автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование автоматизированных электроприводов черновой клети толстолистового стана в режимах регулируемого формоизменения прокатываемого металла

/ ¿V ' 7 4

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

БАСКОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ЧЕРНОВОЙ КЛЕТИ ТОЛСТОЛИСТОВОГО СТАНА В РЕЖИМАХ РЕГУЛИРУЕМОГО ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ПРОКАТЫВАЕМОГО МЕТАЛЛА

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук доцент Карандаев А.С.

Москва -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...............................................................................................................5

1. Разработка технологических требований к приводам и системам управления черновой клети толстолистового стана в режиме

профилированной прокатки.............................................................................10

1.1 .Технологические характеристики стана 2800 и режимов прокатки

в черновой клети...............................................................................................10

1.2. Технологические особенности профилированной прокатки слябов... 13

1.3. Параметры профилированной прокатки и технологические требования к оборудованию черновой клети................................................15

1.4. Требования к нажимным устройствам....................................................18

1.4.1. Режимы работы нажимных устройств при профилированной прокатке.............................................................................................................18

1.4.2. Выбор типа нажимных устройств.........................................................19

1.4.3. Принцип построения системы управления гидравлическими нажимными устройствами...............................................................................21

1.4.4. Краткая характеристика систем автоматического регулирования толщины толстолистовых станов....................................................................22

1.5. Требования к главному электроприводу в режиме профилированной прокатки.............................................................................23

1.6. Основные функции системы управления профилированной прокаткой...........................................................................................................24

1.7. Выбор методов исследования...................................................................31

2. Определение энергосиловых параметров прокатки и требуемого быстродействия нажимных устройств при профилировании

горизонтальными валками...............................................................................35

2.1. Энергосиловые параметры при обычной прокатке...............................35

2.1.1. Методы расчета давления металла на валки и момента прокатки.... 35

2.1.2. Расчет давления металла на валки........................................................36

2.1.3. Расчет момента прокатки.......................................................................41

2.1.4. Определение энергосиловых параметров прокатки в черновой клети стана 2800................................................................................................42

2.2. Энергосиловые параметры прокатки при профилировании горизонтальными валками...............................................................................44

2.3. Разработка методики расчета требуемого быстродействия нажимных устройств при профилированной прокатке................................48

2.3.1. Анализ существующих методик расчета требуемого быстродействия нажимных устройств...........................................................48

2.3.2. Расчет быстродействия нажимных устройств при профилированной прокатке.............................................................................50

2.3.3. Динамические требования к гидравлическим нажимным устройствам .......................................................................................................54

2.3.4. Выбор расположения нажимных устройств........................................56

3. Разработка математических моделей и моделирование режимов профилированной прокатки слябов в черновой клети.................................61

3.1. Моделирование главного электропривода черновой клети..................61

3.1.1. Расчет параметров системы регулирования........................................61

3.1.2. Моделирование процесса прокатки в черновой клети.......................66

3.2. Моделирование гидравлических нажимных устройств........................73

3.3. Моделирование взаимосвязи нажимных устройств и главного электропривода через прокатываемый металл..............................................81

3.4. Структура общей модели системы и моделирование профилированной прокатки.............................................................................89

3.5. Анализ работы приводов черновой клети при профилировании и требования к системе управления...................................................................96

4. Разработка системы управления профилированной прокаткой............104

4.1. Функциональная схема системы управления.......................................104

4.2. Система регулирования толщины при профилировании....................106

I i

4

4.3. Выбор структуры и синтез регулятора положения гидравлического

нажимного устройства....................................................................................114

4.4. Система регулирования положения с комбинированным управлением.....................................................................................................117

4.5. Измерение длины раската и расчет задания на толщину раската......122

4.6. Моделирование системы управления профилированной

прокаткой.........................................................................................................125

5. Исследование профилированной прокатки в лабораторных

условиях...........................................................................................................130

5.1. Описание лабораторной установки.......................................................130

5.2. Микропроцессорная система управления электроприводами лабораторной установки................................................................................135

5.3. Проведение экспериментов....................................................................138

Заключение.......................................................................................................147

Литература........................................................................................................150

Приложение......................................................................................................159

ВВЕДЕНИЕ

Задача снижения себестоимости, повышения конкурентоспособности продукции отечественного прокатного производства на мировом рынке является в условиях современной экономики одной из наиболее важных и актуальных. Значительная доля готовой продукции, выпускаемой названной отраслью, производится на толстолистовых станах горячей прокатки. Продукция этих станов является исходной для производства труб большого диаметра, поступающих на магистральные газо- и нефтепроводы, для кораблестроения, предприятий машиностроения (в том числе кот-лостроения) и ряда других отраслей. Большинство отечественных толстолистовых станов в настоящее время нуждается в реконструкции в связи с устаревшими оборудованием и технологией. Наряду с модернизацией оборудования планируется применение технологий, обеспечивающих заметное уменьшение потерь металла при боковой и торцевой обрези готового листа, которая составляет на действующих станах 80-85% общей величины отходов металла [1]. Практическое внедрение новых технологических режимов невозможно без создания (либо реконструкции) автоматизированных электро- и гидроприводов, разработки и применения современных систем управления и средств автоматизации.

