автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Скоростные и нагрузочные режимы электромеханических систем непрерывно-реверсивного литейнопрокатного агрегата

- *

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи ОДИНЦОВ Константин Эдуардович

СКОРОСТНЫЕ И НАГРУЗОЧНЫЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНО-РЕВЕРСИВНОГО ЛИТЕЙНО-ПРОКАТНОГО АГРЕГАТА

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Карандаев А.С.

Москва 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................6

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНО-РЕВЕРСИВНОГО ЛИТЕЙНО-ПРОКАТНОГО АГРЕГАТА........................................................................................................10

1.1. Устройство непрерывно-реверсивного литейно-прокатного агрегата.......................................................................................................10

1.2. Технологические режимы электромеханических систем непрерывно-реверсивного литейно-прокатного агрегата.....................17

1.3. Математическое описание технологического процесса........................23

1.4. Анализ режимов работы электроприводов литейно-прокатного агрегата.......................................................................................................25

1.5. Выводы и постановка задачи исследований............................................30

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НЕПРЕРЫВНО-РЕВЕРСИВНОГО ЛИТЕЙНО-ПРОКАТНОГО АГРЕГАТА....................................................32

2.1. Исходные положения расчета скоростных диаграмм............................32

2.2. Определение максимальной скорости перемещения промежуточного накопителя в режиме возврата..................................35

2.3. Определение установившейся скорости главного электропривода стана Стеккеля............................................................................................37

2.3.1. Определение установившейся скорости прокатки

в к-ом проходе...................................................................................37

2.3.2. Определение установившейся скорости прокатки

в первом проходе..............................................................................38

2.3.3. Определение установившейся скорости прокатки

в последнем проходе.......................:................................................39

2.4. Последовательность расчета тахограмм электроприводов механизмов литейно-прокатного агрегата..............................................41

2.5. Анализ скоростных режимов электроприводов литейно-прокатного агрегата....................................................................46

ВЫВОДЫ............................................................................................................54

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И РАСЧЁТ НАГРУЗОЧНЫХ ДИАГРАММ ИССЛЕДУЕМЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ...................................................56

3.1. Разработка математической модели для расчёта момента приводного двигателя барабана промежуточной моталки...................57

3.1.1. Определение динамического момента приводного двигателя барабана промежуточной моталки.................................................57

3.1.2. Определение статического момента приводного двигателя барабана промежуточной моталки...........................................*.....62

3.1.3. Математическая модель...................................................................65

3.2. Разработка математической модели для расчёта момента приводного двигателя промежуточного накопителя.............................72

3.2.1. Определение моментов приводного двигателя накопителя.......72

3.2.2. Математическая модель..................................................................74

3.3. Разработка методики проверки по нагреву приводного двигателя клети стана Стеккеля.................................................................................79

3.3.1. Выбор метода проверки..................................................................79

3.3.2. Расчёт эквивалентного тока двигателя в к-ом проходе...............84

3.3.3. Расчёт эквивалентного тока двигателя в первом проходе..........86

3.3.4. Расчёт эквивалентного тока двигателя в последнем

проходе............................................................................................89

ВЫВОДЫ............................................................................................................93

i

I

I

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМ................................................................................94

4.1. Исследование нагрузочного режима приводного двигателя промежуточной моталки...........................................................................94

4.2. Исследования нагрузочного режима приводного двигателя промежуточного накопителя..................................................................103

4.3. Исследование влияния намотки/размотки разнотолщинной полосы

на загрузку электроприводов промежуточного накопителя...............110

4.4. Требования к электроприводам и системам управления механизмов непрерывно-реверсивного литейно-прокатного агрегата...................113

4.4.1. Требования к электроприводу и системе управления промежуточной моталки...............................................................113

4.4.2. Требования к электроприводу и системе управления промежуточного накопителя........................................................114

4.4.3. Требования к электроприводу и системе управления тянущих роликов...........................................................................115

4.4.4. Требования к автоматизированному электроприводу клети стана Стеккеля................................................................................116

4.4.5. Требования с электроприводу и системе управления конечной моталки..........................................................................117

ВЫВОДЫ..........................................................................................................118

ГЛАВА 5. СОЗДАНИЕ ОПЫТНОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................119

5.1. Описание опытной экспериментальной лабораторной установки.....119

5.2. Автоматизированные электроприводы и система управления...........123

5.3. Программно-аппаратное обеспечение экспериментальных исследований............................................................................................128

5.3.1. Программное обеспечение микропроцессорной системы управления.....................................................................................129

5.3.2. Аппаратное обеспечение микропроцессорной системы управления.....................................................................................131

5.4. Результаты экспериментальных исследований.....................................134

ВЫВОДЫ..........................................................................................................139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................140

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ.............................................................................................153

ВВЕДЕНИЕ

Основной тенденцией современного этапа развития металлургической промышленности является создание гибких, компактных и менее энергоемких технологических линий, которые могут быть реализованы на минизаво-дах и быстро перестроены на выпуск продукции, требуемой потребителю. Удорожание энергоносителей и конкуренция на мировом рынке заставляют производителей обращать более пристальное внимание на вопросы повышения качества готовой продукции при одновременном снижении затрат на ее изготовление [1-5].

