Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

Гордеев Юрий Витальевич

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ОПЕРАТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики (МГУПИ)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Приборы и информационно-измерительные системы МГУПИ Слепцов Владимир Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, заместитель начальника Научного Центра по науке ОАО Российские космические системы Данилин Николай Семенович кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой Управление и моделирование систем МГУПИ Мацнев Анатолий Петрович,

Ведущая организация: ОАО Центральный научно- исследовательский технологический институт (ЦНИТИ)

Защита диссертации состоится л29 мая 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.119.01 в Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета Автореферат разослан л 12 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.119.доктор технических наук, профессор В.В. Филинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Разработка научно обоснованных методов и алгоритмов управления металлургическими процессами с целью интенсификации производства, повышения качества металла, экономии материальных и энергетических ресурсов требует достоверных данных о теплофизических свойствах металлических расплавов металлургического производства, глубокого понимания природы металлических расплавов. В настоящее время резко возросла потребность в точности и быстроте в получении, обработке и воспроизведении результатов - получения точных показателей теплофизических свойств металлических расплавов в режиме реального времени. Такие результаты можно получить только за счет применения современных информационноизмерительных и управляющих систем (ИИУС), позволяющих осуществлять все более быстрый и эффективный контроль и управление процессами, протекающими в агрегатах расплава металлов. Использование ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов обеспечивает более высокие показатели производства сталей.

Этому способствуют следующие положительные изменения:

Х уменьшение средней продолжительности выплавки;

Х повышение производительности конвертеров и печей;

Х сокращение корректирующих операций по химическому составу и температуре;

Х сокращение расхода легирующих материалов, раскислителей, ферросплавов и энергоносителей;

Х улучшение качества и увеличение выхода годного металла за счет оптимизации процесса выплавки.

Применение таких ИИУС является необходимым условием успешной металлоплавильной практики.

Однако, как правило, построение ИИУС на базе промышленного оборудования приводит к избыточности аппаратных средств, несогласованности ее функциональных блоков между собой и превращению ИИС в подобие прибора с жесткой структурой, где микропроцессор выполняет только функцию вычислителя.

Такой подход часто является экономически невыгодным. Поэтому повышение качества ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов за счет обеспечения точности и быстродействия при обработке полученных данных является необходимой и актуальной научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является повышение точности и сокращение времени определения теплофизических данных металлических расплавов за счет интеграции результатов измерений в производственной ИИУС.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

Х на основе анализа методов определения теплофизических свойств металлических расплавов необходимо определить виды первичных преобразователей, являющихся наиболее эффективными для решения задачи определения теплофизических свойств металлических расплавов;

Х разработать обобщенную структуру информационно-измерительной и управляющей системы определения теплофизических свойств металлических расплавов;

Х разработать алгоритмы работы информационно-измерительной и управляющей системы определения теплофизических свойств металлических расплавов;

Х разработать базовую математическую модель информационно-измерительной и управляющей системы определения теплофизических свойств металлических расплавов на основе теоретического анализа функциональной схемы;

Х провести метрологическую оценку информационно-измерительной и управляющей системы определения теплофизических свойств металлических расплавов;

Х разработать и практически реализовать структурно - алгоритмические и схемотехнические решения новых информационно-измерительных и управляющих систем определения теплофизических свойств металлических расплавов и выработать дополнительные рекомендации по проектированию на основе полученных результатов практических исследований.

Методы исследования Для достижения поставленной цели в качестве аппарата исследований использованы: теория систем, теория автоматического управления, теоретическая электротехника, электроника и микропроцессорная техника, теория автоматизированного электропривода, теория вероятностей, прикладная комбинаторика.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана обобщенная структура информационно-измерительной и управляющей системы определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающая ее построение на основе унифицированных функциональных узлов и адаптацию к различным режимам работы.

2. Разработана математическая модель информационно-измерительной и управляющей системы определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющая целенаправленно формировать структуру и параметры ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов с целью обеспечения заданной точности и быстродействия.

3. Предложена модель принятия решения в информационно-измерительных и управляющих системах, позволяющая оценить показатели эффективности функционирования информационно-измерительных и управляющих систем и оперирующая параметрами исследуемых металлических расплавов, условиями и методами измерений с учетом структуры ИИУС и критериев оценки результатов измерения.

4. Разработан алгоритм функционирования информационно-измерительных и управляющих систем определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающий получение достоверной информации о теплофизических свойствах расплавов при воздействии дестабилизирующих факторов.