Названные проблемы в полной мере являются актуальными для толстолистового стана 2800 ОАО "НОСТА" (ОХМК), реконструкция которого проводится в настоящее время. Технико-экономические показатели стана далеки от оптимальных: средний выход готовой продукции стана (отношение массы готового листа к массе сляба) составляет 80.9 % [2]. Для сравнения, этот показатель на толстолистовых станах основных металлургических заводов Японии достигает 90.5% [3].

С целью уменьшения потерь на обрезь, вызванных отклонением формы листа в плане" от прямоугольной, в процессе реконструкции стана

* Здесь и далее под общепр ш термином "форма листа в плане" понимается вид листа сверху

предусмотрено применение наиболее эффективного из известных на сегодняшний день способов улучшения формы готового листа - прокатки с профилированием широких граней раската горизонтальными валками черновой клети [4].

Технология профилированной прокатки успешно применяется с конца 70-х годов практически на всех основных толстолистовых станах Японии. Достаточно отметить, что ее применение (с января 1978 г) на толстолистовом стане №2 завода в г. Мидзусима (прокатка по способу MAS) позволяет получать листы практически прямоугольной формы. Отходы с боковой и торцевой обрезью снизились с 5% и 5.5 % до 0.96 и 1.01%, соответственно [3, 4]. Аналогичный процесс DBR внедрила фирма "Ниппон кокан" на толстолистовом стане завода в г. Фукуяма [5]. Сообщается также о применении профилированной прокатки на толстолистовом стане предприятия Dillinger Hüttenwerke AG (Германия) [6], толстолистовом стане № 2 завода "Ilva-Taranto" (Италия) [7] и ряде других [8, 9].

В отечественной практике применение технологии прокатки с профилированием широких граней раскатов горизонтальными валками планировалось в начале 90-х годов на станах 3000 Мариупольского металлургического комбината, 5000 ПО "Ижорский завод", 1500 Ашинского металлургического завода [10, 11], 2800/1700 ЧерМК, 2800 и 2250 КомМК и ряде других [1, 12]. Технологические особенности данного способа прокатки изучены и подробно освещены в отечественной литературе [4, И]. Однако практические мероприятия по внедрению этого способа проводятся лишь в настоящее время на стане 2800 ОХМК.

Сложности практического применения способа связаны прежде всего с необходимостью модернизации либо замены устаревших электромеханических нажимных устройств (НУ) и установкой быстродействующих гидравлических НУ. Разработка гидравлических НУ и систем их управления для широкополосных и толстолистовых станов горячей про-

катки проводится НИИТяжмаш ОАО "Уралмаш" (г. Екатеринбург) [13], ВНИИметмаш [14], а также ведущими зарубежными фирмами DavyMcKee (Великобритания) [15], Mannesmann Demag, Krupp (Германия), Хитачи (Япония), Clesim (Франция) [1.6, 17] и другими. Кроме того ограниченная информация о расчете энергосиловых параметров и исследовании динамических нагрузок главного электропривода (ЭП) клети и привода нажимных устройств, отсутствие обоснованных технологических требований к указанным приводам при профилированной прокатке на отечественных толстолистовых станах затрудняют разработку систем регулирования для указанных приводов и системы комплексного управления профилированной прокаткой.

Целью настоящей работы является разработка и исследование приводов нажимных устройств и главного электропривода черновой клети толстолистового стана, а также системы согласованного управления этими приводами, обеспечивающей регулируемое формоизменение раската с заданной степенью точности в режиме профилированной прокатки слябов.

Достижение этой цели потребовало решения следующих основных

задач:

1. Разработка технологических требований к главному электроприводу и приводу нажимных устройств черновой клети толстолистового стана в режиме профилированной прокатки.

2. Выбор методики и определение энергосиловых параметров прокатки, а так же расчет требуемого быстродействия нажимных устройств при профилировании горизонтальными валками.

3. Разработка математических моделей главного электропривода и гидравлических нажимных устройств с учетом их взаимосвязи через прокатываемый металл и теоретическое исследование динамических нагрузок электро- и гидроприводов клети и НУ при профилировании.

4. Разработка системы управления профилированной прокаткой, обеспечивающей получение заданного профиля раската с требуемой точностью.

5. Разработка экспериментальной установки и исследование профилированной прокатки в лабораторных условиях.

Содержание работы изложено в 5-и главах.

В первой главе анализируются технологические характеристики толстолистового стана 2800 и особенности технологического процесса прокатки с профилированием раскатов горизонтальными валками черновой клети. Здесь же сформулированы технологические требования к главному ЭП и приводу НУ черновой клети при профилировании, а так же основные функции комплексной системы управления профилированной прокаткой.

