если эти сигналы равны,
11 15.
321
на выходе блока сравнения напряжение равно нулю.
Если они неравны, на выходе блока появляется напря-
жение разбаланса, которое усиливается в блоке проме-
жуточного усиления БПУ и затем в блоке усилителя
мощности УМ. С усилителя мощности усиленный сигнал,
Рис. Х.З, Регулятор электрического режима АРАД
пропорциональный отклонению силы тока от заданного
значения, поступает на электродвигатель привода пере-
мещения электрода. Вал электродвигателя начинает
вращаться в соответствующем направлении и перемещать
электрод до момента, когда значение силы тока станет
равным заданному. Привод перемещения электрода сос-
тоит из дифференциального редуктора ДР и механи-
ческой связи электрододержателя с редуктором МС.
В начале периода переплавка, когда необходимо пе-
ремещение электрода в крайнее нижнее положение до
касания с поддоном или в аварийных ситуациях, требу-
ется большая скорость движения электрода. Эту ско-
рость обеспечивает маршевый электродвигатель МД, уп-
равление которым происходит через блок управления
маршевым электродвигателем БУ МД.
Технические характеристики регулятора: точность
поддержания заданной силы тока ±250 А, время разгона
1,0—1,2 с, время торможения 0,4—0,6 с, максимальная
скорость перемещения электрода 1,5 м/мин, регулятор
обеспечивает пропорциональный закон регулирования.
В системе может применяться программный задат-
чик ПЗ. Программу изменения силы тока в процессе пе-
реплава составляют на основе статистической обработки
результатов промышленных плавок отдельно для каж-
дого размера кристаллизатора, размеров электрода, хи-
322
мического состава и количества шлака, а также марки
переплавляемой стали.
Система автоматического регулирования силы тока и
напряжения (мощности). Регулирование только силы
тока электрода в установках ЭШП не обеспечивает ста-
бильности скорости плавления. Это приводит к неодно-
родности макроструктуры металла по высоте слитка.
Обеспечить постоянную скорость наплавления слитка
можно стабилизацией мощности, выделяемой в шлако-
вой ванне. Для этого необходимо поддерживать пос-
тоянным не только силу тока, но и напряжение на шла-
ковой ванне. Такую систему разработали завод «Элек-
тросталь» и НПО «Черметавтоматика».
Рис. Х.4. Структурная схема САР силы тока и напряжения (мощности)
Рис. Х.5. САР электрического режима четырехручьевой установки ЭШП
Структурная схема САР мощности на шлаковой ван-
не представлена на рис. Х.4. В систему входят автома-
тический регулятор силы тока APT и автоматический
регулятор напряжения АРН, исполнительный механизм
ИМ перемещения электрода Э, токосъемник Т, переклю-
чатель ступеней напряжения под нагрузкой ПСН, за-
датчик силы тока и напряжения 3. Напряжение на шла-
ковой ванне измеряют между точкой электрода, нахо-
дящейся на уровне верхнего торца кристаллизатора и
поддоном. В системе использован автоматический регу-
лятор силы тока на тиристорах типа СТУ-144, имеющий
пропорциональный закон регулирования.
Во время переплава регулятор силы тока сравнивает
значение силы тока электрода /, поступающего от транс-
форматора тока ТА с заданным значением 10, поступаю-
11*
323
щим от задатчика тока. Если они равны на выходе ре-
гулятора, сигнал равен нулю. При отклонении силы тока
от заданного значения с регулятора поступает сигнал
на исполнительный механизм для перемещения электро-
да. Электрод перемещается до момента устранения от-
клонения.
Автоматический регулятор напряжения сравнивает
значение напряжения на шлаковой ванне U с заданным
значением Uo, поступающим от задатчика напряжения.
При возникновении отклонения напряжения от заданно-
го значения регулятор дает команду на переключение
ступени напряжения трансформатора. Задатчик обеспечи-
вает также изменение ступени напряжения трансформа-
тора по времени в соответствии с заданной программой.
Применение САУ на установке ЭШП завода «Элек-
тросталь» позволило увеличить производительность на
1—2% за счет увеличения скорости плавления элек-
трода.
Тот же принцип регулирования мощности, выделяе-
мой в шлаковой ванне, путем стабилизации на заданных
значениях силы тока и напряжения на шлаковой ванне
применен на четырехручьевой установке ЭШП завода
«Серп и молот» (рис. Х.5). Использование САР позво-
Рис. Х.6. Структурная схема САР силы тока н
напряжения с коррекцией по скорости плавления
электрода
324
лило увеличить производительность установки на 0,5—
1% и снизить удельный расход электроэнергии на 10—
15%.
Система автоматического регулирования силы тока
и напряжения с коррекцией по скорости плавления элек-
трода. Такая система (рис. Х.6) разработана НПО
«Черметавтоматика» и заводом «Электросталь». Систе-
ма состоит из регулятора тока APT, регулятора напря-
жения АРП, регулятора скорости наплавления слитка
РСНС, блока программного управления БПУ, блока
задания напряжения БЗН, блока задания тока БЗТ,
усилителя У, механизма перемещения электрода МПЭ,
датчика скорости подачи электрода ДСПЭ, печного-
трансформатора ПТ и переключателя сту пеней напряже-
ния ПСП.
В регулятор скорости наплавления слитка входят им-
пульсный датчик времени ИДВ, счетный элемент срав-
нения СЭС и устройство коррекции задания УКЗ.
Автоматический регулятор тока производит сравнение
сигналов от трансформатора тока ТА, пропорционально-
го силе тока электрода /, и заданного значения силы то-
ка /0, поступающего от блока программного управления
через блок задания тока. При равенстве сигналов элек-
трод остается неподвижным. В случае отклонения силы
тока от заданного значения сигнат разбаланса усили-
вается в усилителе и поступает на электродвигатель ме-
ханизма перемещения электрода.
Автоматический регулятор напряжения сравнивает
напряжение на шлаковой ванне U с заданным значением
Uo, также поступающим от блока программного управ-
ления через блок задания напряжения, и производит
изменение ступени напряжения трансформатора ПТ
переключателем ступени напряжения.
Автоматический регулятор скорости наплавления
слитка получает сигнал от датчика скорости подачи элек-
трода, пропорциональный линейной скорости движения
электрода v, и сигнал, пропорциональный заданному пе-
ремещению электрода Lo за заданный промежуток вре-
мени т от блока программного управления. Счетный эле-
мент сравнения регулятора скорости сопоставляет ско-
рости перемещения электрода с заданной скоростью по
параметрам Lo и т. Если скорости равны, сигнал на вы-
ходе регулятора отсутствует. При отклонении скорости
электрода от заданного значения £0/т регулятор через
устройство коррекции задания вводит дополнительные
325
корректирующие сигналы в блок задания силы тока и
блок задания напряжения. Коррекция заданных значений
силы тока и напряжения производится непрерывно не-
большими приращениями до наступления равенства фак-
тической и заданной скоростей перемещения электрода.
Внедрение САР увеличило производительность уста-
новки на 3—4%.
Система автоматического регулирования сопротивле-
ния шлаковой ванны и скорости плавления электрода.
В настоящее время широкое распространение получает
САР с тиристорным регулятором АРШМТ, который се-
рийно выпускает Чебоксарский электроаппаратный за-
вод. Регулируемыми параметрами системы являются со-
противление шлаковой ванны и скорость плавления элек-
трода.
Каждый параметр имеет свой канал регулирования.
В канал регулирования сопротивления шлаковой ванны
/?шв (рис. Х.7) входят датчик активного сопротивления
шлаковой ванны ДАС, измерительное регистрирующее
устройство ИРУ, программно-задающее устройство
1ПЗУ, тиристорный преобразователь ТИ, усилитель
Рис. Х.7. Структурная схема САР сопротивления шлаковой ванны и скорости
плавления электрода
мощности УМ, двигатель привода перемещения электро-
да Д1, редуктор Р и тахогенератор ТГ (Д2—марше-
вый двигатель, применяемый для быстрого перемещения
-326
электродов со скоростью ~1 м/мнн). В канал регули-
рования скорости плавления электрода входят датчик
импульсов ДИ, счетчик импульсов СИ, блок преобразо-
вания код—напряжение БПКН, программно-задающее
устройство 2ПЗУ, блок чувствительных элементов БЧЭ
и переключатель ступеней напряжения ПСИ.
