АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВАКУУМНО-ДУГОВОГО ПЕРЕПЛАВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Положенцев Кирилл Анатольевич

• Положенцев Кирилл Анатольевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Положенцев Кирилл Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 Процессы управления вакуумной дуговой печью

1.1 Особенности конструкции вакуумной дуговой печи

1.2 Математическое моделирование дуговой печи

1.3 Управление вакуумным дуговым переплавом

1.4 Обзор систем управления вакуумными дуговыми печами, предлагаемых различными разработчиками

1.5 Постановка задачи исследования

Глава 2 Построение комплексной математической модели ВД печи

2.1 Комплексная математическая модель ВД печи

2.1.1 Математическая модель регулятора тока и источника питания ВД печи

2.1.2 Математическая модель механической системы (шток, электрод, груз, редукторы, цепная передача, трение и люфт) ВД печи

2.1.3 Математическая модель капель расплавленного металла

2.1.4 Аппроксимация расходуемого электрода

2.1.5 Система автоматического определения сопротивления одного миллиметра межэлектродного промежутка

2.2Проверка адекватности разработанной комплексной математической модели

Глава 3 Системы автоматической стабилизации вакуумного дугового переплава

3.1Система автоматической стабилизации межэлектродного промежутка

3.1.1 Расчет программного шага для цилиндрического электрода

3.1.2 Расчет программного шага для электрода в форме усеченного конуса

3.1.3 Программный шаг для реального электрода

3.1.4 Двухкомпонентное управление вакуумным дуговым переплавом

3.2 Система автоматической стабилизации скорости переплава расходуемого электрода с помощью метода лазерной велосометрии

3.3 Система автоматической стабилизации вакуумного дугового переплава с помощью метода определения отклонений по видеоизображению

Глава 4 Автоматизированная система управления вакуумным дуговым переплавом с использованием стабилизационных систем

4.1 Состав и структура разработанной системы управления

4.2 Алгоритм работы АСУ со стабилизационными системами

4.3 Визуальная часть разработанной АСУ

4.4 Использование результатов диссертационной работы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВАКУУМНО-ДУГОВОГО ПЕРЕПЛАВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. При производстве высоколегируемых жаропрочных сплавов основным является переплав слитков с помощью вакуумной дуговой печи. Проблема заключается в совершенствовании технологического процесса вакуумного дугового переплава и получении высококачественного, экономически выгодного металла за счет снижения трудоемкости его производства.

Решение поставленных задач оптимизации производства заключается в использовании систем автоматизированного управления с применением современных методов контроля технологического процесса. Данные задачи весьма актуальны в России и связаны, в первую очередь, с экономической ситуацией в стране, с введенными со стороны стран Европейского Союза, Соединенных Штатов Америки и ряда других государств санкциями, поисками новых рынков сбыта, качественного улучшения свойств литого метала.

Стратегия развития черной металлургии России на 2014 - 2020 годы и на перспективу до 2030 года, утвержденная Министерством промышленности и торговли Российской Федерации (приказ № 839 от 05 мая 2014 г.) и подпрограмма № 10 «Металлургия» государственной программы Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 15 апреля 2014 г. № 328., указывают на не решенные сегодня проблемы внедрения новых эффективных технологий производства перспективных сталей и сплавов, необходимых для обеспечения спроса высокотехнологичных секторов экономики России, а также повышения требований к характеристикам продукции, оптимизации избыточных производственных мощностей и внедрения новой техники и технологий.

Существующие методы и модели малопригодны для систем управления при исследовании физического объекта в режиме реального времени ввиду наличия

трудно формализуемых коэффициентов, характеризующих процесс переплава. Таким образом, весьма актуальными представляются вопросы, связанные с разработкой новых методов и систем автоматизированного управления технологическим процессом вакуумного дугового переплава в реальном масштабе времени, а также математическим моделированием и автоматизацией данного процесса.

Целью данной диссертационной работы является повышение эффективности управления процессом переплава и качества готовой продукции за счет автоматизации технологического процесса вакуумного дугового переплава с использованием стабилизационных систем управления.

В соответствии с целью работы были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Исследование технологических процессов управления вакуумным дуговым переплавом как объектов моделирования и автоматизации, выявление существующих недостатков.

2. Разработка на основе проведенного анализа математической модели вакуумной дуговой печи и исследование данного объекта.

3. Разработка системы автоматической стабилизации межэлектродного промежутка.

4. Разработка системы автоматической стабилизации скорости переплава расходуемого электрода.

5. Разработка системы автоматической стабилизации отклонений вакуумного дугового переплава по видеоизображению.

6. Разработка автоматизированной системы управления (АСУ) и ее апробация на вакуумной дуговой печи.

Объектом исследования является технологический процесс управления вакуумным дуговым переплавом с использованием систем стабилизации.

Предметом исследования являются методы автоматического управления технологическим процессом вакуумного дугового переплава с использованием стабилизационных систем.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования, вычислительной математики, а также основы современной теории управления и обработки видеоизображений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен метод двухкомпонентного управления процессом вакуумного дугового переплава, отличающийся применением программного шага и обратной связи по напряжению печи, позволяющий поддерживать межэлектродный промежуток неизменным в процессе переплава.

2. Разработана система автоматической стабилизации межэлектродного промежутка, отличающаяся использованием метода двухкомпонентного управления и возможностью поддержания длины межэлектродного промежутка в заданных пределах с минимальными отклонениями.

3. Предложена комплексная математическая модель вакуумной дуговой печи, отличающаяся объединением уравнений выпрямителя, электрической дуги, жизненного цикла капели, системы перемещения и скорости переплава расходуемого электрода.

4. Предложено уравнение программного шага на основе разработанной математической модели, отличающееся возможностью учета произвольных форм расходуемых электродов.

5. Разработана система автоматической стабилизации скорости переплава расходуемого электрода, отличающаяся использованием метода лазерной велосометрии, обеспечивающего нахождение скорости переплава на печах, не имеющих в силу конструктивных особенностей возможности установки весовых датчиков, а также позволяющая определить участок аппроксимации посредством использования двухкомпонентного управления.

6. Разработана система автоматической стабилизации вакуумного дугового переплава, отличающаяся использованием метода определения отклонений по видеоизображению, позволяющего сократить длительность нештатных режимов переплава.

7. Разработана автоматизированная система управления вакуумной дуговой печью, учитывающая предложенные в данной работе системы, позволяющая увеличить объемы годной продукции путем снижения затрат на электроэнергию и брак, а также сделать конкурентоспособным устаревшее оборудование.

Основная теоретическая и практическая значимость работы. Проведенные в работе теоретические исследования послужили основой для создания АСУ вакуумной дуговой печи с использованием двухкомпонентного управления, построенного с помощью комплексной математической модели. Разработанная математическая модель позволила протестировать новые методы контроля и управления вакуумной дуговой печью. Системы управления и контроля, предложенные в данной работе, позволяют повысить качество управления объектом исследования, а также экспериментально доказано улучшение стабильности управления процессом плавления. Автоматизированная система управления вакуумной дуговой печью с учетом разработанных методов и систем позволяет увеличить объемы отвечающей требованиям продукции путем снижения затрат на электроэнергию и брак. Разработанная АСУ повышает эффективность функционирования технологического процесса вакуумного дугового переплава за счет улучшения поверхностных и макроструктурных свойств получаемых слитков, снижения брака и затрат на электроэнергию, а также может быть применена для других аналогичных процессов.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в сталеплавильном цехе № 6 АО «Металлургический завод «Электросталь» (г. Электросталь, Московская область), а также в СТИ НИТУ «МИСиС» (г. Старый Оскол, Белгородская область).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод двухкомпонентного управления процессом вакуумного дугового переплава, состоящий в использовании программного шага и обратной связи по напряжению.

2. Система автоматической стабилизации межэлектродного промежутка, состоящая из метода двухкомпонентного управления.

3. Комплексная математическая модель вакуумной дуговой печи, состоящая из уравнений выпрямителя, электрической дуги, жизненного цикла капели, системы перемещения и скорости переплава расходуемого электрода.

4. Уравнение программного шага, использующее разработанную комплексную математическую модель.

