СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ ФУРМЫ ПРИ ПРОДУВКЕ РАСПЛАВА ГАЗОМ В КОВШЕ Российский патент 1997 года по МПК C21C7/72 

Изобретение относится к металлургическому производству, в частности, к способам управления режимом продувки расплавов в ковшах газами, например, азотом либо аргоном.

Известен способ внепечной обработки стали, при котором продувку металла в ковше нейтральным газом в течение 1 2 мин ведут при положении сопла фурмы на расстоянии от днища 0,05 0,1 высоты H уровня расплава в ковше, затем фурму перемещают вверх и устанавливают ее сопло в металле на расстоянии от поверхности расплава 0,2 0,3 H и продувку ведут при этом положении фурмы в течение 1 3 мин, после чего фурму перемещают в первоначальное положение и металл продувают в течение 2 5 мин [1]
К недостаткам этого способа относится следующее. К мокрому вылету фурмы (глубине погружения ее сопла в расплав) Н_м предъявляются жесткие требования. В то же время высота зеркала расплава в ковше меняется от плавки к плавке, от ковша к ковшу. Поэтому, даже при строго определенных длине фурмы и положении каретки по вертикали, Н_м колеблется в широких пределах. При продувке одной планки с вероятностью 0,2 0,5 происходит укорочение фурмы за счет ее локального размывания расплавом. Это также изменяет H_м.

Поскольку после отпускания в расплав конец фурмы недоступен для визуального контроля, то даже визуальная оценка фактического H_м невозможна. Это усложняет организацию управления H_м по обратным связям. Использование традиционного жесткого разомкнутого управления H_м по положению каретки, применяемого в способе, не обеспечивает стабилизации H_м на требуемых уровнях.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ использования устройства для рафинирования расплавов, при котором предварительно идентифицируют зависимость давления перед фурмой H_м, устанавливают ее с помощью дросселя, с учетом возможного максимального металлостатического напора в ковше, задают постоянное давление инертного газа на выходе стабилизатора, постепенно с низким расходом газа опускают фурму в расплав до требуемого H_м, при этом давление перед фурмой и на выходе редукционного клапана постепенно растет в функции H_м, а сам H_м оценивают по величине давления, после опускания фурмы величину давления на ее входе запоминают, расход инертного газа увеличивают до номинального, давление на входе фурмы стабилизируют относительно заполненного уровня, а положение фурмы не меняют до конца продувки [2]
В отличие от традиционного способа управления H_м по положению каретки при заранее известной длине фурмы, здесь использован способ управления по величине давления P перед ней. Изменение H_м приводит к изменению P. При этом не важно, изменился ли H_м за счет колебания длины фурмы, либо из-за изменения положения зеркала расплава.

К недостаткам способа относится то, что он не позволяет осуществить точную установку фурмы на заданное значение H_м и осуществить стабилизацию H_м относительно ее заданного уровня.

В процессе продувки расплава происходит заметалливание сопла фурмы, то есть намораживание своеобразной металлической диафрагмы на конце трубы с постепенно, по мере продолжения продувки, уменьшающимся отверстием. Независимо от конструкции фурмы процесс заметалливания после 10 20 мин чистого времени (3 5 плавок) может вывести фурму из строя, так как даже при высоких давлениях пропускает очень мало газа (Коган А.Е. Внепечные и ковшевые процессы. Новокузнецк: Изд-во Кузбасского политехнического института, 1990", с. 41 42). По мере заметалливания сопла фурмы, при прочих равных условиях, растет давление перед фурмой, что вносит погрешность в оценку H_м по величине P. При опускании более холодной фурмы в расплав процесс заметалливания происходит интенсивно. Поэтому используемый в способе подход к установке фурмы в положении продувки по величине давления приводит к значительной ошибке в реализации заданного мокрого вылета H_м.

Происходящее во время продувки периодическое укорочение фурмы при неизменном положении каретки, приводит к снижению H_м, что ухудшает эффективность внепечной обработки. Способ не позволяет стабилизовать величину H_м относительно его заданного уровня.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа для стабилизации H_м относительно заданного значения, определяемого без погрешностей, связанных с заметалливанием сопла.

Сущность изобретения заключается в том, что способ управления мокрым вылетом фурмы при продувке расплава в ковше включает измерение давления P как информативного признака величины мокрого вылета H_м, установку фурмы в положении продувки, дополнительное поддерживание расхода газа в течение всей продувки на номинальном уровне, восстановление H_м при периодическом укорочении фурмы, по величине давления путем опускания фурмы, расчет P_зад заданного значения H_м, выраженного в P, как суммы давления перед погружением новой фурмы в расплав и металлостатического напора при заданном H_м, стабилизацию H_м каждый раз, начиная с момента падения P ниже P_зад, и ограничение времени регулирования.