5. Разработан алгоритм оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющий сократить время измерения на 20 %.

6. Разработаны измерительные зонды для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющие сократить время измерения на 30%.

Практическая значимость работы заключается в том, что: на основе научных результатов, полученных в диссертационной работе, разработана методика проектирования информационно-измерительных и управляющих систем определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающих заданные показатели качества. Предложены структуры новых ИИУС, позволяющих оперативно определять теплофизические свойства металлических расплавов, защищенные патентами на изобретения и внедренные на ряде предприятий металлургической отрасли.

Достоверность результатов работы подтверждается:

Х совпадением расчетных результатов с экспериментальными;

Х положительным опытом работы разработанных ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов.

Реализация и внедрение результатов работы:

Созданы и внедрены в промышленное производство ИИУС производственного уровня, обеспечивающие повышение точности оценки качества металла за счет сокращения времени определения теплофизических данных металлических расплавов ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов применены в разработках и изделиях ООО Нординкрафт-Сенсор (г. Череповец) и имеют высокие технико-экономические показатели, что подтверждено соответствующим актом о использовании.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре Приборы и информационно-измерительные системы Московского государственного университета приборостроения и информатики, в ОАО ЦНИТИ, на отраслевых совещаниях в ООО Нординкрафт-Сенсор, ОАО Северсталь, VIII Всероссийской НПК Системы автоматизации в образовании, науке и производстве, г. Новокузнецк, Международной НПК Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики г. Сочи, ичный вклад автора Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения, интерпретации полученных результатов.

Публикации По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ в виде статей в журналах, трудах российской и международной научно-практических конференций, из них 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных положений диссертационных работ.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа изложена на 155 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 135 наименований и приложения, а также включает рисунки и таблицы в количестве 40 шт.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель информационно-измерительной и управляющей системы определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющая определять параметры ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающие заданные показатели качества.

2. Модель задач принятия решения в информационно-измерительных и управляющих системах, позволяющая оценить показатели эффективности функционирования информационно-измерительных и управляющих систем и оперирующая свойствами исследуемых металлических расплавов, условиями и методами измерений при учете структуры ИИУС и критериев оценки результатов измерения.

3. Алгоритм функционирования информационно-измерительных и управляющих систем определения теплофизических свойств металлических расплавов, обладающий возможностью получения достоверной информации о теплофизических свойствах расплавов при воздействии дестабилизирующих факторов.

4. Алгоритм оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов.

5. Измерительные зонды для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов.

6. Структуры информационно-измерительных и управляющих систем определения теплофизических свойств металлических расплавов, обладающие существенной новизной и внедренные на ряде производств.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель и основные направления научного исследования, отмечаются новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе диссертации рассмотрено современное состояние вопросов построения структур информационно - измерительных и управляющих систем (ИИУС) определения теплофизических свойств металлических расплавов, проведен анализ методов определения теплофизических свойств металлических расплавов. Анализ показал, что большинство этих методов основывается на регистрации параметров при не установившихся процессах теплообмена в исследуемых материалах. Различия заключаются в характере теплового воздействия и типах регистрируемых параметров.

Определено, что эти методы можно разделить на две основные группы: контактные методы и бесконтактные методы определения параметров металлических расплавов.

Установлено, что наиболее важными параметрами при измерении теплофизических свойств являются: температура, окисленность (содержание кислорода) и содержание водорода в металлических расплавах.

Проведенный анализ ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов показал, что для решения поставленной задачи необходимо иметь ИИУС, удовлетворяющую следующим основным требованиям:

Х высокая наджность работы;

Х минимальная продолжительность измерительного цикла (времени от старта до следующего старта);

Х необходимая достоверность результатов замеров параметров плавки (температуры, окисленности, содержания углерода, уровня ванны);

Х хорошее качество пробы;

Х высокая ремонтная пригодность в условиях действующего конвертера;

Х обеспечение возможности выполнения многократных замеров на одной плавке без повалки конвертера с автоматической перезарядкой сменных блоков.

Показано, что современном представлении ИИУС можно определить как комплекс аппаратных средств, программного обеспечения, математического обеспечения и метрологического обеспечения (рис. 1).

Компоненты ИИУС совместно обеспечивают процесс определения искомых теплофизических свойств металлических расплавов. Зачастую невозможно провести грань между отдельными компонентами, так как научно-техническое развитие приводит все к большей интеграции их всех воедино.

ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов включает в себя физическую и математическую модели объекта контроля, постановку задачи теплопроводности, ее прямое или обратное решение, а так же алгоритмы метода определения теплофизических свойств металлических расплавов.

Аппаратные средства необходимы для измерения и обработки первичной информации, хранения и отображения полученных результатов.

Программное обеспечение необходимо для организации работы аппаратных средств и обработки первичной измерительной информации в соответствии с алгоритмами методов определения теплофизических свойств.

\ Рисунок 1 - Компоненты ИИУС Математическое обеспечение ИИУС для определения теплофизических свойств металлических расплавов включает модели и алгоритмы градуировки измерительных преобразователей с целью приведения измеряемых величин к их действительным значениям, а так же модели и алгоритмы коррекции математических моделей по материалам с известными свойствами. Назначение математического обеспечения заключается в обеспечении нормируемой точности определения искомых параметров.

На рис. 2 представлена обобщенная структурная схема ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов Рисунок 2 - Обобщенная структурная схема ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов Приняты следующие обозначения:

БПР - блок принятия решений; ПИИ - пользовательский интерфейс; БЛВ - блок логического вывода; К - компьютер, ИД - датчики, СИП - система измерительных преобразователей, ПВБ - вычислительный блок; П - пользователь; ИМ - исследуемый материал; Э - эксперт; ДФ - дестабилизирующие факторы; БЗ - база знаний Определено, что ИИУС в полной мере должна использовать различные методы определения, оптимизации режимных параметров процесса измерений, методы принятия решения в условиях неопределенности, а также информацию, содержащуюся в базе знаний.

В зависимости от назначения ИИУС, сложности выполняемых ею функций, объема хранимой информации, формируется база знаний ИИУС на основе использования постоянной памяти компьютера.

В ИИУС должен применяться пользовательский интерфейс. Интерфейс позволяет осуществлять получение необходимой информации из базы знаний, которая может быть задана не в явном виде, а вывести ее их тех знаний и данных, которые хранятся в БЗ.

С помощью ПИИ пользователь может вводить требуемую информацию (основную и дополнительную) для решения поставленных задач в рассматриваемой предметной области:

Х о свойствах и параметрах исследуемых материалов;

Х о измерительной ситуации;

Х рекомендации по использованию методов определения теплофизических характеристик металлических расплавов.

Кроме того, разработчик при проектировании ИИУС с расширенными функциональными возможностями вносит дополнительную информацию для развития и пополнения базы знаний.

Установлено, что целью работы является обеспечение повышения точности оценки качества металла за счет сокращения времени определения теплофизических данных металлических расплавов, обеспечения метрологического сопровождения измерений и интеграции результатов в ИИУС производственного уровня, что позволяет оперативно определиться с дальнейшей технологией процессов получения металлических расплавов.

Определено, что для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

Х на основе анализа методов определения теплофизических свойств металлических расплавов необходимо определить виды первичных преобразователей, являющихся наиболее эффективными для решения задачи определения теплофизических свойств металлических расплавов;

Х разработать обобщенную структуру ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов;

Х разработать базовую математическую модель ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов;

Х разработать алгоритмы работы ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов;

Х провести метрологическую оценку ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов;

Х разработать и практически реализовать структурно - алгоритмические и схемотехнические решения новых ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов и выработать дополнительные рекомендации по проектированию на основе полученных результатов практических исследований.

Вторая глава посвящена разработке математической модели и алгоритмов функционирования ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов.

Показано, что построение модели ИИУС включает:

Х формирование структуры и алгоритмов функционирования ИИУС в целом;

Х разработку элементов структуры ИИУС, алгоритмов их функционирования, механизма их взаимодействия между собой и с окружающей средой;

Х построение алгоритмов обработки информации в ИИУС.

Установлено, что при определении математической модели ИИУС необходимо определить:

Х переменные математической модели МИИУС;

Х методы определения теплофизических свойств металлических расплавов;

Х параметры структуры ИИУС;

Х методы метрологического анализа;

Х дестабилизирующие факторы;

Х критерии оценки функционирования ИИУС;

Х сформулировать требования к исходной информации об исследуемых металлических расплавах;

Х организовать получение априорной и первичной измерительной информации о металлических расплавах, измерительной ситуации.

Кроме того, необходимо оценить достаточность имеющейся информации.

Для возможности оценки качества и эффективности процесса функционирования ИИУС необходимо выбрать совокупности критериев оценки эффективности в функции параметров и переменных ИИУС с учетом воздействующих дестабилизирующих факторов.