В прокатном производстве актуальным направлением решения перечисленных задач является сокращение числа технологических операций для получения готовой продукции путём создания полностью непрерывных технологических комплексов, совмещающих в единой технологической линии операции по отливке из жидкого металла полупродукта с размерами, близкими к конечным, прокатке и первичной обработке горячекатаной полосы [6-10]. Идея создания совмещенных литейно-прокатных агрегатов (ЛПА) для различных областей прокатного производства в отечественной практике не является новой. Достаточно заметить, что в 1977 году во ВНИИметмаше был разработан и введен в эксплуатацию на заводе "Электросталь" первый ЛПА, снабжённый планетарным станом, предназначенный для производства катанки [11]. Известны разработки отечественных ЛПА для производства сортового проката [12], для производства алюминиевой и медной катанки [13], полос из цветных металлов [14] и некоторые другие [15,16].

В конце 80-х - начале 90-х годов практически все ведущие металлургические концерны мира приступили к поиску возможностей совмещения процессов литья и горячей прокатки стальной полосы, доля которой составляет до 40% общего объема стального проката, и созданию тонкослябовых литейно-прокатных агрегатов [1,7]. Среди наиболее из-

вестных разработчиков совмещенных тонкослябовых ЛПА следует выделить германские фирмы Schloemann-Siemag (Шлеманн-Зимаг), создавшую в 1989 г. концепцию установок CSP - Compact Strip Production (компактное производство полос) [7,17-19], Mannesmann Demag (Маннесманн Демаг), создавшую с 1991 г. серию установок ISP - Inline Strip Production (линия поточного производства полос) [7,20], "Крупп индастритехник" (установка Ecco-mill) [7,21], фирму Sendzimir (Сендзимир, США) и ряд других [7,22]. Среди отечественных исследовательских и проектных организаций, ведущих разработки в данном направлении, следует отметить ВНИИметмаш [11,12,15], Магнитогорский государственный технический университет (МГТУ им. Г.И. Носова), АО

В МГТУ (им. Г.И. Носова) совместно с Магнитогорским металлургическим комбинатом (ОАО "ММК") ведется разработка и совершенствование ЛПА принципиально новой концепции, получившего за рубежом название SSP (Supercompact Strip Production) [2,25-31]. В основу концепции агрегата положен принцип реверсивной прокатки "бесконечной" полосы участками в клети стана Стеккеля (нового поколения), осуществляемой за счет поочередного накопления и выдачи полосы с помощью накопительного модуля оригинальной конструкции [32,33], при непрерывном литье сляба с постоянной скоростью на машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Накопитель полосы представляет собой совокупность электромеханических систем, в состав которых входят двухвходовая промежуточная моталка и приводные тянущие ролики, расположенные на приводном корпусе накопителя, имеющем возможность реверсивного перемещения вдоль продольной оси агрегата. За счет согласования скоростей вращения барабана моталки и перемещения корпуса накопителя реализуется упомянутый выше процесс поочередного накопления/выдачи участков "бесконечной" по-

НКМЗ" [23,24] и др.

лосы, обеспечивающий возможность реверсивной прокатки отдельного участка за несколько проходов в клети стана Стеккеля.

Промежуточный накопитель совмещенного ЛПА представляет собой сложный технологический узел, к электроприводам которого предъявляются жесткие требования по обеспечению точного согласования скоростей во всех режимах работы, связанных с реверсивной прокаткой. Не менее сложным технологическим узлом, определяющим качество производимой продукции, является стан Стеккеля, принципиально новой особенностью режима работы которого является прокатка полосы участками. В настоящее время на отечественных предприятиях отсутствует опыт разработки и эксплуатации станов подобного класса. Соответственно в отечественной литературе практически полностью отсутствует информация об их создании, разработке и исследовании электроприводов и систем управления.

В связи с изложенным, целью настоящей работы является разработка скоростных и нагрузочных режимов электромеханических систем промежуточного накопителя полосы, включающего электроприводы барабана двух-входовой моталки, тянущих роликов и перемещения, а также реверсивной клети стана Стеккеля (нового поколения), входящих в состав принципиально нового непрерывно-реверсивного литейно-прокатного агрегата.

Достижение поставленной цели потребовало решения в диссертационной работе следующих основных задач:

- теоретического и экспериментального подтверждения возможности реализации средствами автоматизированного электропривода принципа совмещения разноскоростных, разнонаправленных операций непрерывного литья и реверсивной прокатки "бесконечной" полосы участками;

- разработки реализуемых скоростных режимов электроприводов для различного числа проходов реверсивной прокатки, различных начальных и конечных геометрических размеров раската и механических свойств обрабатываемой полосы; I

- разработки рекомендаций по выбору основного силового электрооборудования, ограничений, накладываемых электроприводами на параметры технологического процесса (обжатия, ускорения и замедления, длины прокатываемых участков и др.);

- обоснования требований к электроприводам, локальным системам управления и системам управления агрегатом в целом, включающих общие требования, предъявляемые со стороны технологического процесса, рекомендации по выбору основных регулируемых параметров (скорость, положение, натяжение), диапазоны и точность регулирования, принципы согласования работы электромеханических систем во всех режимах, включая аварийные.

