автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка электротехнических систем непрерывной группы стана горячей прокатки при расширении сортамента полос

; и Г

п рол ьи ь;

О: У 'ЗС ^ <? П н О г-; На правах рукописи

ХРАМШИН ВАДИМ РИФХАТОВРГЧ

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНОЙ ГРУППЫ СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ ПРИ РАСШИРЕНИИ СОРТАМЕНТА ПОЛОС

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

3 ОКГ 2013

005533884

Магнитогорск - 2013

005533884

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор КАРАНДАЕВ Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

УСЫНИН Юрий Семенович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ(НИУ)», г. Челябинск, профессор кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок»

ДМИТРИЕВ Борис Федорович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «СПбГМТУ», г. Санкт-Петербург, профессор кафедры «Электротехника и электрооборудование»

МЕЩЕРЯКОВ Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «ЛГТУ», г. Липецк, заведующий кафедрой «Электропривод»

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва

Защита состоится 01 ноября 2013 г. в 14 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Автореферат разослан «11» сентября 2013 г.

Ученый секретарь л

диссертационного совета Д.212.111.04 Р

к.т.н., доцент К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время мировое производство стали превышает 1 млрд. 200 млн. т. Около половины этого объема - тонкий горячекатаный и холоднокатаный лист. Полосовая сталь составляет до 70% всего горячекатаного листового проката. Более 25% тонкой горячекатаной полосы не подлежит дальнейшей обработке в холодном состоянии, т.е. является конечной рыночной продукцией. Расширение сортамента за счет производства горячекатаных полос толщиной менее 2 мм, относящихся к категории особо-тонких, является общепризнанной мировой тенденцией.

Под влиянием общемировых тенденций на ряде отечественных широкополосных станов горячей прокатки (ШСГП) осваивается производство полос толщиной до 0,8-Н,2 мм, ранее относившихся к сортаменту станов холодной прокатки. На мировом рынке для одинаковых марок и профилеразмеров разница в цене горячекатаного и холоднокатаного проката достигает 25% или примерно от 40 до 120 долл./т. В то же время изготовитель получает экономию за счет снижения расходов на дополнительные переделы. Так, прокатка горячекатаных полос по сравнению с прокаткой холоднокатаных снижает себестоимость металлопродукции на 20н-50 долл./т. Кроме этого, использование горячекатаного подката толщиной 1,2 мм вместо подката толщиной 2,0 мм при производстве холоднокатаных полос толщиной 0,35 мм повышает производительность стана холодной прокатки на 28%. Дополнительно снижаются энергозатраты и расходные материалы.

Вместе с тем, исследования, выполненные специалистами ведущих металлургических компаний, позволили сделать вывод, что в будущем использование обычных высокопроизводительных станов для производства горячекатаной полосы традиционного сортамента в больших объемах маловероятно. Они будут необходимы для прокатки труднодеформируемых и специальных сталей. В связи с ситуацией, возникшей в прошедшем десятилетии на рынке горячекатаной продукции, значительно возрос спрос на так называемую трубную заготовку, для производства которой на отечественных металлургических предприятиях не хватало производственных мощностей.

Исторически сложилось, что производство горячекатаной полосы в России сосредоточено на металлургических предприятиях с полным технологическим циклом. Поэтому удовлетворение потребностей рынка в горячекатаной полосе расширенного сортамента неизбежно связано с внедрением технологий производства как тонкой, так и толстой труднодеформируемой полосы на существующих широкополосных станах.

Перечисленные тенденции, связанные с изменением сортамента ШСГП, в полной мере касаются ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»), на долю которого приходится 17% отечественного металлопроката. Разработаны технологии производства полос толщиной до 18 мм из труднодеформируемых марок стали из слябовой заготовки толщиной 300 мм на широкополосных станах 2000 и 2500 ОАО «ММК». Однако при этом практически не учитывались ограничения, накладываемые на технологический

процесс со стороны электроприводов и существующих систем автоматического регулирования технологических параметров, обеспечивающих производительность стана и качество продукции.

Особенности производства трубной заготовки связаны, прежде всего, с низкими скоростями прокатки, высокими, неравномерными обжатиями по клетям, что приводит к снижению устойчивости технологического процесса, повышению вероятности аварийных ситуаций, увеличению материалоемкости продукции.

При производстве тонких полос существенно возрастают требования, предъявляемые к разнотолщинности полосы, которая должна находиться в пределах ±3,5+5%. При таком сортаменте значительное влияние на разнотол-щинность оказывают отклонения натяжений и точность согласования скоростей прокатки по клетям. Соответственно возникает задача повышения точности совместного регулирования взаимосвязанных технологических параметров в установившемся и динамических режимах.

Непрерывная (чистовая) группа ШСГП является одним из сложнейших объектов регулирования с переменными параметрами. Основными системами автоматического регулирования технологических параметров, обеспечивающих точность геометрических размеров полосы, являются системы автоматического регулирования натяжения и петли (САРНиП), толщины (САРТ) и управления скоростными режимами (СУРС) электроприводов клетей. Именно ресурсы и возможности этих систем создают технические предпосылки для производства полос расширенного сортамента.

Большой вклад в развитие теории и разработку автоматизированных электроприводов и систем автоматического регулирования технологических параметров прокатных станов внесли отечественные и зарубежные ученые: Бычков В.П., Дружинин Н.Н., Филатов А.С., Селиванов И.А., Осипов О.И., Усы-нин Ю.С., Дралюк Б.Н., Леонидов-Каневский Е.В., Лысенков Н.Г., Клерре G., Rosenthal P., Hamada К., Bald W., Egawa N. и другие.

Однако выполненные ранее разработки носят жестко ограниченный для каждой из систем чистовой группы характер. Необходимость учета взаимосвязей электромеханических систем через металл, обеспечения их согласованной работы в динамических режимах предопределили актуальность проведения более тщательных исследований и обобщающего учета свойств автоматизированных электроприводов и систем автоматического регулирования технологических параметров, объединенных в диссертации термином "взаимосвязанные электротехнические системы".

Целью диссертационной работы является разработка научно обоснованных, концептуально связанных технических решений, направленных на совершенствование электротехнических систем непрерывной группы широкополосного стана горячей прокатки, создающих техническую возможность расширения сортамента за счет производства особотонких полос толщиной 0,8+1,2 мм и толстой полосы толщиной 16+24 мм из труднодеформируемых марок стали при обеспечении энерго- и ресурсосбережения и повышении качества продукции.

Энергосбережение достигается за счет снижения потерь электрической энергии, ресурсосбережение - за счет снижения материалоемкости производства путем сокращения брака и потерь с концевой обрезью независимо от сортамента полос.

Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:

1. Экспериментальные исследования взаимосвязанных электротехнических систем чистовых групп широкополосных станов 2000 и 2500 горячей прокатки. Уточнение технологических требований к автоматизированным электроприводам и системам автоматического регулирования технологических параметров при прокатке полос расширенного сортамента.

2. Разработка математической модели электротехнических систем непрерывной группы с учетом их взаимосвязи через обрабатываемый металл, обеспечивающей возможность исследования известных и разработанных алгоритмов управления.

3. Уточнение математических зависимостей и совершенствование алгоритмов цифровых САРНиП, САРТ и СУРС, обеспечивающих повышение точности вычисления и регулирования координат в установившемся и динамических режимах.

4. Совершенствование алгоритмов систем взаимосвязанного управления скоростными режимами электроприводов и автоматического регулирования технологических параметров, обеспечивающих повышение точности регулирования натяжения и толщины полосы за счет динамической компенсации возмущающих воздействий.

5. Разработка математической модели взаимосвязи удельного натяжения и толщины полосы. Исследование влияния отклонений натяжения на продольную разнотолщинность. Разработка способа и системы взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины, обеспечивающих повышение точности регулирования секундного объема полосы в межклетевом промежутке.

6. Разработка способов и систем управления электро- и гидроприводами, обеспечивающих снижение продольной разнотолщинности на концах рулона и улучшение условий захвата полосы за счет упреждающей коррекции параметров прокатки.

7. Разработка способов и систем регулирования скорости электроприводов клетей, обеспечивающих энергосбережение в результате снижения потребления реактивной мощности за счет схемотехнических решений и алгоритмов управления без применения компенсирующих устройств.

8. Промышленное внедрение разработанных систем и алгоритмов, проведение экспериментальных исследований, оценка технико-экономической эффективности.

Методика проведения исследований. В работе использованы базовые положения теории электропривода, теории автоматического управления, методы операционного исчисления. Теоретические исследования проводились с использованием аппарата передаточных функций, методов преобразования структурных схем и структурного моделирования. Решения отдельных задач получены путем математического моделирования в среде Ма^аЬ-БтиПпк.

Экспериментальные исследования проводились на действующих прокатных станах путем прямого осциллографирования координат с последующей обработкой результатов с применением методов математической статистики.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований взаимосвязанных электротехнических систем непрерывных групп широкополосных станов горячей прокатки, на основе которых разработаны технологические требования к автоматизированным электроприводам и системам автоматического регулирования технологических параметров при расширении сортамента полос.

2. Математическая модель электромеханических и гидравлических систем непрерывной группы, разработанная с учетом их взаимосвязи через обрабатываемый металл, включающая принципиально новые усовершенствованные алгоритмы управления скоростными режимами электроприводов и автоматического регулирования технологических параметров.

3. Уточненные цифровые алгоритмы регулирования натяжения в динамических режимах, обеспечивающие снижение продольной разнотолщинности полосы за счет повышения точности вычислений момента электропривода петледержателя и размера петли в межклетевом промежутке.

4. Алгоритмы каскадного управления скоростными режимами электроприводов, обеспечивающие автоматическое пропорциональное регулирование скоростей валков клетей чистовой группы при управляющих и возмущающих воздействиях с передачей корректирующего воздействия против хода прокатки.

5. Способ и система взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины полосы, согласно которым осуществляется автоматическая коррекция положения гидравлического нажимного устройства предыдущей клети при управляющих и возмущающих воздействиях, вызванных изменением положений петледержателя либо нажимного устройства последующей клети.

6. Общий принцип, способы и системы управления электроприводами, обеспечивающие автоматическое повышение скорости вращения валков на величину статической просадки скорости, осуществляемое перед захватом либо непосредственно в момент захвата полосы.

7. Способ регулирования толщины полосы, основанный на сочетании косвенного регулирования с усреднением показаний датчиков за заданный промежуток времени, прямого регулирования по сигналу от выходного толщиномера и внешней коррекции, обеспечивающей компенсацию возмущающих воздействий и перераспределение обжатий по клетям чистовой группы.

8. Система автоматической коррекции толщины головного участка путем разведения валков перед входом полосы в клеть с последующим их возвращением в заданную позицию для прокатки основного участка полосы. Обоснованные параметры коррекции межвалкового зазора, при которых обеспечивается отклонение толщины в пределах ±1%.

9. Способы и системы двухзонного регулирования скорости тиристорных электроприводов клетей прокатных станов, обеспечивающие уменьшение потерь электрической энергии за счет снижения потребления реактивной мощно-

сти, достигаемого в результате уменьшения запаса выпрямленной ЭДС тири-сторного преобразователя.

10. Результаты исследований и промышленного внедрения разработанных электротехнических систем, подтвердившие технико-экономическую эффективность, обеспечиваемую за счет снижения материалоемкости, энергосбережения, повышения качества продукции и устойчивости технологического процесса.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением положений теории электропривода, теории автоматического управления и методов математического моделирования, использованием реальных характеристик действующего оборудования, адекватностью расчетных и экспериментальных данных, результатами экспериментальных исследований и длительной эксплуатации внедренных систем на действующих станах 2500 и 2000 горячей прокатки.

Научная новизна работы заключается в том, что она углубляет и расширяет теоретические представления о взаимосвязанном регулировании координат электроприводов и технологических параметров широкополосного стана горячей прокатки, предлагает новые принципы и алгоритмы управления взаимосвязанными электротехническими системами, раскрывает возможности и резервы энерго- и ресурсосбережения средствами автоматизированных электроприводов и систем управления.

В работе получены следующие основные научные результаты:

1. Установлены закономерности, уточняющие и корректирующие представления о взаимном влиянии технологических параметров в процессе непрерывной прокатки: влиянии натяжения на разнотолщинность полосы и возмущающих воздействий в виде отклонений скоростей валков, углов подъема петледержателей и положения нажимных устройств на натяжение.

