автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка системы автоматического регулирования формы раската в плане приводов клети толстолистового стана горячей прокатки

КОИГРо льнь !Й

<г\ В,-* О г.— - О ¡4. \ Л ........ На Шёва п П п с э

хрукописи

ГАСИЯРОВ ВАДИМ РАШИТОВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ФОРМЫ РАСКАТА В ПЛАНЕ ПРИВОДОВ КЛЕТИ ТОЛСТОЛИСТОВОГО СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 [/¡ДР

Магнитогорск, 2012

005012158

005012158

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

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

УСАТЫЙ Дмитрий Юрьевич

Официальные оппоненты - САРВАРОВ Анвар Сабулханович,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Г.И. Носова", профессор кафедры электроники и микроэлектроники

ЮДИН Андрей Юрьевич, кандидат технических наук, ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" центральная электротехническая лаборатория, начальник участка автоматизированного электропривода

Ведущая организация - ОАО "Уральская Сталь", г. Новотроицк

Защита состоится "22" марта 2012 г. в 13 часов 30 минут 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, д.38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова".

Автореферат разослан "22" февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение экономической эффективности работы толстолистовых станов горячей прокатки тесно связано со снижением расхода металла за счет уменьшения потерь на обрезь, вызванной отклонением формы листа в плане от прямоугольной. Актуальная эта проблема и при горячем деформировании в условиях реверсивной прокатки и на одноклетьевом толстолистовом стане 5000, введенном в эксплуатацию в 2009 году на промплощадке ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат". Особенно значимым задача уменьшения потерь на обрезь становится при производстве широких листов ответственного назначения, например под изготовление одношовных труб для газо- и нефтепроводов высокого давления.

Наиболее эффективным методом воздействия на форму листа в плане является изменение продольного профиля листа путем регулирования межвалкового зазора в процессе прокатки автоматизированными электро- и гидроприводами нажимных винтов. Такое регулирование во время процесса пластического деформирования позволяет улучшить параллельность боковых и концевых частей раската, сократить торцевую и боковую обрези и увеличить выход годного. Так по литературным источникам известно, что на современных зарубежных станах при внедрении режима профилированной прокатки экономия металла достигает 10% и более. Экономическая эффективность от внедрения регулирования формы раската в плане (внедрении режима профилированной прокатки) доказана и отечественными учеными - технологами, результаты теоретических и практических исследований которых изложены в соответствующих научных трудах.

Новизна технологического режима профилированной прокатки определяет необходимость разработки методики определения энергосиловых параметров и нагрузок главного электропривода клети, обоснования динамических требований к главному электроприводу и приводу комбинированных электрогидравлических нажимных устройств, а также совершенствования систем автоматического управления этими приводами.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод об актуальности исследуемой в рамках диссертационной работы тематики.

Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является совершенствование системы автоматического управления автоматизированными приводами клети толстолистового широкополосного реверсивного стана горячей прокатки для реализации режима профилированной прокатки.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

1. Разработки технологических требований к главному электроприводу, электро- и гидроприводам нажимных устройств горизонтальной клети и вертикальной клети толстолистового стана в режиме профилированной

прокатки.

2. Выбора методики определения нагрузочных режимов главного электропривода прокатной клети стана, а так же разработки методики расчета требуемого быстродействия нажимных устройств при профилировании в горизонтальной и вертикальной клетях.

3. Создание математической модели для определения нагрузочных режимов главного электропривода толстолистового стана горячей прокатки.

4. Разработки системы управления профилированной прокаткой, обеспечивающей согласованное управления всеми приводами прокатной клети и реализующей получение заданного профиля раската с требуемой точностью.

5. Проведение экспериментальных исследований разработанных приводов и систем автоматического управления в реальных производственных условиях на стане 5000 ОАО "ММК".

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с применением аналитических и численных методов решения алгебраических уравнений и систем дифференциального и интегрального исчисления, методов структурного моделирования. Разработанные алгоритмы реализованы на языке программирования Object Pascal в среде визуального объектно-ориентированного программирования и создания приложений для Windows Borland Delphi 7.0. Кроме того, расчеты выполнялись с использованием математического пакета MATLAB 2007. Экспериментальные исследования проводились в промышленных условиях на действующем толстолистовом реверсивном стане горячей прокатки путем прямого осциллографирования основных параметров с последующей их обработкой.

Научная новизна разработок заключается в создании новой системы автоматического регулирования профиля листа, обеспечивающей совместную работу автоматизированных электро- и гидроприводов валков и нажимных винтов толстолистового реверсивного стана горячей прокатки, направленную на повышение прямоугольности формы прокатываемого листа в плане.

Предложено математическое описание, разработан алгоритм и создан программный продукт для моделирования ожидаемого давления металла на валки и момента прокатки на валу электродвигателя главного электропривода клети.

Обоснованы технологические требования к главному электроприводу, электроприводу и гидроприводу нажимных устройств горизонтальной и вертикальной клети толстолистового стана при профилировании, а также требования к автоматической системе управления профилированной прокаткой.

Разработана методика расчета требуемого быстродействия электромеханических и гидравлических нажимных устройств при профилированной прокатке, учитывающая особенности технологического режима.