По значениям силы тока электрода I, снимаемого с
трансформатора тока ТА и напряжения на шлаковой
ванне И датчик активного сопротивления фиксирует ак-
тивное сопротивление шлаковой ванны /?ш.в, которое
поступает на измерительное регистрирующее устойство.
Последний передает это значение в блок сравнения БС1.
В блоке сравнения происходит сопоставление сопротив-
ления ванны с заданным значением, поступающим от
программно-задающего устройства 1ПЗУ. В случае от-
клонения сопротивления шлаковой ванны от заданного'
значения на выходе блока сравнения появляется сигнал
разбаланса, который после усиления в усилителе мощ-
ности поступает на тиристорный преобразователь и с
него на двигатель привода перемещения электрода.
Перемещение электрода сопровождается образова-
нием в ДИ импульсов, количество которых соответствует
скорости перемещения электрода V. Счетчик импульсов
определяет их количество в единицу времени и передает
сигнал в блок преобразования код — напряжение БПКН.
Выходное напряжение блока преобразования пропорцио-
нально количеству импульсов и соответственно скорости
перемещения электрода. Это напряжение поступает в
блок сравнения БС2. Сюда же приходит сигнал от прог-
раммно-задающего устройства 2ПЗУ, пропорциональный
заданному значению скорости плавления слитка. При
отклонении скорости плавления электрода от заданного
значения, сигнал отклонения через блок чувствительных
элементов поступает на переключатель ступеней напряже-
ния для изменения его значения на 1—2 ступени.
Система автоматического регулирования сопротив-
ления шлаковой ванны и скорости наплавления слитка.
Для улучшения макроструктуры слитка и повышения
производительности установок ЭШП в качестве основно-
го регулируемого параметра процесса переплава необхо-
димо использовать скорость наплавления слитка. В рас-
смотренных выше системах управления это стремились
достигнуть косвенным путем, обеспечивая поддержание
заданных значений мощности, силы тока, напряжения,
сопротивления, однако наиболее эффективно непосред-
327
ственно контролировать скорость наплавления слитка
с помощью специальных датчиков и использовать этот
параметр в системе управления.
Примером такой системы может служить САР, разра-
ботанная институтом электросварки им. Е. О. Патона,
с использованием бес-
контактного индукцион-
ного датчика уровня
металла в установке
ЭШП с подвижным
кристаллизатором (рис.
Х.8) Система имеет
три канала управле-
ния: сопротивления
шлаковой ванны, уров-
ня ванны жидкого ме-
талла и скорости на-
плавления слитка.
Управление процес-
сом переплава электро-
дов 17 в кристаллиза-
торе 19 начинается с
регулирования сопро-
тивления шлаковой
ванны 18. Датчик
сопротивления шлаковой ванны 3 по значениям нап-
ряжения на шлаковой ванне U, поступающего с то-
косъемников 2, п силы тока электродов I, поступаю
щего от трансформатора тока 1 определяет сопро
тивление шлаковой ванны /?ш.в и передает соот-
ветствующий ему сигнал в блок сравнения 4. В этот
же блок поступает сигнал, пропорциональный за-
данному значению сопротивления ванны Ro. При равен-
стве обоих сигналов на выходе блока сравнения напря-
жения равно нулю. Если значения сигналов не равны,
на выходе блока сравнения появляется сигнал, пропор-
циональный величине отклонения. Этот сигнал усили-
вается в усилителе 5 и включает электродвигатель при-
вода 6 перемещения электродов вместе с электрододер-
жателями 7. Электроды перемещаются до тех пор, пока
сопротивление шлаковой ванны (слоя шлака между
электродом и металлом) не станет равным заданному
значению.
Когда высота наплавляемого слитка достигает места
установки индукционного датчика уровня металла в
328
кристаллизаторе 8, начинает работать канал регулиро-
вания уровня ванны жидкого металла. При этом датчик
уровня подает сигнал на усилитель 9 и после него в
регулятор 10 уровня ванны жидкого металла. Регулятор
производит включение двигателя 11 привода перемеще-
ния кристаллизатора и последний начинает двигаться
вверх со скоростью, обеспечивающей постоянное распо-
ложение ванны жидкого металла в кристаллизаторе.
Сигнал от двигателя пропорциональный скорости пере-
мещения кристаллизатора, т. е. скорости наплавления
слитка v через согласующий элемент 12 и цифро-анало-
говый преобразователь 13 поступает в блок сравнения 14
для сопоставления с заданной скоростью наплавления
слитка t»o- При отклонении скорости наплавления слитка
от заданного значения на выходе блока сравнения появ-
ляется сигнал разбаланса, который включает переклю-
чатель 15 ступеней напряжения трансформатора 16, из-
меняя величину напряжения на шлаковой ванне. При
изменении напряжения на ванне изменится подводимая
к ванне мощность, что приведет к повышению или по-
нижению температуры шлака и, как следствие, к изме-
нению скорости наплавления слитка.
§ 3. Автоматизация установок вакуумно-дугового
переплава
Особенности установок вакуумно-дугового переплава
как объекта управления
Установки вакуумно-дугового переплава (ВПД) явля-
ются одним из основных агрегатов спецэлектрометаллур-
гии, в которых получают слитки высокого качества для
важнейших отраслей техники. В установках ВДП в ос-
новном переплавляют тугоплавкие и высокореакционные
металлы: титан, вольфрам, молибден, ниобий, цирконий,
а также стали и сплавы специального назначения: шари-
коподшипниковые, коррозионностойкие, жаропрочные и
другие с целью их очистки от газов и неметаллических
включений при пониженном давлении.
Источником тепловой энергии, необходимой для пе-
реплава расходуемого электрода, является электричес-
кая дуга. В процессе переплава важно получить хорошее
качество металла и макроструктуру слитка. Этого мож-
но добиться только при стабильном горении дуги. Но
на процесс ВДП влияет много возмущающих воздейст-
329
вий, которые нарушают стабильность горения дуги.
К ним относятся изменение давления газа и плотности
паров металла, изменение величины катодного падения
напряжения при плавлении участков расходуемого элек-
трода с различным химическим составом из-за ликвации
элементов и шлаковых включений в первичном пере-
плавляемом слитке и др. Рациональные размеры длины
дуги в установках ВДП при переплаве электродов диа-
метром 50—500 мм равны 20—30 мм.
Основными регулируемыми параметрами при управ-
лении процессом переплава являются напряжение и си-
ла тока, характеризующие длину дуги и стабильность
ее горения. Однако непосредственно измерить длину и
напряжение дуги при ВДП не представляется возмож-
ным Напряжение можно измерить только на клеммах
электрододержателя или источника питания, что тре-
бует дополнительной коррекции при использовании этих
значений для управления.
Процесс переплава в установках ВДП состоит из че-
тырех периодов: межплавочного простоя, прогрева элек-
трода, собственно переплава и выведения усадочной ра-
ковины.
Период межплавочного простоя начинается с момента
•окончания предыдущего переплава и отключения печи и
продолжается до включения печи для следующего пе-
реплава. Основной задачей этого периода является под-
готовка установки для нового процесса. Сюда входит
охлаждение и выгрузка слитка предыдущей плавки,
загрузка нового электрода, вакуумирование установки.
Период межплавочного простоя является непроизводи-
тельным периодом и сокращение его продолжительности
способствует повышению производительности установки
и технико-экономических показателей ее работы.