5. Система автоматической стабилизации скорости переплава расходуемого электрода, использующая метод лазерной велосометрии.

6. Система автоматической стабилизации вакуумного дугового переплава, состоящая из метода определения отклонений по видеоизображению.

7. Структура, алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной системы, реализующей найденное оптимальное управление вакуумной дуговой печью.

В соответствии с паспортом специальности, в диссертационной работе предложены методы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) (пункт 3 паспорта специальности); разработаны комплексная математическая модель вакуумной дуговой печи (пункт 4), а также теоретические основы, средства и методы промышленной технологии создания АСУТП, АСУП, АСТПП и др. (пункт 5).

Достоверность результатов исследования свидетельствует о корректной постановке рассматриваемых задач и применении математически обоснованных методов решения.

Апробация работы. Результаты, полученные в рамках диссертационного исследования, были признаны лучшими на XI Всероссийской научно -практической конференции аспирантов и студентов по направлению «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами. Математическое моделирование, информатика» (СТИ НИТУ МИСиС, г. Старый Оскол - 2014 г.). Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на кафедре «Высшей математики » Старооскольского технологического института им. А.А. Угарова (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», а также докладывались и обсуждались в рамках Международных и Всероссийских конференций «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные Агрегаты. Экология» (г. Москва - 2012 г.), «XI Всероссийская научно-практическая конференция аспирантов и студентов» (г. Старый Оскол - 2014 г.), «Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство» (г. Старый Оскол - 2014 г.), «XII Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием: «Современные проблемы горно -металлургического комплекса. Наука и производство» (г. Старый Оскол - 2015 г.).

Личный вклад автора. Содержание диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Роль соавторов в совместных публикациях заключается в следующем: Александров А.Г. - идея нахождения длины капли, Ливаткин П.А. -помощь в разработке части программного кода. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась автором лично. Все представленные в диссертации результаты получены автором лично.

Публикации. По результатам диссертационной работы было опубликовано 20 печатных работ в научных журналах и сборниках, из которых 6 статей в

периодических изданиях по списку ВАК, при этом 4 публикации без соавторов, а также получено 16 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,

четырех глав и заключения, изложенных на _ страницах основного

машинописного текста, включающего 53 рисунка и 6 таблиц, списка используемой литературы из 73 наименований и приложения. К диссертационной работе прилагаются свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, акты и справки о внедрении результатов исследований в производственный и учебный процесс. Общий объем диссертационной работы_страниц.

Во введении поставлены цели, раскрыты актуальность, новизна и практическая ценность результатов данной работы.

В первой главе приведен анализ конструктивных особенностей вакуумных дуговых печей. Описаны уравнения, которые применяются при создании математической модели вакуумной дуговой печи, с обоснованием сложности их применения. Приведен обзор работ в области управления вакуумным дуговым переплавом, а также рассмотрены методы определения и оценки межэлектродного промежутка. Рассмотрены основные иностранные и отечественные фирмы, занимающиеся разработкой и внедрением систем по управлению вакуумным дуговым переплавом, с указанием их основных достоинств. В заключении была выполнена постановка задачи исследования.

Вторая глава посвящена математическому моделированию вакуумной дуговой печи. Построена комплексная математическая модель исследуемой вакуумной дуговой печи. Для точности математической модели были описаны уравнения роста капли, нахождения 1 мм сопротивления межэлектродного промежутка и геометрии расходуемого электрода и слитка. Приведены полученные экспериментальным путем данные, подтверждающие адекватность построенной математической модели.

В третьей главе приведена система автоматической стабилизации межэлектродного промежутка, которая базируется на применении метода двухкомпонентного управления. Двухкомпонентное управление включает в себя программный шаг и обратную связь по напряжению. Рассчитан программный шаг для электрода цилиндрической формы, электрода формы усеченного конуса и электрода произвольной формы. Это позволяет поддерживать желаемый межэлектродный промежуток в допустимых границах. Экспериментальным путем доказана ценность применения двухкомпонентного управления. Приведены алгоритм и структурная схема системы автоматической стабилизации межэлектродного промежутка. Разработана и теоретически обоснована система автоматической стабилизации скорости переплава с помощью лазерного дальномера. С помощью экспериментов показана правильность создания системы автоматической стабилизации скорости переплава с использованием лазерного дальномера. Приведены алгоритм и структурная схема системы автоматической стабилизации скорости переплава расходуемого электрода. Разработана и теоретически обоснована система автоматической стабилизации таких отклонений в процессе переплава, как ионизация и «короткая» электрическая дуга. Приведены алгоритм и структурная схема системы автоматической стабилизации отклонений в процессе переплава.

Четвертая глава посвящена разработке и внедрению автоматизированной системы управления технологическим процессом переплава вакуумной дуговой печи (или печи?). На основе результатов диссертационной работы разработана и внедрена автоматизированная система управления. Описано использование результатов диссертационной работы на металлургическом предприятии АО «Металлургический завод «Электросталь» в г. Электросталь Московской области. Описан алгоритм работы разработанной автоматизированной системы управления вакуумным дуговым переплавом.

В заключении приводятся результаты и выводы научного исследования.

Глава 1 Процессы управления вакуумной дуговой печью

1.1 Особенности конструкции вакуумной дуговой печи

Выплавка металла в вакуумных дуговых печах (ВД печах) осуществляется посредством электрической дуги. Высокое содержание мощности и тепла в электрической дуге нагревают металл за малые временные промежутки. ВД печи бывают двух типов - с расходуемым и не расходуемым электродом. Электрическая дуга горит между расходуемым электродом и ванной метала в ВД печах первого типа и между графитовым электродом и расплавляемым металлом в ВД печах второго типа.

В данной работе рассматривается ВД печь с расходуемым электродом типа ДСВ-3,2-Г1, устройство которой приведено в соответствии с рисунком 1.1.

Рисунок 1.1- Устройство вакуумной дуговой печи

Элементы ВД печи:

1. Электродвигатель, перемещающий шток электрододержателя и расходуемый электрод; 2. Вакуумная камера; 3. Источник питания печи; 4. Соединительные силовые кабели; 5. Шток электрододержателя; 6. Кристаллизатор; 7. Вакуумирующие насосы; 8. Механизм перемещения электрода; 9. Система видеонаблюдения за процессом переплава и измерения скорости образования слитка.

Между расходуемым электродом, именуемым катодом, и водоохлаждаемой изложницей - анодом - возникает электрический разряд. Выделяющееся в результате электрического разряда тепло начинает расплавлять конец электрода. Жидкий металл наполняет кристаллизатор - водоохлаждаемую изложницу. Кристаллизатор состоит из медной трубы определенного сечения и кожуха водоохлаждения. Кристаллизатор устанавливается в нижнюю часть вакуумной камеры, обеспечивая вакуумное уплотнение с достаточно низким переходным сопротивлением электрического тока. Снизу к кристаллизатору крепится поддон -медная плита. При начале работы и наведении жидкой ванны электрическая дуга горит между электродом и поддоном, а затем между электродом и жидким металлом. Механизм подачи электрода и электрододержатель установлены на несущей раме. Токопродводы обеспечивают равномерное контактное соединение между поддоном и кристаллизатором, а также между кристаллизатором и вакуумной камерой, позволяя добиваться равномерного протекания тока по кристаллизатору и поддону и снижая интенсивность магнитных полей.

Устройство перемещения электрода в вакуумной дуговой печи представлено в соответствии с рисунками 1.2а и 1.2б.

Рисунок 1.2а - Устройство перемещения электрода в вакуумной дуговой печи

ДПТ Редуктор 1 Редуктор 2

Рисунок 1.2б - Устройство перемещения электрода в вакуумной дуговой печи

Устройство перемещения электрода ВД печи состоит из: 1. Электродвигателя постоянного тока (ДПТ); 2. Муфты; 3. Червячного редуктора; 4. Шестерни; 5. Дифференциального редуктора; 6. Шестерни; 7. Подшипника; 8. Зубчатого колеса; 9. Звездочки; 10, 11. Шестерни; 12. Зубчатого колеса; 13. Звездочки; 14. Зубчатого колеса; 15. Звездочки; 16. Шестерни; 17. Сельсина передатчика; 18. Рычага; 19. Муфты; 20. Электрода; 21. Муфты (?); 22. Шестерни; 23. Противовеса.