Предложен принцип управления толщиной и шириной раската и разработана автоматическая система управления профилированной прокаткой, реализующая этот принцип.

Предложена система регулирования положения комбинированного электрогидравлического нажимного устройства в составе следящей системы автоматического регулирования толщины, обеспечивающая получение заданного профиля раската с требуемой точностью.

Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что в результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований созданы технические предпосылки для повышения эффективности работы толстолистовых станов горячей прокатки.

Результаты диссертационной работы переданы в ОАО "Магнитогорский ГИПРОМЕЗ", где приняты к использованию при проектировании толстолистовых станов горячей прокатки.

Разработанная система автоматического регулирования формы раската в плане прошла опытно-промышленную апробацию на действующем стане горячей прокатки 5000 ОАО "ММК".

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов математического моделирования, применением классических методов теории электропривода и теории автоматического управления, практической реализацией и экспериментальными исследованиями разработанной системы регулирования в промышленных условиях.

К защите представляются следующие основные положения:

1. Уточненные технологические требования к приводам электромеханических и гидравлических нажимных устройств толстолистового стана горячей прокатки.

2. Математическая модель для расчета нагрузочных режимов главного электропривода толстолистового стана горячей прокатки, учитывающая особенности процесса деформации толстых заготовок.

3. Система автоматического регулирования формы раската в плане, обеспечивающая получение заданного профиля раската с требуемой точностью.

4. Результаты экспериментальных исследований режимов работы приводов клети и нажимных устройств при профилированной прокатке в реальных производственных условиях на стане 5000 ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: VI международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Тула, 2010 г.); IV всероссийской мультиконференции по проблемам управления (г. Таганрог, 2011 г.); 68-й и 69-й межрегиональных научно-техни-

ческих конференциях "Актуальные проблемы современной науки, техники и образования" (г. Магнитогорск, 2010 и 2011 г.г.); межрегиональной научно-технической конференции "Наука и производство Урала" (г. Новотро-ицк, 2010 г.); на научно-технических семинарах кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники ФГБОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" (2010-2012 г.г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 11 печатных трудах, в том числе 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Минобр-науки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 93 наименований и одного приложения. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, в том числе 37 рисунков и 20 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе на основе патентно-литературных исследований дан анализ процесса толстолистовой горячей прокатки, определены его особенности. Дано определение профилированной прокатки. Представлен обзор известных принципов построения систем управления электроприводами толстолистовых станов горячей прокатки с горизонтальной и вертикальной клетями, а также приведен обзор известных систем регулирования формы листа в плане.

На основе анализа технологических режимов работы уточнены технологические требования к приводам комбинированных электрогидравлических нажимных устройств, а также к главному электроприводу клети толстолистового реверсивного стана горячей прокатки, основными из которых являются:

- изменение межвалкового зазора в паузах между проходами при отсутствии металла в валках посредством электромеханических нажимных устройств со скоростью 50 мм/с;

- изменение межвалкового зазора в проходах с профилированием раскатов горизонтальными валками при наличии металла в клети посредством гидравлических нажимных устройств с минимальной статической и динамической ошибкой регулирования перемещения, не превышающей ±1% со скоростью изменения межвалкового зазора 25...35 мм/с;

- обеспечение минимально возможных значений (не более 2%) статических и динамических падений скорости главного электропривода клети, возникающие как вследствие ударного приложения нагрузки при входе металла в валки, так и вследствие линейного изменения момента прокатки при изменении межвалкового зазора;

- во избежание усложнения системы регулирования скорости главного электропривода, например, за счет применения более сложного регулятора, влияние ошибки регулирования скорости этого электропривода на процесс профилирования раската рекомендуется компенсировать воздействием по более быстродействующему - гидравлическому каналу комбинированного нажимного устройства.

Определены задачи исследований.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке математического описания очага деформации, разработке программного продукта для автоматизированного анализа и теоретических исследований определения энергосиловых параметров приводов толстолистового реверсивного стана горячей прокатки.

Обзор литературных источников показал, что применяемые в настоящее время методики расчета давления металла на валки и момента прокатки, как правило, базируются на трудах академика А.И. Целикова. Проверка на адекватность расчетов энергосиловых параметров по известным выражениям в условиях прокатки толстых листов показала, что ошибка в расчетах достигает неприемлемых уровней в 30...40%. В результате анализа причин подобных отклонений выявлено, что особенностью прокатки на толстолистовом стане является повышенная высота очага деформации и существенно больший угол захвата а (см. рис. 1) в черновых проходах. Учет указанного фактора позволил предложить уточненные зависимости для расчета величины давления металла на валки Р и момента прокатки Мпр в виде

е . е . бо + Ь,?