Для достижения оперативного, точного и достоверного определения теплофизических свойств металлических расплавов предлагается модель ИИУС с формализованным описанием процесса измерения.

- множество входных воздействий ;

- множество переменных соответствующих дестабилизирующих факторов ;

- множество выходных параметров исследуемого расплава - множество методов определения теплофизических свойств;

Ц множество методов принятия решений.

Предлагаемая модель ИИУС позволяет сделать выбор оптимального варианта разрабатываемой системы с учетом перспектив расширения области исследуемых расплавов для определения их теплофизических свойств материалов.

Модель задач принятия решений в ИИИС представлена в виде:

, - множество применяемых методов;

- множество исследуемых расплавов;

- множество измерительных ситуаций;

- множество критериев оценки результатов измерений;

- множество исходных состояний ИИУС;

- множество структур в ИИУС;

- множество методов, используемых для повышения эффективности ИИУС (критерий Демпстера-Шафера, метод оптимизации параметров процесса измерения, методы метрологического анализа).

Используемая модель задач принятия решения в ИИУС позволяет оценить показатели эффективности функционирования системы; она оперирует свойствами исследуемых расплавов, условиями и методами измерений, учитывая структуру ИИУС, критерии оценки результатов измерения.

Показано, что одной из важных задач является формирование вектора технических требований - совокупности качественных и количественных признаков, которыми должна обладать ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов.

Основными признаками здесь являются:

Х допустимая погрешность (точность) определения искомых параметров;

Х оперативность процесса измерения;

Х стоимость ИИУС;

Х экономичность измерительного процесса;

Х эргономические показатели и другие признаки.

Установлено, что вектор технических требований удобно рассматривать в координатах пространство R, время Т, функция Ф (рис.3).

Рисунок 3 - Модель ИИУС Такая модель позволяет выявить взаимосвязь признаков и компонентов представляемого объекта.

Для ИИУС пространственным координатам соответствуют ее аппаратные средства, временным - программное обеспечение, функциональным - математическое обеспечение.

Метрологическое обеспечение ИИУС входит в каждый из компонентов как минимальные дискреты характеризующие степень точности, меру количественной оценки каждого из компонентов ИИУС.

Анализ ИИУС в виде такой модели показывает справедливость представления информационных процессов в виде вектора функции, организованной совокупностью мер в форме функциональных координат, адреса пространства и тактов времени, регламентированных погрешностью этих координат.

Разработан алгоритм функционирования ИИУС на основе учета основных показателей эффективности ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов, которыми являются точность и оперативность определения теплофизических свойств.

В предлагаемом алгоритме определения теплофизических свойств металлических расплавов повышение эффективности функционирования ИИУС достигается за счет решения задачи уменьшения погрешности определения теплофизических свойств в результате влияния дестабилизирующих факторов, адаптации по режимным и энергетическим параметрам к исследуемым расплавам, прогнозирования погрешности измерений.

В третьей главе рассмотрены вопросы метрологического обеспечения ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов. Показано, что только обеспечив высокое качество измерения параметров металлических расплавов с помощью ИИУС определения теплофизических свойств, можно достичь высокого качества конечной продукции. Рассмотрена оценка погрешностей результатов измерений теплофизических свойств металлических расплавов.

Определена структура полной погрешности в зависимости от модулей ее составляющих:

Ti bTi UTi КВTi 01Ti T02 ОСTi RTTi, где:

Ti - погрешность из-за отличия b от номинального значения bн ;

b Ti - погрешность в результате отличия реальной статической характеристики U преобразования термодатчика от номинальной;

Ti - погрешность квантования;

KB Ti - погрешность за счет округления результата аналого-цифрового преобразования при считывании;

Ti - погрешность из-за округления конечного результата (результата обратного преобразования);

Ti - погрешность из-за воздействия температуры окружающей среды на ИИУС и OC расплав;

Ti - погрешность в результате измерения контактного термосопротивления в RT области контакта измерительного зонда и расплава.

Эти погрешности определяются по формулам:

b Ti Ti, b bн где b b bн, где где - результат аналого-цифрового преобразования без учета округления;

где - цена младшего округленного разряда, определяемая видом градуировочной характеристики.

где TOC TOC Tн. у, где - номинальное значение контактного термосопротивления для исследуемого расплава с известной теплопроводностью.

Определена процедура выделения доминирующих компонент в составе полных погрешностей результатов измерений теплофизических свойств металлических расплавов.