Период подогрева электрода начинается с момента
подачи напряжения на электрод и зажигание дуги. Во
время подогрева электрод не плавится, большая часть
выделяющегося в дуге тепла идет на повышение энталь-
пии электрода. Поскольку дуга горит между торцом
электрода и затравкой возникает опасность прожога под-
дона кристаллизатора, поэтому в начале этого периода
сила тока электрода поддерживается на уровне 75% от
номинального значения. После окончания прогрева элек-
трода и появления на его торце расплавленного металла
силу тока резко повышают до значения примерно в 1,5
раза больше номинального и переходят к следующему
330
периоду технологического процесса — непосредственно
переплаву расходуемого электрода.
В начале процесса переплава, когда происходит уве-
личение высоты слитка и уменьшение отвода тепла че-
рез поддон, силу тока электрода постепенно уменьшают
до заданного значения и затем поддерживают ее постоян-
ной. Этот период является основным технологическим
периодом переплава расходуемого электрода, электри-
ческие и технологические параметры которого обеспечи-
вают получение качественного слитка.
При нормальной работе установки длина дуги долж-
на составлять 20—50 мм. При слишком большой длине
дуга может переброситься с наплавляемого слитка на
стенку кристаллизатора, т. е. возникает боковая дуга,
которая может прожечь стенку кристаллизатора и соз-
дать аварийную ситуацию на установке. В связи с этим
для обеспечения безаварийной работы установки необ-
ходимо иметь специальный датчик появления боковой
дуги и систему автоматической защиты от ее возникно-
вения.
Если дуга очень короткая, капли расплавленного ме-
талла, отрывающиеся от электрода, создают практически
сплошную струю, по которой происходит короткое замы-
кание торца электрода со слитком в кристаллизаторе.
Это приводит к нарушению нормальной работы установ-
ки, к нарушению условий кристаллизации металла в нап-
лавляемом слитке, изменению скорости наплавления слит-
ка и плавления электрода, т. е. к ухудшению качества
слитка. Короткие замыкания вызывают резкие увеличения
силы тока (падения напряжения) в виде кратковременных
импульсов. Частота появления импульсов, точнее, ин-
тервал времени между появлением соседних импульсов
характеризует косвенно длину дуги. Совсем избавиться
от коротких замыканий нельзя, ио, чтобы уменьшить их
отрицательное влияние, необходимо поддерживать дли-
ну дуги на таком уровне, при котором продолжитель-
ность интервала времени между короткими замыка-
ниями (между импульсами) находилась в заданных
пределах.
В установках ВДП очень важно, чтобы не только
электрические параметры дуги были постоянными в про-
цессе переплава, но и расположение самой дуги относи-
тельно электрода и кристаллизатора было стабильным.
Для управления положением дуги применяют электри-
ческие катушки — соленоиды, наматываемые на корпус
зз«.
кристаллизатора. Взаимодействие магнитного поля соле-
ноида с электрическими полями токов дуги в слитке и
в кристаллизаторе приводит к ограничению свободы пе-
редвижения катодного пятна по торцу плавящегося элек-
трода и анодного пятна по поверхности жидкой лунки
металла в наплавляемом слитке. При применении соле-
ноида вероятность переброса дуги на стенку кристалли-
затора уменьшается.
Сигналом на окончание периода переплава и переход
к периоду выведения усадочной раковины является дос-
тижение определенной длины огарка — непереплавляе-
мой части расходуемого электрода. Этот период необхо-
дим для уменьшения размеров усадочной раковины,
повышения выхода годного металла в слитке, получения
хорошей макростр) ктуры металла головной части слит-
ка и более полному рафинированию его от газов и
неметаллических включений. За период слиток наплавля-
ют на 30- 60 мм. Во время выведения усадочной рако-
вины силу тока постепенно уменьшают до минимально-
го значения.
Автоматизация электрического режима
Система автоматического регулирования напряжения с
коррекцией по длине дуги. В системе применяется авто-
матический регулятор электрического режима АРДВ-Р2
(рис. Х.9), разработанный институтом ВНИИЭТО. В на-
стоящее время большинство установок ВДП оснащено
регуляторами этого типа. Регулятор поддерживает за-
данное значение полного напряжения путем изменения
положения электрода и корректирует положение электро-
да по частоте следования импульсов тока, т. е. в опреде-
ленной степени стабилизирует длину дуги.
Основным рабочим блоком при нормальном ходе
процесса переплава является блок 4, управляющий опус-
канием электрода. Входными сигналами блока являют-
ся напряжение на электроде Un и заданное значение
напряжения Uo, поступающее от блока задания. В блоке
4 происходит сравнение обоих напряжений, и в случае
их неравенства на выходе блока появляется сигнал уп-
равления для включения привода на перемещение элек-
трода вниз с рабочей скоростью.
Блоки 5 и 6 корректируют положение электрода по
значению интервала следования импульсов. Блок 5 от-
фильтровывает импульсы положительной амплитуды,
332
превышающие по значению уставку срабатывания поро-
гового детектора этого блока и формирует стандартный
по величине и продолжительности корректирующий им-
пульс. В момент появления
вующий началу плавления
капель расплавленного
металла от торца электро-
да, блок 5 включает сиг-
нализацию «Конец про-
грева» о начале собствен-
но процесса переплава и
блок 6 для сравнения ин-
тервалов между импуль-
сами. Этот блок сравни-
вает фактические и задан-
ные минимальные ттш и
максимальные ттах значе-
ния длительности интер-
валов между импульса-
ми. Фактические значения
минимальных интервалов
поступают из блока 4, а
максимальных из блока 5.
Если значение интервала
между импульсами бу-
дет меньше заданно-
го, то независимо от от-
первых импульсов, соответст-
электрода и отрыву первых
Рис. Х.9. Структурная схема регу-
лятора электрического режима
АРДВ-Р2
клонения напряжения от заданного значения про-
изойдет подъем электрода. Подъем будет продол-
жаться до тех пор, пока минимальный интервал
не станет больше заданного и произойдет опус-
кание электрода. При поддержании определенной
длины дуги, характеризуемой заданной частотой
следования импульсов, напряжение может сущест-
венно отличаться от заданного значения, это вызывает
срабатывание блока 4 и новое изменение положения
электрода, что приведет к изменению длины дуги и т. д.
Чтобы не возникал такой колебательный процесс,
блок задания 9 производит коррекцию заданного значе-
ния напряжения Uo по команде от блока управления
коррекцией задания 7, связанного с блоком сравнения
интервалов следования импульсов 6.
В момент начала процесса для прогрева электрода
при большом токе блок зажигания дуги 2 производит
лодъем электрода до заданной длины дуги.
333
При возникновении короткого замыкания электрода
со слитком или при уменьшении напряжения на элек-
троде ниже 10 В, т. е. приближении к такому состоянию,
блок ликвидации коротких замыканий 3 через блок 2
дает команду на подъем электрода с рабочей скоростью.
Если за время 0,5—0,7 с напряжение не станет больше
10 В, то произойдет включение реле времени 8, которое
переведет работу привода на подъем электрода с мар-
шевой скоростью.
В установках ВДП с небольшим диаметром кристал-
лизатора (150—160 мм) вместо коррекции по длитель-
ности интервалов между импульсами эффективнее ис-
пользовать коррекцию заданного значения напряжения
на электроде по линейному перемещению электрода, оп-
ределяемому датчиком 1, выходной сигнал которого ис-
пользуют для коррекции задания напряжения в блоке 9.
Переключение на необходимый способ коррекции напря-
жения производят вручную.
Система автоматического регулирования напряжения
и скорости плавления электрода. Структурная схема та-
кой системы показана на рис. Х.10. Основная задач?
системы по каналу управления напряжением (длиной
дуги) — стабилизация параметров дуги во время пере-
плава, а по каналу управления скоростью плавления рас-
ходуемого электрода — стабилизация скорости плавления
электрода и наплавления слитка.
вдп
334
В систему входят блок регулирования напряжения
(длины дуги) БРП, блок индикации ионизации дугового
промежутка и возникновения боковых дуг БИД, блок
управления соленоидом БУС, блок регулирования ско-
рости плавления расходуемого электрода БРС. Исполни-
тельным механизмом является электродвигатель посто-
янного тока независимого возбуждения ДВ и питающий
его тиристорный преобразователь ТП1.