Р-^РХ +Ру , Рх-уд.^ЛЬ-'У^д.^'Ч. РУ- — \Р9

8-Я;

2

г

= +£х - ¿дел-................0 •агс1д

(ф

М £

+

+ ..... 0 . 1п ' +к- п + -созо) гк-Ь + 2-Нв 1д{<р 2)- 1 2 в "

-1п-2

,(1)

Мпр-2. + Я,-(Ъ-Ь,)р-0,391-а1,1459

а 4

где Рх, Ру - горизонтальная и вертикальная проекции равнодействующей давления металла на валки Р\ Рф - удельное давление металла на валки; в - вес полосы; 11 - длина всей прокатанной полосы после ее выхода из валков; I - длина участка полосы вышедшего из валков в данный момент; А -вытяжка полосы при пропуске; д - ускорение свободного падения;} - ускорение прокатываемой полосы; Ь0, Ь-, - ширина прокатываемой полосы при входе и выходе из валков; Ь0, /7) - толщина сляба до и после прокатки; ¿х -удельная сила трения между прокатываемым металлом и поверхностью

валков' <р - угол между касательной к дуге валка в точке расчета и горизонтальной плоскостью; Яв - радиус валка; /3 - угол точки приложения равнодействующей давления; а -угол захвата; (У-сила инерции (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема очага деформации при прокатке толстых полос

При разработке уточненной методики была учтена также специфика реверсивного движения раската. Экспериментальным способом определен угол точки приложения равнодействующей давления на стане 5000 ОАО "ММК" (рис. 2.). Для этого был проведен ряд экспериментов, в ходе которых р ■ исследовались нагрузки на валу глав- 8 ного привода клети при прокатке следующих марок сталей: К52, К56, 09Г2С, 15ХСНД, 10Г2ФБЮ, 15пс, Х70, РС 040. 6 Установлено, что угол точки приложения равнодействующей давления оп- 4 ределяется исключительно геометрией очага деформации и не зависит от марки прокатываемой стали.

Разработан алгоритм и создано специализированное программное обеспечение для автоматизированного расчета энергосиловых параметров прокатки листа на толстолистовых станах.

Проведена проверка адекватности предложенной методики расчета давления металла на валки и момента прокатки, которая показала, что уточненная методика, разработанная в соответствии с учетом особенно-

Рис. 2. Экспериментальная зависимость В = {(а)

стей прокатки с высоким очагом деформации, позволяет рассчитывать нагрузочные режимы главного электропривода валков клети с ошибкой не превышающей 6...7%.

Третья глава посвящена разработке системы управления профилированной прокаткой, реализующей новый принцип управления толщиной раската в функции длины прокатанной части полосы.

Предложенная система управления профилированной прокаткой состоит из трех основных частей (см. рис. 3): блока измерения длины раската; блока вычисления задания на толщину раската; системы регулирования толщины. Система управления работает исключительно в проходах с профилированием раската горизонтальными валками. Начальная величина межвалкового зазора перед проходом устанавливается с помощью электромеханического нажимного устройства. Система начинает действовать в момент захвата металла валками, который определяется с помощью датчика наличия металла. Сигнал о захвате металла валками поступает в блок измерения длины раската, где начинается подсчет импульсов от датчика связанного с одним из валков. В соответствии с текущей длиной I и заданным профилем раската = ОД вычисляется задание на толщину раската Л3, поступающее на вход САРТ косвенного типа. Выходным сигналом САРТ является напряжение управления сервоклапаном иу, которое определяет направление расхода рабочей жидкости через сервоклапан (слив рабочей жидкости из полости гидравлического цилиндра или подключении полости гидравлического цилиндра к магистрали

Измерение длины раската

Вычисление задания на толщину раската

О

'общ. '07> 'о2' 1пЬ 1п2. Лл

„Р

Датчик наличия металла

Месдоза

/ к Пз САРТ

Датчик импульсов

Сервоклапан

иу —►

Датчик положения

ОТ " " " "

Гидравлический цилиндр

Рис. 3. Функциональная схема системы управления профилированной прокаткой

высокого давления) и величину этого расхода О. В соответствии с направлением и величиной расхода рабочей жидкости происходит необходимое перемещение поршня гидравлического нажимного устройства - /ЗЭ.

Для электромеханического нажимного устройства, необходимого для предварительной настройки зазора горизонтальных валков между проходами, предложена к реализации система автоматизированного электропривода, построенная по типовой системе управления ПЧ-АИН-АД с векторным управлением.

В виду того что, регулятор толщины задает межвалковый зазор, в то время как для САР электромеханических нажимных устройств координатой управления является длина выдвинутого винта, в системе необходимо предусматривать дополнительный контур регулирования положения нажимного винта. Основные требования, предъявляемые к регулятору положения: обеспечение качественных переходных процессов при малых перемещениях, отсутствие перерегулирований по перемещению в режиме дотягивания; оптимальный режим при торможении; ограничение скорости на уровне номинальной при больших перемещениях. Вышеуказанным требованиям, естественно, удовлетворяет нелинейный регулятор положения, с так называемой, параболической характеристикой. Кроме того, к электроприводу нажимных винтов предъявляются жесткие требования в отношении синхронного перемещения левого и правого винтов. Поэтому в САР электропривода нажимных винтов необходимо также предусмотреть систему электрической синхронизации.

Предложенная система автоматического регулирования дополняет имеющуюся систему автоматизации стана и имеет в своем составе регулятор толщины, представленный на рис. 4, в основе построения которого

лежит известное уравнение Головина-Симса

" = (2)

мк

где /7 - толщина полосы на выходе из клети; 8 - величина межвалкового зазора; Р-давление металла на валки; Мк - модуль жесткости клети.