Заметалливание З сопла фурмы при ее установке в ковше в нижнее положение, соответствующее положению продувки, приводит к росту P. При продувке З продолжает расти. При укорочении фурмы заметалленный конец отделяется и помеха при оценке H_м по величине P в этот период времени резко уменьшается. Это обстоятельство позволяет использовать P как надежный информативный признак H_м при стабилизации мокрого вылета в короткий период времени регулирования, начиная с момента отделения конца фурмы. За короткое время З не успевает вырасти до значений, существенно влияющих на качество управления H_м. Регулирующим воздействием является изменение положения фурмы по высоте. В качестве отклика используется параметр состояния агрегата давление перед фурмой.

Металлостатический напор расплава
P_м= ρ_p•g•H_м, Па, (1)
где ρ_p плотность расплава, кг/м³
q 9,81 ускорение свободного падения, м/с²;
H_м мокрый вылет фурмы, м.

Учитывая малую толщину слоя шлака в сравнении с H_м, можно принять ρ_p≈ ρ_м, где ρ_м плотность жидкого металла.

Давление перед погружением фурмы в расплав P_нач зависит от начальной степени заметалливания сопла. При повторном использовании фурмы З ≠ 0, что увеличивает P_нач. При использовании новой фурмы до ее погружения в расплав З 0. При прочих равных условиях заданное значение H_м, выраженное в давлении,

где давление перед погружением новой фурмы в расплав.

Согласно выражению (2), заданное значение H_м, выраженное в P, складывается из начального до погружения новой фурмы в расплав и металлостатического напора продуваемого столба расплава. включает в себя все прочие потери давления, за исключением P_м. Поскольку еще до погружения новой фурмы в расплав расход газа устанавливают на номинальный (рабочий) уровень, этот уровень сохраняется до конца продувки плавки, а далее его выставляют и при повторном использовании фурмы, то как внутри данной, так и на последующих плавках, остается достаточно стабильным. При укорочении фурмы изменяются потери давления на самой фурме, но величина этих потерь пренебрежительно мала в сравнении с величиной P_зад.

Поскольку в P_зад не входят потери давления на З, то его можно использовать как эталон. Падение P(t) ниже P_зад можно использовать при управлении H_м по обратной связи как параметр состояния агрегата. Поскольку при этом З минимально, то на P(t) в это время З влияния практически не оказывает. Поэтому небаланс ΔP (t) P_зад P(t) достаточно однозначно характеризует отклонение H_м относительно задания. В то же время, при отклонении P(t) относительно P_зад в большую сторону, связанном с ростом З, стабилизация H_м по величине давления не имеет смысла, поскольку величина H_м в этом случае остается неизменной.

Способ позволяет дополнительно осуществлять стабилизацию H_м после периодического укорочения фурмы во время продувки расплава относительно P_зад заданного значения H_м, выраженного в давлении. P_зад определяется расчетным путем для новой фурмы и заданного H_м. P_зад находится без погрешностей, связанных с заметалливанием сопла. В результате стабилизации H_м повышается эффективность внепечной обработки расплава.

На фиг. 1 приведена сглаженная временная зависимость давления на входе фурмы во время продувки плавки при реализации способа, на фиг. 2 пример устройства для реализации способа.

На фиг. 1 обозначено: 1- сглаженная зависимость давления P(t) на входе фурмы от времени; давление перед погружением новой фурмы в расплав; то же перед погружением фактически имеющейся фурмы в расплав; P_м - металлостатический напор при заданном H_м; P_зад заданное значение H_м, постоянное либо переменное, выраженное в давлении; t₁, t₂ время начала и окончания продувки расплава в рабочем (нижнем) положении фурмы; t_H1 время начала цикла стабилизации H_м; t_К1 время окончания цикла стабилизации H_м; t_р фиксированное время регулирования.

Момент времени t_H1 это момент, при котором возникает ситуация, когда P(t) становится меньше P_зад и включается процедура стабилизации H_м. Момент времени t_К1 это момент отключения процедуры стабилизации H_м. t_р это время, в течение которого производится стабилизация H_м.