Процесс переплава может происходить в вакууме или в среде инертного газа. Вакуумная система, которая состоит из двух последовательно соединенных насосов и форвакуумного насоса с масленым уплотнением, откачивает воздух из камеры печи.

В кристаллизаторе происходит горение электродугового разряда (ЭД разряда), плавление металла и формирование слитка. Изложница кристаллизатора, изготовленная из меди или хромистой бронзы, соединяется с двухслойной рубашкой охлаждения, между которыми циркулирует вода. На внешнюю сторону кристаллизатора намотана катушка соленоида, которая создает знакопеременное магнитное поле внутри изложницы.

Вакуумирование печи производят для удаления воздуха и создания рабочего разряжения в плавильном пространстве до начала включения агрегата. Сначала в печи создают предварительное разряжение с помощью форвакуумных насосов, затем включают высоковакуумные насосы.

Процесс переплава состоит из трех основных периодов: начального, основного и завершающего. В начальный период происходит кратковременный прогрев электрода и образование жидкой ванны для формирования качественной донной части слитка. Величина рабочего тока для основного периода переплава выбирается с учетом диаметра кристаллизатора, химического состава переплавляемого электрода и склонности его к ликвации. Время переплава электрода в основной период составляет для разных печей от 3 до 20 часов. Завершающий период плавки

заключается в постепенном снижении значения рабочего тока для уменьшения объема жидкой ванны и снижения объема усадочной раковины. Для оптимизации технологического процесса нужно обеспечить поддержание равномерной скорости переплава и межэлектродного расстояния в течение основного периода переплава. Глубина и форма металлической ванны, определяющие структурную, физическую и химическую неоднородность слитка, зависят от величины дуги, диаметра слитка и равномерной скорости переплава. После отключения тока слиток охлаждают в вакуумной камере до полного затвердевания металла. Затем производят выгрузку слитка из кристаллизатора.

Сигналы с шунтов, трансформаторов тока и датчиков напряжения дуги поступают в контроллер через блоки гальванической развязки. Регулирование тока осуществляется по сигналам с измерительных шунтов. Сигналы с трансформаторов тока, установленных на первичной стороне силового питающего трансформатора, служат для защиты выпрямителя от недопустимых перегрузок.

Процесс переплава расходуемого электрода и образования слитка сопровождается брызгами расплавленного металла на стенку изложницы выше уровня жидкого металла, образуя при этом корку, которую именуют «короной». «Корона» формируется из-за разбрызгивания металла, заключенного в развитии магнитодинамической неустойчивости между провисающими каплями с расходуемого электрода до ванны расплавленного металла, что доказано в работах [1,2].

Проведение анализа увеличения разбрызгивания металла при изменении межэлектродного промежутка, тока дуги и скорости переплава выявило следующую закономерность: при увеличении межэлектродного промежутка дуга начитает гореть нестабильно, с увеличением скорости ее движения по торцу расходуемого электрода. Из этого следует вывод: при увеличении подвижности электрической дуги увеличиваются высота и толщина «короны». Объяснение данного явления заключается в том, что, чем меньше межэлектродный промежуток, тем меньше

будет образовываться брызг при падении капель в расплав, и наоборот, чем больше межэлектродный промежуток, тем больше образуется брызг. Переплавлять на маленьком межэлектродном промежутке запрещается из -за частых коротких замыканий, приводящих к дефектам выплавляемых слитков. В этой связи следует проводить переплав расходуемых электродов при длине межэлектродного промежутка 10-25 мм над ванной жидкого металла[3,4].

Увеличивая межэлектродный промежуток, электрическая дуга может переместиться на стенку кристаллизатора, которая, в свою очередь, отрежет часть «короны». Отрезанная часть «короны» падает в жидкую ванну расплавленного металла и не может в ней полностью расплавиться из-за температуры ниже температуры плавления металла), вследствие чего образуется дефект, именуемый «улиткой» - брак пластических свойств слитка. Дефект «улитка» сложно находимый, поскольку он располагается внутри слитка и по химическим свойствам не позволяет себя обнаружить средствами контроля качества металла.

Переход электрической дуги на стенку кристаллизатора может прожечь его и привести к возникновению взрывоопасной ситуации.

Капли металла, стекающие с электрода, носят дискретный характер, их падение выглядит в виде дождя. Нагретый торец расходуемого электрода (около 1 -2 мм) образует провисающие капли, которые принято называть мостиками. Рост мостика происходит колебательно с частотой 360 Гц согласно работе[5]. Длина таких мостиков может достигать до 8 мм при межэлектродном промежутке в 10 -25 мм над ванной жидкого металла, что приведет к короткому замыканию между расходуемым электродом и жидкой ванной металла.

1.2 Математическое моделирование дуговой печи

Математическая модель ВД печи строится на базе следующих уравнений: источника питания, привода перемещения, электрической дуги, межэлектродного промежутка и т.д.

Работа[6] предлагает представить модель проводимости электрической дуги в следующем виде:

где д - проводимость дуги, См; Ьмд - мгновенное значение тока дуги, А; идд -действующее значение напряжения на дуге, В; в - постоянная времени проводимости дуги, с.

Постоянная времени в подбирается на основе сравнения вольтамперных характеристик, рассчитанных для различных промежутков переплава, которые получают экспериментально по частичному совпадению их форм. Колебания электрического режима происходят из-за влияния большого числа независимых факторов, суммарного закона распределения напряжений:

где иI - математическое ожидание действующих значений напряжений дуг, опытным путем получаем значение математического ожидания ^ ; -среднеквадратичное отклонение; ^ - одно из значений нормально распределенной случайной величины X с математическим ожиданием 0 и дисперсией 1.

(1.1)

и1 = и1 + ^,

(1.2)

Передаточная функция для рассматриваемой дуговой сталеплавильной печи:

ш ( л __к(ГэгР+1)__п

™Р(Р) р(т2р2+ 2 ЪЪ ф+1)(т|ф2+2 •T2f2ф+l), (13)

где К - коэффициент усиления исполнительного механизма перемещения

электродов; Т1, Т2 - приближенная постоянная времени механизма перемещения

электродов, с; тэг - постоянная затухания; , - относительные коэффициенты

затухания колебаний.

По результатам работы[6] реализована имитационная модель дуговой сталеплавильной печи, и проведен сравнительный анализ экспериментальных данных с расчетами на 45 экспериментах при различных стадиях переплава. Сравнительный анализ показал, что расхождение в расчетных и экспериментальных данных не превышает 10,5 %.

Найти напряжение электрической дуги можно с помощью уравнения Г. Айртон[7]:

ид = а + р-1д + (у + а1)/1д, (1.4)

где ид - падение напряжения на электрической дуге, В; ¿д - ток электрической дуги, А; 1д - длина электрической дуги, м; а, Р , у и а - постоянные, зависящие от материала электродов и от состава газа, в котором горит дуга.

Уравнение (1.4) преобразовал Ноттингам[8] и привел в нее зависимость от температуры:

ид = А + В • 1д + (С + Ю1)/1д}, (1.5)

где п = 2,62 • 10-4Т; Т - температура кипения материала анода, °С; А, В, С и Б -постоянные, зависящие от материала электродов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Положенцев Кирилл Анатольевич, 2016 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Глинков, М.А.. Расчет оплавления расходуемого электрода/ М.А. Глинков, Л.А. Волохонский, В.И. Дроздов // Электротермия. - Москва. - 1969. - Вып. 79.- С. 14 - 16.

2. Бочков, Д.А. Изучение гидродинамических процессов в вакуумной дуговой печи/ Д.А. Бочков, Л.А. Волохонский, Л.Е. Никольский // Тр. ВНИИТЭО. Исследования в области промышленного электронагрева. -Энергия.- Москва. - 1967. - вып. 2. - С. 33 - 41.