2. Определены математические соотношения и алгоритмы, способствующие повышению точности вычисления и регулирования натяжения, высоты петли и толщины полосы.

3. Предложен принцип каскадного регулирования скоростей взаимосвязанных электроприводов клетей непрерывной группы, обоснованы и разработаны алгоритмы управления скоростными режимами, обеспечивающие взаимное согласование скоростей за счет динамической компенсации управляющих и возмущающих воздействий.

4. Сформулирована концепция взаимосвязанного регулирования технологических параметров в непрерывной группе широкополосного стана. Разработан способ автоматического регулирования секундного объема полосы в межклетевом промежутке за счет взаимосвязанного регулирования натяжения, толщины и скорости валков последующей клети при управляющих и возмущающих воздействиях, вызывающих изменение положения петледержателя.

5. Разработаны общий принцип, способы и алгоритмы упреждающей коррекции скорости электропривода прокатной клети в однократноинтегрирую-

щей системе, обеспечивающие компенсацию статического отклонения скорости, предварительно определенного для каждого профилеразмера полосы. Предложен алгоритм самообучения системы управления.

6. Предложен принцип параметрического регулирования межвалкового зазора в функции длины полосы, реализуемый увеличением зазора перед входом полосы в клеть с последующим возвращением нажимных устройств в заданное положение для прокатки основного участка полосы.

7. Получила развитие концепция построения и реализации энергосберегающих электроприводов постоянного тока с перераспределением запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя в установившемся и динамических режимах. Разработаны способы и системы двухзонного регулирования скорости, обеспечивающие ограничение выпрямленной ЭДС на номинальном уровне независимо от режима нагрузки электропривода.

Практическая ценность работы состоит в том, что в результате разработки автоматизированных электроприводов и систем управления созданы технические предпосылки для производства горячекатаных полос расширенного сортамента на отечественных металлургических предприятиях. Независимо от сортамента, внедрение разработанных технических решений обеспечивает энерго- и ресурсосбережение за счет сокращения потерь электрической энергии и снижения материалоемкости производства.

1. Для технической реализации предлагаемых способов и систем управления разработаны и внедрены:

- алгоритмы задания и регулирования момента на валу двигателя петле-держателя, а также размеров петли в межклетевом промежутке (стан 2500);

- алгоритмы каскадного регулирования скоростей электроприводов клетей при управляющих и возмущающих воздействиях (стан 2500);

- алгоритмы управления электроприводами с компенсацией статической ошибки скорости, в том числе с предварительным подразгоном электроприводов и системы с подразгоном в момент захвата полосы валками (станы 2500 и 2000);

- алгоритмы взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины (стан 2500);

- усовершенствованные алгоритмы САРТ с динамической коррекцией толщины и компенсацией возмущающих воздействий по сигналам от выходного толщиномера (стан 2000);

- алгоритмы автоматического регулирования толщины с коррекцией межвалкового зазора при прокатке головного участка полосы (стан 2000);

- системы двухзонного регулирования скорости электроприводов клетей, обеспечивающие снижение потерь электрической энергии за счет уменьшения потребления реактивной мощности (станы 2000 и 2500).

2. Теоретически и экспериментально доказано, что внедрение разработанных электроприводов, систем и алгоритмов обеспечивает необходимую размерную точность при производстве особотонкой полосы и повышает устойчи-

вость технологического процесса при прокатке толстых полос из трудноде-формируемых марок стали.

3. Основные технические эффекты от внедрения разработок на станах 2500 и 2000 ОАО «ММК»:

- снижение расходного коэффициента за счет повышения точности регулирования толщины на концах рулона;

- снижение количества и продолжительности простоев в связи с улучшением условий захвата полосы;

- повышение качества проката в результате улучшения показателя разно-толщинности по длине полосы за счет реализации усовершенствованных алгоритмов регулирования толщины и натяжения;

- экономия электрической энергии.

4. В результате экспериментальных исследований и длительной эксплуатации подтверждены следующие показатели технико-экономической эффективности предлагаемых решений: экономия металла в объеме 4,13 тыс. т/год, экономия электрической энергии - 4,77 млн. кВт-ч/год, суммарный экономический эффект - более 14 млн. руб./год.

5. Разработанные технические решения рекомендуются для внедрения на других широкополосных станах горячей прокатки независимо от рода тока и типа электроприводов. Их преимуществом является высокая эффективность при относительной простоте реализации.

В целом, внедрение результатов исследований в прокатное производство расширяет возможности действующих и вновь создаваемых прокатных станов, обеспечивает повышение экономической эффективности за счет энерго- и ресурсосбережения, способствует повышению конкурентоспособности продукции отечественных металлургических предприятий, импортозамещению за счет расширения сортамента горячекатаных полос.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 20 международных конференциях, форумах и конгрессах, в том числе: IV—VII Международных (XV-XVIII Всероссийских) конференциях по автоматизированному электроприводу АЭП-2004 (Магнитогорск, 2004 г.), АЭП-2007 (Санкт-Петербург, 2007 г.); АЭП-2010 (Тула, 2010 г.), АЭП-2012 (Иваново, 2012 г.), Международных научно-технических конференциях «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, 2005, 2007 гг.); VII международном конгрессе прокатчиков (Москва 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Интехмет-2008» (Санкт-Петербург, 2008 г.); I—III международных промышленных форумах «Реконструкция промышленных предприятий — прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2007, 2009, 2010 гг.), 13-й международной конференции по электромеханике, электротехнологии, электротехническим материалам и компонентам (Алушта, 2010 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях МГТУ (Магнитогорск, 2003-2013 гг.), на-

учно-технических семинарах кафедры АЭП МЭИ (г. Москва, 2005, 2013 гг.), на ряде всероссийских и межрегиональных конференций (2002-2013 гг.).

В 2010-2012 гг. работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлению «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления электрической энергии».

В 2009 - 2010 гг. исследования выполнялись при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых ученых, в 2011 г - областного гранта научно-исследовательских работ высших учебных заведений Челябинской области.

Публикации. По содержанию диссертационной работы опубликовано 75 научных трудов, в том числе 24 в рецензируемых изданиях и 2 монографии. Получены 4 патента РФ на изобретения и 4 патента на полезные модели, официально зарегистрированы 2 программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 265 наименований. Работа изложена на 360 страницах основного текста, содержит 143 рисунка, 43 таблицы и приложение объемом 33 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено состояние проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, кратко изложено содержание диссертационной работы.

Первая глава посвящена анализу сортамента современных ШСГП, экспериментальным исследованиям скоростных режимов электроприводов чистовых групп станов 2000 и 2500 ОАО «ММК», анализу точности регулирования толщины как основного показателя качества полосы, исследованию причин ухудшения энергетических показателей и снижения устойчивости технологического процесса при прокатке полос расширенного сортамента.

В результате экспериментальных исследований электроприводов чистовой группы стана 2000 при прокатке трубной заготовки показаны недопустимые снижения скорости при захвате полосы валками, вызванные низкими скоростями прокатки и высокими нагрузками электропривода. Это приводит к ухудшению качества поверхности полосы и нарушению технологического режима.

В электроприводах чистовых групп станов 2500 и 2000 применены пропорциональные регуляторы скорости. Настройка П-регуляторов выполнена таким образом, чтобы обеспечить максимальное быстродействие контура скорости при полном отсутствии ее перерегулирования. Возникновение перерегулирования осложняет процессы, протекающие при захвате полосы. В подтверждение этому на рис. 1 представлены осциллограммы переходных процессов координат электроприводов клетей и петледержателей стана 2500, полученные за цикл прокатки. Установившаяся ошибка скорости составляет 1,3-*-5,2%, что

приводит к неконтролируемому рассогласованию скоростей валков смежных клетей при захвате. К тому же статическая просадка скорости, возникающая при работе под нагрузкой, не может быть учтена при управлении электроприводами непрерывной группы от математической модели. Это приводит к погрешности регулирования, в результате чего управление от математической модели становится неэффективным.

Вследствие рассогласования скоростей при прокатке переднего конца полосы возникают значительные отклонения натяжения и толщины головного участка (до 30%), которые на порядок превышают допустимые величины (±5%). Аналогичные отклонения натяжения происходят при других возмущающих воздействиях: перемещениях нажимных устройств, ручной коррекции скоростей и т.д. Из осциллограмм на рис. 1 следует, что перерегулирование скорости при захвате полосы валками одной из клетей вызывает переходный процесс во всей чистовой группе. Указанный переходный процесс в конечном итоге приводит к отклонению выходной толщины от заданных значений, что подтверждено многократными экспериментальными исследованиями.

Уточнены технологические требования к системам регулирования технологических параметров при прокатке полос толщиной менее 2 мм. Диапазон регулирования натяжения должен составлять 0,5+17 Н/мм , допустимые отклонения удельного натяжения — не более ±0,05 Н/мм2, погрешность регулирования натяжения ±5% в установившемся режиме прокатки и ±10% в динамических режимах. Разнотолщинность по длине не должна превышать 3,5+5% при повышении скорости на выходе чистовой группы до 20 м/с. При прокатке

Рис. 1. Переходные процессы за цикл прокатки

полос толщиной 0,8-5-1,5 мм допустимыми являются отклонения толщины ±0,025 мм на 90+98% длины полосы.

Исследования САРНиП стана 2500 показали, что она не обеспечивает требуемой точности: отклонения толщины основного участка полосы составляют 7+9%, а при прокатке головного участка - до 30%. При скорости полосы на выходе стана 10 м/с, длина разнотолщинного головного участка составляет 40+50 м, что приводит к значительным потерям металла с концевой обрезью.

Характерные осциллограммы приращений толщины при прокатке в чистовой группе стана 2000 представлены на рис. 2. Основной причиной возникновения продольной разнотолщинности являются упругие деформации элементов клетей, приводящие к изменениям межвалковых зазоров вследствие изменений давления металла на валки. Результирующая разнотолщинность полосы в первом приближении может быть представлена суммой отклонений толщины, обусловленных "температурным клином", "глиссажными метками" (холодными пятнами) и колебаниями межклетевых натяжений.

- Отклонение толщины от толщиномера, мм

12:47:40 12:48:00 12:48:20 12:48:40 12:49:00

Рис. 2. Характерные отклонения толщины полосы на стане 2000

Система автоматического регулирования толщины, установленная на стане 2000, обеспечивала разнотолщинность полосы по длине вследствие температурного клина на уровне ±0,15 мм, уровень глиссажных меток составлял ±0,05 мм, что значительно превышает указанный выше допуск. Недопустимая разнотолщинность, наиболее явно проявившаяся при прокатке тонких полос, предопределила необходимость модернизации САРТ стана.

Дополнительным фактором, определившим необходимость совершенствования САРТ, являются отклонения толщины на головном участке полосы (рис. 2), составляющие 5+10% в сторону уменьшения, при допуске ±3,5+5%. В результате длительных экспериментальных исследований установлено, что причиной его возникновения является повышенная температура головного участка по сравнению с температурой основной части полосы. Причиной увеличения температуры является ускорение полосы на промежуточном рольганге перед входом в чистовую группу.

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований развита теория взаимосвязанных электротехнических систем прокат-

ных станов: впервые обосновано, что необходимыми условиями прокатки осо-ботонкой горячекатаной полосы в непрерывной группе широкополосного стана являются:

- взаимосвязанное регулирование размера петли и секундного объема металла в межклетевом промежутке;

- высокодинамичное взаимосвязанное регулирование толщины и натяжения;

- стратегия контролируемого изменения толщины в функции длины полосы в процессе прокатки;

- автоматическая коррекция скоростей валков всех клетей при управляющем воздействии на одну клеть;

- согласование скоростей последовательно расположенных клетей при возмущающих воздействиях;

- упреждающая коррекция технологических параметров для улучшения условий захвата полосы и ликвидации разнотолщинности на концах рулона;

- регулирование профиля, контура и плоскостности (в диссертации не рассматривается).

Выполнение этих условий может быть обеспечено только при взаимосвязанном регулировании скоростей электроприводов клетей, толщины и натяжений в межклетевых промежутках, а также автоматической коррекции скоростей валков и межвалкового зазора в динамических режимах.