На фиг. 2 обозначено: 1 стабилизатор расхода газа; 2 датчик давления; 3 регистратор давления; 4, 8 и 19 пороговые элементы; 5, 11 и 21 - триггеры; 6 и 12 ключи; 7 и 16 сглаживатели; 9 датчик положения; 10 - элемент "И"; 13 блок памяти; 14 усилитель; 15 и 26 задатчики; 17 - элемент сравнения; 18 детектор; 20 таймер; 22 автоматический регулятор; 23 фурма; 24 ковш с расплавом; 25 привод фурмы; H_м мокрый вылет фурмы; P_зад заданное значение H_м, выраженное в давлении; H_м зад заданное значение мокрого вылета фурмы.

Фурма 23 в вертикальном положении перемещается с помощью привода 25.

Инертный газ подается в стабилизатор расхода газа 1, который через датчик давления 2 связан с фурмой 23.

Датчик 2 электрически через регистратор давления 3, пороговый элемент 4, триггер 5 связан с управляющим входом ключа 6. Выход регистратора давления 3 через сглаживатель 7, пороговый элемент 8, один из входов элемента "И", элемент "И" 10, триггер 11 соединен с управляющим входом ключа 12. Выход регистратора давления 3 также подключен к основным входам ключей 6 и 12. Второй вход элемента "И" подсоединен к выходу датчика положения 89, а третий - к выходу задатчика 26.

Выход ключа 6 через сглаживатель 16, элемент сравнения 17, детектор 18, пороговый элемент 19, таймер 20, триггер 21 связан с разрешающим входом регулятора 22. Выход сглаживателя 16 также соединен через регулятор 22 с приводом фурмы 25. Выход ключа 12 через блок памяти 13, усилитель 14 подключен ко второму входу элемента сравнения 17 и входу задания регулятора 22. Выход задатчика 15 соединен со вторым входом усилителя 14.

В качестве технической базы устройства используются, например, следующие элементы. Регистратор давления 3 самопишущий прибор МТС 712; пороговые элементы (компараторы) 4, 8 и 19 на микросхеме К554САЗ; триггеры 5, 11 и 21 универсальные i-k триггеры на микросхеме К155ТВ1; ключи 6 и 12 на микросхеме 543КН3; сглаживатели 7 и 16 фильтры на базе пассивных RC цепей потенциального типа; датчик положения 9 на базе концевого выключателя серии КУ; элемент "И" 10 на микросхеме К555ЛИ2; блок памяти 13 на микросхеме КР1100СК2; усилитель 14 на микросхеме К155ЛН5; задатчик 15 типа РЗД-22; элемент сравнения 17 на микросхеме К155ИМ7; детектор диод типа KD24A; таймер 20 на микросхеме 580ИК53; автоматический регулятор на микроконтроллере "Ремиконт" типа Р-130; привод фурмы 25 с бесконтактным реверсивным пускателем типа ПБР-3А; задатчик 26 тумблер типа ТВ1-1.

Перед продувкой новой фурмы 23 с помощью привода 25, ее устанавливают над ковшом с расплавом 24 (см. фиг. 2). Нейтральный газ с номинальным расходом подают на фурму через стабилизатор расхода газа 1 и датчик давления 2. Давление перед фурмой снимают с помощью датчика 2 и фиксируют регистратором 3.

Сигнал давления подают в цепь, состоящую из блоков 7 13, служащую для задания давления перед погружением новой фурмы . В сглаживателе 7 сигнал давления освобождается от случайной помехи. Пороговый элемент 8 предназначен для отсечки малых значений сигнала, когда давление растет и не достигло субпостоянного значения , близкого к . Задатчиком 26 устанавливают признак "1", свидетельствующий об использовании новой фурмы. Сигнал с задатчика подают на третий вход элемента "И" 10.

После стабилизации давления P на входе фурмы, ее опускают в ковш с расплавом. До касания соплом зеркала металла срабатывает датчик положения 9, закрепленный на направляющих колонны механизма перемещения фурмы. Сигнал с датчика 9 подают на второй вход элемента "И" 10. При этом давление на входе фурмы равно и на выходе элемента "И" появляется "1", которую далее подают на триггер 11. Триггер 11 переворачивается в рабочее положение. Сигнал с него подают на управляющий вход ключа 12. Ключ открывается и пропускает в блок памяти 13 сигнал , который запоминается.

В усилителе 14 по формуле (2) рассчитывают величину P_зад. При этом заданное значение H_м устанавливают на задатчике 15 и вместе с сигналом подают в усилитель 14.