3. Заннер, Ф.Д. Наблюдения дуги в вакууме и переноса металла в процессе вакуумного дугового переплава с расходуемым электродом / Ф.Д. Заннер и др. // Труды Международной конференции по специальным технологиям плавки, п/р Г.К. Бата и Р. Склаттера (Американское общество специалистов по вакууму). - 1979.-С. 417 - 427.

4. Уильямсон, Р.Л. Исследования плазмы в вакуумном дуговом переплаве (Плазменная обработка и синтез) / Р.Л. Уильямсон, Ф.Д. Заннер, Л.А. Бертрам, Г.К. Пибс //Пенсильвания: общество по исследованию материалов. -Питсбург. - 1987. -С. 365 - 370.

5. Левушкин, А.И. Дуга горения / А.И. Левушкин. - Металлургия. - Москва. -1973. - 240 с.

6. Фомин, А.В. Построение имитационной модели дуговой сталеплавильной печи /А.В. Фомин // Известия Тульского государственного университета. -Технические науки. - вып. 3. - Тула. - 2009. - С. 315 - 321.

7. Радиофизическая электроника. Под ред. Н. А. Капцова, Изд. Московского университета, 1960.

8. Гусев, С.А. Очерки по истории развития выключателей переменного тока / С.А. Гусев. - Госэнергоиздат.- Москва. - 1958. - 288 с.

9. Миронов, Ю.М. Электрическая дуга в электротехнических установках. Монография / Ю.М. Миронов. - Изд. Чуваш. ун-та. - Чебоксары. - 2013. - 238 с.

10.Щедровский, С.Я. Высококремнистые ферросплавы / С.Я. Щедровский.-Металлургиздат. - Свердловск. - 1961. - 256 с.

11.Заннер, Ф.Д. Взаимосвязь между характеристиками падением напряжения в печи и рабочими параметрами - мощностью дуги, током дуги, давлением СО и межэлектродным зазором в процессе ВДП Инкотель 718 / Ф.Д. Заннер, Л.А. Бертрам, Р.Л. Гаррисон, Г.Д. Фландерс //Труды по металлургии. - 16В. - 1985.

12. Родни, Л.Д. Особенности распределения напряжения дуги в зависимости от силы тока, зазора под электродом и давления СО во время ВДП / Родни Л.Д. и др.//Журнал ММТ. - серия В. - Москва. - 1997. - С. 841 - 853.

13.Уильямсон, Р.Л. Современные стратегии контроля вакуумного дугового переплава чувствительных к ликвации сплавов / Р.Л. Уильямсон, Склинджер, Д.Д. Бимен // Общество по минералам, металлам и материалам. - 1997.

14.Peens, M. Modelling and Control of an Electrode System for a Three-Phase Electric Arc Furnace: Master of Engineering (Electronic Engineering) / M. Peens. -University of Pretoria, South Africa. - 2004. - 151 c.

15.Boxman, R.L. Handbook of Vacuum Arc Science and Technology: fundamentals and applications edited by R.L. Boxman, R. Haber, P.J. Martin. - Noyes Pablication. - 1995. - 743 с.

16.Поволоцкий, Д.Я. Электрометаллургия стали и ферросплавов / Д.Я. Поволоцкий, В.Е. Рощин, М.А. Рысс и др. - М.: Металлургия. - 1974. - 551с.

17.Волохонский, Л.А. Исследование причин возникновения ионизации в ВДП и разработка средств индикации ионизации / Л.А. Волохонский, С.В. Красковский, Ю.А. Изаксон-Демидов // Электротермия. - 1976. - С. 16 - 18.

18.Dednev A.A. Modernization of the control system and the electrical equipment of DSV vacuum arc furnaces / A.A. Dednev, M.A. Kisselman, S.M. Nekhamin, V.I.

Kalinin, Yu.N. Koshelev // Russian Metallurgy (Metally). - Volume 2010. - Issue 6. - June 2010. - С. 517 - 521.

19.Готин В.Н., Изаксон Демидов Ю. А., Всесоюзный научно исследовательский институт электротермического оборудования. Патент № 213994 - 1968.

20. Шалимов, А.Г. Интенсификация процессов специальной электрометаллургии / Шалимов А.Г., Готин В.Н., Тулин Н.А. - М:. Металлургия. - 1988. - 334 с.

21.Williamson, R.L. Low current VAR experiments at INCO alloys, huntington, west Virginia / R.L. Williamson. - Sandia National Laboratories internal publication. -1992.

22.Сосуров, Г.О. Оптимизация режимов выдержки слитков из жаропрочных сплавов в вакуумно-дуговой печи на базе предприятия ОАО «РУСПОЛИМЕТ» / Г.О. Сосуров, Е.А. Чернышов.- Advances in current natural sciences. - 2012. -54 c.

23.Maybeck, P.S. Stochastic models, estimation and control / P.S. Maybeck // Academic Press. - 1979.

24.Zanner, F.J. Arc voltage distribution properties as a function of melting current, electrode gap and CO pressure during vacuum arc remelting / F.J. Zanner, R.L. Williamson, S.M. Grose. - Met. and Mat. Trans. - 1998.

25. Дракин, А.Ю. Автоматизация регулирования скорости плавления расходуемых электродов при электрошлаковом переплаве / А.Ю. Дракин // Вестник Брянского государственного технического университета.- № 3(15). - 2007. -С.13 - 15.

26.Нехамин, И.С. Разработка систему управления дуговой печью постоянного тока: Автореф. дис. канд. тех. наук: 05.09.10 / И.С. Нехамин. - Московский энергетический институт (технический университет). - М. - 2009. - 20 с.

27.Богушевский, В.С. АСУ ТП плавильных установок специальной электрометаллургии / В.С. Богушевский, Г.Г. Грабовский, Д.Ф. Чернега, В.Я. Кожухарь // «Астропринт». - Одесса. - 2000.

28. Лапшин, И.В. Автоматизация дуговых печей/ И.В. Лапшин //М.: Издательство МГУ. - 2004. - 165 с.

29.Pridgeon, J.W. Metallurgical Treatment / J.W. Pridgeon, F.N. Damara, J.S. Huntington, W.H. Sutton // 1981. - С. 201 - 216.

30.Hopkins R.K. US Patent №2191479 - 1945.

31.Roberts R.J. Method and apparatus for controlling electrode drive speed in a consumable electrode furnace - U.S. patent № 4303797 - 1981.

32.Johnson E.W. Vacuum arc furnace control - U.S. patent № 2942045 - 1960.

33.Xu, X. Tree ring formation during vacuum arc remelting of INCONEL 718 Part II / X. Xu, W. Zhang, P.D. Lee // Mathematical modeling. Metall. Mater. Trans. - 2002. - С.1805 - 1815.

34.Energy Department of the United States US Patent № 4578795 - 1982.

35.Woodside, R. Arc distribution and motion during the vacuum arc remelting process as detected with a magneto static approach: Doctor of philosophy / R. Woodside. -Oregon state University. - 2010.

36.Wentzel J.M. US Patent № 3353585 - 1967.

37.Cassie, A.M. A new Theory of Arc Rupture and Circuit Severity / A.M. Cassie // CIGRE. - 1939. - №102. - С.1 -14.

38. Потапов, В.И. Математическое моделирование термонапряженного состояния наплавляемого слитка вакуумного дугового переплава / В.И. Потапов, М Бугаев // Электронный журнал «Исследовано в России». - №12. - 2004. - С. 119 - 124.

39.Davidson, P.A. Flow transition in vacuum arc remelting / P.A. Davidson, X. He, A.J. Lowe // Material Science and Technology. - 2000. - С. 699 - 711.

40.Zhi-jun, Yang Effect of remelting current on molten pool profile of titanium alloy ingot during vacuum arc remelting process /Yang Zhi-jun, Kou Hong-chao, Xiao-hua, Li Jin-shan, Hu Rui, Chang Hui, Zhou Lian //Journal of Shanghai Jiaotong University (Science). -Volume 16. - Issue 2. - 2011. - C. 133 - 136.

41.Williamson, R.L. A simple arc column model that accounts for the relationship between voltage, current and electrode gap during VAR / R.L. Williamson // Mitchell A. and Auburtin P. - 1997. - С. 339 - 347.