В результате экспериментальных исследований напряжения секций 10 кВ, питающих электроприводы стана 2000, показано, что при прокатке толстых полос из труднодеформируемых марок стали отклонения напряжения питания достигают 10-5-15%. Это приводит к снижению запаса выпрямленной ЭДС ти-ристорного преобразователя (ТП) и, как следствие, повышению опасности размыкания систем регулирования скорости, нарушению условий безопасного инвертирования, повышению вероятности аварийных остановок стана и увеличению брака продукции.

Показано, что основной причиной ухудшения энергетических показателей электроприводов прокатного стана является поддержание высокого запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (на уровне 22-*-25% максимальной выпрямленной ЭДС). Определяющим с точки зрения запаса является режим отработки ударного приложения нагрузки, сопровождающийся перерегулированием выпрямленной ЭДС в пределах 16-^22%.

Определены направления разработки энергосберегающих электроприводов прокатных станов, являющиеся развитием концепции систем двухзонного регулирования скорости с переключающимися структурами, разработанной под руководством автора.

Вторая глава посвящена разработке математической модели электромеханических систем межклетевого промежутка (электроприводов смежных клетей и петледержателей) и гидравлических приводов нажимных устройств (НУ), взаимосвязанных в процессе прокатки через металл. Модели приводов построены в структурах соответствующих систем автоматического регулиро-

вания: САРНиП, САРТ и СУРС и обеспечивают возможность исследования взаимосвязанных систем в динамических режимах.

Технологическая схема двух межклетевых промежутков чистовой группы клетей при непрерывной прокатке приведена на рис. 3, структурная схема математической модели электротехнических систем - на рис. 4. Модель представлена для двух межклетевых промежутков: трех клетей (/-/), г, (/+/) с гидравлическими НУ и двух петледержателей, взаимосвязанных через полосу. Модель каждого промежутка включает модели электроприводов в системе двухзонного регулирования скорости, электромеханического петледержателя в составе САРНиП, модель гидравлического привода нажимного устройства в составе САРТ. Математическая модель НУ описывается тремя линеаризованными дифференциальными уравнениями: расхода жидкости, соотношений усилия в прокатной клети и сервоклапана для малых приращений координат.

Рис. 3. Технологическая схема двух межклетевых промежутков чистовой группы клетей при непрерывной прокатке

Взаимосвязь между электро- и гидроприводами описывается следующими моделями:

- прокатываемой полосы в межклетевом промежутке на основе зависимостей, предложенных H.H. Дружининым и Д.П. Морозовым;

- момента прокатки, в основу которой положены зависимости, предложенные А.И. Целиковым и A.A. Королевым;

- момента петледержателя по предложенным уточненным зависимостям;

- опережения и отставания, основанной на формуле Дрездена.

Выполнен синтез контуров регулирования и регуляторов системы автоматического регулирования размера петли с внутренней системой двухзонного регулирования скорости электропривода клети, а также синтез контура регулирования положения гидравлического НУ в структуре САРТ косвенного типа, реализующей зависимость Головина-Симса. Обосновано применение пропорционального регулятора положения, обеспечивающего устойчивость системы во всем диапазоне изменения положения нажимного устройства.

Адекватность разработанной математической модели исследуемому объекту подтверждена в результате сравнения переходных процессов координат электроприводов и параметров прокатки, полученных путем моделирования и осциллографирования на стане следующих режимов:

Рис. 4. Структурная схема математической модели электротехнических систем двух межклетевых

промежутков чистовой группы клетей

- захвата полосы валками, относительная погрешность сравниваемых показателей в характерных точках не превышает 11%, что допустимо при моделировании сложных систем;

- перемещения НУ во время прокатки (аварийный режим), относительная погрешность сравниваемых показателей не превышает 7%.

Третья глава посвящена совершенствованию алгоритмов управления взаимосвязанными электротехническими системами непрерывной группы широкополосного стана.

Статический момент на валу электропривода петледержателя (ПД) определяется уравнением:

Мс = мшт + мшг +мвпд+мвп+мтр,

где Миат - момент, создаваемый удельным натяжением полосы в межклетевом промежутке; М1аг - момент, создаваемый изгибом полосы на ролике ПД; Мв пд — момент, создаваемый неуравновешенными частями ПД; Мв „ — момент, создаваемый весом прокатываемой полосы; Мтр — момент, создаваемый силами трения в механизме.

В известных САРНиП станов горячей прокатки вычисление статического момента выполняется с рядом допущений: не учитываются составляющие Мтг и Мтр, составляющие моментов М„ „д, Мв „ вычисляются по упрощенным выражениям, плечо центра масс принимается равным длине рычага ПД (центр масс совпадает с осью ролика ПД). Аналогичные допущения принимаются при вычислении размера петли в межклетевом промежутке. При прокатке тонких полос это приводит к существенным погрешностям регулирования натяжения. Совершенствование САРНиП выполнено по следующим направлениям:

- повышение точности регулирования момента на валу двигателя петледержателя за счет обоснования наиболее точных математических зависимостей и алгоритмов вычисления составляющих момента;

- разработка схем формирования сигналов задания на угол подъема ПД и регулирование размера петли.

Уточненные зависимости вычисления момента на валу ПД На основании анализа принципов построения известных САРНиП с косвенным регулированием натяжения выделены основные вычислительные операции, которые обеспечивают повышение точности регулирования натяжения. Они были разработаны и реализованы в виде следующих алгоритмов:

- вычисления задания момента электропривода ПД;

- вычисления составляющих задания момента ПД;

- регулирования размера петли в межклетевом промежутке.

Данные алгоритмы разработаны под руководством автора и реализованы в виде самостоятельных программных блоков в многопроцессорных контроллерах TCS фирмы General Electric (США), взаимосвязанных в общей программе АСУ второго уровня чистовой группы стана 2500.

В качестве примера, на рис. 5, а показана структура блока вычисления задания момента электропривода петледержателя. В блоке осуществляется расчет момента электропривода, необходимого для создания заданного натяжения

Вы числение миме ниш Оля компенсации веса неуравновешенных

конструкций пешчеОержашеля

Геометрические

параметры — петлеОержателя

электропривода пепшеОержателн Режим работы пептеОержателя «Автоматический »

Геометрические параметры

а б

Рис. 5. Схемы для вычисления момента электропривода петледержателя

полосы при прокатке в автоматическом режиме регулирования угла подъема ПД. Усовершенствован расчет следующих составляющих:

— момента для компенсации веса неуравновешенных элементов конструкции ПД (М,);

- момента для компенсации веса полосы (Мр);

- момента для компенсации момента инерции ПД (М3);

— момента для компенсации составляющей от натяжения полосы, действующей на петледержатель {М4).

Для расчета первой составляющей обоснованы зависимости, полученные исходя из механической компоновки ПД, схематично представленной на рис. 5, б. Предложена и реализована уточненная зависимость:

М1=в3со5(/3~<р)р, где 0$ = т^ ; т, — общая масса рычага ПД

Р =

■^д2 + п2 — фактическое расстояние до центра тяжести ПД;

п

(р = - угол между осью и направлением на центр тяжести;

Я

¡5-угол между горизонтальной осью и рычагом ПД.

При выводе зависимости для расчета момента компенсации веса полосы она условно заменяется на балку, неподвижно закрепленную с двух концов с равномерно распределенным усилием д. С учетом этого предложена зависимость:

М2 = 16 I сох Р ,

8 уг

где В, Н - ширина и толщина полосы; у- удельный вес 7550 кг/м3; Ь - расстояние между клетями стана; г, у - горизонтальные расстояния: клеть р1 -ролик ПД и ролик ПД - клеть I - длина рычага ПД.

Аналогично обоснованы уточненные зависимости для расчета всех перечисленных выше составляющих момента петле держателя. В диссертации представлены схема и алгоритм формирования задания на угол подъема пет-ледержателя, схема и алгоритм регулирования размера петли, алгоритмы вычисления отклонения длины полосы от заданного значения, обеспечивающие повышение точности регулирования натяжения и размера петли, реализованные в структуре цифровой САРНиП.

Принцип каскадного регулирования скоростей электроприводов Суть каскадного принципа заключается в последовательной передаче регулирующего воздействия "против хода прокатки" и согласовании скоростей электроприводов всех клетей непрерывной группы, за счет динамической компенсации управляющих и возмущающих воздействий. В качестве опорной клети (клети-мастера) используется последняя катающая клеть. Это вызвано требованиями к постоянству скорости полосы на выходе из чистовой группы.

Разработаны функциональная схема системы управления скоростными режимами при ручной коррекции скорости и схема регулирования размера петли, обеспечивающие устранение разницы между заданной и фактической длинами полосы в межклетевом промежутке путем воздействия на задание скорости электропривода предыдущей клети. На рис. 6 приведена схема построения каскада для клетей Рх и Рх-1, где Рх - опорная клеть. В процессе прокатки при коррекции скорости валков клети Рх, осуществляемой для регулирования межклетевого натяжения, важным условием является сохранение заданных натяжений полосы во всех остальных межклетевых промежутках. С этой целью построен каскад, передающий процентное воздействие для скоро-

Ведущее знамение

Математическим моделированием режима захвата полосы и динамических режимов, возникающих при прокатке, подтверждено значительное снижение динамических отклонений натяжения. Так, при изменении положения НУ на 3+4% отклонения угла подъема петледержателя составляют 2+5%, в то время как в существующей системе - 18+21%. Это снижает вероятность потери натяжения и неконтролируемого изменения высоты петли, приводящих к аварийной остановке стана.

Совершенствование алгоритмов САРТ

Схема расположения нажимных устройств чистовой группы клетей стана 2ООО приведена на рис. 7. Комплекс включает в себя: гидронажимные устройства, непосредственно САРТ, систему изгиба рабочих валков клетей №11-13. Основной регулятор САРТ выполнен по принципу косвенного измерения толщины полосы в катающей клети по формуле Головина-Симса. Автоматическое регулирование толщины осуществляется в функции зазора валков и усилия прокатки по принципу Gaugemeter (Гейджметр) - абсолютно жесткая клеть, разработанному фирмой Davy МсКее (Великобритания). В качестве основной применяется коррекция по выходному толщиномеру.

Рис. 7. Функциональная схема гидравлической САРТ стана 2000

В результате экспериментальных исследований показано, что САРТ Davy МсКее обеспечивает разнотолщинность полосы по длине в пределах ±0,1 мм и уровень глиссажных меток ±0,05 мм, что значительно превышает допуски. Для устранения этого недостатка разработаны структурные схемы замкнутых систем статической и динамической коррекции разнотолщинности полосы, реализованные в виде алгоритмов в контроллерах АСУТП. Предложены усовершенствованные алгоритмы компенсации возмущающих воздействий, возникающих при прокатке в чистовой группе, суть которых поясняется ниже.

Схема, поясняющая общий принцип построения САРТ, представлена на рис. 8. Задание на положение НУ можно условно разделить на сигналы статической коррекции, отвечающей за получение проката требуемой толщины, и динамической коррекции, отвечающей за стабилизацию толщины на полосе. Сигналы статической коррекции остаются неизменными для всей партии полос, сигналы динамической коррекции рассчитываются на каждой полосе отдельно и сбрасываются при ее выходе из клети.

Рис. 8. Сигналы задания САРТ

Функциональная схема системы динамической коррекции представлена на рис, 9. Входной сигнал ДА регулятора положения формируется как сумма:

след

1 £■11 I г

1— J

Рис. 9. Сигналы и структура системы динамической коррекции толщины

Расчет заданной толщины /¡зад осуществляется при включении режима стабилизации толщины, при условии, что металл заправлен в следующую клеть, т.е. имеет место установившийся режим прокатки.

Согласно разработанному алгоритму в течение заданного времени производится усреднение показаний датчиков положения и усилия лрокатки, рассчитывается толщина на выходе из клети и запоминается в качестве задания. Затем к заданию прибавляются сигналы коррекции:

- Атлщ - тонкая коррекция от выходного толщиномера, она представляет собой интегрированную величину отклонения толщины от заданной на выходе из чистовой группы;

- Аслед - коррекция от следующей клети. Назначение: перераспределение регулирования на предыдущие клети при приближении динамической коррекции НУ данной клети к ограничению;

- Кжш - внешняя коррекция. Могут быть введены: компенсация толщины масляной пленки в подшипниках валков, компенсация теплового расширения валков, компенсация износа валков, упреждающая коррекция и др.