заключающаяся в их упорядочивании и исключения из рассмотрения всех компонент суммарный вклад которых меньше установленного. Показано, что предлагаемый подход обеспечивает корректность выделения доминант в совокупности компонент полной погрешности.

Проведена метрологическая оценка информационно-измерительных и управляющих систем определения теплофизических свойств металлических расплавов В четвертой главе рассмотрены результаты практической реализации разработанных ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов.

Показано, что современным требованиям к ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов по обеспечению точности и быстродействия при обработке полученных данных удовлетворяет применение надежного и оперативного метода измерения - зондового (погружения зонда непосредственно в измеряемую среду).

Он позволяет освоить новый уровень технологии контроля плавки металлов за счет получения точных показателей расплава в режиме реального времени.

Представлены разработанные схемы и конструкции измерительных зондов для ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов. Разработанные измерительные зонды, удовлетворяют следующим основным требованиям:

Х высокая наджность работы;

Х минимальная продолжительность измерительного цикла (времени от старта до следующего старта);

Х необходимая достоверность результатов замеров параметров плавки (температуры, окислнности, содержания углерода, уровня ванны);

Х хорошее качество пробы;

Х высокая ремонтная пригодность в условиях действующего конвертера;

Х обеспечение возможности выполнения многократных замеров на одной плавке без повалки конвертера с автоматической перезарядкой сменных блоков.

Представлена разработанная ИИУС оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов (рис. 4).

Рисунок 4 - ИИУС оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов Разработанная ИИУС представляет собой комплекс механического, энергетического, электрического и электронного оборудования и состоит из следующих частей.

1. Фурма. Состоит из трех концетрически расположенных друг относительно друга стальных труб, образующих два канала охлаждения измерительных кабелей, пропущенных внутри центральной трубы. В качестве охладителей используются азот и воздух. К нижней части фурмы пристыковывается жезл для присоединения сменных блоков. Верхняя часть фурмы представляет собой узел для подсоединения к оголовку зонда.

2. Механизм перемещения фурмы. Состоит из двухскоростной лебедки, полиспастной системы, механизма отвода фурмы (портала) в ремонтное положение, оголовка и подвески фурмы. Максимальная линейная скорость, достигаемая этим механизмом равняется 3,8 м\с, что позволят обеспечить измерительный цикл в пределах 25 сек.

3. Шибер. Механизм, открывающий доступ для ввода фурмы в конвертер.

Представляет собой водоохлаждаемую крышку на кессончике котла-охладителя.

4. Успокоитель. Механизм, гасящий колебания фурмы после выхода ее из конвертера. Представляет собой цанговый захват.

5. Съемник шлака. Механизм, производящий удаление шлака с фурмы для обеспечения без проблемной перезарядки сменных блоков в автоматическом режиме.

6. Магазин. Механизм, предназначенный для хранения сменных блоков и передаче их в манипулятор зарядки. Состоит из вращающегося барабана и зажимов сменных блоков.

7. Манипулятор 1. Механизм, осуществляющий стыковку сменного блока с жезлом. Состоит из привода перемещения манипулятора, центрирующей воронки, захвата и каретки.

8. Манипулятор 2. Механизм, осуществляющий прием отработанного сменного блока с пробой и передачу его на рабочую площадку + 12м. Состоит из привода перемещения манипулятора, пассивной центрирующей воронки и заслонки.

9. Система охлаждения фурмы. Осуществляет подачу азота и воздуха в каналы фурмы во время измерительного цикла.

10. Пневматическая система. Является исполнительной частью узлов и механизмов установки.

11. Система лотстрела. Осуществляет пневматический съем отработанного блока с пробой и передачу его в манипулятор 2..

12. Система управления. Осуществляет управление всеми механизмами, контроль за отработкой команд и возникновением аварийных ситуаций, расчеты измеренных параметров, связь с АСУ ТП первого уровня.

13. Система электропривода. Обеспечивает управление силовыми агрегатами.

14. Система измерения уровня металла. Представляет собой датчик, расположенный в нижней части жезла и электронный блок, фиксирующий вход в металл.

Данная ИИУС была разработана и внедрена в производство ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов Архитектура построения разработанной ИИУС кардинально отличается от классического типа, в частности используемого за рубежом. Свободная подвеска газоохлаждаемой фурмы позволила исключить несущую и направляющую колонны, каретку. Это значительно упростило конструкцию, повысило надежность и ремонтопригодность зонда, входящего в систему, снизило аварийные отказы и стоимость всей установки. В то же время отсутствие колонн позволило применить второй манипулятор для сброса проб на рабочую площадку, что в значительной степени снизило цикл перезарядки сменных блоков. Измерение уровня ванны происходит в каждом измерительном цикле при входе сменного блока в металл и только после этого происходит позиционирование зонда на заданную глубину погружения.