42.Keith, F. Principles of Heat Transfer / F. Keith. - International text book company. -1962.

43.Михайлов, О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов / Михайлов О.П. - М.: Машиностроение. - 1990. - 304 c.

44.Hysinger, C.L. The design and implementation of a multiple input electrode gap controller for a vacuum arc remelting furnace: Master's Thesis / C.L. Hysinger.-1995.

45.Finkl C.W. and Philbrick H.F. Jr. US Patent №3501289 - 1965.

46.C. Rigel Woodside Arc Distribution During the Vacuum Arc Remelting of Ti-6Al-4V / C. Rigel Woodside, Paul E. King, Chris Nordlund // Metallurgical and Materials Transactions B. - Volume 44. - Issue 1. - 2013. - С. 154-165.

47.Gerasimov, A.V. Vacuum arc furnace for the production of composite ingots / A.V. Gerasimov, A.A. Dednev, V.A. Elizarov, M.A. Kisselman, S.M. Nekhamin // Russian Metallurgy (Metally). - Volume 2014. -Issue 12. - 2014. - С. 940 -944.

48.Shevchenko, D.M. The Role of Side Arcing in the Global Energy Partition during Vacuum Arc Remelting of INCONEL 718 / D. M. Shevchenko, R. M. Ward //Metallurgical and Materials Transactions B. -Volume 40. - Issue 3. - 2009. - С. 248 - 253.

49.Ling Liu Data Types: Image, Video, Pixel, Voxel, Frame / Ling Liu, M. Tamer Ozsu. -Springer US. - 2009. - 647с.

50.Uwe Meyer-Baese Image and Video Processing. Digital Signal Processing with Field Programmable Gate Arrays Signals and Communication Technology / Uwe Meyer-Baese // 2014. - С. 739 - 794.

51.Shengping Zhang Signal, image and video processing / Shengping Zhang, Huiyu Zhou, Baochang Zhang, Zhenjun Han, Yuliang Guo // Semantic representations for social behavior analysis in video surveillance systems. Signal, Image and Video Processing. - Volume 8. - Issue 1 Supplement. - 2014. - C. 73 - 74.

52.Seiichi Gohshi A New Signal Processing Method for Video Image-Reproduce the Frequency Spectrum Exceeding the Nyquist Frequency Using a Single Frame of the Video Image/ Seiichi Gohshi //The Era of Interactive Media. - 2013. - C. 593 -604.

53.Tao Mei Video collage: presenting a video sequence using a single image / Tao Mei, Bo Yang, Shi-Qiang Yang, Xian-Sheng Hua //The Visual Computer. - Volume 25. - Issue 1. - 2009. - C. 39 - 51.

54.Romildo José da Silva Segmentation of Video Sequences using Volumetric Image Processing / Romildo José da Silva, Jonas Gomes, Luiz Velho //Multimedia '99. Eurographics 2000. - C. 13 - 22.

55.Pekka Paalanen Image Based Quantitative Mosaic Evaluation with Artificial Video / Pekka Paalanen, Joni-Kristian Kâmârâinen, Heikki Kâlviâinen // Image Analysis. Lecture Notes in Computer Science. - Volume 5575. - 2009. - C. 470 -479.

56.Glaz, A.B.A method of video image enhancement / A. B. Glaz,V. V. Smolyaninov //Automatic Control and Computer Sciences. - Volume 43. - Issue 1. - 2009. - C. 51 - 56.

57.King Ngi Ngan Multiview Image Segmentation and Video Tracking / King Ngi Ngan, Qian Zhang // Video Segmentation and Its Applications. -2011. - C. 117 -143.

58.Che-Chun Su Visual Quality Assessment of Stereoscopic Image and Video: Challenges, Advances, and Future Trends / Che-Chun Su, Anush Krishna Moorthy, Alan Conrad Bovik //Visual Signal Quality Assessment. -2015. - C. 185 -212.

59.Michael S. Lew Challenges of Image and Video Retrieval / Michael S. Lew, Nicu Sebe, John P. Eakins //Image and Video Retrieval. Lecture Notes in Computer Science. - Volume 2383. - 2002. - С. 1 - 6.

60.Q. Jane Wang Vacuum Arc - A Cathodic Arc Operating Without Any Process Gas / Q. Jane Wang, Yip-Wah Chung. -Springer US. - 2013. - 3945с.

61.Williamson, R.L. Optimal filtering applied to the vacuum arc remelting process / R.L. Williamson, D.K. Melgaard, J.J. Beaman // Metall. Trans. - 1998.

62.Ташкинов, А.Ю. Разработка математических моделей и алгоритмов и их применение для исследования и усовершенствования процессов вакуумного дугового переплава: автореф. дис. канд. тех. наук: 05.13.06 / А.Ю. Ташкинов -Уральский государственный технологический университет. - Екб. - 2003. - 21 с.

63.Альперович, М.Е. Зависимость параметров кристаллизации слитка при ВДП от технологических факторов / М.Е. Альперович, Л.П. Белянчиков, Е.И. Петрухин и др. // Металлургия. - №7. - 1971. - С.25 - 27.

64.Альперович, М.Е. Качество металла ВДП при применении повышенных токовых режимов / М.Е. Альперович, П.К. Житков, В.Н. Жучин // -Металлургия. - №10. - 1975. - С.19 - 21.

65.Альперович, М.Е. Начальный период вакуумной дуговой плавки / М.Е. Альперович, Б.Н. Зайцев // Металлургия. - №2. - 1977. - С.2 - 16.

66.Бесекерский В.А. Теория систем автоматического регулирования / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов.- М.: Наука, ГРФМЛ. - 1972. - 768 с.

67.Zanner, F.J. Metal transfer during vacuum consumable arc remelting / F.J. Zanner // Metallurgical transactions. - 1979. - С. 133 -142.

68.Zanner, F.J. Relationship between Furnace Voltage Signatures and the Operational parameters arc power, arc current, CO pressure, and electrode gap during vacuum arc melting INCONEL 718 / F.J. Zanner, L.A. Bertram, R. Harrison, H.D. Flanders // Met. Trans. - 1986. - С. 357 - 365.

69.Манагаров, В.Н. Математическое моделирование объемных электромагнитных сил в металлических расплавах (на примере дуговой печи постоянного тока): автореф. дис. ... канд. тех. наук: 05.13.18 / Манагаров Владимир Николаевич. -Челябинск. - 2009. - 16 с.

70.Белянчиков Л.Н. Основы расчета дуговых вакуумных печей / Л.Н. Белянчиков.

- Металлургия. - 1968. - 112с.

71.Williamson, R.L. Model-based control of the vacuum arc remelting process / R.L. Williamson, D.K. Melgaard, J.J. Beaman // TMS. - 2004. - С. 13 - 17.

72.Швед Ф.И. Слиток вакуумного дугового переплава/ Ф.И. Швед.- Челябинск. -2009. - 428с.

73.BASIC Scientific Subroutines, Vol. II by Ruckdeschel F.R. - BYTE / McGRAWW-HILL- 1981.

74.Положенцев, К.А. Построение модели процесса управления напряжением вакуумной дуговой печи. Сообщение 1 / К.А. Положенцев, П.А. Ливаткин, А.Г. Александров //Известия вузов: Черная металлургия. - 2015. - №3. - С. 203

- 206.

75.Положенцев, К.А. Построение модели процесса управления напряжением вакуумной дуговой печи. Сообщение 2 / К.А. Положенцев, П.А. Ливаткин, А.Г. Александров // Известия вузов: Черная металлургия. - 2015. - №6. - С. 444 - 447.

76.Положенцев, К.А. Метод оценки скорости переплава расходуемого электрода с использованием лазерного дальномера при управлении вакуумным дуговым переплавом / К.А. Положенцев, П.А. Ливаткин // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2015. - т.16. - №10. - С. 699 - 704.

77.Положенцев, К.А. Управление с помощью программного шага для вакуумной дуговой печи / К.А. Положенцев, П.А. Ливаткин // Известия вузов: Черная металлургия. - 2016. - № 1. - С. 29 - 34.