На вход регулятора толщины поступает разница сигналов задания на толщину и обратной связи, полученных с датчиков положения нажимных устройств и датчика усилия прокатки. Регулятор толщины имеет переменные коэффициенты усиления, зависящие от упругой деформации клети и полосы

1 -МП=175- Р , (3)

Трт п0-П-1

где Кр, К-, - коэффициенты пропорционально и интегральной составляющих; Мк, Мп- модули жесткости клети и полосы. Модуль жесткости полосы рассчитывается в зависимости от ожидаемого усилия прокатки и обжатий (т.е. по данным от математической модели прокатки). Модуль жесткости клети рассчитывается исходя из кривой растяжения клети, получаемой экспериментальным способом.

Гмя л Тг К/ = (■« N М-П+1]

Трт [Мк )

Регулятор по Коррекция отклонению толщины внешних факторов +

о—и

Коррекция зазора на голове

Задание на толщину +_

чр—*

-А

•^О-> Задание зазора в НУ

актуальная толщина

Характеристика

Усилие прокатки

растяжения клети фильтр

фильтр

<М

измеренный зазор

Рис. 4. Структурная схема регулятора толщины

Для фильтрации помех, обусловленных эксцентриситетом валков, предложено применить режекторные фильтры, с частотой фильтрации, зависящей от скорости вращения рабочих и опорных валков. Сумма сигнала регулятора и компенсации различных возмущений подается в качестве дополнительного задания на зазор. Для точной настройки межвалкового зазора в САРТ также предложено использовать компенсацию различных внешних факторов, влияющих на толщину, таких как масляная пленка в подшипнике, тепловое расширение валка, износ валка и др.

В четвертой главе с целью проверки работоспособности предложенных принципов построения системы управления профилированной прокаткой и подтверждения основных теоретических положений были проведены экспериментальные исследования на стане 5000 ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат".

Стан при строительстве укомплектован оборудованием немецкой компании SMS Demag, уровень открытости аппаратного обеспечения системы автоматизации которого являлось достаточным для опробования предложенных системы регулирования и настройки регуляторов. Кроме того, имеющаяся система визуализации позволила выполнить качественное сравнение переходных процессов основных координат приводов прокатной клети и энергосиловых параметров с результатами расчета этих

параметров при помощи разработанных математических моделей.

В соответствии с полученными в диссертации рекомендациями спроектирована, настроена и опробована в промышленных условиях на толстолистовом стане 5000 горячей прокатки ОАО "ММК" предложенная в диссертационной работе система автоматического регулирования формы раската в плане.

Для достижения поставленных целей был проделан ряд экспериментов, в ходе которых прокатывались слябы трубной марки стали Х70 сечением 248x2050 мм длиной 3020 мм общим весом 12 тонн. Прокатка слябов проводилась в 17 проходов, максимальная скорость прокатки достигала 7 м/с, минимальная скорость 1,6 м/с, захват заготовок осуществлялся при установившейся скорости вращения валков. При этом изменялось начальное обжатие заготовок при захвате и глубина профилированных участков при разбивки ширины, 3-4 проходы. Производили разворот заготовки после 1 и 4 проходов. Прокатка осуществлялась в 2 фазы: 1 фаза с первого по шестой проход до толщины 115 мм при температуре 10001050 °С, 2 фаза с седьмого по семнадцатый проходы до заданной толщины в'16,5 мм при температуре 840-850 °С. Шестой проход был холостой, без обжатия, т.е. клеть была разведена, в промежутке между фазами заготовка находилась в режиме осцилляции (естественного охлаждения до температуры начала второй фазы) в течение 500 с.

На рис. 5-6 приведены наиболее характерные осциллограммы, полученные при экспериментальных исследованиях. На рис. 5 представлены осциллограммы усилий по проходам в 1-ой фазе прокатки. На интервале времени ^ происходит первый проход, затем - разворот, начинается режим раската ширины, 13-Ц, Ц45,15-1б соответственно второй, третий, четвертый и пятый проходы, затем происходит разворот, раскат ширины окончен, шестой проход "холостой" и заготовка готовится ко второй фазе прокатки. На осциллограмме видно, что математическая модель корректно рассчитывает ожидаемое усилие прокатки в соответствие с уточненной методикой расчета, а отклонения действительного значения от рассчитанного составляет 2-7%.

На рис. 6 представлены осциллограммы снятые во время второго прохода с профилированием. Перед заходом металла в клеть гидравлические нажимные устройства выставляются на 48 мм, в момент времени М2 происходит захват металла, затем начинается режим профилирование или формирования "собачей кости" на "голове" сляба 1243 и "хвосте сляба" - Мб, и глубина профилирования составляет 4 мм, 15-1е - выход металла из клети.

Сравнительный анализ результатов расчета ожидаемого усилия прокатки, формируемое в разработанной системе регулирования, с фактически измеренным значением показал, что предложенная математическая модель корректно рассчитывает ожидаемое усилие прокатки, а отклонения действительного значения от рассчитанного составляет 2-7%.