Из полученной суммы вычитается сигнал обратной связи йтек (текущая толщина на выходе из данной клети), и полученное отклонение ДА заводится в пропорционально-интегральный регулятор положения с ограничением интегральной части.

Рассчитанный выходной сигнал динамической коррекции ХСап добавляется к статическому заданию положения НУ:

ХСАРТ=КрЛЪ + К, + /

где Кр, К, — коэффициенты пропорциональной и интегральной частей регулятора; Км, — коэффициенты жесткости металла и клети, соответственно.

Таким образом, задание на положение гидравлического НУ определяется суммой задания статического рабочего (среднего) положения, динамической коррекции САРТ и грубой коррекции от выходного толщиномера Хоспт'-

XГНУ - Xраб + XСАРТ + Хоспт ■

Разработана усовершенствованная САРТ, обеспечивающая перераспределение обжатий по клетям чистовой группы, исключающая насыщение регулятора положения НУ последней клети при больших корректирующих сигналах, поступающих от толщиномера. Это позволяет ограничить интегральную коррекцию на последних клетях и тем самым не допустить размыкания контура регулирования толщины.

В четвертой главе выполнено исследование взаимосвязи натяжения и толщины полосы в динамических режимах. Предложена и технически реализована система взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины полосы.

Разработана математическая модель взаимосвязи удельного натяжения в межклетевом промежутке и приращения толщины полосы на выходе следующей клети. Модель построена в частных производных, что позволяет выполнить линеаризацию нелинейных функциональных взаимосвязей между технологическими параметрами в рабочем диапазоне изменения исходных величин. Входными сигналами для модели являются величины удельных натяжений а,./ и <т( в межклетевых промежутках до и после рассматриваемой г'-й клети, а выходной - величина абсолютного приращения толщины полосы ЛН1 на выходе из клети.

На рис. 10. построены зависимости относительного приращения толщины при изменениях переднего (о;) и заднего (<т,_;) удельных натяжений. Из графиков видно, что приращение толщины практически линейно зависит от этих параметров.

¿н,. и

Рис. 10. Зависимости относительного приращения толщины полосы {АН,) от величины переднего удельного натяжения (ст,) при различных значениях заднего удельного натяжения (а;./): (1—0 Н/мм2; 2 — 4 Н/мм2; 3—8 Н/мм2; 4 -12 Н/мм2; 5 -16 Н/мм2; 6-20 Н/мм2)

Установлено, что удельное натяжение в межклетевых промежутках чистовой группы стана 2500 в динамических режимах превышает установившееся значение в 1,5+1,9 раза, что приводит к отклонению толщины на 5,5+8,7%. Согласно предъявляемым требованиям это значение не должно превышать 5%. В результате проведенных исследований подтверждено, что отклонение толщины, вызванное изменением натяжения, увеличивается с уменьшением толщины полосы. Так, при прокатке полос толщиной 4 мм отклонения толщины на начальном и конечном участках составляют 3,5+4,5%, а при прокатке полос толщиной менее 2 мм - 11+12,5%.

Сформулирована концепция взаимосвязанного регулирования технологических параметров в непрерывной группе широкополосного стана: обеспечение постоянства секундного объема полосы в межклетевых промежутках в установившемся и динамических режимах путем одновременного автоматического регулирования положения гидравлических нажимных устройств и скорости валков последующей клети при управляющих и возмущающих воздействиях, вызывающих изменение положения петледержателя.

Данный принцип предлагается осуществить взамен традиционного контроля петлеобразования. Аналогичный принцип, названный "регулирование по массе", встречается в зарубежных публикациях, однако он относится к непрерывным станам холодной прокатки. Отличиями исследуемой группы клетей являются наличие петледержателей и отсутствие датчиков прямого измерения натяжения в межклетевых промежутках. Эти особенности определяют принципиальные отличия взаимосвязей и соответственно разрабатываемых способов и алгоритмов регулирования.

Для обеспечения заданной точности регулирования натяжения при захвате, выпуске полосы и коррекции влияния технологических параметров (положения ПД, задания натяжения и др.) разработан способ взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины. Отличительным признаком является дополнительное корректирующее воздействие на гидравлическое НУ, подаваемое одновременно с воздействием на скорость двигателя следующей клети при изменениях положения ПД. Функциональная схема системы косвенного регулирования натяжения и петли, реализующей предложенный способ, представлена на рис. 11.

Разработанная САРНиП содержит: быстродействующий контур регулирования размера петли с воздействием на положение гидравлического НУ г'-й клети, систему регулирования петли с воздействием на скорость электропривода /'-й клети и "традиционную" систему косвенного регулирования натяжения полосы в /-м промежутке. Введение дополнительного контура позволяет повысить точность регулирования натяжения за счет коррекции зазора валков при изменениях положения петледержателя. В результате обеспечивается снижение разнотолщинности полосы по длине с вытекающими положительными эффектами: повышение качества, снижение расходного коэффициента, связанного с уменьшением головной и хвостовой обрези и др.

Рис. 11. Функциональная схема разработанной САРНиП: 777, ТПК РТ, РТК, ДТ, ДТК, ДС, ДСК РСП, РСК тиристорные преобразователи, регуляторы тока, датчики тока, датчики скорости, регуляторы скорости петледержателя и прокатной клети; ДП - датчик положения петледержателя; БВМ - блок вычисления момента; РПК, РПН - регуляторы петли с воздействием на клеть и с воздействием на ГНУ, соответственно; ЗСС - задатчик сигналов системы; РИГ, ДПГ - регулятор и датчик положения ГНУ; ИН- индикатор наличия металла в валках; М, МК- двигатели петледержателя и прокатной клети; РК- редуктор прокатной клети.

Выполнен расчет контура регулирования положения ПД с воздействием на положение гидравлического нажимного устройства. Предложены структура и передаточная функция регулятора положения НУ.

В результате математического моделирования показано, что за счет вновь введенного быстродействующего контура время подъема петледержателя в режиме захвата полосы снизилось в 2 раза (с 0,53 с до 0,26 с). Заданное натяжение входит в 10%-ю зону допуска за 0,13 с (в существующей системе - за 0,57 с), перерегулирование натяжения снижается в 1,7 раза (с 37,5% до 22%), отклонение толщины - в 1,4 раза (с 4,2% до 3%).

Пятая глава посвящена разработке способов и систем управления электро- и гидроприводами, обеспечивающих снижение продольной разнотолщин-ности на концах рулона и улучшение условий захвата полосы за счет упреждающей коррекции параметров прокатки.

В плане реализации уточненных положений теории взаимосвязанных систем непрерывной группы предложен принцип упреждающей коррекции скоростей электроприводов клетей на величину ошибки регулирования в одно-кратноинтегрирующей системе, обеспечивающий компенсацию статического отклонения (просадки) скорости, предварительно определенного для каждого профилеразмера полосы.

Разработан способ автоматического управления процессом прокатки, согласно которому осуществляется увеличение скорости прокатки (подразгон) электроприводов всех клетей чистовой группы одновременно. При этом установившиеся скорости по клетям определяются экспериментальным путем и задаются программно для каждого прокатываемого профиля. При прокатке каждой последующей полосы осуществляется коррекция статической просадки и соответственно скорости, до которой осуществляется подразгон.

Для реализации способа разработан узел компенсации статической просадки скорости на основе двух контуров (рис. 12): быстродействующего замкнутого, обеспечивающего снижение величины просадки, и разомкнутого с интегральным регулятором, обеспечивающего уменьшение влияния замкнутого контура на процесс образования петли при захвате полосы.

На этапе настройки получена экспериментальная информация о величинах статических отклонений скорости Дл при различных моментах М нагрузки электроприводов клетей, вычислены коэффициенты жесткости механических характеристик /3 = Ап/АМ. Согласно разработанному алгоритму математическая модель выдает значения расчетных моментов прокатки для каждого электропривода, по ним вычисляются значения А« с учетом коэффициента Д. При входе полосы в предыдущую клеть величина Ал,- суммируется с заданием скорости электропривода данной клети. В результате осуществляется упреждающая коррекция скорости на величину статической просадки.

В ходе математического моделирования режима захвата полосы с предложенным предварительным подразгоном электропривода клети показано, что при достоверном расчете величины приращения скорости обеспечивается равенство заданной и фактической скоростей в установившемся режиме прокатки.

Кир|Ч'К11>1Я СМфЦСШ 01

тпмелсрлитоки Кошри-ин-р ГС5

$1шоггц1.1ИВ1101 в и|)п>1

Н-рС1у1МГОрСкО|КК11<

а б

Рис. 12. Функциональные схемы разомкнутого (а) и замкнутого (б) контуров системы компенсации статических отклонений скорости

В развитие предложенного принципа упреждающей коррекции скоростей разработан способ, согласно которому увеличение скорости валков осуществляется в момент захвата полосы. Это позволяет снизить динамические отклонения скорости и натяжения полосы непосредственно после захвата, в результате обеспечивается регулирование натяжения в пределах допуска ±10%.

В целях реализации принципа упреждающей коррекции технологических параметров разработан алгоритм параметрического регулирования толщины головного участка полосы путем упреждающего увеличения зазора валков перед входом полосы в клеть с последующим возвращением нажимных устройств в исходное положение для прокатки основного участка.

Реализация алгоритма обеспечивается перемещением нажимных устройств по линейному функциональному закону. Экспериментальные исследования показали, что наибольший эффект достигается при регулировании зазора валков клетей № 7-11 по зависимости:

V — — ?

ивых '-'зад игол'

где Бвых и 5М() - текущее и исходное задания положения НУ;

8г01, - дополнительное смещение НУ на головном участке, согласно диаграмме, представленной на рис. 13.

В момент го выхода "головы" полосы из предыдущей клети производится дополнительное разведение валков на величину Интервал — это время транспортировки "головы" полосы от предыдущей клети до текущей. Согласно алгоритму, в интервале Л/, удерживается максимальное дополнительное разведение валков, после чего происходит плавное уменьшение коррекции до нуля (интервал А/2).

Рис. 13. Диаграмма коррекции задания положения НУ

Для настройки параметров изменения зазора Л?|, А^) проведены эксперименты, в ходе которых исследована прокатка полос с различными параметрами коррекции по клетям. Также были выполнены исследования влияния изменения межвалкового зазора на отклонения толщины полосы методами математического моделирования. В результате обоснованы усредненные параметры коррекции толщины при прокатке головного участка для полос различного сортамента, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Параметры коррекции толщины головного участка полосы

Клеть Толщина/параметр коррекции > 2 мм 2 — 4 мм 4-8 мм 8-12 мм > 12 мм

мм 0,6 0,5 0,9 0,75 0,4

№7 с 4 5 4 9 7

А12, с 6 3 5 8 8

5,.. мм 0,4 0,4 0,7 0,5 0,3

№8 А1,, с 3 4 3 9 7

А12. с 6 5 5 8 8

¿V, мм 0,2 0,4 0,5 0,3 0,3

№9 М,, с 2 4 2,5 9 7

М2, с 6 5 5 8 8

мм 0,15 0,2 0,3 0,2 0,3

№10 А1/, с 1 3 4 9 6

Л12, с 6 5 5 8 8

мм 0,1 ОД 0,2 0,1 0,2

№11 А//, с 2 3 4 9 6

А12, с 5 5 5 8 9

Экспериментальные исследования на стане показали, что представленные параметры коррекции межвалкового зазора оптимальны, поэтому рекомендуются при настройке усовершенствованной САРТ стана. В подтверждение, на рис. 14 представлены осциллограммы, характеризующие работу САРТ с регулируемым изменением межвалкового зазора на головном участке при прокатке полос толщиной 2 мм.

На первых двух полосах, прокатанных без предварительного разведения валков, отклонение толщины после захвата составляет 0,15 мм в сторону уменьшения (при допустимых ±0,025 мм), далее следует увеличение толщины на 0,1 мм. Протяженность разнотолщинного головного участка более 50 м при общей длине полосы 800 м. Осциллограммы прокатки 3-й и 4-й полос получены при автоматической коррекции межвалкового зазора при обоснованных параметрах (табл. 1). Отклонения толщины головного участка находятся в пределах ±3% заданной толщины. Кроме того, снижена разнотолщинность по всей длине полосы. Это подтверждает эффективность внедрения разработанного алгоритма параметрического регулирования толщины.