Блок регулирования напряжения состоит из сумми-
рующего усилителя СУ1, входного фильтра Ф1, выходно-
го усилителя ВУ1 и узла ручного задания УР31. В сум-
мирующий усилитель СУ1 поступает сигнал о значении
напряжения через фильтр Ф/, предотвращающий попа-
дание в цепь управления высокочастотной составляю-
щей напряжения, и сигнал о заданном значении напря-
жения Uo от устройства ручного задания УР31 или от
программного устройства. Если возникает отклонение
напряжения от заданного значения, на выходе усилителя
появляется сигнал, который через выходной усилитель
ВУ1 и тиристорный преобразователь ТП1 приводит во
вращение электродвигатель перемещения электрода ДВ
для изменения длины дуги. Блок защиты источника пи-
тания от коротких замыканий БЗ обеспечивает быстрый
подъем электрода при снижении напряжения на электро-
де меньше допустимого значения.
Блок индикации ионизации и возникновения боко-
вых дуг состоит из узкополосного фильтра Ф2, аналого-
вого преобразователя ПА и выходного усилителя ВУ2.
Блок производит обнаружение ионизации и возникнове-
ния боковых дуг между стенкой кристаллизатора и бо-
ковой поверхностью электрода для предотвращения ава-
рийных ситуаций, связанных с нарушением процесса
переплава и возможным прожогом стенки кристаллиза-
тора. Входным сигналом блока является высокочастот-
ная составляющая напряжения. При уменьшении высо-
кочастотной составляющей блок индикации выдает кор-
ректирующие сигналы в блок регулирования напряжения,
направленные на уменьшение длины дуги и в блок управ-
ления соленоидом на увеличение тока катушки К.
Блок управления соленоидом предназначен для соз-
дания магнитного поля вокруг дуги достаточного для
предохранения от возникновения боковых дуг. Он со-
стоит из генератора импульсов ГИ и выходного согласую-
щего усилителя ВУЗ. По сигналу от блока индикации
происходит изменение величины управляющего сигнала
335
выходного усилителя, поступающего на тиристорный пре-
образователь ТП2 для увеличения тока катушки соле-
ноида.
Блок управления скоростью плавления электрода, со-
стоящий из согласующего усилителя СУ2, суммирующе-
го усилителя СУЗ, интегратора И и устройства ручного
задания УР32, при отклонении скорости плавления элек-
трода от заданного значения (ручным задатчиком или
программным устройством) управляет источником пи-
тания, изменяя напряжение на электроде.
Система непосредственного регулирования длины ду-
ги. Непосредственный контроль и автоматическое уп-
равление длиной дуги в установках ВДП способствует
стабилизации горения дуги, повышению качества управ-
ления и улучшению макроструктуры слитка. Структур-
ная схема такой системы, разработанной НПО «Чермет-
автоматика», приведена на рис. Х.11.
В состав системы входят источник радиоактивного
гамма-излучения 1, приемник излучения 8, электронное
реле 7, привод перемещения источника и приемника
гамма-излучения 2, датчик пе-
ремещения источника и прием-
ника 3, блок сравнения 9, пре-
образователь 6, магнитный
усилитель 5, двигатель привода
перемещения электрода 4.
Система работает следую-
щим образом. Источник и при-
емник гамма-излучения, име-
ющие жесткую механическую
связь, во время процесса пе-
реплава непрерывно перемеща-
ются вверх и вниз. Это пере-
мещение обеспечивает привод
2. Границами перемещения
являются торец переплав-
Рис. Х.11. САР длины дуги ВДП
ляемого электрода и верхняя поверхность наплавляе-
мого слитка. Изменение направления перемещения
основано на уменьшении интенсивности облучения
приемника при пересечении гамма-лучом торца электро-
да или слитка. В этом случае электрод или слиток эк-
ранирует часть излучения, поступающего от гамма-ис-
точника, что является сигналом на включение реле 7
и изменение направления перемещения источника и при-
емника. Датчик перемещения определяет фактическую
336
длину пути (движения) источника и приемника в одном
направлении (длину дуги) L и передает ее в блок срав-
нения, куда поступает сигнал заданного значения длины
дуги £п. При отклонении длины дуги от заданного зна-
чения па выходе блока сравнения появляется сигнал
отклонения ДА, который через преобразователь и маг-
нитный усилитель поступает на электродвигатель приво-
да перемещения электрода. Электродвигатель включает-
ся и электрод начинает перемещаться до момента дос-
тижения длинной дуги заданного значения. После
устранения отклонения длины дуги от заданного значе-
ния, т. е. при Д£=0, электрод опускается вниз с задан-
ной постоянной скоростью, а источник и приемник из-
лучения продолжают возвратно-поступательное движе-
ние, контролируя длину дуги. Точность поддержания дли-
ны дуги ±2,0 мм.
Разновидностью системы непосредственного регули-
рования длины дуги может быть система с использова-
нием лазера для измерения длины дуги вместо гамма-
излучения. Преимуществом системы с лазерным датчи-
ком является универсальность и высокая точность.
Программные системы регулирования. При умень-
шении длины расходуемого электрода становится меньше
его активное сопротивление, что приводит к увеличению
силы тока дуги при постоянном напряжении на электро-
де и, как следствие, к увеличению скорости наплавления
слитка и изменению его макроструктуры. Поэтому при
построении системы регулирования силы тока необходи-
мо изменять задание по ходу процесса переплава, умень-
шая заданное значение силы тока. Делается это с по-
мощью специальных программных задатчиков (про-
грамматоров) по заранее разработанной программе из-
менения силы тока во времени.
Программу процесса переплава для каждой марки
стали составляют на основе статистической обработки
большого количества ранее проведенных промышленных
плавок. В качестве задаваемых параметров в программе
переплава можно брать, кроме силы тока, например,
изменение во времени высоты наплавляемого слитка.
Некоторые программы составляют с использованием
нескольких управляемых параметров, что улучшает ка-
чество управления.
МИСиС и завод «Электросталь» предложили в ка-
честве управляемого (задаваемого) параметра исполь-
зовать массу расходуемого электрода. Для этого в под-
337
веску расходуемого электрода и электрододержателЯ
встраивается тензометрический датчик, выходной сигнал
которого пропорционален массе электрода. Заданное
значение массы в процессе переплава уменьшается во
времени с помощью программатора. В случае отклоне-
ния массы от изменяющегося заданного значения про-
исходит изменение параметров электрического режима
или скорости перемещения электрода.
§ 4. Автоматизация электронно-лучевых печей
Особенности электронно-лучевых печей
лак объекта управления
Нагрев и плавление металла в электронно-лучевой печи
(ЭЛП) происходит за счет энергии электронов, движу-
щихся с большой скоростью к его поверхности. Достигая
поверхности, электроны проникают на небольшую глу-
бину внутрь металла. Торможение электронов приводит
к выделению полученной ими при разгоне энергии. Для
ускоряющих напряжений 20—40 кВ глубина проникно-
вения электронов внутрь металла составляет всего не-
сколько микрон. В этом тонком поверхностном слое про-
исходит выделение всей энергии электронного пучка. Тем-
пература слоя повышается и тепло передается другим
слоям внутрь металла.
Электроны в ЭЛП эмитирует разогретый катод.
После отрыва от катода специальная система фокуси-
рует их в электронный луч и разгоняет до высоких
скоростей. Мощность электронного луча в плавильных
ЭЛП может составлять 0,015—10 МВт. Плотность энер-
гии в месте падения электронного луча составляет 1—
10 кВт/см2.
В ЭЛП получают сверхчистые и высококачественные
металлы и сплавы, переплавляя их в условиях глубоко-
го вакуума (0,1—0,01 Па). При таком вакууме расплав-
ленный металл очищается от газов и вредных примесей.
По сравнению с плавкой в ДСП металл, выплавляемый в
ЭЛП, содержит на 80% меньше неметаллических включе-
ний, в 2.5 раза меньше кислорода и в 7 раз меньше азота.