78.Polozhentsev, K.A. Voltage control in a vacuum arc furnace. Part 1 / A.G. Aleksandrov, P.A. Livatkin, K.A. Polozhentsev // Steel in Translation. - 2015.-Vol. 45.- Is. 3. -С. 195 - 198.

79.Polozhentsev, K.A. Voltage control in a vacuum arc furnace. Part 2 /A.G. Aleksandrov, P.A. Livatkin, K.A. Polozhentsev // Steel in Translation. - 2015.-Vol. 45.- Is. 6. -С. 427 - 429.

80.Polozhentsev, K.A. Effectiveness of a New Automated Control System for Vacuum Arc Remelting / A. I. Il'inskii, P.A. Livatkin, K.A. Polozhentsev // Steel in Translation. - 2015. - Vol. 45. - Is. 11. - С. 825 - 829.

81.Положенцев, К.А. Метод автоматизации вакуумной дуговой печи комплексным контролем параметров / В.Ф. Веселов, П.А. Ливаткин, К.А. Положенцев, А.Г. Александров, В.Н. Готин //«Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные Агрегаты. Экология»: сб. тр. VI Междунар. науч. -практ. конф. -Москва. - 2012. - С.112 - 113.

82.Положенцев, К.А. Адаптивный регулятор для вакуумной дуговой печи. / Жавыркин А.В., Ливаткин П.А., Положенцев К.А., Александров А.Г., Резков И.Г. //«Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные Агрегаты. Экология»: сб. тр. VI Междунар. науч.-практ. конф. -Москва. - 2012. - С.186 -187.

83. Положенцев, К.А. Программное движение электрода вакуумной дуговой печи / К.А. Положенцев// сб. тр. XI Всеросс. науч.-практ. конф. аспирантов и студентов. - Старый Оскол. - 2014. -С. 215 - 218.

84.Положенцев, К.А. Математическая оценка технологических параметров процесса вакуумного дугового переплава с учетом электрода конусной формы и отклонений тока печи / К.А. Положенцев, П.А. Ливаткин // сб. тр. XI Всеросс. науч.-практ. конф. аспирантов и студентов. - Старый Оскол. - 2014. -С. 218 - 219.

85.Положенцев, К.А. Построение модели процесса управления напряжением вакуумной дуговой печи / К.А. Положенцев //«Современные проблемы горнометаллургического комплекса. Наука и производство»: сб. тр. XI Всеросс. науч.-практ. конф. - Старый Оскол. - 2014. -С.307 - 312.

86. Положенцев, К.А. Двухкомпонентное управление вакуумным дуговым переплавом / К.А. Положенцев // «Современные проблемы горнометаллургического комплекса. Наука и производство»: сб. тр. XII Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Старый Оскол. - 2015. - С. 250 -255.

87. Положенцев, К.А. Автоматизированная система управления вакуумным переплавом с самоподстройкой / К.А. Положенцев // «Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство»: сб. тр. XII Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Старый Оскол. - 2015. -С. 246 - 250.

88.Положенцев, К.А. Экономическая эффективность автоматизированной системы управления вакуумной дуговой печи в сталеплавильном цехе ОАО «Металлургический завод «Электросталь» / М.Д. Герасимов, П.А. Ливаткин, К.А. Положенцев // Экономика в промышленности. - №1. - 2015. - С. 51 - 55.

89. Положенцев, К.А. Система управления током вакуумной дуговой печи / К.А. Положенцев, И.И. Крючков, А.Г. Александров //«Молодежь XXI века -Будущее российской науки»: сб. тр. 47-я науч.-практ. конф. - Электросталь. -2013. - С. 26 - 27.

90. Положенцев, К.А. Исследование трех электродвигателей и трех преобразователей частоты установленных на вакуумных дуговых печах / К.А. Положенцев, П.А. Ливаткин, А.Г. Александров // «Девятая всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов»: Всеросс. науч. -практ. конф. - Старый Оскол. - 2013. - С. 196 - 198.

91. Положенцев, К.А. Метод косвенной идентификации длины межэлектродного промежутка для ВДП / К.А. Положенцев, М.Д. Герасимов // сб. тр. XII Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Старый Оскол. - 2015. -С.77 - 79.

92.Положенцев, К.А. Определение удельного сопротивления межэлектродного промежутка для ВДП/ К.А. Положенцев, М.Д. Герасимов // сб. тр. XII Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Старый Оскол. - 2015. - С. 80 - 82.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Экономическая эффективность автоматизированной системы управления

вакуумной дуговой печью

Рыночная экономика требует, чтобы каждое техническое решение по созданию АСУ технологическими процессами было экономически обосновано с целью подтверждения целесообразности проведения предлагаемого мероприятия.

Разработанная АСУ вакуумным дуговым переплавом обеспечивает:

- стабильность процесса при переплаве жаропрочных сплавов, в том числе высоколегированных, с подавлением образования структурных макродефектов металлургического происхождения;

- хранение, сбор и статистический анализ первичной технологической информации обо всех плавках, записанных в памяти АСУ технологических процессов ВДП, а также расчетных параметров слитков для их последующего компьютерного анализа, определение причин технологических отклонений, оптимизация технологии и повышение выхода годной продукции;

- приведение технологии ВДП в соответствие с требованиями международных стандартов и запись технологических параметров с целью выдачи сертификата качества, установленного международного образца.

- повышение надежности технологии вакуумного дугового переплава.

- снижение трудозатрат.

После внедрения АСУ технологическим процессом не произошло высвобождения рабочих мест основных производственных единиц, снижение себестоимости при этом происходит за счёт снижения расхода электроэнергии и количества брака.

Экономические показатели до и после внедрения усовершенствованной автоматизированной системы управления ВДП приведены в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1 - Экономические показатели до и после внедрения новой АСУ ВД печи

Статья До После Экономия

внедрения внедрения Суммарная На 1 тонну

Потери на брак, руб/г. 258693,8 232824,42 25869,38 61,59

Оплата

электроэнергии, 1049352,56 839482,048 209870,512 499,69

руб/г.

Зарплата, руб./печьт 1627265,7 1627265,7 - -

Стоимость печи, руб. 15000000 16140000 -1140000 -

Амортизация, (4%), руб. 554400 600000 -46000 -109,52

Себестоимость

без амортизации, 9050,6 6890,27 907338,6 2160,33

руб./т

Себестоимость

с учетом амортизации, 10370,6 8318,84 861739,2 2051,76

руб./т

Средняя величина за 2012-2014 гг., уменьшение потерь на брак до 10%, годовой выпуск составляет 420 т. Замеры электроэнергии, потраченной на переплав одной тонны металла, показывают снижение на 20 %.

В таблице 2 приведены данные для расчета чистого дисконтированного дохода и сопутствующих величин с помощью метода денежных потоков. Данный метод применяется в инвестиционном анализе, для оценки экономической эффективности внедряемого оборудования.

Таблица 2 - Исходные данные проекта по автоматизации вакуумной дуговой печи на АО «Металлургический завод «Электросталь»

Показатели Значения

1. Затраты на приобретение нового оборудования, руб. 467 209,00

2. Затраты на доставку, монтаж и пуско-наладочные работы, руб. 335 000,00

3. Затраты на инженерное обустройство, руб. 335 000,00

4. Гарантированный срок работы нового оборудования, г. 5

5. Себестоимость продукции за год до автоматизации, руб. 4 355 652,0

6. Себестоимость продукции за год после автоматизации, руб. 3 493 912,8

7. Годовой объём заказов, т 420,0

8. Депозит, % 11,0

9. Уровень риска проекта,% 8,0

10. Инфляция на валютном рынке,% 6,6

Из данных, приведенных в соответствии с рисунком 1, следует, что в 2012 и 2013 гг. в проект только вкладывали денежные средства, а с 2014 г. он начал приносить доход. Прибыль составляет 861739,2 руб./год в соответствии с рисунком 1.

Рисунок 1 - Диаграмма финансовых потоков по годам

Сквозной расход металла стал ниже на 83 кг/т, составляя экономию в размере 70785,72 руб./год и позволяя получать прибыль от проекта за 2,25 г. (2 квартал 2015 г.), что изображено в соответствии с рисунком 2.

