CC BY
46
УДК 004.3, 621.74:669
А.В. Ларичев
Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор К.А. Харахнин
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ ПРИ РАЗЛИВКЕ НА МАШИНЕ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК
В статье рассматривается способ одновременного измерения плотности и уровня жидкого металла в кристаллизаторах машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), обеспечивающий прецизионное измерение и регулирование. Представленный способ двухпараметрического измерения реализуется с помощью радиоизотопных датчиков.
Плотность, автоматизация, гамма-лучевое приборостроение, кристаллизатор, система управления, многофункциональное приборостроение, контроль, качество, МНЛЗ, заготовка, жидкий металл.
The article considers the way of simultaneous measurement of density and level of liquid metal in crystallizers of continuous casting machine, providing precision measurement and regulation. The presented way of two-parametrical measurement is realized by means of radio isotope detectors.
Density, automation, gamma-ray detectors, crystallizer, control system, multifunctional detectors, control, quality, continuous casting machine, preparation, liquid metal.
Построение систем управления, основанных на всеобъемлющем контроле выпускаемой продукции, является одним из шагов в решении задач повышения конкурентоспособности промышленного производства.
В современных условиях производства важное значение приобретают динамические характеристики существующих радиационных датчиков уровня жидкого металла в кристаллизаторе (рис. 1) сортовой МНЛЗ и в других аналогичных тепловых объектах, использующих приборы с ионизирующими излучениями.
В типовых системах радиационные датчики спроектированы как автономные и имеют заданные системные характеристики, которые могут быть достигнуты только при соответствующей активности излучателей, основополагающей в функционировании и метрологии этих приборов. Время накопления информации для обработки системой управления при статистической природе ионизирующих излучений, взаимодействующих с объектами контроля, является дополнительным к заданному быстродействию системы управления. Исследования выявили, что в типовых случаях применения радиационного датчика в системах управления уровнем металла совместно с корректирующим микропроцессором появляется возможность снижения исходных требований (погрешность, быстродействие, надежность, стоимость), прямо зависящих от уровня активности излучателей. Это и есть предпосылки для удешевления прибора и системы управления, для снижения эксплуатационных расходов, повышения быстродействия и соответственно производительности сортовой МНЛЗ без ухудшения условий кристаллизации и качества продукции.
При контроле уровня металла в кристаллизаторе
в существующей системе измерения принято, что пучок лучей с исходной интенсивностью полностью поглощается жидким металлом, а до источника доходит пучок лучей от незакрытых металлом зон излучения. Система измерения уровня интерпретирует такой статистический сигнал как зависимость числа импульсов, зарегистрированных на сцинтилляцион-ном приемнике, от текущего уровня жидкого металла.
Колебания уровня открывают и закрывают зоны излучения в источнике, изменяя соответственно и число импульсов на счетчике импульсов:
nk (hm) = n0 ■ exp
-hm + h
H - h b0 ■ sin I arctg max k-1
(1)
где пк - перекрытая металлом зона излучения в источнике; к - номер зоны излучения в источнике; п0 -число импульсов счетчика в секунду, приходящихся на одну зону излучения; hm - текущее значение уровня металла; Ь0 - поправочный коэффициент по плотности и проницаемости; ^ - расстояние между зонами излучения в источнике; Нтах - наивысшая точка контроля уровня; ё - ширина кристаллизатора.
В формуле (1) знаменатель учитывает увеличение расстояния (по диагонали) от нижележащих зон излучения до приемника.
Функция зависимости количества импульсов от уровня жидкого металла щ^т) по каждой зоне излучения, согласно экспоненциальному закону поглощения (1), с учетом увеличения расстояния по мере удаления источника от счетчика имеет вид
Рис. 1. Функциональная схема системы контроля и управления уровнем жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ
Ч1(кт) = £
п0 ■ ехр
-кт + кк _1
Ь0 ■ 8т I arctg
Н тах кк-1
(2)
если кт > кк_1;
п0, если кт < кк_1
где кк - расстояние между зонами излучения в источнике; п0 - число импульсов счетчика в секунду, приходящихся на одну зону излучения; к1 - диапазон уровня контроля металла, приходящийся на одну зону излучения; Л - число зон излучения в источнике.
В работе [3] разработан метод охлаждения слитка, позволяющий выдерживать рациональное изме-
нение температуры поверхности слитка вдоль технологической оси МНЛЗ при произвольном изменении скорости разливки. При использовании способа одновременного определения плотности и уровня, для определения обеих переменных к (2) добавляется выборочный спектрометрический, преимущественно реагирующий на изменяющуюся плотность металла р канал контроля п2:
г(кт, р) = £
п0■ехр
-кт + кк-1
Ь0 ■ 8т I а tg | Ятах кк-1
х ехр I — I, если кт > кк-1;
I р1;
п0, если кт < кк-1
(3)
!