В установках ЭШП и ВДП используют электроды
близкие по массе получаемому слитку, поэтому при про-
изводстве крупных слитков возникают серьезные труд-
ности в изготовлении расходуемых электродов. В ЭЛП
можно использовать небольшие по массе заготовки, по-
338
следовательно переплавляемые до получения необходи-
мой массы наплавляемого слитка. В настоящее время в;
ЭЛП получают слитки массой до 100 т.
Во всех переплавных процессах скорость наплавле-
ния слитка является самым важным технологическим
параметром, влияющим на форму и глубину ванны жид-
кого металла, определяющих в свою очередь качество-
слитка. В ЭЛП скорость наплавления слитка 0,5—3.0 т/ч,
что в 1,5—2 раза меньше, чем в ЭШП и ВДП. Получе-
ние слитка с низкой скоростью наплавления способствует
улучшению рафинирования металла и его макрострук-
туры, уменьшает вероятность появления дефектов, свя-
занных с ликвацией. Продолжительность процесса пе-
реплава может достигать 100 ч.
Цикл процесса переплава в ЭЛП состоит из следую-
щих периодов: ваккумирования установки и электрон-
ной пушки, наведения ванны расплавленного металла,
собственно процесса переплава, выведения усадочной
раковины, выгрузки готового слитка и подготовки ус-
тановки. Продолжительность вакуумирования 40—
50 мин. Разведение жидкой ванны производят на пони-
женной мощности, чтобы не расплавить поддон кристал-
лизатора. В начале процесса переплава устанавливают
заданные значения технологических и электрических па-
раметров, которые обеспечивают получение качествен-
ного слитка. К ним относятся мощность электронного
луча, схему развертки его по поверхности жидкой ванны
и расплавляемой заготовки, скорость переплава. При
достижении наплавляемым слитком заданной длины на-
чинают выведение усадочной раковины, изменяя мощ-
ность электронного луча и схему развертки.
ЭЛП может работать в двух режимах: насыщения
и ограничения. Когда печь работает в режиме насыще-
ния, все покинувшие катод электроны достигают по-
верхности нагреваемого металла. При работе печи в ре-
жиме ограничения часть электронов не доходит до по-
верхности металла, а остается вблизи катода, образуя
пространственный заряд, который ограничивает нарас-
тание тока электронного луча при постоянной величине
ускоряющего напряжения.
Для управления мощностью электронного луча необ-
ходимо в режиме насыщения изменить количество эмит-
тированных катодом электронов за счет изменения плот-
ности тока эмиссии катода или в режиме ограничения
изменить значение ускоряющего напряжения. Изменение
33£
мощности электронного луча приводит к изменению тех-
нологических параметров процесса переплава. Поэтому
мощность луча является одним из главных управляемых
параметров процесса. Вторым управляемым параметром
является скорость переплава, оцениваемая по скорости
подачи переплавляемой заготовки или по скорости вы-
тягивания наплавляемого слитка.
К основным функциям САУ ЭЛП относятся: ваку-
умирование установки и разгерметизация ее по програм-
мам; стабилизация параметров электрического режи-
ма (разгоняющего напряжения, анодного тока, тока
фокусиру ющих и отклоняющих систем, мощности накала
катода) периода переплава и изменение их в соответ-
ствии с заданной программой; стабилизация и контроль
параметров технологического режима (скорости подачи
заготовки или загрузки шихтовых материалов, полного
расплавления, уровня металла в кристаллизаторе, ско-
рости вытягивания слитка) или изменение их по прог-
рамме; блокировка и сигнализация аварийного отклю-
чения высокого напряжения; закрытие вакуумных за-
творов при нарушении работы вакуумной системы,
водоохлаждения ЭЛП и других аварийных отклонениях
режима переплава.
Автоматизация электрического
и технологического режимов
Электрический режим ЭЛП определяет протекание техно-
логического процесса переплава и качество наплавляе-
мого слитка. Автоматизация управления электрическим
режимом переплава обеспечивает в связи с этим повы-
шение качества слитка и произво стельности ЭЛП. Раз-
личные схемы источников питания электронных пушек
требуют создания и применения различных систем управ-
ления. По типу использованных выпрямителей источники
питания промышленных ЭЛП можно разделить на две
группы: с выпрямителем на электронных лампах и на
полупроводниковых вентилях.
Ко второй группе относят селеновые, кремниевые и
германиевые выпрямители. Они более устойчивы к ко-
ротким замыканиям и перенапряжениям, надежны в ра-
боте. Недостатком селеновых выпрямителей являются
довольно низкий к.п.д. (0,82—0,85). К.п.д. кремниевых
выпрямителей несколько выше и достигает 0,92—0,95.
Источники питания электронно-лучевых пушек должны
340
быть устойчивы к изменению вакуума в рабочей камере.
При ухудшении вакуума в межэлектродном пространстве
пушки могут возникать высоковольтные разряды, кото-
рые способны вывести из строя источник питания. Сис-
темы защиты от таких разрядов должны обеспечить
быстрое включение ЭЛП при восстановлении вакуума
до заданного значения, чтобы не ухудшить микрострук-
туру наплавленного слитка.
При работе ЭЛП в режиме насыщения самым распро-
страненным способом регулирования мощности электрон-
ного луча является изменение силы тока луча путем
изменения температуры катода за счет величины силы
тока, протекающего через катод, т. е. сила тока катода
определяет мощность электронного луча.
При работе ЭЛП в режиме ограничения с тиристор-
ным преобразователем в качестве источника ускоряюще-
го напряжения мощность электронного луча можно быст-
ро и плавно изменять в широких пределах за счет измене-
ния угла открытия тиристоров.
В случае ухудшения вакуума при внезапном выде-
лении газов из переплавляемого металла может возник-
нуть дуга, приводящая к аварии на установке. Чтобы
этого не произошло, питание ЭЛП автоматически отклю-
чают путем запирания тиристоров преобразователя при
превышении силой тока, мощностью электронного пучка
и вакуумом допустимых значений.
Тиристорный регулятор ЭЛП позволяет плавно ре-
гулировать среднее значение ускоряющего напряжения,
автоматически выключать ЭЛП в аварийных условиях
работы и включать ее после их устранения и обеспечи-
вает программное управление мощностью электронного
луча. Изменение мощности электронного луча в процес-
се плавки по программе связано с необходимостью полу-
чения требуемой температуры поверхности расплавлен-
ного металла. В качестве датчика температуры металла
используют термоэлектрические термометры. В случае
отклонения температуры металла от заданного значения
происходит изменение мощности электронного луча за
счет ввода автоматической коррекции в тиристорный ре-
гулятор мощности.
Для стабилизации макроструктуры наплавляемого
слитка необходимо обеспечить постоянный уровень ме-
талла в кристаллизаторе ЭЛП. Эту функцию выполняет
САУ верхнего уровня металла (рис. Х.12), в состав ко-
торой входят механизм перемещения 1 переплавляемой
341
Рис. Х.12. САУ уровня металла
в кристаллизаторе ЭЛП
заготовки 2 в зону прохождения электронного луча Зг
механизм вытягивания 6 наплавляемого слитка 4 из
кристаллизатора 8, датчик уровня металла 5 и регулятор
уровня металла в кристаллизаторе 7.
Когда уровень расплавленного металла в кристалли-
заторе равен заданному, скорость перемещения переплав-
ляемой заготовки и скорость вытягивания слитка из-
кристаллизатора постоянны.
Если уровень металла больше
заданного значения, регулятор
уровня уменьшает скорость пе-
ремещения переплавляемой за-
готовки. При значении уровня
металла меньше заданного ре-
гулятор уменьшает скорость
вытягивания слитка. Измене-
ние скоростей происходит до
момента, когда уровень метал-
ла станет равным заданному
значению.
ЭЛП яв1яется сложной ус-
тановкой, управление которой
осуществляется, в том числе
с помощью телевизионного
наблюдения за процессом переплава и прохождением
луча в электронных пушках. Для контроля за
состоянием металла в кристаллизаторе установлены две
телевизионные камеры. Для контроля за состоянием
металла в промежуточной емкости и сливном носке при-
меняют еще две телевизионных системы. Пятую систему
используют для наблюдения за электронными пушками.