Рисунок 2 - График изменения приведённого ежегодного дохода (ЫРУ^) и приведённой прибыли (ЧТСг) по годам

На основании количества поступивших заказов в течение первого квартала 2015 г. и того же показателя за 2012-2014 гг. (по информации маркетингового отдела АО «Металлургический завод «Электросталь»), можно сделать вывод о том, что произошло снижение объема заказов на 10%, что приведено в соответствии с таблицей 3.

Таблица 3 - Объемы заказов за первый квартал 2012-2015 гг.

Год

2012 2013 2014 2015

Объем заказов за 1 квартал 205 198 213 187

Проведем расчёт дисконтированного дохода при снижении объёма заказов на 10% от текущего значения, соответственно уменьшив прибыль с 861739,2 руб./год:

7 =7 Ал -—\ (1)

^общ ^общ I1 100/,

где Т - снижение объёма заказов,(10%); 20бщ - годовая экономия без изменения объема заказов, руб./год.

1'общ = 775565,28ру б./год

Диаграмма финансовых потоков по годам при снижении объема заказов на 10%, приведена в соответствии с рисунком 3.

Рисунок 3 - Диаграмма финансовых потоков по годам при снижении объема заказов

на 10%

Прибыльным проект становится только с начала первого квартала 2016 г., что изображено в соответствии с рисунком 4.

Рисунок 4 - График изменения КРУ! и ЧТС по годам при снижении объема заказов

на 10%

Из данных, приведенных в соответствии с рисунком 3, следует, что доход становится меньше, однако, с 2014 г. проект начнет приносить доход.

На основе полученных данных экономические показатели составили:

1) Срок окупаемости - 2,55 года (3 квартал 2015 г.);

2) Снижение объёмов заказов на 10% установит индекс доходности вложений равным 11%, что, в свою очередь, тождественно равно проценту по депозитным вкладам.

Ввиду снижения объема заказов стоит рассчитать точку безубыточности проекта - такой объём продукции, при котором количества инвестиций, вложенных в проект, и прибыли, полученной от его реализации, равны.

Под прибылью от рассматриваемого проекта понимают экономию на затратах при производстве продукции за 5 лет. Рассчитаем, какую прибыль без амортизации нужно получать, чтобы проект был рентабельным:

где Р - прибыль без амортизации, руб./год; Э - стоимость всего проекта по автоматизации, руб.; т. - количество лет на окупаемость проекта, для автоматизации производства это значение равно 5.

Прибыль с амортизационными отчислениями находится из следующего выражения:

(2)

Р0бщ — 228000 руб./год

Робщ — Р + А,

(3)

где Р0бщ - прибыль с амортизационными отчислениями, руб./год; А амортизационные отчисления, руб./год.

р'бщ = 506784,72 руб./год

Определим объемы производства, при которых проект будет рентабельным в течение 5 лет, с помощью следующего уравнения:

Робщ "ттек , . ч

*общтек

где п - объемы производства, при которых проект будет рентабельным в течение 5 лет, тонн/год; штек - объемы производства за 2012-2014 гг., тонн/год; Р0бщтек -прибыль с амортизационными отчислениями за 2012-2014 гг., руб./год.

п = 246,9 тонн/год

При объеме производства в 247 тонн/год предприятие не понесёт убытков от внедрения автоматизированной системы управления, а рентабельность проекта составит 100%.

Диаграмма финансовых потоков по годам для расчета точки безубыточности приведена в соответствии с рисунком 5.

Рисунок 5 - Диаграмма финансовых потоков по годам для расчета точки

безубыточности

По графику ЧТС видно, что за пятилетний срок работы проект выходит на значение близкое к 0 в соответствии с рисунком 6.

— мру1 чта

Рисунок 6 - График изменения КРУ! и ЧТС по годам для расчета точки

безубыточности

Отсюда следует, что объём равный 247 тонн в год, действительно соответствует точке безубыточности проекта.

Таким образом, расчёт экономической эффективности внедренного технического решения, на вакуумно-дуговой печи №8 сталеплавильного цеха №6 АО «Металлургического завода «Электросталь» показал следующее:

1. Суммарные затраты на разработку, наладку и инженерное обустройство составили 1 137 209 руб.;

2. Брак снизился на 10%;

3. Затраты на электроэнергию снизились на 20%;

4. Годовой экономический эффект с учётом снижения на 10% объёмов производимой продукции (из-за неблагоприятных экономических условий металлургической отрасли) равен 775 565 руб., при этом доходность вложений составила 11% годовых. Проект окупился за 2,55 г. (3 квартал 2015 г.);

5. Точка безубыточности проекта будет достигнута при годовом выпуске продукции, равном 247 тоннам в год, что позволит окупить проект за 5 лет;

6. Даже в случае снижения объемов заказов на 41% предприятие не понесет убытков от внедрения автоматизированной системы управления.

Установка разработанной АСУ на остальных вакуумно -дуговых печах сталеплавильных цехов АО «Металлургический завод «Электросталь» экономически целесообразна, поскольку это позволит вывести предприятие на более высокий технологический уровень и обеспечить доходность инвестиций даже при снижении количества заказов.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Анализ получаемой продукции с помощью разработанной АСУ

Рассмотрим качество получаемых слитков в ходе вакуумного дугового переплава с использованием модернизированной АСУ вакуумной дуговой печью №8 в сталеплавильном цеху №6 на АО «Металлургический завод «Электросталь».

С целью исследования качества выплавляемых слитков был выбран сплав ЭИ435.

Электроды 0250 мм исследуемого сплава были подготовлены к вакуумному дуговому переплаву методом сплошной обточки поверхности на обдирочных станках. Диаметры и вес подготовленных электродов приведены в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1 - Диаметры и вес подготовленных электродов

Диаметры

№ электрода Вес подготовленных электродов, кг подготовленных электродов, мм Дефекты

голова хвост

на конусе

1 654 250 230 поперечная трещина

2 596 250 224 -

3 610 250 230 -

4 636 250 226 -

5 638 250 230 на конусе

6 622 250 230 поперечная трещина

Продолжение таблицы 1

7 648 248 222 —

8 637 250 224 на конусе поперечная трещина

9 598 250 230 —

10 615 247 226 —

11 606 250 226 —

12 625 250 230 на конусе поперечная трещина

13 612 250 230 на конусе поперечная трещина

14 623 250 230 —

15 641 250 224 —

16 655 246 230 —

17 596 249 226 —

18 607 253 230 —

19 631 250 230 на конусе поперечная трещина

20 639 250 222 —

Вакуумный дуговой переплав первых 13 электродов был произведен в кристаллизаторе 0320 мм в сталеплавильном цеху №6 на вакуумной дуговой печи №8 с применением новой АСУ (опытная технология). Изображение слитка,

полученного с помощью опытной технологии, приведено в соответствии с рисунком 1.

Рисунок 1 - Слиток, переплавленный с применением опытной технологии

Оставшиеся 7 электродов были переплавлены с применением старой АСУ (серийная технология) в сталеплавильном цеху №6 на вакуумной дуговой печи №10. Изображение слитка, полученного с помощью серийной технологии, приведено в соответствии с рисунком 2.

Рисунок 2 - Слиток, переплавленный по серийной технологии

При вакуумном дуговом переплаве с применением новой АСУ подстывания «жидкой» ванны металла у края кристаллизатора не наблюдалось.

Продолжительность возникшей ионизации была сокращена до 1 секунды в результате ее обнаружения посредством анализа полученного изображения. Наблюдалось мгновенное подавление зарождающейся ионизации благодаря сжатию столба дуги знакопеременным магнитным полем. На протяжении всего переплава на расходуемом электроде сохранялся четкий край («буртик»). Внешний вид оставшихся после переплава по обеим технологиям огарков приведен в соответствии с рисунком 3.

Серийная технология

Технология с применением новой системы управления

Рисунок 3 - Внешний вид оставшихся огарков (с применением обеих технологий)

Скорости переплава электродов сплава ЭИ435 приведены в соответствии с таблицей 2. Требовалось поддерживать желаемую скорость переплава электрода равной 1,7 кг/мин. Из таблицы 2 видно, что скорость наплавления слитков, переплавленных по серийной технологии, и скорость наплавления слитков с применением новой АСУ находятся приблизительно на одном уровне. Однако технологические параметры новой АСУ (напряжение, ток, расстояние и т.д.) постоянны, что позволяет поддерживать идентичность технологии.