Рис. 14. Осциллограммы, характеризующие работу САРТ с автоматической коррекцией толщины головного участка

Также предлагается ввести в работу САРТ алгоритмы самообучения: оценивать величину коррекции и уровень разнотолщинности на головном участке на предыдущих полосах и в зависимости от их разности вычислять величину зазора, до которого следует разводить валки перед входом следующей полосы.

В шестой главе выполнена разработка энергосберегающих электроприводов с переключающимися структурами, обеспечивающих улучшение энергетических показателей и повышение устойчивости при отклонениях напряжения сети.

В плане развития концепции энергосберегающих электроприводов постоянного тока с перераспределением запаса выпрямленной ЭДС тиристор-ного преобразователя в установившемся и динамических режимах обосновано создание систем двухзонного регулирования скорости, обеспечивающих ограничение выпрямленной ЭДС на номинальном уровне независимо от режима нагрузки электропривода. Применительно к электроприводам прокатных станов должно обеспечиваться ограничение выпрямленной ЭДС на номинальном уровне во всех динамических режимах, возникающих за цикл прокатки.

Разработаны способ и система зависимого управления потоком возбуждения с автоматическим регулированием задания выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя. Суть способа поясняется с помощью временных диаграмм, полученных путем математического моделирования, представленных на рис. 15.

2.5 5 5.5

4 4.5 5 5.5 Л ь.5

Рис. 15. Результаты моделирования переходных процессов за цикл прокатки: 1 - в существующей, 2 - в ранее известной, 3 - в предложенной системах

Задание выпрямленной ЭДС устанавливается ниже номинального значения ЕЛи на величину ЛЕЛтах, определяемую по зависимости 1

АЕ, —

<1 тах Э

где Тт - постоянная времени контура тока;

а - отношение постоянных времени контуров скорости и тока;

1СТ - установившийся ток.

В момент Г, ударного приложения нагрузки предварительно сниженная ЭДС двигателя Е получает приращение АЕ, которое предлагается осуществлять по апериодическому закону. В результате выпрямленная ЭДС Ел повышается до заданного номинального уровня без перерегулирования. При росте тока выше номинального при ускорении в промежуток времени /3+/4 выпрямленная ЭДС также поддерживается на номинальном уровне. Это обеспечива-

ется за счет снижения ЭДС электродвигателя Е на величину падения напряжения на эквивалентном сопротивлении цепи выпрямленного тока.

В системе, реализующей данный способ, выпрямленная ЭДС Ело при нулевом угле управления снижается на величину максимального перерегулирования, т.е. на 16-ь22%. Запас, необходимый для безаварийной отработки ударного приложения нагрузки и ускорения в процессе прокатки, будет гарантирован. В результате уменьшаются потребление реактивной мощности и потери электрической энергии.

Разработаны способ управления потоком возбуждения и электропривод с переключающейся структурой, обеспечивающие снижение запаса выпрямленной ЭДС за счет ограничения ее перерегулирования в начальный момент ускорения под нагрузкой. Перерегулирование возникает в момент времени (у (рис. 15) вследствие динамического падения напряжения на индуктивном сопротивлении якорной цепи. В момент ¿2 подачи сигнала на ускорение заданное значение выпрямленной ЭДС снижается на величину динамического перерегулирования. После окончания переходного процесса тока ЭДС автоматически повышается до номинального уровня.

Разработаны способ и комбинированная система двухзонного регулирования скорости с переключением координаты, регулируемой по цепи возбуждения, и автоматическим изменением задания ЭДС (рис. 16), обеспечивающая ограничение выпрямленной ЭДС на номинальном уровне в течение

всего цикла работы под

Источник Источник

напряжения напряжения

К

Функц-ый Управляемый

преоб-тель

Блок ограничения

Источник напряжения

Источник напряжения

Управляемый К.1ЮЧ

Таймер

Сигна.1 и Ускорение под нагрузкой»

Регулятор

ЭДС двигателя

Датчик

ЭДС двигателя

Управляем ключ

Елок ограничения

Регулятор выпрям.1-ой

ЭДС

Датчик выпрямл-ой ЭДС

■I. /

/ к

нагрузкой. Она объединяет преимущества рассмотренных выше систем и рекомендована для внедрения в электроприводах чистовой группы стана 2000.

Применение данной системы обеспечивает цикл прокатки без превышения выпрямленной ЭДС над установившимся значением независимо от нагрузки электропривода.

В результате сни-

п 1/г л, жения Ено, например,

Рис. 16. Функциональная схема подключения г г

, _ „ _ „ путем переключения

блоков в разработанной комбинированном системе г .

отпаек трансформато-двухзонного регулирования скорости ^ г

ров, улучшаются энергетические показатели за счет снижения потребления реактивной мощности без применения компенсирующих устройств. Кроме того, благодаря исключе-

Датчик стат. тока

нию перенапряжений на якоре двигателя в динамических режимах, улучшаются условия коммутации на коллекторе, что наиболее важно при прокатке полос "тяжелого сортамента".

С целью обеспечения запаса выпрямленной ЭДС, необходимого для безопасного инвертирования, разработана система двухзонного регулирования с автоматическим регулированием уставки ЭДС в функции напряжения сети. В данной системе при снижениях напряжения в диапазоне от 5% до 20% происходит пропорциональное снижение ЭДС двигателя. За счет этого обеспечивается необходимый запас по углу регулирования. При превышении максимально допустимого отклонения напряжения 20% дальнейшее снижение уставки ЭДС прекращается. Одновременно формируется сигнал на запрет реверса, который подается в СИФУ (задержка, либо срыв импульсов группы "назад"). Преимуществом системы является то, что ее действие эффективно при работе как в первой, так и во второй зонах регулирования. Это наиболее ценно при прокатке полос "тяжелого" сортамента на низких скоростях.

В результате математического моделирования и экспериментальных исследований на созданной лабораторной установке установлено, что показатели основных координат электропривода в динамических режимах за цикл прокатки в существующей и разработанных системах отличаются на 2,5+5%, что является допустимым. В ходе экспериментов, проведенных на стане 2000, подтверждено, что применение разработанных систем не приведет к отклонению параметров прокатки и нарушению технологического процесса. Доказаны работоспособность и высокая техническая эффективность применения разработанной комбинированной системы двухзонного регулирования скорости.

В седьмой главе представлены результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения разработанных технических решений, дана оценка технико-экономической эффективности.

Разработанные усовершенствованные алгоритмы управления скоростными режимами, обеспечивающие режим автоматического подразгона и каскадную коррекцию скоростей электроприводов клетей, внедрены в программное обеспечение АСУТП чистовой группы стана 2500. В результате экспериментов подтверждено среднее снижение разнотолщинности головного участка полос толщиной менее 2 мм в 2 раза (с 13,5% до 6,2%). Экономический эффект за счет снижения расходного коэффициента составляет 1,68 млн. руб./год.

Разработанная СУРС, обеспечивающая режим подразгона электроприводов клетей, сдана в опытно-промышленную эксплуатацию на стане 2000. Результатами являются снижение внеплановых простоев, разработка рациональных скоростных режимов и улучшение условий захвата при прокатке трубной заготовки. Экономический эффект - 2,72 млн. руб./год.

Выполнены экспериментальные исследования алгоритмов САРНиП, внедренных в программное обеспечение контроллеров на стане 2500. На рис. 17 представлены осциллограммы отклонений толщины полосы, позволяющие сделать выводы о качестве работы разработанной САРНиП стана. Осциллограммы получены по сигналам от толщиномера на выходе чистовой группы.

' ((-ПС.ЧАЛ-! член«

л

л

А

1 5.25%

| ;.......... '^. ГУ!3-75'4 {з.<и% ,7 ^ |501%......Г......[I..........

Ов ?0 ЗД Пв 20 4{

1 Г V

И

11.1%

Иггйиши« топшни» 1

4,5% Т 4 - - 1

Бее

Рис. 17. Осциллограммы толщины полосы на выходе стана 2500: а - в аналоговой С АРНиП; б — в цифровой САРНиП; в — при реализации разработанных уточненных алгоритмов

На рис. 17, а показаны осциллограммы, полученные при работе аналоговой системы до реконструкции, в которой реализованы известные алгоритмы. Прокатка ведется в положительных допусках, отклонения фактической толщины от заданной составляют 4-5-9%. Прослеживаются низкочастотные колебания на "глиссажных метках", практически отсутствует "температурный клин". Первоначальный всплеск разнотолщинности связан с настройкой системы измерения толщины и не должен приниматься во внимание, т.к. не отражает реальную толщину полосы на головном участке.

Аналогичные результаты получены при реализации тех же известных алгоритмов регулирования в цифровой САРНиП (рис. 17,6). Средние отклонения

толщины составляют 6,5н-7% и по-прежнему зависят от температуры (явные "глиссажные метки"). Данные результаты не могут быть признаны удовлетворительными, поскольку, как отмечалось выше, отклонения толщины от заданной в установившемся режиме прокатки должны находиться в пределах ±5%.

Характерные осциллограммы разнотолщинности полосы при внедрении уточненных алгоритмов и разработанной системы взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины представлены на рис. 17,е. Разнотолщинность находится в пределах ±4,5%, среднее значение толщины максимально приближено к заданному. Доказано, что включение дополнительного быстродействующего канала регулирования натяжения обеспечивает отклонения толщины в пределах допуска ± 5%. Экономический эффект составляет 4,54 млн. руб./год.

В результате экспериментальных исследований САРТ стана 2000, в основу которой положены усовершенствованные алгоритмы косвенного регулирования толщины с коррекцией от выходного толщиномера, доказано, что предложенные технические решения позволяют полностью ликвидировать температурный клин, в 1,4 раза уменьшить амплитуду глиссажных меток, сократить протяженность разнотолщинных участков полосы. Результаты осциллографи-рования работы САРТ с автоматической коррекцией межвалкового зазора подтвердили полную компенсацию отклонений толщины головного участка. Это подтверждает техническую эффективность внедрения разработанного алгоритма параметрического регулирования толщины и работоспособность предложенной системы регулирования межвалкового зазора в функции длины полосы.

Разработанная комбинированная энергосберегающая система двухзонного регулирования скорости внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию в чистовой группе стана 2000. В ходе экспериментов подтверждены работоспособность и высокая эффективность ее применения. Доказано, что за счет внедрения системы и проведения мероприятий по снижению запаса выпрямленной ЭДС тиристорных преобразователей экономия электрической энергии составляет 1,87 млн. кВт-ч/год. Экономический эффект в денежном выражении превышает 2,7 млн. руб./год.

Результаты оценки технико-экономической эффективности внедрения разработанных систем и алгоритмов приведены в табл. 2. Экономический эффект достигается за счет схемотехнических решений в электроприводах и совершенствования алгоритмов автоматического регулирования технологических параметров, т.е. практически без капитальных затрат.

Разработанные системы и алгоритмы рекомендуются для внедрения на других широкополосных станах горячей прокатки. Поскольку все технические решения реализуются программным путем в контроллерах первого и второго уровней, они могут быть применены как в электроприводах постоянного тока, так и в электроприводах переменного тока с частотным регулированием скорости.

Таблица 2

Технико-экономическая эффективность внедрения выполненных разработок

Внедренная система (алгоритмы) Стан Год внедрения Технический эффект Подтвержденный экономический эффект, млн. руб./год

Экономия металла, тыс. т/год Экономия эл. энергии, млн. кВт-ч/год

СУРС 2500 2008 1,61 - 1,68

2000 2010 1,48 - 2,72

Взаимосвязанная САРН-САРТ 2500 2010 1,04 - 4,54

Энергосберегающая система ДЗРС 2000 2010 - 1,87 2,71

2500 2007 - 2,9 2,4

Суммарная эффективность 4,13 4,77 14,05

В целом, промышленное внедрение разработанных автоматизированных электроприводов и систем автоматического регулирования технологических параметров обеспечивает при производстве листового проката:

- энергосбережение за счет снижения потерь электрической энергии;

- ресурсосбережение за счет снижения материалоемкости продукции;

- повышение качества продукции в результате повышения точности регулирования геометрических размеров полосы;

- импортозамещение за счет создания на отечественных металлургических предприятиях технических возможностей для производства толстой полосы из труднодеформируемых марок стали для труб большого диаметра и высококачественной тонкой полосы для машиностроительных предприятий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получили развитие положения теории взаимосвязанных электротехнических систем прокатных станов для производства особотонкой полосы. Разработаны технологические требования к электроприводам и системам автоматического регулирования параметров прокатки, обоснованы концептуальные направления их совершенствования при расширении сортамента полос.