Цикл работы разработанной ИИУС (время от старта до старта) составляет 1мин.40с и превосходит по этому показателю ИИУС фирмы Steel Nippon corpora's.

Опыт эксплуатации разработанной ИИУС на конвертере показал, что цикл плавки за счет без повалочной работы конвертера сокращается на 4 мин.

Представлена ИИУС непрерывного измерения температуры металлических расплавов, позволяющая прогнозировать температурный ход разливки, согласовывать скорости литья с измеряемой температурой, своевременно оповещающая оператора о выходе температуры металла за допустимые пределы, уменьшающая вероятность подвисаний и прорывов, обеспечивающая безопасную работу персонала.

Разработана и внедрена ИИУС измерения содержания водорода и кислорода в металлических расплавах. Экспресс-анализ с помощью предложенной ИИУС позволяет почти в 100 раз сократить время на получение результата. Продолжительность измерения всего лишь около 60 секунд. Стандартное отклонение при определении содержания водорода - 0,2 ppm, что в несколько раз выше точности, которую обеспечивает метод вакуумного нагрева.

По результатам измерения можно принять решение о целесообразности проведения изотермического отжига или об исключении термообработки при содержании водорода в требуемых пределах, оценить качество конечного металлопродукта с точки зрения его внутренней структуры и т.д.

Данная ИИУС используется в основном для контроля флокеночувствительного металла, в сталях с очень низкими пределами содержания водорода (например, толстолистовая сталь, рельсы, трубы и т.д.), где по техническим условиям требуется аттестация металла по содержанию водорода. Измерение содержания водорода позволяет контролировать ситуацию и, при необходимости, принимать решение о его снижении (например, вакуумной обработкой). На ОАО Северсталь используются три подобные ИИУС. Установлены они и на некоторых других предприятиях: в Старом Осколе, Нижнем Тагиле, Волгограде. Применение ИИУС позволило сократить время плавки в целом, улучшить ее тепловой баланс, уменьшает количество додувок и повысить стойкость футеровки конвертора (уменьшение продолжительности плавки составлило 8 минут, уменьшение износа футеровки - 25%).

Разработана и внедрена ИИУС измерения содержания серы и кремния в чугуне.

При использовании данной ИИУС не требуется отбор пробы и ее химический анализ, уменьшаются трудозатраты в химической лаборатории и экономятся затраты на проведение анализа, а также улучшается предсказуемость хода плавки в конвертере.

Использование ИИУС на установке десульфурации чугуна позволило сократить время обработки, осуществить экономию десульфурирующих реагентов до 15%, уменьшить затраты на анализ в химической лаборатории, стабилизировать химический состав чугуна и стали. Кроме этого, применение этой ИИУС позволило обеспечить быструю обратную связь с доменной печью по результатам измерения температуры, %S и %Si, возможность оперативного контроля за выпускаемым из доменной печи чугуном.

Разработанная ИИУС для автоматического определения параметров плавки в конвертере является системой контроля температуры, содержания углерода, окисленности, уровня ванны и отбора проб металла без повалки конвертера с помощью измерительного зонда. Применение такой ИИУС позволили уменьшить количество промежуточных повалок конвертера и создат условия для оптимизации параметров процесса продувки плавки.

ИИУС сопряжена с АСУ ТП конвертерной плавки (АСУ ТП Плавка), которая контролирует:

Х процесс взвешивания металлического лома на платформенных весах;

Х жидкого чугуна при переливе, сыпучих материалов в промежуточных бункерах и ферросплавов;

Х температуру чугуна в ковшах после перелива;

Х расход и состав кислорода на продувку;

Х положение и прогар продувочных фурм;

Х расход, давление и химический состав конвертерных газов;

Х параметры развития процесса шлакообразования;

Х положение конвертеров;

Х температуру и содержание углерода в металле и др.

Помимо этого АСУ ТП Плавка управляет дозированием материалов в конвертер и ферросплавов в сталеразливочный ковш, регулировкой расхода кислорода на продувку, положением продувочной фурмы, перемещением измерительного зонда, регулированием давления конвертерного газа.