Все телевизионные приемники установлены на инфор-
мационном щите дистанционного наблюдения за уста-
новкой, где расположены также вторичные приборы и
сигнальные лампы для каждой электронной пушки.
В связи со сложностью установки, большой продол-
жительностью технологического процесса переплава и
значительным числом контролируемых параметров для
управления ЭЛП целесообразно использовать АСУ ТП,
выполняющую информативные и управляющие функции.
Информативные функции включают:
— контроль параметров систем водоохлаждения элек-
тронных пушек, поддона и стен кристаллизатора, про-
межуточной емкости и шлакоотсекателя, включающий
измерение расхода и температуры охлаждающей воды;
342
— контроль за работой вакуумной системы (величина
давления и скорость предварительной откачки вакуум-
ных блоков, катодных камер электронных пушек, ме-
ханизмов загрузки);
— контроль числа отключений питания электронных
пушек во время процесса переплава с информацией о
причине отключения;
— контроль работоспособности катода с выдачей ин-
формации о степени его старения;
— определение и контроль энергетических показате-
лей работы отдельных электронных пушек;
— определение массы и длины слитка в процессе
наплавления и сплавленных заготовок;
— контроль уровня рентгеновского излучения.
Управляющие функции включают:
— управление технологическим процессом переплава
в автоматическом режиме со стабилизацией мощности
электронного луча;
— управление режимом распределения мощности по
поверхности ванны расплавленного металла в соответ-
ствии с заданием оператора для получения необходимой
температуры расплава;
— управление работой механизма подачи переплав-
ляемой заготовки;
— управление работой механизма вытягивания слит-
ка, обеспечивающее заданную скорость переплава и раз-
меры слитка.
После окончания процесса переплава на полученный
слиток выдается информационная карта с данными о ско-
рости процесса, массе и длине слитка, давлении в агре-
гатных блоках ЭЛП, мощности электронных пушек,
отключении питания пушек, степени старения катода,
расходах металла и электроэнергии. При отклонении ре-
жима переплава от заданного в информационную карту
вводятся причины нарушений.
Вопросы для самопроверки
1. Какие существуют особенности регулирования мощ-
ности в индукционных печах?
2. Для чего в индукционных печах регулируется коэф-
фициент мощности cos <р?
3. Как осуществляется автоматический контроль тол-
щины футеровки тигля в индукционных печах?
343
4. Какие особенности имеет ЭШП, как объект авто-
матического регулирования?
5. Какие основные задачи решаются при регулирова-
нии электрического режима установок ЭШП?
6. Какие методы регулирования электрического ре-
жима применяются при автоматизации ЭШП?
7. Какие особенности имеют ВДП, как объекты авто-
матического управления?
8. Какие методы регулирования электрического ре-
жима применяются при автоматизации ВДП?
9. В чем заключается способ непосредственного ре-
гулирования длины дуги в ВДП?
10. Какие особенности имеют ЭЛП, как объекты ав-
томатического управления?
11. В чем заключается автоматизация электрического
режима ЭЛП?
12. Какие функции имеют АСУ ТП в ЭЛП?
Глава XI
АВТОМАТИЗАЦИЯ ФЕРРОСПЛАВНЫХ ПЕЧЕЙ
§ 1. Особенности ферросплавных печей
как объекта автоматического управления
Ферросплавы являются раскислителями или легирующи-
ми материалами, без которых нельзя выплавить прак-
тически ни одной марки стали. Получают их путем
восстановления оксидов металлов, находящихся в руде
или концентрате (обогащенной руде). Для производства
их используют, как правило, дуговые печи.
Ферросплавные печи (ФСП) делят на восстанови-
тельные и рафинировочные. Восстановительные ФСП
работают непрерывным процессом и отличаются большой
энергоемкостью, так как восстановителем является уг-
лерод и технологический процесс идет с поглощением
тепла. Мощность печного трансформатора для такого
типа печей доведена до 100 МВ-А. Электроды в восста-
новительных печах погружены в шихту (печи с закрытой
дугой), которую регулярно добавляют в печь. По мере
накопления готового сплава его и образовавшийся шлак
выпускают.
Рафинировочные ферросплавные печи работают цик-
лическим процессом. Сначала идет расплавление загру-
344
женной в печь шихты, а затем производят выполнение
технологических операций. После окончания плавки печь
отключают и выпускают готовый сплав и шлак. В этих
печах обеспечивается экзотермический технологический
процесс. Поэтому мощность печного трансформатора в
них меньше.
Особенности технологического процесса приводят к
различию электрического режима в восстановительных
и оафинировочных печах. В восстановительных ФСП
электрические дуги и часть электродов непрерывно на-
ходятся под слоем подгружаемой шихты, что создает
дополнительную электрическую цепь электрод — шихта
параллельную горящей дуге. Это приводит, с одной сто-
роны, к уменьшению мощности дуги, а с другой стороны, к
меньшим отклонениям электрического режима от задан-
ного и более устойчивому горению дуги. Непрерывный
характер технологического процесса обусловливает под-
вод к печи постоянной мощности, которая при отсутст-
вии возмущающих воздействий не должна изменяться.
Отклонения параметров электрического режима от за-
данных значений возникают довольно редко. За несколько
минут может быть одно — два отклонения небольшой
величины (±3—7%). Когда происходят крупные обвалы
шихты, отк гонения параметров электрического режима
могут быть значительными. Это приводит к расстройству
технологического режима плавки и ухудшению технико-
экономических показателей работы печи. Особенно час-
то крупные обвалы шихты возникают при перемещениях
электродов. В связи с чем регулирование электрического
режима перемещением электродов прои «водят ограни-
ченно, всего на несколько (15—30) миллиметров и не
очень часто. Поэтому в восстановительных печах мак-
симальная скорость перемещения электрода невелика
(не более 0,5 м/мин).
Управление электрическим режимом следует дополнить
изменением ступени напряжения печного трансформа-
тора при неподвижных электродах. Для этого разность
напряжений соседних ступеней трансформатора должна
быть в пределах 4—6 В. Допустимые пределы изменения
напряжения тоже небольшие: ±20% от номинального
значения. Заданные значения регулируемых параметров
(силы тока и направления фазы) в процессе плавки мо-
гут оставаться постоянными.
В восстановительных ФСП дуги горят под слоем
шихты и не оказывают прямого теплового воздействия
345
на футеровку стен печи. Поэтому задача защиты футе-
ровки стен от перегрева в ФСП не возникает, а предот-
вращается только общий перегрев печи, характеризуе-
мый температурой отходящих газов.
Характер работы рафинировочных ферросплавных
печей очень близок к работе ДСП. Большую часть тех-
нологического периода плавки после расплавления ших-
ты дуги горят открыто. Поэтому в рафинировочных ФСП
для регулирования электрического режима можно ис-
пользовать регуляторы мощности ДСП, но с меньшей
скоростью перемещения электрода (0,7—1,5 м/мин).
§ 2. Автоматизация электрического
и технологического режимов
На рис. XI.1 приведена структурная схема очной из сис-
тем автоматического управления электрическим режимом
закрытой ферросплавной восстановительной печи. В сос-
тав САУ входят три контура управления: по току, по
напряжению и по мощности соответственно с регулято-
рами тока РТ, мощности РМ и напряжения PH. Регуля-
тор тока производит перемещение электродов при откло-
нении силы тока фазы I от заданного значения. Регулятор
мощности осуществляет пе-
ремещение электродов при
отклонении общей потребля-
емой мощности Р от задан-
ного значения. Регулятор
напряжения производит пе-
реключение ступени напря-
жения печного трансформа-
тора при отклонении номера
ступени напряжения печно-
го трансформатора (Л1СН)
от заданного значения с кор-
рекцией по положению элек-
трод одержателя и темпера-
Рис. XI.I. Структурная схема системы
автоматического управления электриче-
ским режимом закрытой ферросплавной
печи; РТ — регулятор тока; РМ — регу-
лятор мощности; PH — регулятор
напряжения; ПТ — печной трансфор-
матор; ПСН — переключатель ступе-
ней напряжения трансформатора;
ППЭ — приводы перемещения электро-
дов; ТА — трансформаторы тока; SE—
датчики положения электродов; ТЕ —
датчик температуры отходящих газов
346
туре отходящих газов to.T. Регулятор тока может работать
отдельно или совместно с другими регуляторами. Регу-
ляторы мощности и напряженья отдельно работать не
могут и обязательно должны работать с регулятором
тока. Регулирование силы тока осуществляется отдель-
но для каждой фазы, а переключение ступеней напряже-
ния — одновременно на всех трех фазах.