к Р, мн

Рис. 5. Осциллограммы усилий в черновых проходах: 1 - усилие прокатки; 2 - ожидаемое усилие прокатки (от модели)

53 | 52 |

51! 50 ;

49 |

48 0

Рис. 6. Осциллограмма второго прохода с профилированием. 1 - задание на ГНУ; 2 - усилие металла на валки

В целом, экспериментальные исследования работы системы управления профилированной прокаткой при прокатке слябов трубной марки стали подтвердили работоспособность предложенных систем управления, достоверность основных теоретических выводов, правильность выбора принципов построения систем управления и настройки регуляторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. В результате анализа конструкций толстолистовых станов горячей прокатки, особенностей технологического процесса и формоизменения металла при прокатке, а также принципов построения известных систем регулирования формы листа в плане показано, что для улучшения прямоугольной геометрии листа следует применять процесс управляемой профилированной прокатки, при котором осуществляется регулирование формы раската изменением величины межвалкового зазора либо в вертикальных, либо в горизонтальных валках. Наиболее перспективным воздействием при прокатке широких (до 5000 мм) листов является изменение межвалкового зазора в горизонтальных клетях.

2. Уточнены технологические требования к приводам комбинированных электрогидравлических нажимных устройств, а также к главному электроприводу клети, основными из которых являются требования к изменению межвалкового зазора в паузах между проходами при отсутствии металла в валках посредством электромеханических нажимных устройств со скоростью 50 мм/с, требование к изменение межвалкового зазора в проходах с профилированием раскатов горизонтальными валками при наличии металла в клети посредством гидравлических нажимных устройств с ошибкой регулирования перемещения не более ±1% со скоростью изменения межвалкового зазора 25...35 мм/с, а также требование к обеспечению ошибки регулирования скорости главного электропривода клети не более 2%

3. Экспериментальные исследования нагрузочных режимов приводов толстолистового стана 5000 ОАО "ММК" показали, что традиционная методика расчета энергосиловых параметров, основанная на трудах академика А.И. Целикова, приводит к ошибкам в расчетах в первых проходах до 30...40%. Выполнен анализ причин подобных отклонений. Составлены аналитические зависимости позволившие предложить новую уточненную методику расчета давления металла на валки и момента на валу приводного электродвигателя для прокатки слябов толщиной более 250 мм. Проверка на адекватность новой методики показала сходимость результатов расчета с реальными значениями в 6...7%.

4. Разработан алгоритм и создано специализированное программное обеспечение для автоматизированного анализа энергосиловых параметров прокатки листа и нагрузочных режимов главного электропривода толстолистовых станов.

5. Разработана система управления профилированной прокаткой, дополняющая системы автоматического регулирования приводов толстолистового прокатного стана, реализующая новый принцип управления толщиной раската в функции длины прокатанной части и функционирующая исключительно в проходах с профилированием раската горизонтальными валками. Предложены структура и настройки регуляторов толщины.

6. Спроектирована, настроена и опробована в промышленных условиях на толстолистовом стане 5000 горячей прокатки ОАО "ММК" разработанная в диссертационной работе система управления профилированной прокаткой. Экспериментальные исследования работы системы при прокатке слябов трубной марки стали подтвердили работоспособность предложенных систем управления, достоверность основных теоретических выводов, правильность выбора принципов построения системы управления и настройки регуляторов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Алгоритм расчета скоростных и нагрузочных режимов электроприводов клетей прокатного стана при прокатке толстых полос / В.В. Галкин, A.C. Карандаев, В.В. Головин, A.A. Радионов, В.Р. Храмшин, В.Р. Гасияров, O.A. Залогин И Изв. Тульского государственного университета. Технические науки. № 3, ч. 2. 2010. С. 12-17.

2. Гасияров В.Р., Радионов A.A., Усатый Д.Ю. Разработка уточненной методики расчета момента на валу двигателя клети толстолистового стана горячей прокатки и проверка ее адекватности II Известия вузов. Электромеханика. №4, 2011. С. 78-81.

3. Автоматическое управление геометрией проката на толстолистовом стане 5000 горячей прокатки / В.Р. Гасияров, А.А, Радионов, Л.В. Радионова, Д.Ю. Усатый // Тр. IV Всероссийской мультиконференции по проблемам управления. - Таганрог, 2011. С. 307-309.

4. Гасияров В.Р., Залогин О.А, Радионов A.A. Исследование энергосиловых параметров прокатки листа на толстолистовом стане 5000 горячей прокатки ОАО "ММК" // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 68-й межрегион, науч.-техн. конф. - Магнитогорск: МГТУ, 2010. - С. 73-77.

5. Гасияров В.Р., Залогин O.A., Радионов A.A. Системы регулирования толщины, профиля и планшетности полосы на толстолистовом стане 5000 ОАО "ММК" II Сб. трудов межрегион, науч. конф. "Наука и производство Урала". - Новотроицк: НФ МИСиС, 2010. - С. 107-112.

6. Гасияров В.Р., Пузанкова Е.А., Радионов A.A. Методика расчета момента прокатки на толстолистовом стане 5000 // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2009. Вып. 16. С. 100-109.

7. Гасияров В.Р.. Радионов A.A., Усатый Д.Ю. Экспериментальное определение положения равнодействующей давления металла на валки на толстолистовом стане 5000 // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2010. Вып. 18. С. 3-6.