Во второй главе производится выбор методики расчета энергосиловых параметров прокатки для черновой клети толстолистового стана, приводится расчет давления металла на валки и момента прокатки при традиционной прокатке и при прокатке с профилированием раската горизонтальными валками. Разработана методика расчета показателей быстродействия гидравлических НУ при профилировании, учитывающая упругие свойства клети и полосы, а так же особенности гидравлических НУ. Проведено исследование степени и характера влияния различных факторов на требуемое быстродействие НУ.

В третьей главе разработаны математические модели главного электропривода и гидравлического НУ с учетом их взаимосвязи через прокатываемый металл в режиме профилированной прокатки. Приведены результаты моделирования указанных приводов и на их основе уточнены требования к системе управления профилированной прокаткой.

Четвертая глава посвящена разработке системы управления профилированной прокаткой. Приведена функциональная схема разработанной

системы и подробно рассмотрены основные блоки, входящие в нее: блок измерения длины прокатанной части сляба, блок вычисления текущего задания на толщину и следящая САРТ. Исследована работа САРТ косвенного типа с гидравлическим НУ при профилированной прокатке и рекомендована настройка контура регулирования положения гидравлического НУ, обеспечивающая получение заданного профиля раската с требуемой точностью. Приведены результаты математического моделирования разработанной системы управления профилированной прокаткой.

В пятой главе описывается лабораторная установка, разработанная для экспериментальных исследований процесса прокатки с профилированием раската горизонтальными валками, и приводятся результаты этих исследований.

В заключении делаются выводы по работе и приводятся рекомендации по промышленному внедрению результатов работы на отечественных толстолистовых станах.

Содержание работы доложено и обсуждено:

1. На III Международной конференции "Электромеханика и электротехнологии" МКЭЭ-98 (г. Клязьма, сентябрь 1998 г.).

2. На межгосударственной научно-технической конференции "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века" (г. Магнитогорск, май 1996 г.).

3. На научно-техническом семинаре "75 лет отечественной школы электропривода" (г. Санкт-Петербург, март 1997 г.).

4. На научно-техническом семинаре кафедры Автоматизированного электропривода Московского энергетического института (июнь 1998 г.).

5. На объединенном семинаре кафедр энергетического факультета Магнитогорского технического университета им. Г.И. Носова (ноябрь 1998 г.).

Основное содержание диссертации изложено в десяти печатных работах.

1. Разработка технологических требований к приводам и системам управления черновой клети толстолистового стана в режиме профилированной прокатки

1.1.Технологические характеристики стана 2800 и режимов прокатки в черновой клети

Стан 2800 ОАО "НОСТА" (ОХМК) введен в эксплуатацию в 1960 г. и предназначен для прокатки листов толщиной 8-50 мм, шириной 1500 -2500 мм и длиной 4.5 - 12 м из низколегированных и углеродистых сталей, а также высокопрочных сталей специального назначения [18]. Стан состоит из следующих технологических участков: печной участок, участок рабочих клетей, участок охлаждения, отделки и инспекции прокатанных листов, участок резки, участок термообработки, склад готовой продукции. Фрагмент технологической линии стана представлен на рис. 1.1.

3

4 5 6

Ю

5

ф

77 /

о Z

73

/О 8

о

Рис. 1.1. Фрагмент технологической линии стана 2800

1- загрузочное устройство; 2 - толкатели; 3 - нагревательные печи; 4 -клеть с вертикальными валками; 5 - поворотный рольганг; 6 - черновая реверсивная клеть ДУО; 7 - чистовая реверсивная клеть КВАРТО; 8 - правильная машина; 9 - холодильник; 10 - краны; 11, 12, 13 - электродвигатели главных приводов вертикальной, черновой и чистовой клетей, соответственно.

Особенностью технологического процесса прокатки на толстолистовом стане 2800 является то, что ширина готовых листов, как правило, в 1.5

- 2.5 раза больше ширины слябов. Для получения требуемой ширины листов в зависимости от исходных и конечных размеров используется одна из двух схем прокатки в черновой клети: продольная и поперечная [19].

Продольная схема прокатки в черновой клети включает в себя следующие основные этапы:

- прокатка сляба вдоль его оси до длины раската 2500 - 2600 мм, за 2-4 прохода (первая продольная прокатка или протяжка);

- кантовка раската на 90 градусов;

- поперечная прокатка для получения требуемой ширины раската (разбивка ширины);

- кантовка раската на 90 градусов;

- продольная реверсивная прокатка до толщины раската 30-60 мм и передача раската в чистовую клеть.

Поперечная схема прокатки применима, если длина сляба не превышает ширину готового листа с учетом припуска на боковую обрезь. При поперечной схеме прокатки в черновой клети последовательность этапов изменяется:

- реверсивная продольная прокатка до длины, равной требуемой ширине листа с учетом припусков на боковую обрезь (разбивка ширины при поперечной прокатке);

- кантовка раската на 90 градусов;

- поперечн