2. Разработана математическая модель электротехнических систем с учетом взаимосвязей, обусловленных упругими и пластическими свойствами полосы, обеспечивающая возможность исследования известных и разработанных алгоритмов регулирования технологических параметров. На основе модели установлены закономерности, уточняющие представления о взаимном влиянии технологических параметров в процессе непрерывной прокатки.

3. Предложены математические зависимости и алгоритмы вычисления координат замкнутых систем регулирования натяжения и высоты петли, статической и динамической коррекции толщины полосы с распределением обжа-

тий по клетям чистовой группы, реализованные в программном обеспечении цифровых САРНиП и САРТ станов 2500 и 2000 ОАО «ММК».

4. На основе предложенной концепции каскадного регулирования скоростей взаимосвязанных электроприводов клетей непрерывной группы научно обоснованы и разработаны алгоритмы управления скоростными режимами, отличающиеся последовательной передачей регулирующего воздействия против хода прокатки и согласованием скоростей электроприводов за счет динамической компенсации управляющих и возмущающих воздействий.

5. Впервые предложен и апробирован способ автоматического регулирования секундного объема полосы в межклетевом промежутке за счет одновременного автоматического регулирования положения гидравлических нажимных устройств и скорости валков последующей клети при возмущающих воздействиях, вызывающих изменение положения петледержателя.

6. Разработан принцип управления скоростными режимами электроприводов клетей в однократноинтегрирующей системе регулирования, обеспечивающий компенсацию статического отклонения скорости, предварительно определенного для каждого профилеразмера полосы. Разработаны способ и системы автоматического управления процессом прокатки, обеспечивающие увеличение скоростей вращения валков перед захватом либо непосредственно после захвата полосы. Предложен алгоритм самообучения системы, согласно которому при прокатке каждой последующей полосы осуществляется автоматическая коррекция расчетной скорости прокатки.

7. Разработана и реализована САРТ с коррекцией межвалкового зазора в функции длины полосы, обеспечивающая улучшение условий захвата и ликвидацию разнотолщинности головного участка путем увеличения зазора перед входом полосы в клеть с последующим возвращением нажимных устройств в заданное положение для прокатки основного участка полосы. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены параметры коррекции межвалкового зазора.

8. На основе развития концепции энергосберегающих электроприводов с перераспределением запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя разработаны способы и системы двухзонного регулирования скорости с переключающимися структурами, обеспечивающие снижение потерь электрической энергии, вызванных потреблением реактивной мощности. Разработана система двухзонного регулирования скорости с автоматическим регулированием ЭДС двигателя в функции напряжения сети, обеспечивающая безопасное инвертирование при прокатке полос "тяжелого" сортамента.

9. Теоретически и экспериментально доказано, что внедрение разработанных электроприводов, систем и алгоритмов обеспечивает необходимую размерную точность при производстве особотонкой полосы и повышает устойчивость технологического процесса при прокатке толстых полос из трудноде-формируемых марок стали. В результате создаются технические предпосылки для производства горячекатаных полос расширенного сортамента на отечественных металлургических предприятиях. Независимо от сортамента, внедре-

ние разработанных технических решений обеспечивает энергосбережение за счет снижения потерь электрической энергии и ресурсосбережение за счет сокращения брака и потерь с концевой обрезью.

10. Разработанные электроприводы и алгоритмы электротехнических систем внедрены в промышленную эксплуатацию на станах 2000 и 2500 ОАО «ММК». Подтверждены следующие показатели технико-экономической эффективности: экономия металла в объеме 4,13 тыс. т/год, экономия электрической энергии - 4,77 млн. кВт-ч/год, суммарный экономический эффект -14 млн. руб./год.

11. Разработанные технические решения рекомендуются для расширенного промышленного внедрения на широкополосных станах горячей прокатки независимо от рода тока и типа электроприводов. Их преимуществом является высокая эффективность при минимальных затратах.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Храмшин, В.Р. Способы компенсации статических отклонений скорости электроприводов клетей широкополосного стана горячей прокатки / В.Р. Храмшин И Электротехника. - 2013. - №4 - С. 48-55.

2. Храмшин, В.Р. Повышение безопасности режима инвертирования ти-ристорного электропривода при прокатке полос расширенного сортамента /

B.Р. Храмшин И Электротехника. - 2013. - №2 - С. 52-56.

3. Храмшин, В.Р. Разработка и внедрение автоматизированных электроприводов и систем регулирования технологических параметров широкополосного стана горячей прокатки / В.Р. Храмшин //Вестник ИГЭУ. - 2012. - №6. -

C. 100-104.

4. Храмшин, В.Р. Система автоматической коррекции скоростей электроприводов клетей широкополосного стана горячей прокатки / В.Р. Храмшин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». Вып. 18. - Челябинск: ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ», 2012. - № 37 (296). - С. 60 - 67.

5. Храмшин, В.Р. Исследование системы автоматической коррекции толщины полосы на широкополосном стане горячей прокатки /A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2013. №4. С. 39 - 46.

6. Hramshin, V.R. Study of Thickness Control of Strip Head Section Using Mathematical Simulation Methods [Исследование способа коррекции толщины головного участка полосы методом математического моделирования] / V.R. Hramshin, A.S. Karandaev, A.A. Radionov, R.R. Hramshin // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». Вып. 13. - Челябинск: ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ», 2013. - № 1. - С. 144- 151.

7. Храмшин, В.Р. Согласование скоростных режимов электроприводов клетей непрерывной группы прокатного стана / A.C. Карандаев, A.A. Радио-нов, В.Р. Храмшин, И.Ю. Андрюшин, А.Н. Гостев //Вестник ИГЭУ. - 2013. -№1. - С. 98-103.

8. Храмшин, В.Р. Следящая система автоматического регулирования толщины полосы стана горячей прокатки / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, С.А. Петряков //Вестник МГТУ.-Магнитогорск: МГТУ, 2011,- №3.- С. 25- 29.

9. Храмшин, В.Р. Совершенствование алгоритма согласования скоростей электроприводов клетей черновой группы стана горячей прокатки /

A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, В.В. Галкин, А.Н. Гостев //Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». Вып. 16. - Челябинск: ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ», 2011. -№34 (251).-С. 35-41.

10. Храмшин, В.Р. Автоматическая коррекция скоростей электроприводов клетей стана 2000 при прокатке трубной заготовки / И.Ю. Андрюшин,

B.В. Галкин, В.В. Головин, A.C. Карандаев, A.A. Радионов, В.Р. Храмшин // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2011. №4. С. 31 - 36.

11. Храмшин, В.Р. Технические решения в системе автоматического регулирования толщины стана 2000 горячей прокатки /В.Р. Храмшин, И.Ю. Андрюшин, П.В. Шиляев, С.А. Петряков, А.Н. Гостев // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2011. №4. С. 41 - 45.

12. Храмшин, В.Р. Автоматическая коррекция толщины головного участка полосы в гидро-САРТ широкополосного стана горячей прокатки / В.В. Галкин, С.А. Петряков, A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин //Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2011. - №4. - С. 46 - 50.

13. Храмшин, В.Р. Новые технические решения в электроприводах и системах регулирования технологических параметров станов горячей прокатки / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, И.Ю. Андрюшин, В.В. Головин, С.А. Петряков // Известия ТулГУ. Технические науки. - Тула: ТулГУ, 2010. - Вып. 3. - Ч. 2. - С. 34-40.

14. Храмшин, В.Р. Алгоритм расчета скоростных и нагрузочных режимов электроприводов клетей прокатного стана при прокатке толстых полос /

A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, В.В. Головин, И.Ю. Андрюшин // Известия ТулГУ. Технические науки. -Тула: ТулГУ, 2010. -Вып. 3. -Ч. 2. - С. 12-17.

15. Храмшин, В.Р. Математическое моделирование тиристорного электропривода с переключающейся структурой / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин,

B.В. Галкин, A.A. Лукин // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. -2010,- №3. - С. 47-53.

16. Храмшин, В.Р. Экспериментальные исследования тиристорных электроприводов с двухзонным регулированием скорости с улучшенными энергетическими характеристиками / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, A.A. Лукин, Г.В. Шурыгина, В.В. Головин // Вестник ЮУрГУ. - Челябинск: ГОУ ВПО «ЮУрГУ», 2010. -№ 14. - С. 67 - 72.

17. Храмшин, В.Р. Технико-экономическое обоснование реконструкции электроприводов стана 2000 с заменой системы управления и сохранением силовой части / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, A.A. Шеметова, В.В. Головин, П.В. Шиляев, А.Ю. Юдин // Сталь. - 2009. - №3. - С. 95.

18. Храмшин, В.Р. Математическое моделирование взаимосвязанных электромеханических систем межклетевого промежутка широкополосного

стана горячей прокатки / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, И.Ю. Андрюшин, Шиляев, В.В. Головин // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2009.-№1. - С. 12-20.

19. Храмшин, В.Р. Совершенствование автоматизированных электроприводов и диагностика силового электрооборудования / И.А. Селиванов, A.C. Карандаев, С.А. Евдокимов, В.Р. Храмшин, A.A. Шеметова, A.A. Лукин // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2009. - №1. - С. 511.

20. Храмшин, В.Р. Энергосберегающие тиристорные электроприводы с автоматическим изменением координаты, регулируемой по цепи возбуждения / В.В. Головин, A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2006. - №4. - С. 35 - 39.

21. Храмшин, В.Р. Оценка эффективности применения тиристорного электропривода с автоматическим изменением координаты, регулируемой по цепи возбуждения / В.В. Головин, A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2006. - №4. - С. 40 - 45.

22. Храмшин, В.Р. Система автоматического регулирования натяжения и петли широкополосного стана горячей прокатки с улучшенными динамическими характеристиками / A.C. Карандаев, О.И. Осипов, В.Р. Храмшин // Вестник МГТУ. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. - №3. - С. 76 - 82.

23. Храмшин, В.Р. Система автоматического регулирования натяжения и петли с перекрестными связями для широкополосного стана горячей прокатки / A.C. Карандаев, С.А. Евдокимов, A.A. Чертоусов, В.Р. Храмшин // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2004. - №2. - С. 21 - 27.

24. Храмшин, В.Р. Диагностика системы автоматического регулирования натяжения широкополосного стана горячей прокатки / A.C. Карандаев, С.А. Евдокимов, В.Р. Храмшин // Вестник УГТУ-УПИ. Ч. I. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2003. - № 5. - С. 432 - 435.

Монографии:

25. Храмшин, В.Р. Энергосберегающие тиристорные электроприводы прокатных станов: монография / В.Р. Храмшин. - Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2013.- 180 с.

26. Храмшин, В.Р. Компенсирующие устройства в системах промышленного электроснабжения: монография / A.C. Карандаев, Г.П. Корнилов, A.A. Николаев, Т.Р. Храмшин, А.Н. Шеметов, В.Р. Храмшин. - Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2012. - 235 с.

Патенты РФ и программы для ЭВМ:

27. Патент РФ на изобретение 2446026, МПК7 В 21 В 37/48. Способ автоматического регулирования натяжения полосы в межклетевом промежутке широкополосного стана горячей прокатки / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, П.В. Шиляев, И.Ю. Андрюшин, В.В. Головин, П.Л. Пономарев // БИМП -2012. №9.-С. 117.

28. Патент РФ на изобретение 2456741, МПК7 Н 02 Р 7/28. Способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока / Ю.П. Журавлев, В.В. Головин, П.В. Шиляев, A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, P.P. Храмшин // БИМП - 2012. №20. - С. 460.

29. Патент РФ на изобретение 2457611, МПК7 Н 02 Р 7/06. Способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, P.P. Храмшин и др.// БИМП - 2012. №21. - С. 394.