8. Гасияров В.Р., Радионов A.A., Усатый Д.Ю. Апробация методики расчета момента при прокатке толстого листа // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 69-й межрегион, науч.-техн. конф. - Магнитогорск: МГТУ, 2011. - С. 53-56.

9. Гасияров В.Р., Усатый Д.Ю. Система регулирования толщины проката толстолистового стана 5000 // Автоматизация технологических и производственных процессов в металлургии: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2012. С. 126-130.

10. Гасияров В.Р. Построение регулятора толщины полосы на толстолистовом стане горячей прокатки // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2011. Вып. 19. С. 149153.

11. Св-во об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011616618. Расчет энергосиловых параметров прокатки толстых полос и нагрузочных режимов электропривода клети реверсивного толстолистового стана горячей прокатки / Гасияров В.Р., Радионов A.A., Малахов О.С., Усатый Д.Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова". - N2 2011614842; заявл. 30.06.11; зарегистр. 25.08.11.

Подписано в печать 21.02.2012 Формат 60x84 1/16.

Плоская печать Усл. печ л. 1.00 Тираж 100 экз.

455000. г. Магнитогорск, пр. Ленина. 38 Полиграфический участок МГТУ

Бумага тип. №1. Заказ 124

61 12-5/2074

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И. Носова»

На правах рукописи

Гасияров Вадим Рашитович

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ФОРМЫ РАСКАТА В ПЛАНЕ ПРИВОДОВ КЛЕТИ ТОЛСТОЛИСТОВОГО СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Усатый Д.Ю.

Магнитогорск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

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

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА КЛЕТИ ТОЛСТОЛИСТОВОГО ПРОКАТНОГО СТАНА КАК МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ......................... 9

1.1. Конструкции и технологические характеристики толстолистовых станов горячей прокатки....................................................... 9

1.2. Особенности процесса прокатки толстых листов...................... 13

1.2.1. Влияние условий прокатки на формирование геометрии листа в плане................................................................. 13

1.2.2. Форма толстого листа в плане, образующаяся при прокатке...................................................................................... 16

1.2.3. Профилированная прокатка слябов и ее технологические особенности.................................................................. 18

1.2.4. Параметры профилированной прокатки и технологические требования к оборудованию черновой клети............ 20

1.3. Обзор известных систем регулирования формы листа в плане. 23

1.4. Разработка требований к электромеханическим и гидравлическим системам клети толстолистового стана при профилированной прокатки слябов.................................................... 26

1.4.1. Требования к нажимным устройствам............................. 26

1.4.2. Требования к главному электроприводу.......................... 31

1.5. Выводы и постановка задачи исследований............................. 34

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОКАТКИ ТОЛСТЫХ ЛИСТОВ................................................................. 36

2.1. Анализ известных методов расчета давления металла на валки и момента прокатки................................................... 36

2.1.1. Методика Целикова.................................................. 37

2.1.2. Методика Зибеля........................................................... 40

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

2.1.4. Проверка на адекватность в условиях прокатки толстого листа........................................................................ 43

2.2. Разработка уточненной методики расчета момента прокатки

для толстолистового стана 5000..................................................... 48

2.2.1. Случай скольжения с сухим трением (теория Кармана)........................................................................... 49

2.2.2. Случай частичного скольжения (теория Зибеля).......... 51

2.2.3. Расчет усилия прокатки с учетом реверсивного движения заготовки............................................................ 53

2.2.4. Экспериментальное определение угла точки приложения равнодействующей давления металла на валки на стане 5000................................................................ 54

2.3. Создание специализированного программного обеспечения для автоматизированного анализа энергосиловых параметров прокатки толстого листа на стане 5000 ОАО "ММК"................ 56

2.3.1. Алгоритм программного обеспечения......................... 57

2.3.2. Интерфейс программного обеспечения........................ 59

2.4. Проверка адекватности разработанной уточненной методики расчета момента прокатки на стане 5000 ОАО "ММК".............. 60

2.5. Выводы........................................................................... 63

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМЫ ТОЛСТЫХ ЛИСТОВ В ПЛАНЕ....................................................................... 64

3.1. Система автоматизации толстолистового реверсивного стана

с регулированием профиля раскатов в плане.......................... 64

3.2. Разработка системы регулирования толщины.......................... 68

3.2.1. Расчет быстродействия нажимных устройств при профилированной прокатке................................................ 69

3.2.2. Динамические требования к гидравлическим нажимным устройствам.......................................................... 73

3.2.3. Построение регулятора толщины................................. 73

3.3. Разработка системы управления гидравлическими нажимными устройствами..................................................................... 79

3.4. Функциональная схема системы управления профилированной прокаткой.............................................................................. 82

3.5. Разработка системы управления электромеханическими на-

жимными устройствами............................................................... 83

3.6. Управление вертикальной клетью............................................... 87

3.7. Выводы........................................................................... 90

ГЛАВА 4. ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ..................................................... 91

4.1. Описание толстолистового стана горячей прокатки 5000........ 91

4.2. Расчет системы управления гидравлическими нажимными устройствами горизонтальной клети................................... 94

