Исследование динамики продвижения слитка МНЛЗ при разливке

Производство стали на машинах непрерывного литья заготовок – технологический процесс, который требует постоянного и подробного контроля параметров разливки. Причем, при разливке, контролю подвергается множество параметров на всем протяжении слитка, начиная от кристаллизатора (и даже ранее) и кончая порезкой слитка на заготовки. В последнее время, по мере развития измерительной техники, контролю стали доступны быстропротекающие процессы сопровождающие разливку. Например, при разливке стремятся получить динамическую картину распределения тепловых полей в кристаллизаторе [1], или в реальном времени производится анализ траектории движения кристаллизатора [2]. Настоящая работа посвящена исследованию динамики скорости слитка МНЛЗ. Интерес представляет провести анализ быстрых колебаний скорости слитка при разливке с использованием бесконтактных оптических измерителей [3].

Разработанные оптические измерители были установлены на 4-х ручьевой МНЛЗ. Расположение измерителей находилось в районе машины газовой резки. Для уменьшения теплового воздействия слитка измерители устанавливались попарно с каждой стороны МНЛЗ. На рисунке 1 приведена фотография двух измерителей размещенных напротив 1-го и 2-го ручьев. Нижний измеритель осуществляет слежение за 1-м ручьем, а верхний измеритель – за вторым ручьем. Расстояние от измерителей до 1-го и 2-го ручьев составило примерно 1800 мм и 3700 мм соответственно. В процессе работы измерителей никакого принудительного охлаждения не потребовалось. Среди прочих параметров движения слитка измерители производят непрерывные замеры мгновенной скорости слитка с темпом 4…8 измерений в секунду. Измерители соединены кабелем связи с компьютером-концентратором, в котором вся информация запоминается, и хранится в суточных файлах-архивах. Измерения проводились также на 2-х ручьевой МНЛЗ и частично явились продолжением исследований представленных в работе [4].

Основное назначение разработанных оптических измерителей – слежение за положением и скоростью слитка на всех ручьях МНЛЗ. На рисунке 2 показана полученная зависимость скорости слитка от времени. Серым цветом показаны колебания мгновенной скорости слитка относительно некоторого среднего значения, которое выделено на рисунке 2 черным цветом. Усреднение производилось по 16 значениям мгновенной скорости. Весь график зависимости скорости на рисунке 2 соответствует интервалу времени, в течении которого заканчивалась разливка на ручье МНЛЗ. Значение Tk на временной оси соответствует моменту выхода слитка из кристаллизатора. Перед выходом из кристаллизатора скорость разливки уменьшали, что соответствует снижению скорости слитка, показанному на рисунке 2. После выхода из кристаллизатора скорость слитка увеличивали до заданной величины.

Данные о скорости слитка, полученные от оптических измерителей, сравнивались с информацией от существующей системы слежения, основанной на импульсных датчиках. Во всех случаях было получено хорошее соответствие значений скорости разливки.

В отличие от системы измерения на импульсных датчиках разработанные оптические измерители безинерционные и позволяют получать данные о мгновенной скорости слитка. На рисунке 3 подробно показан начальный участок полученной зависимости скорости слитка от времени представленной на рисунке 2. При этом данные поступали от оптического измерителя с темпом 8 раз в секунду. Из рисунка 3 можно видеть, что зависимость мгновенной скорости слитка от времени носит колебательный характер. Как показано в работе [4], если применить к данной зависимости математический аппарат быстрого преобразования Фурье [5] можно получить спектр колебаний мгновенной скорости слитка относительно среднего значения скорости разливки. На рисунке 4 приведен мгновенный спектр колебаний скорости слитка, полученный на основе зависимости показанной на рисунке 3.

Приведенный на рисунке 4 мгновенный спектр имеет два ярко выраженных пика на частоте f0, равной 109 и на частоте f2 равной 218 колебаний в минуту соответственно. Причиной появления характерных пиков на мгновенном спектре скорости является распространение колебаний кристаллизатора по всей длине слитка [4]. Данные о мгновенной скорости слитка, приведенные на рисунке 3, были получены при разливке на МНЛЗ, когда заданная частота колебаний кристаллизатора составляла около 109 колебаний в минуту. Более иллюстративным является представление частотной динамики слитка в виде зависимости мгновенного спектра скорости от времени. С этой целью использовалось представление результатов исследований в виде развернутого по времени спектра мгновенной скорости слитка. На рисунке 5 показан развернутый спектр колебаний мгновенной скорости, полученный на основе частотного анализа зависимости скорости слитка от времени, приведенной на рисунке 2.