Сила тока каждой фазы поддерживается на заданном
значении путем изменения положения электрода с по-
мощью привода перемещения электродов.
Так как сила тока зависит от напряжения, то в регуля-
тор РТ вводится информация о значении напряжения
фазы с трансформатора напряжения TV или от датчика
ступеней напряжения трансформатора (на рис. XI.1 не
показано), используемая для коррекции заданного значе-
ния силы тока, таким образом чтобы каждой ступени
напряжения соответствовало определенное значение си-
лы тока.
При крупных обвалах шихты или аварийной поломке
электрода ток фазы резко падает и возникает значи-
тельный перекос токов между соседними фазами. Опус-
кать же электрод ниже для восстановления заданного
значения силы тока не представляется возможным. Поэ-
тому для предотвращения перемещения электрода в этих
случаях в регулятор тока встраивается специальное уст-
ройство — узел потери фазы, в котором производится
сравнение токов всех фаз, поступающих от трансформа-
торов тока ТА, между собой. Если разность между си-
лой тока одной из фаз и силой тока в других фазах пре-
высит несколько десятков процентов, произойдет вклю-
чение световой и звуковой сигнализации и отключение
привода перемещения электрода ППЭ.
Несмотря на то, что восстановительные ФСП рабо-
тают непрерывно и параметры электрического режима
достаточно стабильны, иногда по не зависящим от ра-
боты печи причинам приходится изменять их. Например,
снизить подводимую к печи мощность для устранения
перегрузки в часы пик или при чистке электрофильтров.
В этом случае сила тока в фазах может оказаться
гораздо ниже номинального значения. Поэтому наибо-
лее целесообразно в качестве основного регулируемого
параметра при таких условиях использовать вместо си-
лы тока фазы общ^ю потребляемую мощность печи.
Для этой цели применяется регулятор мощности РМ,
поддерживающий заданное значение общей потребляе-
347
мой мощности Р путем изменения положения электродов
с помощью привода перемещения электродов ППЭ.
В регуляторе РМ предусмотрен выбор фазы, в которой
обеспечивается подъем ити опускание электрода. Выби-
рается та фаза, сила тока которой имеет наименьшее
или наибольшее значение. При равенстве токов под-
нимаются или опхскаются одновременно все три элек-
трода.
Регулятор напряжения поддерживает заданный но-
мер ступени напряжения трансформатора (№СН) с кор-
рекцией по положению электроде держателей и темпера-
туре отходящих газов. Положение электрододержателей
S оценивается дискретно ив регулятор поступают сигналы
достижения каждым электродом крайнего верхнего или
крайнего нижнего положений; при расположении элек-
тродов в средней рабочей зоне сигналы о положении
электродов отсутствуют.
Переключение ступеней напряжения трансформатора в
сторону уменьшения напряжения (увеличение № СН)
происходит в случаях;
а) перемещения одного из электрододержателей в
крайнее верхнее положение;
б) превышения температурой отходящих газов мак-
симального допустимого значения;
в) если рабочий номер ступени напряжения меньше
заданного и все три электрододержателя находятся вы-
ше крайнего нижнего положения.
Переключение по пп.а и б уводит № СН от заданного
значения, а переключение ступеней по и.в возвращает
СН к заданному значению. При снижении напряже-
ния значения токов фаз и вводимой мощности становят-
ся меньше заданных значений и регулятор тока или ре-
гулятор мощности перемещают электроды вниз. Когда
температура отходящих газов превышает допустимое
значение, электроды могут прийти в крайнее нижнее
положение. Дальнейшее снижение напряжения приведет
к уменьшению потребляемой мощности, что приведет к
понижению температуры отходящих газов ниже допус-
тимого значения.
Переключение ступеней напряжения трансформатора
в сторону увеличения напряжения (уменьшения № СН)
происходит в следующих случаях:
а) перехода одного из электрододержателей в край-
нее нижнее положение;
б) если рабочий номер ступени напряжения больше
348
заданного значения и все три электрододержателя нахо-
дятся ниже крайнего верхнего положения.
Переключение ступеней напряжения по п.а отклоняет
СН от заданного, а переключение по п.б возвращав!
№С// к заданному значению. При повышении напряже-
ния сила тока и вводимая мощность возрастают. При
этом регуляторы тока РТ или мощности РМ будут под-
нимать электроды до тех пор, пока сила тока (пли мощ-
ность) не достигнет заданного значения.
Вопросы для самопроверки
1. Какие особенности имеют ФСП как объекты авто-
матического управления?
2. В чем заключается отличие восстановительных и
рафинировочных ФСП?
3. В чем заключается отличие температурного режима
ФСП от температурного режима ДСП?
4. В чем состоят особенности регулирования электри-
ческого режима восстановительных ФСП?
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Галкин М. Ф„ Кроль Ю. С., Семека А. В. ЭВМ в производстве
стали.— М.: Металлургия, 1967.— 262 с.
Глинков Г. М., Климовицкий М Д. Теоретические основы авто-
матического управления металлургическими процессами.— М.: Ме-
таллургия, 1985.— 304 с.
Глинков Г. М., Маковский В. А. АСУ ТП в агломерационных
и сталеплавильных цехах.— М.: Металлургия. 1981.— 360 с.
Каганов В. Ю., Блинов О. М., Беленький А. М. Автоматиза-
ция управления металлургическими процессами.— М. Металлургия,
Д 974 —416 с.
Краснов Б. И. Оптимальное управление режимами непрерывной
разливки стали.— М.: Металлургия, 1975.— 311 с.
Основы теории и элементы систем автоматического регулиро-
вания / В. Ю Каганов, Г. М. Глинков, М. Д. Климовицкий,.
А. К. Климушкин; Под ред. Г. М. Глинкова — М.: Металлургия,
1987.—269 с.
Пирожников В. Е. Автоматизация электросталеплавильного про-
изводства,— М Металлургия, 1985.— 184 с.
Проектирование систем автоматизации в металлургии: Спра-
вочник / В. Р. Ксендзовский, В. Ф. Лебедкин, Б. М. Миров и др.—
М.: Металлургия, 1983.— 303 с.
Проектирование систем контроля и автоматического регулиро-
вания металлургических процессов / Г. М. Глинков, В. А. Маков-
ский, С. Л. Лотман, М. Р. Шапировский; Под ред. Г. М. Глинко-
ва.— М.: Металлургия, 1986.— 352 с.
34Р
Сидоренко М. Ф., Косырев А. И. Автоматизация и механизация
электросталеплавильного и ферросплавного производств.— М.: Ме-
таллургия, 1975.— 271 с.
Стефани Е. П. Основы построения АСУ ТП.— М.: Энергоиз-
лат, 1982.— 352 с.
Сургучев Г. Д. Математическое моделирование сталеплавильных
процессов.— М.: Металлургия, 1978.— 224 с.
Технические средства автоматики / В. В. Кишинев, В. А. Ива-
нов, Г. М. Тохтабаев, А. А. Афанасьев — М.: Металлургия, 1981.—
240 с.
Тулуевский Ю. Н., Нечаев Е. А. Информационные проблемы
интенсификации сталеплавильных процессов.— М.: Металлургия,
1978— 191 с.
Цымбал В. П. Математическое моделирование металлургических
процессов.— М.: Металлургия, 1986.— 239 с.