4.3. Расчет системы управления электромеханическими нажимными устройствами горизонтальной клети........................... 96

4.4. Расчет системы управления электромеханическими нажимными устройствами и гидравлическими нажимными устройствами вертикальной клети (эджера).................................. 104

4.5. Результаты экспериментальных исследований..................... 109

4.6. Выводы........................................................................... 112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................. 113

ЛИТЕРАТУРА................................................................................. 115

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................. 124

ВВЕДЕНИЕ

Расход металла при толстолистовой горячей прокатке определяется количеством обрези и формой готового листа [1]. Поэтому в связи с постоянным повышением требований к экономии металла и качества листа вопросы формообразования листа в плане в процессе прокатки являются значимыми. Актуально это проблема стоит при горячем деформировании в условиях реверсивной прокатки и на однокпетьевом толстолистовом стане 5000, введенным в эксплуатацию в 2009 году на промплощадке ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат". Особенно это относится к производству широких листов ответственного назначения, например, под изготовлении одношовных труб для газо- и нефтепроводов высокого давления.

Технико-экономические показатели толстолистовых станов, эксплуатируемых сегодня в Российской Федерации по-прежнему далеки от зарубежных аналогов: 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]. А по заявленным характеристикам стана 5000 в Китае - до 98 %.

Единственным методом воздействия на форму листа в плане является изменение его продольного профиля путем регулирования межвалкового зазора в процессе прокатки [4-6]. Такое регулирование во время процесса пластического деформирования позволяет улучшить параллельность боковых и концевых частей раската, сократить торцевую и боковую обрезь и увеличить выход годного [1].

Технология профилированной прокатки успешно применяется с конца 70-х годов XX века практически на всех основных толстолистовых станах Японии. Так ее внедрение (способ получил название MAC) в 1978 году на толстолистовом стане в г. Мидзусима позволило снизить отходы с боковой и торцевой обрезью с 5 % и 5,5 % до 0,96 % и 1,01 % соответственно [3, 7]. Аналогичный процесс с названием DBR был внедрен и на толстолистовом стане завода в г. Фукуяма [8]. В литературных источниках приводятся также примеры о применении профилированной прокатки на толстолистовом станах Германии [9], Италии [10] и ряде других [11, 12].

В отечественной практике внедрение технологии прокатки с профилированием широких граней раскатов горизонтальными валками началось в 90-х годах XX века. Первыми были станы 3000 Мариупольского металлургического комбината, 5000 ПО "Ижорский завод", 1500 Ашинского металлургического завода [13, 14], 2800/1700 ЧерМК, 2800 и 2250 КомМК и ряде других [15, 16], в том числе на стане 2800 Орско-Холиловского металлургического комбината [17].

Возможность регулирования формы листа в плане заложена как при проектировании, так при вводе в эксплуатацию новейшего в России толстолистового стана горячей прокатки 5000 Магнитогорского металлургического комбината [18]. Однако фирма-разработчик системы автоматизации технологического процесса не предоставила достаточного полного описания системы профилирования прокатки - ее алгоритма функционирования, структуры и настройки регуляторов. Отсутствие подобной информации затрудняет настройку стана на новые сортаменты, востребованные на рынке.

Целью настоящей диссертационной работы является совершенствование системы автоматического управления автоматизированными приводами клети толстолистового широкополосного реверсивного стана горячей прокатки с целью реализации режима профилированной прокатки.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

1. Разработки технологических требований к главному электроприводу, электро- и гидроприводам нажимных устройств горизонтальной клети и вертикальной клети толстолистового стана в режиме профилированной прокатки.

2. Выбора методики определения нагрузочных режимов главного электропривода прокатной клети стана, а так же разработки методики расчета требуемого быстродействия нажимных устройств при профилировании в горизонтальной и вертикальной клетях.

3. Создание математической модели для определения нагрузочных режимов главного электропривода толстолиствого стана горячей прокатки.

4. Разработки системы управления профилированной прокаткой, обеспечи-

вающей согласованное управления всеми приводами прокатной клети и реализующей получение заданного профиля раската с требуемой точностью.

5. Проведение экспериментальных исследований разработанных приводов и систем автоматического управления в реальных производственных условиях на стане 5000 ОАО "ММК"

Результаты решения поставленных задач отражены в четырех главах диссертации.

В первой главе на основе патентно-литературных исследований дан анализ процесса горячей прокатки, определены его закономерности. Представлен обзор известных принципов построения систем управления электроприводами толстолистовых станов горячей прокатки с горизонтальной и вертикальной клетями, а также приведен обзор известных систем регулирования формы листа в плане. На основе анализа технологических режимов работы уточнены технологические требования к приводам электромеханических и гидравлических нажимных устройств, а также к главному электроприводу клети. Определены задачи исследований.

Во второй главе представлено математическое описание очага деформации с точки зрения анализа давления металла на валки. Выявлено, что применяемые в настоящее время традиционные методики, как правило, основаны на трудах академика А.И. Целикова, и приводят к существенным ошибкам в расчетах в первых проходах. Предложено новая методика, уточняющая известные. Разработано программного продукта для автоматизированного анализа и теоретических исследований определения энергосиловых параметров приводов толстолистового прокатного стана горячей прокатки.