По мере опускания фурмы в расплав, P растет. При достижении пороговой величины , большей P_зад, срабатывает пороговый элемент 4. Сигнал с него подают на триггер 5, который переворачивается в рабочее состояние и сигналом с выхода открывает ключ 6. Сигнал давления через ключ 6 подают на цепь, состоящую из блоков 16 21, служащую для формирования на регулятор мокрого вылета H_м 22 разрешающего сигнала. При его наличии регулятор включается в работу и осуществляется стабилизация H_м.

В сглаживателе 16, аналогично блоку 7, осуществляют фильтрацию сигнала давления от случайной помехи. В элементе сравнения 17 сигнал текущего давления P(t) сравнивают с P_зад. Небаланс пропускают через детектор 18, в котором фильтруют отрицательные значения небаланса и на выход пропускают только положительные значения т.е. ΔP(t) P_зад P(t) >0.

При P_зад > P(t) на вход порогового элемента 19 подают небаланс ΔP(t). Пороговое значение ΔP_доп определяет, насколько существенно значение небаланса и имеет ли смысл осуществление стабилизации H_м. При превышении ΔP(t) величины ΔP_доп на выходе блока 19 формируется сигнал, который подают в таймер 20. Таймер отсчитывает установленное время регулирования t_р. В начале отсчета t_р сигналом с таймера переворачивают триггер 21 в рабочее состояние. Триггер включает в работу регулятор H_м 22. Сигнал текущего значения давления P(t) c выхода сглаживателя 16 подают на клеммы управляемого параметра объекта. На вход задания подают сигнал с блока 14. Выходной сигнал подают на привод фурмы 25. Регулятор 22 вырабатывает по заложенному в него закону команды на изменение положения фурмы, а значит и H_м. Осуществляют стабилизацию H_м.

После отсчета t_р таймер 20 снимает сигнал с триггера 21. Триггер возвращается в исходное состояние и отключает регулятор 22.

Процесс стабилизации H_м вновь возобновляется при появлении сигнала на выходе порогового элемента 19.

После продувки плавки фурму извлекают из расплава и признак новой фурмы с задатчика 26 снимают. Величина запоминается в блоке памяти 13, сохраняется на все последующие продувки с данной фурмой, так как на третьем входе элемента "И" 10 будет "0", на выходе элемента 10 "0" и ключ 12 остается закрытым. Обновление произойдет лишь при установке новой фурмы и задании ее признака в задатчике 26. В остальном реализация способна с помощью данного устройства при новой и старой фурме идентична.

Пороговые значения элементов 4, 7 и 19 устанавливают из соотношений:


где среднестатистическое давление , которое находят по множеству продувок.

Во время продувки величина P_зад может оставаться постоянной, либо изменяться. В последнем случае после изменения P_зад по ходу продувки новый уровень H_м будет устанавливаться не сразу, а во время работы регулятора после очередного укорочения фурмы.

Способ позволит осуществлять стабилизацию H_м во время продувки, когда непосредственный контроль H_м не зависит от текущего заметалливания сопла фурмы. Время вмешательства в процесс продувки в процессе управления минимально и не оказывает существенного влияния на свойства расплава и стойкость ковша и фурмы. В результате стабилизации H_м повышается эффективность внепечной обработки металла.

Изобретение относится к управлению режимом продувки расплава в ковше газами. Существо изобретения заключается в том, что по мере укорочения фурмы в процессе продувки расплава положения фурмы Н_м стабилизируют по величине давления инертного газа перемещением ее в вертикальном положении. Время стабилизации ограничивают для устранения влияния заметалливания сопла на результаты управления. Процесс регулирования каждый раз начинают с момента понижения давления ниже заданного уровня. Последний рассчитывают как сумму давления перед погружением новой фурмы в расплав и металлостатического напора при заданном Н_м. Способ обеспечивает стабилизацию Н_м независимо от текущего заметалливания сопла фурмы. 2 ил.

Способ управления положением фурмы при продувке расплава газом в ковше, включающий измерение давления Р перед фурмой, использование давления как информативного признака для определения положения фурмы, установку фурмы в положение продувки, отличающийся тем, что в течение всей продувки расход газа поддерживают на номинальном уровне, вычисляют заданное значение давления Р_зад при установке новой фурмы в положение продувки по математическому выражению
Р_зад Р_нач.о + Рм,
где Р_нач.о давление перед погружением новой фурмы в расплав;
Р_м металлостатический напор,
при Р < Р_зад во время продувки определяют факт укорочения фурмы и опускают ее до момента восстановления значения давления, причем время регулирования ограничивают.