Предметный указатель
Автоколебание 89
Автоматизация:
дозирования компонентов ших-
ты 159
индукционной печи 312
увлажнения шихты 161
установки вакуумно-дугового
переплава 329
— электронно-лучевого
ва 338
— электрошлакового
ва 318
ферросплавной печи 344
Автоматизированная система управ
.Ленин технологическим процессом
(АСУ ТП):
агломерации 169
двухванной сталеплавильной пе-
чи 214
децентрализованная 20
доменного производства 189
дуговой сталеплавильной пе-
чи 305
конвертерного процесса 251
непрерывной разливки 272
разновидности 19
состав 17
централизованная 21
Агломерация 145
Актинометр 136
Алгоритм 18
— управления 65
---тепловым состоянием доменной
печи 193
Величина входная и выходная 11
— регулируемая 12
Весоизмеритель 112
Влагомер 157
Возврат 167
Воздействие возмущающее и регу-
лирующее 12
— задающее 13
Возмущение 12
Время запаздывания 59
Т азоанализатор:
автоматический 130
магнитный 132
оптико-акустический 133
Газоиндикатор 134
перепла-
перспла-
Датчик:
комбинированный 129
косвенного измерения темпера-
туры 284
перепада давления 108
расхода 108
температуры бесконтактный 280
уровня оптический и электро
магнитный 265
Дифманометр-расходомер 109
Дозирование шихты весовое 159
Зажигание шихты 149. 163
Закон регулирования 65
Звено:
апериодическое первого и вто-
рого порядка 53, 54
дифференцирующее идеальное 52
— реальное 58
интегрирующее идеальное 56
— реальное 57
колебательное 54
корректирующее 83
пропорциональное 51
чистого запаздывания 59
Зона нечувствительности 87
Квантование входной величины по
времени и по уровню 33
Компенсация возмущения 85
Комплекс:
АСУ ТП вычислительный 18
технических средств 17, 18
электрических средств регули-
рования 140
Контроль:
высоты откоса аглошихты 155
доменного процесса 177
конвертерного процесса 233
мартеновского процесса 202
параметров дуговой сталепла-
вильной печи 277
— непрерывной разливки 263
увлажнения аглошихты 156
уровня засыпи шихты 178
— металла в кристаллизаторе 264
— шихты в бункере 153
Контур регулирования 84
Коэффициент:
мощности плазменной дуговой
печи 305
передачи регулятора 77
350
расхода воздуха в мартеновской
печи 208
тензочувствительности 100
усвоения энергии металлом 299
Критерий качества 77
— оптимального управления 21
Манометр:
дифференциальный 103
жидкостный 103
мембранный 104
С магнитомодуляционным преоб-
разователем 104
с тензорезистивным преобразо-
вателем 105
Машина электронная вычислитель-
ная 15
Месдоза 111
Механизм исполнительный 14
Модель математическая:
детеминнрованная 25
комбинированная 25
конвертерного процесса 231
-------динамическая 237
------- статическая 232
стохастическая 25
экспериментально-статистиче-
ская 25
Мост уравновешенный автоматиче-
ский 117
— — измерительный 116
Нагрев плазменный 303
Обеспечение:
математическое общее и специ-
альное 18
организационное и техниче-
ское 17
программное 18
Объект:
астатический 64
регулирования 10
— с самовыравниванием 63
с сосредоточенными и распреде-
ленными параметрами 13
статический 62
управления 9, 61
— многосвязный 62
Окатывание 152
Орган регулирующий 12
Отклонение регулируемой величи-
ны 13
Ошибка регулирования 13
— статическая 31
Петля люфта гистерезисная 88
Печь:
доменная 173
дуговая плазменная 304
— сталеплавильная 275
индукционная 312
мартеновская 199
— двухванная 211
ферросплавная 344
электронно-лучевая 338
Пирометр:
излучения 114. 122
оптический 124
радиационный 124
цветовой 124
Планка закон 122
Показатель качества переходного
процесса 76
Постоянная времени 53
Потенциометр автоматический 125
Преобразователь:
дифференциально-трансформатор-
ный 95
магнитомодуляционный 96
нормирующий 94
первичный 94
тензометрический 99
Прибор измерительный 112
------микропроцессорный 142
Программа 18
Процесс:
доменный 172
кислородно-конвертерный 217
мартеновский 199
переходный 46, 79
управления 9
Разливка стали непрерывная 256
Расходомер 105
Регулирование:
автоматическое 10
астатическое 78
высоты слоя шихты на аглолен-
те 1Ь2
горения в мартеновской печи 207
давления в рабочем простран-
стве мартеновской печи 209
процесса зажигания шихты 163
— спекания шихты 165
уровня металла в кристаллиза-
торе 268
------в промежуточном ковше
МНЛЗ 267
электрического режима дуговой
печи 285
Регулятор:
автоматический 10, 65
интегральный 67
мощности ДСП 287
— электрогидравлический 291
пропорционально-дифферент*
альный 69
пропорционально-интегрально-
дифференциальный 70
пропорционально-интеграль-
ный 69
пропорциональный 67
релейный 89
— позиционный и с постоянной
скоростью исполнительного ме-
ханизма 89
стабилизирующий 84
Режим:
работы МНЛЗ гидравличе-
ский 256
— — тепловой 258
---- энергосиловой 261
температурный ДСП 293
Ремиконт 142
Связь обратная 11
— — отрицательная и положи*-
тельная 11, 61
Система:
автоматики 9
автоматического регулирования:
длины дуги 336
-----с использованием лазе-
ра 337
замкнутая и разомкнутая 27
инвариантная 29
комбинированная 30
мощности ЭШП 323
напряжения и скорости плавле-
ния электрода ВДП 332
непрерывная и дискретная 32
одномерная и многосвязная ЗУ
программная 26
— ВДП 337
351
прямого и косвенного дейст-
вия 34
•с жесткой программой 28
силы тока ЭШП 321
следящая 26
сопротивления шлаковой ванны
и скорости плавления электро-
да (слитка) 326, 327
стабилизирующая 26
статическая и астатическая 30
с управлением по возмуще-
нию 28
тока и напряжения с коррек-
цией по скорости плавления
электрода 325
устойчивая 74
экстремальная 26
адаптивная 25
дозирования сыпучих 231
«Каскад» 139
каскадная 85
оптимального управления 21
перекидки клапанов 210
релейная 89
с регулированием по отклоне-
нию 15
управления автоматизирован-
ная 15
‘Соединение звеньев 60
Спекание агломерата 165
Спектрометр 126
Стефана — Больцмана закон 122
Структура тензорезисторная мосто-
вая 101
Сужающее устройство 106
Счетчик 110
Схема структурная 10
Тензорезмстор мостовой полупро-
водниковый 161
Термистор 115
Термозонд 279
Термометр сопротивления 114
—термоэлектрический 114
Термопара 118
— погружения 121
----со сменной измерительной го-
ловкой 121
Точность регулирования 76
^Управление:
конвертерной плавкой 241
----динамическое 246
---- статическое 242
процессом спекания 150
ручное и автоматическое 10
стадией кристаллизации слит-
ка 260
супервизорное 19
тепловым режимом кристаллиза-
тора 269
----вторичного охлаждения
МНЛЗ 270
— состоянием доменной печи 192
температурным режимом
ДСП 296
---- — косвенное 301
технологическим режимом
ДСП 301
ходом доменной печи 196
Уровнемер 153
— зондовый 178
— радиоизотопный 155
Установка вакуум но- дугового пере-
плава 329
— электрошлакового переплава 318
Устойчивость системы 74
Участок регулируемый 12
Функция;
АСУ ТП информационная и
управляющая 16
информационная 19
— непрерывной разливки 272
непосредственного цифрового
управления 20
передаточная 48, 71
переходная 50
управляющая в режиме «совет-
чика» 19
— конвертерного процесса 252
— непрерывной разливки 273
Характеристика: релейная 88
— статическая 43
Хевисайда формула 54
Хот доменной печи 195
Элемент:
задающий 13
логический 137
преобразующий 13
сравнивающим 13
чувствительный 12