Третья глава посвящена разработке системы управления профилированной прокаткой, реализующей новый принцип управления толщиной раската в функции длины прокатанной части полосы. Предложены структура системы и настройки регуляторов толщины.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований в условиях стана 5000 ОАО "ММК", которые подтвердили работо-

способность предложенных систем управления, достоверность основных теоретических выводов, правильность выбора принципов построения системы управления и настройки регуляторов.

В заключении приведены основные результаты проведенных исследований. В приложении представлен акт внедрения результатов диссертационной работы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Уточненные технологические требования к приводам электромеханических и гидравлических нажимных устройств толстолистового стана горячей прокатки.

2. Математическая модель для расчета нагрузочных режимов главного электропривода толстолистового стана горячей прокатки, учитывающая особенности процесса деформации толстых заготовок.

3. Система автоматического регулирования формы раската в плане, обеспечивающая получение заданного профиля раската с требуемой точностью.

4. Результаты экспериментальных исследований режимов работы приводов клети и нажимных устройств при профилированной прокатке в реальных производственных условиях на стане 5000 ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат".

По содержанию диссертационной работы опубликовано 11 печатных трудов, в том числе 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Минобрнауки России.

Полученные результаты докладывались и обсуждались на: VI международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Тула, 2010 г.); IV всероссийской мультиконференции по проблемам управления (г. Таганрог, 2011 г.); 68-й и 69-й межрегиональной научно-технической конференции "Актуальные проблемы современной науки, техники и образования" (г. Магнитогорск, 2010 и 2011 г.г.); межрегион, научно-технической конференции "Наука и производство Урала" (г. Новотроицк, 2010 г.); на научно-технических семинарах кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники ФГБОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" (2010-2012 г.г.).

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА КЛЕТИ ТОЛСТОЛИСТОВОГО ПРОКАТНОГО СТАНА КАК МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ

1.1. Конструкции и технологические характеристики толстолистовых станов горячей прокатки

На современных толстолистовых прокатных станах в подавляющем большинстве случаев в качестве как черновых, так и чистовых клетей применяют клети кварто. Лишь в США в отдельных случаях в черновых клетях продолжают устанавливать клети дуо.

Самыми ответственными и самыми массогабаритными узлами рабочей клети являются станины. Конструкция и технология изготовления станин определяется технологическими возможностями. Сравнение размеров и геометрии станин клети кварто стана 5000 со станинами двух самых крупных толстолистовых станов в мире показывает, что они аналогичны по весовым и конструктивным параметрам. Масса станин (каждой) двух станов 5500 Японии составляет 380 т и одного 365 т, а стана 5500 Германии - 390 т, стана 5000 ОАО "Северсталь" - 332 т. Станины всех трех станов 5500 позволяют обеспечить максимальную силу прокатки 100 МН, стана 5500 Германии -108 МН.

Перед черновыми клетями станов 5500 фирм "Син Ниппон Сэйтэцу" и "Кавасаки Сэйтэцу" предусмотрены клети с вертикальными валками (причем на второй из указанных фирм - с калиброванными валками). Имеется клеть с вертикальными валками и на стане 3600 ОАО "Азовсталь", предусмотрена установка такой клети и на стане 5000 ОАО "Северсталь".

На толстолистовых прокатных станах четвертого поколения клеть с вертикальными валками устанавливают при наличии в их сортаменте производства плит из слитков. В этом случае их основными функциями являются: снятие конусности при прокатке слитков и периодические обжатия толстых раскатов, предотвращающих образование закатов на их узких гранях, а также получение плит с катаными кромками. Кроме этого, клети с вертикальными валками можно использовать для взламывания окалины, "калибровки" слябов по ширине и управления формой раскатов в плане.

В России впервые процесс переменного обжатия слябов по их длине в вертикальных валках реализован на стане 2800 ОАО "Носта" (сегодня ОАО "ОХМК", г. Новотроицк") с целью улучшения формы раскатов в плане и снижения обрези [19]. Обширные исследования в этом направлении несколько позже были проведены сотрудниками ДонНИИчермета на стане 3600 ОАО "Азовсталь" [20]. Они показали высокую эффективность применения этого способа, были разработаны и внедрены режимы прокатки листов с применением переменного обжатия слябов по их длине.

На современных толстолистовых прокатных станах применяют исключительно индивидуальный привод валков. При этом схемы различаются по тому, какой двигатель ближе к клети - верхний или нижний. Расположение нижнего двигателя ближе к клети рациональнее применять в черновых, а верхнего двигателя ближе к клети - в чистовых клетях стана. При этом гарантируется незначительный изгиб переднего конца раската вверх, устраняются поломки станинных роликов и облегчается транспортировка раскатов по рольгангам. Крутящий момент от электродвигателя на толстолистовых прокатных станах передают с помощью универсальных шпинделей, позволяющих передать момент прокатки от 500 до 3000 кН м при угле наклона до 10°.

Механизмы перемещения валков в вертикальной плоскости (нажимные и отжимные устройства) предназначены для выполнения следующих функций: установки межвалкового зазора в ненагруженной клети (настройка к