30. Патент РФ на изобретение 2477187, МПК7 В 21 В 37/52. Способ автоматического управления процессом прокатки в непрерывной группе клетей / И.Ю. Андрюшин, В.В. Галкин, В.В. Головин, П.В. Шиляев, A.C. Карандаев,

B.Р. Храмшин, P.P. Храмшин // БИМП - 2013. №7. - С. 75.

31. Патент РФ на полезную модель 117329, МПК7 В 21 В 37/48. Устройство для коррекции толщины головного участка полосы в чистовой клети широкополосного стана горячей прокатки / В.Р. Храмшин, A.C. Карандаев,

C.А. Петряков, В.В. Галкин, P.P. Храмшин // БИМП - 2012. №18. - С. 38.

32. Патент РФ на полезную модель 117839, МПК7 В 21 В 37/00. Устройство автоматического регулирования толщины полосы непрерывного широкополосного стана горячей прокатки / В.Р. Храмшин, A.C. Карандаев, С.А. Петряков, P.P. Храмшин // БИМП - 2012. №19. - С. 36.

33. Патент РФ на полезную модель 121179, МПК7 В 21 В 37/24. Устройство автоматической коррекции толщины головного участка полосы широкополосного стана горячей прокатки, имеющего семь клетей чистовой группы / В.Р. Храмшин, A.C. Карандаев, С.А. Петряков, P.P. Храмшин, А.Н. Гостев // БИМП - 2012. №29. - С. 30.

34. Патент РФ на полезную модель 121669, МПК7 Н 02 Р 7/06. Устройство двухзонного регулирования скорости двигателя постоянного тока / В.Р. Храмшин, A.C. Карандаев, P.P. Храмшин, И.Ю. Андрюшин // БИМП -2012. №30.-С. 112.

35. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011616645. Расчет скоростных и нагрузочных режимов электроприводов клетей широкополосного стана горячей прокатки /A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, A.A. Радионов, П.В. Шиляев // ОБПБТ - 2011. № 3. - С. 189.

36. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012616070. Расчет параметров электрооборудования энергосберегающих электроприводов с двухзонным регулированием скорости /A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, Р.Р. Храмшин // ОБПБТ - 2012. № 4. - С. 15.

Публикации в материалах международных конференций:

37. Храмшин, В.Р. Анализ быстродействующих систем автоматического регулирования натяжения широкополосных станов горячей прокатки / В.Р. Храмшин // Электроэнергетика, электрические системы и комплексы: Тр. междунар. науч.-техн. конф - Томск: ТПУ, 2003. - С. 79 - 82.

38. Храмшин, В.Р. Быстродействующая система автоматического регулирования натяжения и петли широкополосного стана горячей прокатки /

A.С. Карандаев, О.И. Осипов, В.Р. Храмшин // IV Междунар. (XV Всерос.) конф. по автоматизированному электроприводу (АЭП-2004): Сб. тр. — Магнитогорск, 2004. - Т.2. - С. 60 - 66.

39. Храмшин, В.Р. Каскадное управление скоростными режимами широкополосного стана горячей прокатки / А.С. Карандаев, В.Р. Храмшин, П.В. Шиляев, В.В. Головин // V Междунар. (XVI Всерос.) конф. по автоматизированному электроприводу (АЭП-2007): Сб. тр. - С-Пб., 2007. - С. 417 -421.

40. Храмшин, В.Р. Система взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины широкополосного стана горячей прокатки / А.С. Карандаев,

B.Р. Храмшин П.В. Шиляев, И.Ю. Андрюшин, В.В. Головин // V Междунар. (XVI Всерос.) конф. по автоматизированному электроприводу (АЭП-2007): Сб. тр. - С-Пб., 2007. - С. 410 - 413.

41. Храмшин, В.Р. Технологические схемы управления электроприводами чистовой группы широкополосного стана горячей прокатки / А.С. Карандаев, В.Р. Храмшин, П.В. Шиляев, И.Ю. Андрюшин, В.В. Головин // VII междунар. конгресс прокатчиков: Сб. тр.-М., 2007. - Т.1. — С. 71 - 75.

42. Храмшин, В.Р. Формирование алгоритмов управления режимами электроприводов в АСУ ТП широкополосного стана горячей прокатки / А.С. Карандаев, В.Р. Храмшин П.В. Шиляев, И.Ю. Андрюшин, А.А. Шеметова // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы междунар. на-уч.-техн. конф. - Томск: ГОУ ВПО "ТПУ", 2007. - С. 313 - 318.

43. Храмшин, В.Р. Принципы управления скоростными режимами в АСУ ТП широкополосного стана горячей прокатки / В.Р. Храмшин, А.С. Карандаев, П.В. Шиляев, И.Ю. Андрюшин, В.В. Головин // 1-я междунар. науч.-практ. конф. "ИНТЕХМЕТ-2008": Сб. ст. - С-Пб., 2008. - С. 126 - 129.

44. Храмшин, В.Р. Simulation of velocity and load modes of the wide strip hot rolling mill stand electric drive (Моделирование скоростных и нагрузочных режимов электроприводов клетей широкополосного стана горячей прокатки) / V.R. Khramshin, A.S. Karandaev, V.V. Galkin //Electrical engineering, electrical technology, electrical equipment and components: works XIII Intern. Conf. -Ukraine: Alushta, 2010. - Pp. 110 - 111.

45. Храмшин, В.Р. System leveling loads of the interconnected electric drives of the rolling mill (Система выравнивания нагрузок взаимосвязанных электроприводов прокатного стана) / A.S. Karandaev, V.R. Khramshin, V.V. Galkin //Electrical engineering, electrical technology, electrical equipment and components: works XIII Intern. Conf. - Ukraine: Alushta, 2010. - Pp. 112 - 113.

46. Храмшин, В.Р. Совершенствование электроприводов и систем регулирования технологических параметров широкополосного стана горячей прокатки при расширении сортамента полос / В.Р. Храмшин // VII Междунар. (XVII Всерос.) науч.-техн, конф. по автоматизированному электроприводу (АЭП-2012): сб. тр. - Иваново: ФГБОУ ВПО «ИГЭУ», 2012. - С. 561 - 565.

47. Храмшин, В.Р. Совершенствование системы автоматического регулирования толщины широкополосного стана горячей прокатки / В.Р. Храм-шин, A.C. Карандаев, P.P. Храмшин, С.А. Петряков // VII Междунар. (XVII Всерос.) науч.-техн. конф. по автоматизированному электроприводу (АЭП-2012): сб. тр. - Иваново: ФГБОУ ВПО «ИГЭУ», 2012. - С. 556 - 561.

48. Храмшин, В.Р. Согласование скоростей взаимосвязанных электроприводов клетей черновой группы прокатного стана / A.C. Карандаев,

B.Р. Храмшин, A.A. Радионов, И.Ю. Андрюшин, В.В. Галкин, А.Н. Гостев // VII Междунар. (XVII Всерос.) науч.-техн. конф. по автоматизированному электроприводу (АЭП-2012): сб. тр. - Иваново: ФГБОУ ВПО «ИГЭУ», 2012. -

C. 652-657.

49. Храмшин, В.Р. Система автоматического управления скоростными режимами взаимосвязанных электроприводов прокатного стана / В.Р. Храмшин, В.В. Галкин, A.C. Карандаев // Энергетика и энергоэффективные технологии: Сб. докл. V междунар. науч.-практ. заоч. конф. - Липецк: Изд. ЛГТУ, 2012.-С. 48-49.

50. Храмшин, В.Р. Снижение динамических нагрузок в непрерывной подгруппе клетей широкополосного стана горячей прокатки / В.Р. Храмшин, И.Ю. Андрюшин, А.Н. Гостев // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования: Матер. VIII междунар. науч.-техн. конф. -Вологда: ВоГТУ, 2013. - С. 222 - 227.

Подписано в печать 26.08.2013. Формат 60x84/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л.2,0. Тираж 100 экз. Заказ 478.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

0520135178

На правах рукописи

ХРАМШИН ВАДИМ РИФХАТОВИЧ

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНОЙ ГРУППЫ СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ ПРИ РАСШИРЕНИИ СОРТАМЕНТА ПОЛОС

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -доктор технических наук, профессор Карандаев А.С.

Магнитогорск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ Ю

Глава 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЧИСТОВЫХ ГРУПП СТАНОВ 2000 И 2500 ОАО «ММК» ПРИ ПРОКАТКЕ ПОЛОС РАСШИРЕННОГО СОРТАМЕНТА 22

1.1. Сортамент современных широкополосных станов горячей прокатки 23

1.2. Технология и оборудование стана 2000 ОАО «ММК» 28

1.2.1. Технологическая линия стана 28

1.2.2. Электрооборудование чистовых клетей 3 0

1.3. Скоростные и нагрузочные режимы электроприводов стана 2000 при прокатке трубной заготовки 31

1.3.1. Программы прокатки полос из трудно деформируемых марок стали 31

1.3.2. Экспериментальные исследования распределения нагрузок по клетям 32

1.3.3. Анализ работы системы автоматического регулирования скорости электроприводов чистовой группы стана 2000 33

1.4. Технология и оборудование стана 2500 ОАО «ММК» 37

1.5. Характеристика АСУ ТП чистовой группы стана 2500 41

1.5.1. Структура АСУ ТП 41

1.5.2. Функции системы управления скоростными режимами 43

1.6. Экспериментальные исследования электропривода с пропорциональным регулятором скорости 44

1.7. Результаты экспериментальных исследований точности регулирования геометрических размеров в чистовой группе стана

2500 49

1.7.1. Причины возникновения продольной разнотолщинности горячекатаных полос 49

1.7.2. Экспериментальная оценка отклонений толщины ^ j

1.8. Анализ продольной разнотолщинности полос в чистовой группе стана 2000 54

1.8.1. Временная диаграмма продольной разнотолщинности 54

1.8.2. Анализ причин возникновения разнотолщинности на

головном участке полосы 55

1.9. Требования к точности регулирования натяжения и толщины

при прокатке тонких полос 57

1.9.1. Требования к точности регулирования натяжения 57

1.9.2. Допустимые отклонения толщины 59

1.10. Задачи повышения устойчивости тиристорных

электроприводов клетей при прокатке труднодеформируемых полос 60

1.10.1. Экспериментальные исследования отклонения напряжения

на секциях 10 кВ стана 2000 62

1.10.2. Анализ осциллограмм координат электропривода за цикл прокатки 65

1.11. Концепция улучшения энергетических показателей тиристорных электроприводов клетей прокатного стана 68

1.11.1. Энергетические показатели электроприводов стана 2000 68

1.11.2. Анализ составляющих запаса выпрямленной ЭДС 71

1.11.3. Принцип перераспределения запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя электропривода клети 72

1.12. Выводы и постановка задачи исследований 75

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ

СИСТЕМ ЧИСТОВОЙ ГРУППЫ 80

2.1. Структура модели взаимосвязанных электромеханических

систем двух межклетевых промежутков 81

2.2. Математические модели объектов регулирования 85

2.2.1. Допущения, принятые при математическом моделировании электро- и гидроприводов 85

2.2.2. Модель силовой части электропривода прокатной клети как объекта управления 86

2.2.3. Модель силовой части электропривода петле держателя 87

2.2.4. Модель силовой части привода гидронажимного устройства

как объекта управления 89

2.3. Математические модели взаимосвязей электромеханических систем 91

2.3.1. Математическая модель полосы в межклетевом промежутке

как объекта управления 91

2.3.2. Математические модели формирования моментов на валах двигателей клети и петледержателя 93

2.3.3. Математическая модель формирования опережения и

давления металла при прокатке 94

2.4. Синтез регуляторов систем регулирования технологических параметров 95

2.4.1. Синтез контуров регулирования величины петли и скорости электропривода клети 97

2.4.2. Синтез контура регулирования натяжения полосы 101

2.4.3. Синтез контура регулирования положения гидронажимного устройства 102

2.5. Адекватность разработанной модели 107 ВЫВОДЫ 116

Глава 3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ВЗАИМОСВЯЗАННЫМИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