На рисунке 5 развернутый спектр представлен в виде трехмерного графика или рельефа на диаграмме, где по оси x отложено время, по оси y – частота. Вертикальная ось соответствует оси z и направлена перпендикулярно плоскости рисунка. Высота точек рельефа соответствует спектральной амплитуде в относительных единицах. Приведенный на рисунке 5 развернутый спектр имеет две ярко выраженные рельефные частотные полосы. Рельефная полоса f0 соответствует значению частоты – 109, а полоса f2 – 218 колебаний в минуту соответственно. Показанный на рисунке 4 мгновенный спектр скорости слитка соответствует сечению развернутого спектра в момент времени t=0.

Развернутый спектр позволяет получить более полную картину частотной динамики скорости слитка при разливке. Временная линия Tk на рисунке 5 соответствует моменту выхода слитка из кристаллизатора при окончании разливки. На развернутом спектре можно видеть, что в данный момент времени рельефные частотные полосы заканчиваются. Это дополнительно подтверждает то, что источником колебаний мгновенной скорости слитка являются колебания кристаллизатора. После выхода из кристаллизатора, передачи на слиток колебаний кристаллизатора уже не происходит, и в мгновенном спектре скорости отсутствуют характерные частотные пики.

Представленный на рисунке 5 развернутый спектр имеет две частотные полосы: f0 и f2. Природа появления частотной полосы f0 в принципе понятна и связана с передачей колебаний от кристаллизатора на слиток [4]. Более любопытным представляется выяснение причин появления колебаний мгновенной скорости слитка на частоте f2 – ровно в два раза большей f0, частоты колебаний кристаллизатора.

С этой целью было проведено моделирования характера изменения скорости движения кристаллизатора. Предположим, что в частотной характеристике скорости кристаллизатора имеется две гармоники: на основной частоте f0, равной 109, и на удвоенной частоте – 218 колебаний в минуту. Проведя обратное преобразование Фурье, получаем расчетную зависимость скорости движения кристаллизатора от времени, показанную на рисунке 6.

Показанная на рисунке 6 расчетная характеристика скорости кристаллизатора носит качественный характер, и отложенные по оси y значения скорости носят относительный характер. Положительный знак скорости соответствуют движению кристаллизатора совпадающем с направлением движения слитка. Можно видеть, что на рисунке 6 есть характерная особенность. Она заключается в немонотонном снижении скорости кристаллизатора в интервалы времени соответствующие положительным максимумам. Это можно объяснить следующим образом. В начале движения кристаллизатора в направлении движения слитка стенки кристаллизатора догоняют слиток. Затем в некоторый момент времени скорость стенок кристаллизатора сравнивается со скоростью слитка. В этот момент времени, поскольку относительная скорость минимальная, усиливается трение между коркой слитка и стенками кристаллизатора, или другими словами возникает локальное прилипание корки слитка. Далее, по мере увеличении скорости стенок кристаллизатора это трение уменьшается. Можно предположить, что такой характер изменения трения может приводить к взаимному и немонотонному изменению скоростей движения, как слитка, так и кристаллизатора.

Представленные на рисунке 5 результаты измерений и результаты расчета, показанные на рисунке 6, хорошо соответствуют данным, полученным в работе [2]. Спектральный пик на частоте колебаний кристаллизатора в мгновенном спектре скорости слитка вызывается жидкостным трением между слитком и кристаллизатором. Сухое трение, или локальные прилипания корки слитка к стенкам кристаллизатора, искажает исходную форму качаний кристаллизатора. Эти искажения характеризуются присутствием второй гармоники по отношению к основной гармонике качаний кристаллизатора [2]. В работе [2] для выяснения характера движения кристаллизатора использовали динамические акселерометры установленные на раме качания кристаллизатора. В настоящей работе использовались безинерционные измерения мгновенной скорости слитка с помощью оптических измерителей, размещенных на расстоянии 25…30 м от кристаллизатора по длине слитка. Однако, если предположить, что искажения формы качаний кристаллизатора приводят к появления второй гармоники в мгновенном спектре скорости слитка, то можно сделать вывод, что в основном форма спектров, представленных на рисунках 4 и 5, обусловлена характером взаимодействия слитка и кристаллизатора.

Исследования динамики скорости слитка позволили выявить и другой характер ее спектра колебаний. Помимо основной и второй на мгновенном спектре могут появляться другие гармоники колебаний. На рисунке 7 показана другая зависимость скорости слитка от времени. В отличие от зависимости, приведенной на рисунке 2, здесь темп измерений составлял 4 раза в секунду. Это уменьшило частотный диапазон при анализе и позволило отсечь вторую гармонику в полученных спектрах.