к=2
х
п
к=2
где р - текущая плотность металла; Р1 - плотность металла при температуре ликвидуса.
Выведенная в (3) зависимость интенсивности излучения в виде дополнительной функции двух переменных по диапазону регистрации физически измеряется с помощью детектора ионизирующих излучений с амплитудным анализатором (рис. 2).
Рис. 2. Блок-схема детектора ионизирующих излучений с выделением энергетических спектров: С - сцин-тиллятор; ФЭУ - фотоэлектронный умножитель; ЭП -эмиттерный повторитель; ПУ - пороговое устройство; РПУЬ РПУ2 - регулируемые пороговые устройства для выделения спектра; АУ - амплитудный усилитель; СА - спектрометрический анализатор-усилитель; СИЬ СИ2 - счетчики импульсов; ВС - высоковольтный стабилизатор напряжения; К - кожух
Двухпараметрическое измерение достигается путем усложнения детектора ионизирующих излучений и алгоритмов обработки сигнала. Вместе с повышением частоты опроса радиометра возникает эффект статистического сглаживания, учитывающийся при обработке сигнала в разработанном алгоритме. Эффект сглаживания дает возможность уменьшить число кусочно-нелинейных участков функции (рис. 3), определяемых числом точечных источников (1), и отказаться от воспроизведения контроллером сложных аппроксимирующих функций, ограничившись самыми простейшими - «ступенчатыми». Последние могут воспроизводиться вычислителями, например, Р1С-контроллерами, стоимостью на порядок ниже и с доверительной вероятностью в работе на порядок выше из-за отсутствия сложного алгоритма вычислений. Ухудшение статистических свойств измерителя компенсируется фильтрующими (инерционными) свойствами электромеханической системы управления уровнем жидкого металла.
В [4] показано применение эффекта статистического сглаживания простых функций настройки с получением гладких нелинейных функций. Такой подход оказался возможным при использовании на этапе проектирования современных математических пакетов МаШСАБ [1]. В отличие от [4], где рассматривался случайный процесс с нормальным законом распределения, характерный для непрерывных процессов, предлагается определение функции настройки реального вычислителя на базе микроконтроллера для обработки импульсного сигнала, распределенного количественно во времени по закону Пуассона.
При анализе спектра (3) учитывается сигнал только того точечного источника, который перекрывается в данный момент металлом. Для реальных
систем с «холодной» настройкой до начала разливки, при калибровке системы радиационного контроля заготовкой с температурой 20 °С, влияние изменения плотности на измерительную характеристику в рабочей зоне составит 1-4 мм (рис. 3, кривая 3). Колебания плотности разливаемой стали могут составлять до 20 % от плотности калибровочной заготовки. Таким образом, при измерении уровня металла появляется возможность измерения текущей плотности, основанная на использовании существующего радиационного оборудования с гамма-излучением, что увеличивает число контролируемых параметров металла в кристаллизаторе и повышает возможности управления зонами вторичного охлаждения [3].
5 Нтах
4 Нтах
0,
*
» 1 »» I1« >
# * - *
Й 300 450 600 750 500 1050 1200 1350 1500 1650 1800 Частота импульсов, имп/с
Рис. 3. Графики зависимости уровня жидкого металла от частоты импульсов при колебаниях плотности до 20 %: 1 - график функции математического ожидания входного сигнала при измерении уровня марки жидкого металла с низкой плотностью; 2 - график функции математического ожидания входного сигнала при измерении уровня марки жидкого металла с высокой плотностью; 3 - график абсолютной погрешности измерения уровня металла при колебании плотности (увеличение в 10 раз)
С учетом того, что спектр сигнала является значением, сравнительно медленно меняющимся во времени, его можно накапливать с большой постоянной времени, это существенно снижает статистическую погрешность и повышает достоверность анализа. Оборудование, входящее в состав системы измерения и управления уровнем жидкого металла, позволяет дополнительно проводить анализ и отбор импульсов, что дает возможность добиться улучшения характеристик сцинтилляционных измерительных устройств по сравнению с существующей системой и увеличить число управляемых параметров процесса [2]. Измеренное значение плотности дополнительно вводится в контур системы управления через поправочный коэффициент с учетом корректировки текущего значения уровня металла в зависимости от изменения плотности. Это позволяет добиться более точного управления уровнем жидкого металла.