НЕПРЕРЫВНОЙ ГРУППЫ ШИРОКОПОЛОСНОГО СТАНА 118

3.1. Анализ системы косвенного регулирования натяжения 119

3.1.1. Функциональная схема САРНиП стана 2500 119

3.1.2. Структурная схема САР межклетевого натяжения 119

3.2. Совершенствование алгоритмов САРНиП стана 2500 123

3.2.1. Алгоритм вычисления задания момента петледержателя 123

3.2.2. Формирование сигнала задания на угол подъема петледержателя 128

3.3. Алгоритмы каскадной коррекции скоростей электроприводов клетей 133

3.3.1. Принцип передачи корректирующих воздействий 13 3

3.3.2. Коррекция скорости электропривода при ручном воздействии оператора 134

3.3.3. Алгоритм торможения чистовой группы при выпуске полосы 137

3.4. Исследования каскадной коррекции скоростей электроприводов клетей на математической модели 138 3.4.1 Моделирование режима коррекции скоростей электроприводов

при перемещении гидравлического нажимного устройства 139 3.4.2. Моделирование режима коррекции при изменении скорости

последующей клети 142

3.5. Функциональная схема и режимы С APT стана 2000 144

3.6. Совершенствование алгоритмов САРТ стана 2000 149

3.6.1. Структура замкнутой системы регулирования толщины 149

3.6.2. Динамическая коррекция толщины полосы 150

3.6.3. Измерение толщины полосы 152

3.6.4. Компенсация возмущающих воздействий 154

3.6.5. Анализ разнотолщинности при работе САРТ 155

3.7. САРТ с перераспределением обжатий по клетям чистовой

группы 156

ВЫВОДЫ 159

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ НАТЯЖЕНИЯ И ТОЛЩИНЫ ПОЛОСЫ В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ. СИСТЕМА ВЗАИМОСВЯЗАННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

НАТЯЖЕНИЯ И ТОЛЩИНЫ 161

4.1. Математическая модель взаимосвязи удельного натяжения и приращения толщины 162

4.2. Исследования взаимосвязи удельного натяжения и приращения толщины полосы на математической модели 167

4.3. Вычисление сигнала, пропорционального натяжению, по параметрам электропривода петледержателя 171

4.4. Экспериментальные исследования взаимосвязи удельного натяжения и приращения толщины полосы 174

4.5. Адекватность математической модели взаимосвязи 180

4.6. Исследование изменения удельного натяжения и приращения толщины полосы в динамических режимах 186

4.7. Способ и система взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины полосы 190

4.7.1. Система взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины полосы 190

4.7.2. Расчет контуров регулирования 195 ' 4.8. Математическое моделирование динамических режимов за

цикл прокатки 197

4.8.1. Технологические параметры, принятые при моделировании 197

4.8.2. Прокатка переднего конца полосы 198

4.8.3. Прокатка заднего конца полосы 201

4.8.4. Обобщение результатов моделирования 203 ВЫВОДЫ 205

Глава 5. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРО- И ГИДРОПРИВОДАМИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ СНИЖЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ РАЗНОТОЛЩИННОСТИ И УЛУЧШЕНИЕ УСЛОВИЙ ЗАХВАТА ПОЛОСЫ 207

5.1. Компенсация статических отклонений скорости электропривода клети 208

5.1.1. Принцип компенсации 208

5.1.2. Способ автоматической коррекции скоростей

электроприводов клетей перед захватом полосы валками 210

5.1.3. Способ управления скоростным режимом с подразгоном после захвата 215

5.1.4. Программная коррекция скоростей электроприводов клетей 219 • 5.2. Техническая реализация контуров регулирования 219

5.2.1. Вычисление статической ошибки скорости 219

5.2.2. Разомкнутый контур компенсации статических отклонений скорости 221

5.2.3. Замкнутый контур компенсации статических отклонений 222

5.3. Исследование компенсации статических отклонений скорости с помощью математической модели 223

5.4. Способ и системы автоматического регулирования межвалкового зазора при прокатке головного участка полосы 229 5.4.1. Коррекция задания на толщину при прокатке головного

, участка 229

5.4.2. Функциональные схемы разработанных систем

5.4.3. Система управления прокаткой в функции длины полосы 5.5. Математическое моделирование прокатки при регулируемом изменении межвалкового зазора

5.5.1. Задачи моделирования

5.5.2. Обоснование рациональных параметров коррекции межвалкового зазора

ВЫВОДЫ

Глава 6. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИМИСЯ СТРУКТУРАМИ. ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ КЛЕТЕЙ ПРИ ОТКЛОНЕНИЯХ НАПРЯЖЕНИЯ СЕТИ

6.1. Система двухзонного регулирования скорости электропривода чистовой клети

6.2. Способ зависимого управления потоком возбуждения с автоматическим регулированием выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя

6.2.1. Описание способа

6.2.2. Система двухзонного регулирования, реализующая разработанный способ

6.3. Разработка электропривода с переключающейся структурой, обеспечивающего снижение запаса выпрямленной ЭДС ТП в режиме разгона под нагрузкой

6.3.1. Способ управления, обеспечивающий снижение запаса выпрямленной ЭДС в режиме разгона электропривода под нагрузкой

6.3.2. Электропривод с переключающейся структурой с ограничением перерегулирования выпрямленной ЭДС в начальный момент ускорения под нагрузкой

6.4. Электропривод с переключающейся структурой, обеспечивающий снижение запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя в течение цикла прокатки

6.5. Система управления возбуждением с автоматическим регулированием ЭДС в функции напряжения сети

6.6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований

разработанных электроприводов 267

6.6.1. Результаты математического моделирования 267

6.6.2. Исследования в лабораторных условиях 269 6.7. Результаты экспериментальных исследований разработанной системы ДЗРС в электроприводе клети стана 2000 275 ВЫВОДЫ - 280

Глава 7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ 281

7.1. Характеристика системы управления скоростными режимами электроприводов, внедренной на стане 2500 282

7.2. Экспериментальные исследования электроприводов с компенсацией статической ошибки скорости 283

7.2.1. Прокатка с предварительным подразгоном электроприводов 283

7.2.2. Прокатка с подразгоном в момент захвата полосы 285

7.3. Экспериментальные исследования системы каскадного управления скоростными режимами электроприводов 286

7.3.1. Передача регулирующего воздействия по клетям 286

7.3.2. Коррекция скорости при возмущающих воздействиях 289

7.4. Экспериментальные исследования электроприводов с внедренной СУРС 291

7.4.1. Анализ осциллограмм за цикл прокатки 291

7.4.2. Анализ отклонений толщины 294

7.5. Оценка технико-экономической эффективности внедрения разработанной СУРС на стане 2500 296

7.5.1. Результаты внедрения 296

7.5.2. Принцип расчета экономического эффекта от внедрения разработанной СУРС 296 7.5.4. Расчет экономического эффекта от внедрения усовершенствованных алгоритмов управления скоростными режимами на стане 2000 299

7.6. Результаты экспериментальной оценки точности регулирования геометрических размеров полосы при внедрении алгоритма взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины 300

7.7. Характеристика САРТ, внедренной на стане 2000 302

7.7.1. Алгоритмы системы 302

7.7.2. Структура контура косвенного регулирования толщины

полосы 304

7.7.3. Коррекция по выходному толщиномеру 306

7.8. Экспериментальные исследования усовершенствованной САРТ

на стане 308

7.8.1. Исследование усовершенствованных алгоритмов САРТ 308

7.8.2. Прокатка с коррекцией толщины головного участка полосы 308

7.8.3. Результаты осциллографирования работы САРТ 311

7.8.4. Расчет ожидаемого эффекта от внедрения

усовершенствованных алгоритмов САРТ на стане 2000 313

7.9. Результаты опытно-промышленных испытаний энергосберегающей системы двухзонного регулирования скорости, внедренной на стане 315

7.10. Оценка технико-экономических показателей внедрения

системы ДЗРС 319

7.10.1. Результаты осциллографирования реактивной мощности 319

7.10.2. Обработка статистических данных 3 21

7.10.3. Расчет технико-экономической эффективности мероприятий

по снижению запаса выпрямленной ЭДС 322

7.11. Оценка суммарной экономической эффективности от

внедрения результатов диссертационной работы 325

ВЫВОДЫ 327

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 330

ЛИТЕРАТУРА 334

ПРИЛОЖЕНИЯ 361

ВВЕДЕНИЕ

В 2010 году мировое производство стали составило 1 млрд. 200 млн. т [1]. Около половины этого объема - тонкий горячекатаный и холоднокатаный лист. За последние 12 лет объём выпуска металлопроката в России вырос на 45%, что в среднем составляет более 3,5% в год с учетом кризисного падения в 2008-2009 гг. и восстановления в последующие годы [2]. Устойчивый, но сравнительно медленный рост предопределяет тенденцию к качественному росту: в последние годы отрасль осваивает производство более сложных и дорогих видов продукции.

Полосовая сталь составляет до 70% всего горячекатаного листового проката. Часть этого количества служит исходной заготовкой для производства холоднокатаной полосы. Вместе с тем достаточно большой процент тонкой горячекатаной полосы не подлежит дальнейшей обработке в холодном состоянии, т.е. является конечной рыночной продукцией [3,4]. Расширение сортамента за счет производства горячекатаных полос толщиной менее 2 мм, относящихся к категории особо тонких, является общепризнанной мировой тенденцией [5-8].

Возможность замены холоднокатаного листового проката горячекатаным была доказана отечественными учеными еще в 70-е годы прошлого столетия [9, 10]. Причем на большинстве широкополосных станов горячей прокатки (ШСГП) достигнутый уровень технологии и современное оборудование позволяют получать особо тонкие полосы, по точности геометрических размеров, механическим и технологическим свойствам не уступающие холоднокатаным.

Под влиянием общемировых тенденций на ряде отечественных ШСГП осваивается производство полос толщиной до 0,8-Н,2 мм, ранее относившихся к сортаменту станов холодной прокатки [11]. Это обосновано тем, что на мировом рынке для одинаковых марок и профилеразмеров разница в цене горячекатаного и холоднокатаного проката достигает 25% или примерно от $40 до $120 за тонну. Поэтому даже частичное использование потребителем го-

рячекатаного листового проката взамен холоднокатаного дает значительный экономический эффект [12].

Изготовитель в свою очередь получает экономию за счет снижения расходов на дополнительные переделы. По данным зарубежных фирм прокатка горячекатаных полос по сравнению с прокаткой холоднокатаных снижает себестоимость металлопродукции на $2(Н50 за тонну. Кроме этого, тонкие горячекатаные полосы могут быть весьма рентабельным подкатом для холоднокатаного листа. Так, например, использование горячекатаного подката толщиной 1,2 мм вместо подката толщиной 2,0 мм при производстве холоднокатаных полос толщиной 0,35 мм только за счет снижения количества проходов повышает производительность реверсивного стана холодной прокатки на 28% [13]. При этом не учитывается снижение энергозатрат и расходных материалов. По этим причинам в последние годы резко возросла потребность в горячекатаном тонколистовом прокате, и наблюдается тенденция к планомерному уменьшению толщины производимых полос.

Вместе с тем, исследования, выполненные специалистами ведущих металлургических компаний, позволили сделать вывод, что в будущем использование обычных высокопроизводительных станов для производства горячекатаной полосы традиционного сортамента в больших объемах маловероятно. Они будут необходимы для прокатки труднодеформируемых и специальных сталей [14-20]. При совершенствовании этих станов (в процессе создания новых и модернизации действующих) основное внимание уделяется повышению производственной гибкости и их адаптации для выпуска небольших партий проката [4, 21].

Исторически сложилось, что производство горячекатаной полосы в Российской Федерации сосредоточено на металлургических предприятиях с полным технологическим циклом при отсутствии минизаводов, обеспечивающих гибкое производство стального проката малыми партиями. Поэтому удовлетворение потребностей рынка в горячекатаной полосе расширенного сортамента неизбежно связано с внедрением технологий производства как

тонкой, так и толстой труднодеформируемой полосы на существующих широкополосных станах.

Перечисленные тенденции, связанные с изменением сортамента ШСГП, в полной мере касаются ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»), на долю которого приходится 17% отечественного металлопроката [2]. В связи с ситуацией, возникшей в прошедшем десятилетии на рынке горячекатаной продукции, значительно возрос спрос на так называемую трубную заготовку, для производства которой на отечественных металлургических предприятиях не хватало производственных мощностей. В результате были разработаны техноло