Таблица 2 - Параметры переплава

Скорость

Технология № электрода переплава электрода, кг/мин

1, 5, 12 1,71

Опытная 2, 4, 6, 8, 9, 13 1,70

3, 7, 10, 11 1,69

Среднее значение 1,69

14 1,85

15, 20 1,77

16 1,63

Серийная 17 1,71

18 1,75

19 1,80

Среднее значение 1,75

После выгрузки из кристаллизатора охлаждение слитков осуществлялось на воздухе. Ультразвуковой контроль дефектов не выявил.

После обработки поверхностей на слиткообдирочных станках, слитки сплава ЭИ435 были переданы в кузнечнопрессовый цех №2 на деформацию горизонтальным прессом 6300. При поступлении слитков в кузнечнопрессовый цех №2 были выявлены следующие особенности: на слитке №2 плавки по серийной технологии произвели дополнительное удаление головной части на 125 мм (из-за не удаляемых дефектов поверхности вакуумного дугового слитка - шлакового

включения). Подготовку, нагрев и прессование слитков произвели по серийной технологии с помощью контейнера 0310 мм на заготовку 095 мм для прокатного цеха №3. Замечаний при прессовании слитков не было. Полученные заготовки 095 без дополнительной обработки поверхности были сданы в прокатный цех №3. Передел заготовок на стане «350/250» осуществлялся по действующей технологии. Замечаний по исполнению технологии нет. Контроль качества металла марки ЭИ435 плавок серийной технологии в 060мм и в 032мм осуществлялся в объеме ТУ14-1-1671. Механические свойства, определяемые при комнатной температуре, соответствуют нормам ТУ14-1-1671 и имеют достаточный запас по всем характеристикам. Контрольно-сдаточные испытания плавки опытной технологии в 028/26мм и в 027/25мм проводили в соответствии с ТУ 14-1-3957. Макроструктура всех плавок опытной технологии удовлетворительная. Сквозной расход металла от вакуумного дугового слитка до катаного сорта со стана «350/250» представлен в соответствии с таблицей 3. Из таблицы видно, что сквозной расход металла на плавке, выплавленной с применением опытной технологии, ниже, чем с применением серийной технологии на 83 кг/т.

Таблица 3 - Сквозной расход металла

Технология Сталеплавильный цех №6 КПЦ-2* Прокатный цех №3 Р.к. вых.*

Р.к. на подг.* Р.к. на переп.* Р.к. на обр.* Р.к. на пр.* Р.к. на а/обр.* Р.к. на прокат*

серийная 1308 1086 1180 1165 1040 1045 2122

опытная 1103 1142 1149 1060 1016 2039

* КПЦ-2 - кузнечно-прессовый цех №2; Р.к. на подг. - расходный коэффициент на подготовку к переплаву, кг/т; Р.к. на переп. - расходный коэффициент на переплав, кг/т; Р.к. на обр. - расходный коэффициент на обработку, кг/т; Р.к. на пр. - расходный коэффициент на прессование, кг/т; Р.к. на а/обр. - расходный коэффициент на обдирку, кг/т; Р.к. на прокат -

расходный коэффициент на прокат заготовок, кг/т; Р.к. вых. -расходный коэффициент, кг/т.

выходной

На рисунках 4, 5, 6 и 7 представлена макроструктура слитков сделанных на вакуумной дуговой печи №8.

V* -.у* :• -

ж®

■ЁЗ& - Ж

¿да: # < >

"I .* V V,- - V ■

к ^ОВ ' . . г - • • Ми' и 1

Рисунок 4 - Поперечное сечение переплавляемого расходуемого электрода сплава

ЭИ435 на вакуумной дуговой печи №8

Рисунок 5 - Продольное сечение переплавленного слитка сплава ЭИ435 на

вакуумной дуговой печи №8

Рисунок 6 - Продольное сечение переплавленного слитка сплава ЭИ435 на

вакуумной дуговой печи №8

Рисунок 7 - Макроструктура головной части слитка ЭИ435 переплавленного на

вакуумной дуговой печи №8

Результаты, полученные после сравнения слитков, выплавленных с помощью опытной и серийной технологий:

1. Сквозной расход металла от вакуумного дугового слитка до катаного сорта со стана «350/250» на примере слитка опытной технологии ниже, чем у слитка, полученного по серийной технологии, на 83 кг/т;

2. Уменьшился расход металла на 38 кг/т при обработке слитка вакуумного дугового переплава;

3. Применение при вакуумном дуговом переплаве новой системы управления способствует подавлению зарождающейся ионизации во время переплава, поддержанию постоянной скорости переплава и стабилизации процесса плавления;

4. Макроструктура всех слитков сплава ЭИ435 переплавленных с помощью новой системы управления, однородна и удовлетворяет предъявляемым требованиям;

5. С помощью опытной технологии улучшилась структура поверхности вакуумного дугового слитка;

6. Механические свойства слитков полученных на вакуумной дуговой печи №8, имеют достаточный запас по всем характеристикам.

ПРИЛОЖЕНИЕ В Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Грамота победителя и призера Всероссийских конкурсов

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Акты и справки об использовании результатов работы на предприятиях и

учреждениях

«Утверждаю» ехнический директор аллургический завод «Электросталь» И.В. Кабанов

АКТ

о внедрении в производство результатов диссертационной работы Положенцева Кирилла Анатольевича на тему «Автоматизация технологического процесса вакуумно-дугового переплава с использованием систем стабилизации»

Настоящий акт составлен в том, что на АО «Металлургический завод «Электросталь» внедрены и апробированы результаты диссертационной работы Положенцева К.А. «Автоматизация технологического процесса вакуумно-дугового переплава с использованием систем стабилизации».

На основании производственного задания старшим мастером по ремонту участка наладки и ремонта технологических ЭВМ цеха контрольно-измерительных приборов и автоматики Положенцевым К.А. лично разработана и внедрена автоматизированная система управления вакуумной дуговой печью, которая позволила увеличить объемы годной продукции путем улучшения качества готовой продукции и снижения затрат на брак и электроэнергию. Работа выполнена в сталеплавильном цехе №6 на вакуумной дуговой печи №8. Данная автоматизированная система управления вакуумной дуговой печью выполнена на базе программируемого обеспечения фирмы Siemens и предназначена для переплава металла в печах типа ДСВ-3, 2-Г1.

«УТВЕРЖДАЮ»

науке и развитию технологического

Заместитель директора по стратегическому Старооскольского

института им. A.A. Угарова (филиала) федерального государственного автономного зазовательного учреждения высшего профессионального образования

Щад^нальный исследовательский

-;технологический университет «МИСиС»

Н.И. Репников 2015 г.

СПРАВКА

об использовании результатов диссертационной работы аспиранта Старооскольского технологического института им. A.A. Угарова (филиала) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» Положенцева Кирилла Анатольевича

Полученные в диссертационной работе Положенцева К. А. результаты, а именно: -комплексная математическая модель вакуумной дуговой печи;

-система автоматической стабилизации межэлектродного промежутка с помощью двухкомпонентного управления;

-система автоматической стабилизации скорости переплава расходуемого электрода с помощью лазерного дальномера;

-система автоматической стабилизации отклонений вакуумного дугового переплава по видеоизображению;

-принципы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами

используются в Старооскольском технологическом институте им. A.A. Угарова (филиале) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» в процессе формирования профессиональных компетенций у студентов 2 и 3 курса бакалавриата направления 150400 «Металлургия» профилей подготовки «Металлургия черных металлов», «Теплотехника металлургических процессов», «Обработка металлов давлением» при изучении дисциплин «Информационные технологии и автоматизация в металлургии», «Металлургические технологии», «Технические средства автоматизации в металлургии»

Зав. кафедрой металлургии и металловедения им. С.П. Угаровой СТИ НИТУ«МИСиС» канд. техн. наук, доцент

A.A. Кожухов ЯнбьрХ 2015 г.