С помощью ИИУС, осуществляются многократные замеры температуры, окислнности, содержания углерода, уровня ванны и отбор проб металла. Замеры и отбор проб производятся во время продувки плавки без повалки конвертера. Перезарядка сменных блоков выполняется автоматически.

Рисунок 5 - ИИУС для автоматического определения параметров плавки Опыт эксплуатации ИИУС на конвертере № 2 (ОАО Северсталь) показал, что за счт беcповалочной работы конвертера цикл плавки сокращается на 4 минуты.

Затраты на внедрение описанной ИИУС равны примерно 8 млн. рублей.

Экономический эффект составил порядка 225 млн. рублей в год.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.

В приложении к диссертации представлен акт внедрения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. На основании анализа известных ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов выявлены основные недостатки ИИУС, заключающиеся в недостаточной согласованности функциональных блоков ИИУС и недостаточной оперативности измерения параметров.

2. Для повышения качества ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов была решена комплексная задача создания ИИУС на уровне аппаратных средств, математического, программного и метрологического обеспечения, согласованных между собой по информационным процессам и параметрам.

3. Разработана математическая модель ИИУС, позволяющая разработать оптимальную по критерию быстродействия и точности ИИУС, с учетом перспектив расширения области исследуемых металлических расплавов с целью определения их теплофизических свойств.

4. Предложена модель принятия решения в ИИУС, позволяющая оценить показатели эффективности функционирования ИИУС и оперирующая параметрами исследуемых металлических расплавов, условиями и методами измерений с учетом структуры ИИУС и критериев оценки результатов измерения.

5. Разработан алгоритм функционирования ИИУС определения теплофизических свойств металлических расплавов, обладающий возможностью получения достоверной информации о теплофизических свойствах расплавов за счет применения оперативного алгоритма определения теплофизических свойств металлических расплавов, высокой производительностью измерений, структурно-параметрической адаптацией по режимно - энергетическим параметрам и автоматической коррекцией результатов измерения при воздействии дестабилизирующих факторов.

6. Определена процедура выделения доминирующих компонент в составе полных погрешностей результатов определения теплофизических свойств металлических расплавов, заключающаяся в их упорядочивании и исключения из рассмотрения всех компонент, суммарный вклад которых меньше установленного. Показано, что предлагаемый подход обеспечивает корректность выделения доминант в совокупности компонент полной погрешности.

7. Предложен алгоритм адаптации ИИУС по диапазону, позволяющий значительно снизить систематическую погрешность определения теплофизических свойств металлических расплавов за счет последовательной коррекции результата путем применения расплавов с наиболее близкими теплофизическими свойствами и уменьшить погрешность до 3% по теплопроводности и температуропроводности относительно погрешности образцового расплава.

8. Определена структура полной погрешности и проведена метрологическая оценка информационно-измерительных и управляющих систем определения теплофизических свойств металлических расплавов.

9. Проведена оценка погрешности предложенной ИИУС путем статистической обработки серии экспериментов на различных расплавах с известными свойствами, при этом относительная погрешность не более, чем на 5% превышает погрешность расплавов с известными свойствами.

10. Разработан измерительный зонд, обеспечивающий минимальную продолжительность измерительного цикла (времени от старта до следующего старта);

высокую наджность работы; необходимую достоверность результатов замеров параметров плавки (температуры, окислнности, содержания углерода, уровня ванны) и обеспечивающий возможность выполнения многократных замеров на одной плавке без повалки конвертера с автоматической перезарядкой сменных блоков. Испытания опытного образца измерительного зонда на конвертере №2 ОАО Северсталь показали, что цикл плавки за счет безповалочной работы конвертера сокращается на 4 мин.

11. Разработана ИИУС непрерывного измерения температуры металлических расплавов, способная поддерживать оптимальную температуру разливаемого металла в очень узком диапазоне 12. Разработана ИИУС измерения содержания водорода и кислорода в металлических расплавах, позволяющая быстро и надежно измерять содержание кислорода и водорода в расплавленном металле и оперативно принимать решения по корректировке режима внепечной обработки (вакуумирования).

13. Разработана ИИУС измерения содержания серы и кремния в чугуне, позволяющая не проводить отбор пробы и ее химический анализ, уменьшить трудозатраты в химической лаборатории и экономить затраты на проведение анализа, а также улучшить предсказуемость хода плавки в конвертере.