Для решения поставленных задач в диссертационной работе применен комплексный подход, включающий:

- разработку математических моделей и математическое моделирование;

- создание экспериментальной установки и экспериментальные исследования.

Поскольку использование полученных результатов в полном объеме возможно только при создании промышленного ЛПА, строительство которого планируется при вводе третьей очереди кислородно-конвертерного цеха ММК, вопрос о промышленном внедрении результатов будет решен на более позднем этапе.

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНО-РЕВЕРСИВНОГО ЛИТЕЙНО-ПРОКАТНОГО АГРЕГАТА

Начальным этапом разработки автоматизированных электроприводов (ЭП) нового технологического объекта является анализ его технологического режима, определение основных математических соотношений, описывающих работу отдельных узлов и механизмов при выполнении различных операций. Анализ режимов работы электромеханических систем рассматриваемого ЛПА позволяет сформулировать общие технологические требования к электроприводам и системам управления. Последние являются основой дальнейших исследований и разработки индивидуальных требований к каждому электроприводу.

1.1. Устройство непрерывно-реверсивного литейно-прокатного агрегата

Разработанный на кафедре ОМД МГТУ (им. Г.И. Носова) совместно с ОАО "ММК" при непосредственном участии автора тонкослябовый непрерывно-реверсивный литейно-прокатный агрегат представляет собой полностью непрерывную технологическую линию по производству горячекатаных полос, в которой совмещены относительно медленный процесс литья сляба и реверсивная горячая прокатка без промежуточной порезки полосы на мерные длины [25,34]. Реверсивная прокатка "бесконечной" полосы осуществляется участками за счет накопления и выдачи полосы с помощью упомянутого ранее промежуточного накопителя принципиально новой конструкции.

Компоновка базового варианта непрерывно-реверсивного совмещенного ЛПА представлена на рис. 1.1. Агрегат включает в себя последовательно расположенные в линию одноручьевую машину 1 непрерывного литья тонких слябов 2 (/|<25 мм), накопительно-нагревательное устрой-

Рис. 1.1 Компоновка непрерывно-реверсивного литейно-прокатного агрегата

ство 3 для накопления и выдачи сляба 2 и раската 8, реверсивный стан Стек-келя 9, ножницы 10 и конечные моталки 11.

Накопительно-нагревательное устройство 3 выполнено в виде проходной роликовой печи 7, внутри которой располагается промежуточный накопитель (ПН) 5, представляющий собой двухвходовую промежуточную моталку (ПМ) 6, расположенную на приводном корпусе, выполненном в виде тележки и имеющем возможность поступательного перемещения вдоль промежуточного рольганга 4 [32,33,35]. Конструкция накопителя представлена на рис. 1.2. Принцип действия ПН поясняется рис. 1.3.

Барабан 1 промежуточной моталки имеет сквозную диаметральную прорезь для пропуска полосы. При вращении барабана ПМ в условно положительном направлении (по часовой стрелке), показанном на рис. 1.3, происходит намотка полосы по двум входам. При вращении барабана ПМ в условно отрицательном направлении происходит размотка полосы. С обеих сторон от ПМ располагаются приводные тянущие ролики (ТР) 2, 3 (см. рис. 1.2, 1.3), предназначенные для создания необходимого натяжения при намотке/размотке полосы.

При одновременном вращении барабана ПМ и перемещении ПН вдоль рольганга скорости полосы V\ и У2 соответственно на первом и втором входах ПН будут определяться как

у2=Уб-Ун,

где УБ - окружная скорость намотки/размотки полосы в рулон на барабане ПМ;

Ун - скорость перемещения накопителя.

Из выражения (1.1) следует, что скорости полосы на первом и втором входах ПН могут иметь как различные абсолютные значения, так, в общем случае, и различные направления. Скорость поступательного дви-

*

рС

Л-Л

И -

1С

1»

шт

Шz

13

Ф

АЛ

13

4!Г

~ЗГ~

~пг

г*.

! . ■!

АЗ

14

1 ; з

13

Рис. 1.2. Конструкция промежуточного накопителя:

1 - приводной барабан с диаметральной прорезью; 2, 3 - приводные тянущие ролики; 4 - корпус накопителя; 5 - направляющие; 6, 7, 8 - задающая, входная и выходная проводки; 9 - нажимное устройство тянущих роликов; 10 - ролики промежуточного рольганга; 11 - станина; 12 - электродвигатель привода барабана ПМ; 13 - редуктор привода барабана ПМ; 14 - электродвигатели тянущих роликов; 15 - редукторы тянущих роликов; 16 - электродвигатели перемещения накопителя.

Рис. 1.3. Схема накопления и выдачи полосы в про