Таким образом, разработан способ измерения плотности слитка в МНЛЗ при динамических режимах разливки, позволяющий учесть изменение уровня жидкого металла в кристаллизаторе, повысить точность его определения и улучшить качество не-прерывнолитой заготовки.
Литература
1. Дьяконов, В. МаШСАБ 2001: учеб. курс / В. Дьяконов. - СПб., 2001.
2. Лукин, С.В. Контроль мениска жидкого металла при управлении охлаждением слитка в машине непрерывного литья заготовок / С.В. Лукин, А.В. Ларичев, А.В. Полянский // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2009. - № 9. -С. 69-70.
3. Лукин, С.В. Теоретическое изменение интенсивности
охлаждения и затвердевание сляба в машине непрерывного литья заготовок / С.В. Лукин, В.В. Мухин, Е.Б. Осипов и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2009. - № 3. -С. 46-51.
4. Полянский, А.В. Синтез статистически сглаженной аппроксимирующей функции в микроконтроллере / А.В. Полянский, А.В. Ларичев // Автоматизация машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования. Материалы второй Междунар. науч.-техн. конф. - Вологда, 2006. - Т. 2. - С. 167-171.
УДК 621.778, 620.17
С.В. Овчинников, Д.С. Осипов, И.Г. Гунн
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ МАРКИ 40ХН2МА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РАВНОПРОЧНЫХ БОЛТОВ
В статье приведены результаты исследований и анализа реологических свойств стали марки 40ХН2МА в исходном и термообработанном состояниях, применительно к проектированию процессов холодной объемной штамповки (ХОШ) стальных заготовок и накатки резьбы, при производстве равнопрочных болтов. Получены зависимости скорости и сопротивления деформации от степени деформации, а также аппроксимирующие уравнения диаграмм деформирования для различных состояний стали.
Пластометрические исследования, пластичность, сопротивление и скорость деформации, статистические зависимости, состояние стали, упрочнение.
The article presents the results of research and analysis of rheological properties of steel 40ХН2МА in initial and heat-treated conditions applied to the design of cold forging process of steel blanks manufacturing and threading of equal in strength bolts. The dependences of resistance and rate of deformation on the degree of deformation as well as approximating equations of deformation diagrams for the different steel types were researched.
Plastometric research; plasticity, resistance and rate of deformation; statistical dependences; steel condition; hardening.
Развитие современных технологий производства автомобильного крепежа с повышенным уровнем эксплуатационных свойств, наряду с определением требований к качеству исходного подката, требует учета специфики технологических процессов производства того или иного вида изделия. Подавляющее большинство этих процессов базируются на взаимодействии различных методов структурного и деформационного воздействий на металл.
Одним из основных способов придания оптимальных прочностных и пластических свойств материалу заготовки является введение в сквозную технологию производства изделий холодной объемной штамповкой операций предварительной и окончательной термической обработки перерабатываемого металла. Однако процессы термической обработки, применяемые на любом из этапов метизного передела, требуют существенных затрат энергоресурсов, использования дополнительного оборудования, производственных площадей, а также высоких эксплуатационных расходов. Все это повышает себестоимость выпускаемых изделий и снижает их конкурентоспособность.
Разработка технологических процессов производства практически любого вида метизной продукции, в частности равнопрочных болтов крепления головки блока цилиндров автомобильных двигателей, невозможна без детального изучения ресурса пластичности получаемых заготовок и исследования его изме-
нения в перерабатываемой стали на отдельных этапах передела.
В связи с вышеизложенным целью данной работы явилось:
- экспериментальное исследование сопротивления деформации при испытаниях на сжатие образцов, изготовленных из стали марки 40ХН2МА, используемой в крепежном производстве, в исходном состоянии и после упрочняющей термической обработки в зависимости от степени и скорости деформационного испытания;
- выявление возможности и условий повышения резервов пластичности исходного металла при использовании на операциях холодной объемной штамповки для обеспечения бездефектного формообразования и накатки резьбы, а также разработка путей рационального проектирования технологических процессов изготовления равнопрочных болтов для автомобильных двигателей.
Оценка реологических свойств проводилась на специально подготовленных цилиндрических образцах с исходными диаметрами ёо = 6 мм и высотами hо = 9 мм, изготовленных из стали марки 40ХН2МА производства ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат», в состоянии поставки и после термической обработки в виде закалки и отпуска. Твердость термообработанных образцов составляла 37НЯС. Испытания на сжатие проводились на кулачковом пластометре при температуре 20 °С, который