На рисунке 8 показан участок зависимости мгновенной скорости, а на рисунке 9 - соответствующий ему спектр. Начальное значение времени на рисунке 8 соответствует значению t=750с на рисунке 7. Мгновенный спектр, приведенный на рисунке 9, обладает двумя характерными пиками на частоте f0=84 и на частоте f1=71 колебаний в минуту. Значение частоты f0, равное 84 колебаний в минуту соответствовало значению заданной частоты колебаний кристаллизатора в этом интервале времени.

Более детально частотный характер мгновенной скорости зависимости представленной на рисунке 7 показан в виде развернутого спектра, приведенного на рисунке 10. Способ представления спектра на рисунке 10 аналогичен развернутому спектру рисунка 5, за исключением того, что частотный диапазон находится в диапазоне от 0 до 128 колебаний в минуту. В отличие от зависимости скорости, показанной на рисунке 2, данные на рисунке 7 получены на другой МНЛЗ, где частота колебаний кристаллизатора изменялась при изменении скорости разливки.

На представленном, на рисунке 10, развернутом спектре хорошо заметны характерные рельефные частотные полосы. Полоса f0 соответствует частоте кристаллизатора. Можно видеть, что при изменении скорости разливки положение этой полосы меняется. Это связано с тем, что при изменении скорости разливки принудительно изменяют частоту качаний кристаллизатора. Кроме полосы f0 на развернутом спектре рисунка 10 присутствует дополнительная частотная полоса f1. В отличие от второй гармоники f2 положение полосы f1 не связано линейно со значением частоты качаний кристаллизатора. Характер изменения частоты f1, при изменении скорости разливки, отличается от характера изменения частоты f0.

Для выяснения причин появления частотной полосы f1 был также использован прием обратного преобразования Фурье. При моделировании полагалось, что исходный спектр колебаний состоит только из двух частот f0 и f1. Методом обратного преобразования Фурье из исходного спектра колебаний получалась теоретическая зависимость мгновенной скорости кристаллизатора от времени. На рисунке 11 показана рассчитанная таким способом зависимость мгновенной скорости кристаллизатора от времени.

Представленная на рисунке 11 расчетная зависимость мгновенной скорости имеет вид синусоидального колебания, модулированного по амплитуде. Именно такого вида зависимость получается при наличии двухчастотного, на основной частоте f0 и дополнительной, модулирующей частоте f1, характера колебаний [5]. На МНЛЗ, такой характер колебаний скорости, может быть вызван ненастроенной механической частью рамы качания кристаллизатора, что в принципе наблюдалось визуально. Следует отметить, что после проведения наладки и ремонта рамы качания кристаллизатора, двухчастотный характер колебаний скорости слитка, зафиксированный ранее, не наблюдался – в мгновенном спектре присутствовал только пик на частоте кристаллизатора f0.

Исследования частотного характера колебаний мгновенной скорости слитка с помощью разработанных оптических измерителей продолжались в течение нескольких месяцев. Хотя многочастотный характер получаемых спектров наблюдался не во всех случаях, однако, выявленные интервалы времени, в течение которых в спектре колебаний скорости помимо основной частоты f0 присутствовали частоты f2 и f1, имели длительность от нескольких минут до нескольких дней. Во время проведения исследований была отмечена несомненная связь вида спектральной характеристики мгновенной скорости слитка с аномальным характером разливки, например с «замерзанием» слитка, или продолжением разливки после остановки при замене стакана или промковша. Подробное уточнение этой связи является темой дальнейших исследований.

Использование разработанных оптических измерителей перемещения имеет несомненные достоинства для применения на МНЛЗ. Помимо измерения скорости и положения слитка, данные о мгновенной скорости, получаемые от измерителей, могут быть использованы для оценки в реальном времени как устойчивости характера разливки на МНЛЗ, так и для непрерывного контроля ее механизмов, в частности рамы качания кристаллизатора. В результате проведенных исследований было выявлено, что получаемые спектры мгновенной скорости слитка могут быть довольно информативной характеристикой МНЛЗ. Предполагается, в дальнейшем, формализовать и ввести новые параметры процесса разливки. Например, по спектральной амплитуде на основной частоте f0 можно судить о степени «мокрого» трения между слитком и стенками кристаллизатора. По наличию и величине спектрального пика на частоте f2 можно судить о степени прилипания корки слитка к стенкам кристаллизатора, или о степени «сухого» трения [2]. И, наконец, по появлению дополнительных спектральных пиков, например, на частоте f1, и их амплитуде, можно судить об исправности или износе механической части МНЛЗ, в частности механизмов рамы качания кристаллизатора.

Библиографический список