14. Разработано устройство для получения и подготовки пробы для исследования электропроводного расплава, повышающее однородность химического состава пробы, позволяющее снизить шероховатости поверхности и уменьшить непредставительный приповерхностный слой пробы. Устройство позволяет значительно улучшить качество контроля химического состава расплава за счет более равномерного распределения химических элементов по объему пробы.

15. Разработана ИИУС для экспресс-определения содержания углерода в жидкой стали, позволившая сократить время измерения на 20%.

16. Разработана ИИУС спектрального анализа элементов металлического расплава непосредственно в плавильном резервуаре.

17. Разработана ИИУС для автоматического определения параметров плавки в конвертере. С помощью ИИУС, осуществляются многократные замеры температуры, окислнности, содержания углерода, уровня наполнения ванны и отбор проб металла.

Замеры и отбор проб производятся во время продувки плавки без повалки конвертера.

Перезарядка сменных блоков выполняется автоматически. Опыт эксплуатации ИИУС на конвертере № 2 показал, что за счт беcповалочной работы конвертера цикл плавки сокращается на 4 минуты.

Затраты на внедрение описанной ИИУС равны примерно 8 млн. рублей.

Экономический эффект составил порядка 225 млн. рублей в год.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Гордеев Ю.В., Гавриленко Ю.В., Швецов Г.Г., Лятин Б.А., Шардунов С.В., Скосырев В.М. Разработка технологии стабилизации содержания алюминия в стали.

Сталь, 2001, №7 С. 16 - 17.

2. Гордеев Ю.В., Мишин Д. В., Швецов Г. Г., Жеребцов Н. Б. Модернизация измерительных фурм для определения параметров расплава конвертерного металла.

Сталь, 2006, №9, С. 31-32.

3. Дуб А.В., Волков В.Г., Pомашкин А.Н., Гоpдеев Ю.В., Швецов Г.Г. Управление составом и количеством оксидных включений в хромистой стали. Электрометаллургия, 2006, №12, С. 22-27.

4. Гордеев Ю.В., Подбельский А.Н. Использование информационно-измерительных и управляющих систем для повышения качества определения теплофизических свойств металлических расплавов. ПРИБОРЫ, 2011, №10, С. 50-55.

Публикации в других изданиях 1. Новые технологии контроля параметров металлических расплавов. Национальная металлургия (НМ-оборудование), № 2, 2004, С. 11-14.

2. Кириков А.В., Гордеев Ю.В., Мишин Д.В., Способ спектрального анализа элементов металлического расплава в плавильном резервуаре и устройство для его осуществления. Патент на изобретение РФ, № 2273841 от 01.11.2004, опубл. 10.04.2006.

3. Гордеев Ю.В., Мишин Д.В., Максимов П.А. Измерительный зонд для погружения в расплав металла. Патент на изобретение РФ, № 2308695 от 13.10.2005, опубл.

20.10.2007.

4. Кириков А. В., Гордеев Ю. В., Игнатов В. М. Способ выплавки металла. Патент на изобретение РФ, № 2355795 от 10.11.2008, опубл. 20.05.2009.

5. Гордеев Ю.В. и др. Способ внепечной обработки стали. Патент на изобретение РФ, № 2362811 от 23.10.2007, опубл. 27.07.2009.

6. Забродин А.Н., Гордеев Ю.В., Мишин Д.В. Устройство для получения и подготовки пробы для исследования электропроводного расплава. Патент на изобретение РФ, № 2389009 от 05.06.2008, опубл. 10.05.2010.

7. Гордеев Ю.В. ИнформационноЦизмерительные и управляющие системы для определения теплофизических свойств твердых материалов во время процесса их плавки.

Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики: Сборник научных трудов по материалам XIV Международной НПК - М.: МГУПИ, Приборостроение, 2011, №10, С. 52-56.

8. Гордеев Ю.В. Разработка измерительного зонда для информационноуправляющих систем контроля теплофизических свойств твердых материалов во время процесса их плавки. Вестник МГУПИ. М.: МГУПИ. 2011, № 35, С. 32-37.

9. Гордеев Ю.В. Применение измерительных зондов в информационноЦ управляющих системах контроля теплофизических свойств твердых материалов.

Системы автоматизации в образовании, науке и производстве: Сборник научных трудов по материалам VIII Всероссийской НПК. - Новокузнецк: СибГИУ, 2011, С. 55-58.

10. Слепцов В.В., Гордеев Ю.В. Разработка информационно-измерительной интеллектуальной системы для определения теплофизических свойств металлов. Вестник МГУПИ. М.: МГУПИ. 2012, № 38, С. 76-81.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям