автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Стабилизация скорости вытягивания слитка электроприводом тянуще-правильного устройства машины непрерывного литья

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

ТЯНУЩЕ-ПРАВИЛЬНОГО УСТРОЙСТВА МАШИНЫ

НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК.

1.1. Особенности технологии непрерывной разливки стали, характеристика машины непрерывного литья заготовок и электропривода тянуще-правильного устройства.

1.2. Временные диаграммы скорости литья заготовки и общего тока электропривода тянуще-правильного устройства.

1.3. Влияние колебаний скорости разливки на качество макроструктуры непрерывнолитой заготовки.

1.4. Статистический анализ взаимосвязи колебаний токов нагрузки электропривода и скорости разливки металла.

1.5. Анализ факторов, способных вызвать колебания скорости разливки и токов нагрузки электропривода тянуще-правильного устройства.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

ТЯНУЩЕ-ПРАВИЛЬНОГО УСТРОЙСТВА

2.1. Структурная схема электрической части электропривода тянуще-правильного устройства.

2.2. Математическое описание процессов в линиях привода тянущих роликов.

2.3. Математическое описание взаимодействия роликов и слитка.

2.4. Общая структурная схема электропривода ТПУ и её адекватность реальному объекту.

2.5. Экспериментальное исследование параметров многодвигательной системы электродвигатель - тянущий ролик.

2.6. Оценка адекватности экспериментальным данным модели электропривода тянуще-правильного устройства.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПРИЧИН КОЛЕБАНИЙ СКОРОСТИ ВЫТЯГИВАНИЯ СЛИТКА И СПОСОБОВ ЕЁ СТАБИЛИЗАЦИИ.

3.1. Анализ причин возникновения колебаний скорости вытягивания слитка.

3.2. Анализ причин изменения момента сопротивления вытягиванию слитка.

3.3. Способы стабилизации скорости литья заготовки средствами электропривода тянуще-правильного устройства.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ТЯНУЩЕ-ПРАВИЛЬНОГО УСТРОЙСТВА С ЦЕЛЬЮ СТАБИЛИЗАЦИИ СКОРОСТИ ВЫТЯГИВАНИЯ СЛИТКА.

4.1. Синтез системы управления электроприводом тянуще-правильного устройства.

4.2. Разработка функциональной схемы и алгоритма стабилизации скорости литья заготовки.

4.3. Промышленные испытания системы стабилизации скорости вытягивания слитка и оценка её эффективности.

ВЫВОДЫ.

Развитие сталеплавильного производства в последние десятилетия связано с интенсивно развивающимся процессом - разливкой стали на машинах непрерывного литья заготовок (MHJI3). Благодаря технологии непрерывной разливки металла появилась возможность организовать высокопроизводительный полностью автоматизированный процесс производства заготовок по профилю и размерам пригодных для непосредственного использования их в прокатном производстве, расширить сортамент производимых сталей и снизить себестоимость продукции [1-3].

Конструкция MHJI3 и технология непрерывного литья постоянно совершенствуются в направлении повышения качества отливаемых слитков и производительности машин. Увеличение производительности MHJI3 прямо связано с увеличением линейной скорости литья заготовки (скорости вытягивания слитка из кристаллизатора и зоны вторичного охлаждения MHJI3). Задача повышения скорости разливки металла становится тем более актуальной с применением современных литейно-прокатных агрегатов [2].

Основными причинами ограничения скорости разливки стали являются качество внутренней структуры и частота прорыва металла. Обусловлено это тем, что с увеличением скорости разливки возрастает интенсивность охлаждения заготовки и скорость её деформации, что неминуемо приводит к снижению качества внутренней структуры заготовки и увеличению вероятности прорыва корочки слитка. Поэтому в реальных промышленных условиях показатели средней скорости разливки стали значительно ниже проектных. Так на MHJI3 № 1-4 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК») при номинальной проектной скорости разливки 1,5 м/мин среднегодовые показатели скорости за 10 лет эксплуатации MHJI3 составили около 0,7 м/мин. О масштабах экономических потерь свидетельствует тот факт, что снижение скорости разливки на одном ручье только на 1% относительно проектного значения наносит ущерб около 1 миллиона рублей в год.

По данным исследований работы отечественных и зарубежных MHJI3 криволинейного типа известно, что после кратковременного снижения и восстановления скорости литья заготовки в роликовой проводке MHJ13 наблюдаются циклические нагрузки на опорах роликов, вызванные тепловыми деформациям последних, и колебательные изменения скорости вытягивания слитка пи неизменном уровне задания скорости литья заготовки [3-5]. Именно влияние электропривода ТПУ на процесс формирования непрерывнолитых заготовок в условиях колебательного изменения скорости вытягивания слитка и оказалось наименее ясным. Отсутствует анализ причин колебательного изменения скорости разливки металла и влияния электропривода ТПУ в этих условиях его работы на качество макроструктуры непрерывнолитых заготовок. Единственным средством, способным обеспечить стабилизацию скорости разливки, тем самым и качество металла, служит электропривод тянуще -правильного устройства (ТПУ), осуществляющий вытягивание отливаемой заготовки из кристаллизатора и зоны вторичного охлаждения (ЗВО).

В связи с этим целью настоящей работы является разработка электропривода тянуще-правильного устройства MHJI3, обеспечивающего за счет стабилизации скорости разливки металла увеличение производительности машины при сохранении качества внутренней структуры непрерывнолитых заготовок

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- оценки стабильности скорости вытягивания слитка электроприводом ТПУ на качество макроструктуры непрерывнолитых заготовок;

- анализа временных диаграмм тока электропривода ТПУ, скорости литья заготовки и токов электродвигателей тянущих роликов при неизменном задании скорости разливки металла;

- создания математической модели электропривода ТПУ, учитывающей реальные параметры упругой связи «электродвигатель - тянущий ролик» и взаимосвязь электроприводов тянущих роликов через отливаемую заготовку;

- исследования взаимосвязи колебательных изменений скорости разливки металла и общего момента электропривода ТПУ;

- разработки способов стабилизации скорости литья заготовки; разработки технических средств и алгоритмов управления автоматизированным электроприводом ТПУ, обеспечивающих стабилизацию скорости литья заготовки;

- промышленной апробации и внедрения полученных результатов, оценки их технической и экономической эффективности.

К защите представляются следующие основные положения:

1. Результаты оценки влияния стабильности скорости литья заготовки на качество непрерывнолитых слитков.

2. Математическая модель электропривода ТПУ, учитывающая параметры упругой связи «электродвигатель - тянущий ролик» и взаимосвязь электроприводов тянущих роликов через отливаемую заготовку на примере технологических параметров роликовой проводки и электропривода MHJ13 ОАО «ММК».

3. Результаты анализа взаимосвязи колебательных изменений скорости разливки металла и момента электропривода ТПУ.

4. Способ стабилизации скорости литья заготовки с учетом технологических условий MHJI3.

5. Технические решения и алгоритм управления электроприводом ТПУ, обеспечивающие стабилизацию скорости литья заготовки.

6. Результаты промышленного внедрения предлагаемых методов и технических решений на действующей МНЛЗ ОАО «ММК». Оценка их эффективности.

Научная новизна.

1 .Дана оценка негативного влияния нестабильности скорости вытягивания слитка на качество непрерывнолитых заготовок.

2. Разработана математическая модель электропривода ТПУ с учетом реальных параметров упругой связи «электродвигатель - тянущий ролик» и взаимосвязи электроприводов тянущих роликов через отливаемый слиток

3. Определена взаимосвязь колебательных изменений скорости литья заготовки, общего момента электропривода ТПУ и токов электродвигателей тянущих роликов.

4. Разработан способ стабилизации скорости вытягивания слитка, основанный на принципе комбинированного управления, в котором датчиком возмущающего воздействии является колебательная составляющая общего момента электропривода ТПУ.

5. Разработан алгоритм управления электроприводом ТПУ, реализующий стабилизацию скорости разливки в соответствие с технологическими требованиями.

Практическая ценность и реализация работы.

Разработана функциональная схема системы стабилизации скорости вытягивания слитка.

Результаты работы внедрены на действующем электроприводе ТПУ МНЛЗ №3 ОАО "ММК".

В результате внедрения системы стабилизации скорости вытягивания слитка путем компенсации гармонической составляющей общего момента сопротивлений вытягиванию заготовки за счет снижения амплитуды колебаний скорости разливки более чем в 3 раза достигнуто улучшение качества макроструктуры непрерывнолитых заготовок при увеличении скорости литья заготовки на 5%. 8

Оптимизирован и экспериментально подтвержден алгоритм управления электроприводом ТПУ с целью стабилизации скорости литья заготовки при возникновении колебаний общего тока электропривода ТПУ.

Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований используются при проектировании автоматизированных электроприводов ТПУ MHJ13 криволинейного типа.

Фактический годовой экономический эффект от внедрения составил 14,3 млн. руб.

Содержание работы доложено и обсуждено: на VII и VIII Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, 2001, 2002 г.); 60-ой научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ (Магнитогорск, 2001 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы развития автоматизированного электропривода промышленных установок» (Новокузнецк, 2002 г.); VII Международном конгрессе сталеплавильщиков (г. Магнитогорск, 2002 г.); II Международной научно-технической конференции «Энергосбережение на промышленных предприятиях» (г. Магнитогорск, 2000 г.).

Основное содержание работы опубликовано в 9 печатных трудах. Получено положительное решение на выдачу свидетельства РФ на полезную модель.

Результаты работы используются ОАО «Уралмаш» при проектировании и реконструкции электроприводов ТПУ МНЛЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе предложено и внедрено техническое решение, позволяющее за счет стабилизации скорости вытягивания слитка при появлении колебательной составляющей в моменте сопротивления вытягиванию заготовки улучшить качество непрерывнолитых слитков, что позволяет увеличить производительность MHJI3.

1. В результате исследований, проведенных на действующих машинах непрерывного литья заготовок, установлено, что колебания скорости вытягивания слитка и общего момента электропривода ТПУ, возникающие после технологических снижений скорости разливки металла, вызывают недопустимое снижение качества внутренней структуры непрерывнолитых слитков по всем видам дефектов и увеличивают вероятность прорыва корочки слитка, что ограничивает производительность МНЛЗ.

2. Определена корреляционная взаимосвязь между колебаниями общего момента (тока) электропривода ТПУ, скорости вытягивания слитка и токов электродвигателей тянущих роликов.

3. Предложена математическая модель электромеханической системы ТПУ, учитывающая упругую связь «электродвигатель - тянущий ролик» и взаимосвязь электроприводов тянущих роликов через отливаемую заготовку. Адекватность модели подтверждена путём сопоставления результатов моделирования и осциллографирования на действующей установке МНЛЗ.

4. Установлено, что колебания скорости литья заготовки и общего момента электропривода ТПУ обусловлены появлением колебательной составляющей в общем моменте сопротивления вытягиванию заготовки. Показано, что колебания общего момента сопротивления вызваны периодическим изменением толщины корочки слитка из-за неравномерного его охлаждения при периодических изменениях скорости разливки металла. Для устранения данных колебаний доказана необходимость стабилизации скорости вытягивания слитка.

5. Разработан способ стабилизации скорости вытягивания слитка на основе принципа комбинированного управления с использованием колебательной составляющей в общем токе электропривода ТПУ в качестве сигнала, отражающего возмущающее воздействие.

6. Разработаны алгоритм и структурная схема стабилизации скорости вытягивания слитка при появлении колебательной составляющей в общем моменте сопротивления вытягиванию слитка. Стабилизация скорости литья заготовки обеспечивается за счет вывода на дополнительный вход регулятора напряжения управляющего сигнала, пропорционального выделенной из общего тока нагрузки электропривода ТПУ колебательной составляющей. При этом управляющее напряжение выводится со сдвигом по фазе относительно изменения тока нагрузки для компенсации упругой связи «якорь электродвигателя - тянущий ролик».

7. Внедрение системы стабилизации скорости вытягивания литка позволило увеличить скорость литья заготовки на 5% при улучшении качества макроструктуры непрерывнолитых заготовок.

121

Фактический годовой экономический эффект от внедрения составил 14,3 млн. руб.

1. Мировые тенденции развития сталеплавильного производства в 21 веке.//Тр. Межд. Конф. Черная металлургия России и стран СНГ в 21 в. - Москва, 1994 - М.: Металлургия. - 1994. Т2. - с. 160.

2. Сталь на рубеже столетий.: Учебное пособие для вузов/ Под науч. ред. Карабасова Ю.С. М.: МИСИС, 2001. - 664 с.

3. Марголин Ш.М. Электропривод машин непрерывного литья заготовок. М.: Металлургия, 1978. - 279 с.

4. Лукьянов С.И., Белый А.В., Суспицын Е.С. Исследование автоколебаний в ЗВО и их негативного влияния на качество непрерывнолитой заготовки. М.,2002. - 24с. - Деп. В ВИНИТИ 19.04.02, № 721 - В2002.

5. Нисковских В.М., Карлинский С.Е., Беренов А.Д. Машины непрерывного литья слябовых заготовок. М.: Металлургия, 1991. - 279 с.

6. Автоматизированный электропривод в промышленности / Г.А.Артюшенко, В.И.Калабин, А.М.Корпляков и др. м.: Энергия, 1974. - с. 233-237.

7. Приводы машин непрерывного литья заготовок фирмы "АЭГ -Телефункен". ФРГ Antribstechnik bei StranggiePaniagen - ВЦП. -№ Ц-97836 - 20 с.

8. Bijwaard G.B. Iron and Steel Engineer, 1979, № 1, p. 35 - 45.

9. Buxton S. Electronics and Power, 1975, v. 21, № 20, p. 1131 - 1134.

10. Lemnitz H. Siemens Zeitschrift, 1973, Bd. 47, Beiheft, S. 47 - 53.

11. Schitz H., Gfoller W. BBC - Nachrichten, 1971, № 5-6, S. 178 - 186.

12. Kutzsche W., Rhein D. BBC - Nachrichten, 1976, № 10-11, S. 455 -460.

13. Этьен А., Франссен Р., Пирле Р. Влияние вторичного охлаждения при непрерывном литье на выпучивание граней и макроструктуру слябов // Черные металлы. 1987. - № 20. - С. 18 - 25.

14. Нисковских В.М., Денисов Ю.В., Карлинский С.Е. Влияние термоупругих колебаний роликов зоны вторичного охлаждения МНЛЗ на качество слитков // Сталь. 1981. - № 3. - С. 22 - 24.

15. Исследование эксплуатационных параметров параметров роликовой проводки МНЛЗ на комбинате им. Ильича / А.В.Матюхин, А.В.Побегайло, Н.В.Сабанский и др. // Сталь. -1997. № 2. - С.19 - 21.

16. Данилов В.Л., Шифрин И.Н. Расчет напряженного состояния непрерывного слитка // Создание и исследование машин непрерывного литья заготовок высокой производительности: Сб. науч. тр. ВНИИметмаш. М.: ВНИИметмаш, 1981. - С. 6 - 12.

17. Исследование ползучести кристаллизующего непрерывнолитого слитка / Ю.В.Денисов, Ю.С.Комратов, А.Я.Кузовков и др. // Сталь.- 1998. № 6. - С. 19 - 22.

18. Нисковских В.М., Карлинский С.Е. Воздйствие различных параметров на качество непрерывнолитого слитка // Сталь. 1983. -№ 12. - С .33 - 36.

19. Швенцфайер В., Каве Ф. Прямое измерение продольной силы, действующей на непрерывнолитую заготовку при разливке на МНЛЗ // Черные металлы. 1987. - № 14. - С. 12-15.

20. Кошкин А.В. Комбинированные машины для отливки слябовых и блюмовых заготовок конструкции ОАО "Уралмаш" // Сталь. 1999.- № 9. С.17 - 19.

21. Анализ причин колебаний электропривода зоны вторичного охлаждения МНЛЗ ККЦ ММК / И.А.Селиванов, С.И. Лукьянов, Н.В.Фомин, С.П. Буданов // Электротехнические системы икомплексы: Межвуз. Сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2000. -Вып.5. - С. 5 - 9.

22. Сладкоштеев В.Т., Ахтырский В.И., Потанин Р.В. Качество стали пре непрерывной разливке. М.: Металлургия, 1963. — 174 с.

23. Предупреждение дефектов непрерывнолитых слябов: Учеб. Пособие. Магнитогорск: МГМА, 1988. - 61 с.

24. Улучшение макроструктуры непрерывнолитых заготовок сечением 300 х 1650 мм / Е.М.Казачков, А.И. Корниенко, О.В.Носоченко и др.// Сталь. 1985. - № 10. - С.15 - 18.

25. Некоторые дефекты непрерывнолитых слябов и улучшение качества металла / Я.Н. Малиночка, Л.А.Моисеева, Т.В.Есаулова и др. // Сталь. 1987. - №10 - С.27 - 30.

26. Исследование автоколебаний в ЗВО и их негативного влияния на качество непрерывнолитой заготовки / С.И.Лукьянов, А.В.Белый, Е.С.Суспицын и др. М., 2002. - 24 с. - Деп. В ВИНИТИ 19.04.02, № 721 -В2002.

27. Лукьянов С.И., Панов А.Н. Обработка экспериментальных данных: Учеб. Пособие. Магнитогорск: МГМА, 1997. - 75 с.

28. Венцель Е.С., Овчаров JT.A. Теория вероятности и ее инженерное приложение. Учебн. Пособие для втузов. 2-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2000. - 480 с.

29. Лукьянов С.И., Суспицын Е.С., Белый А.В. и др. Анализ временных диаграмм токов нагрузки электродвигателей тянущих роликов машин непрерывного литья заготовок. М., 2002. - 30с. -Деп. В ВИНИТИ 23.04.02, № 743 - В 2002.

30. Погорелов И.Л. Разработка электропривод зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок: Дис. . канд. Техн. Наук. М.:, 2002. - 146 с.

31. Разливка стали на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) кислородно-конверторного цеха № 1. Технологическая инструкция ТИ 101 - СТ - ККЦ - 10 - 89, - Магнитогорск, 1992. - 86.

32. Электротехнический справочник в 3 т. Т.З: Э45 В2 кн. Кн.2. Использование электрической энергии / Под общ. Ред. Профессоров МЭИ: И.Н.Орлова (гл.ред.) и др. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 616с.

33. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г., Тиристорные системы электропривода с упругими связями. Л.: Энергия, Ленингр. Отд-ние, 1979. - 160с.

34. Лукьянов С.И., Белый А.В., Буданов С.П. Расчет собственных частот колебаний электропривода зоны вторичного охлаждения машин непрерывного литья заготовок ККЦ ОАО "ММК". М., 2000. - 19с. - Деп. в ВИНИТИ 11.08.00, № 2232 - В00.

35. Иванченко Ф.К., Красношапка В.А. Динамика металлургических машин. М.: Металлургия, 1983. - 295с.

36. Лехов О.С., Динамические нагрузки в линии привода обжимных станов. М.: Машиностроение, 1975. - 184 с.

37. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 2001.- 704с.

38. Экспериментальное иследование связи ролик слиток вдоль зоны вторичного охлаждения МНЛЗ / С.И.Лукьянов, А.Е.Васильев, С.П.Буданов и др. // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. Сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2000. - Вып.5. -с.163 - 167.

39. Квартальное Б.В. Динамика автоматизированных электроприводов с упругими звеньями. М.: Энергия, 1965. - 320 с.

40. Коловский М.З. Динамика машин. Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1989. - 263 с.

41. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1971. - 240 с.

42. Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода.- М.: Энергия, 1971. 320 с.

43. Исследование причин возникновения колебаний в роликовой проводке машины непрерывного литья заготовок / А.В.Белый // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. Сб. научн. Тр.- Магнитогорск: МГТУ, 2000. Вып.7. - С. 68 - 75.

44. Лукьянов С.И., Васильев А.Е. Исследование влияния технологических факторов на распределение общего момента вытягивания слитка по группам тянущих роликов на МНЛЗ. М., 2002. - 10с. - Деп. в ВИНИТИ 23.04.02., № 744 - В 2002.

45. Технология производства стали в современных конверторных цехах / С.В.Колпаков, Р.В.Старов, В.В.Смокий и др. М.: Машиностроение, 1991. - 464 с.

46. Лебедев В.И., Паршин В.Н. Методика расчета режима вторичного охлаждения непрерывнолитых слитков // Сталь 1982. - № 3. — С.26 - 28.

47. Роликовая проводка машин непрерывного литья заготовок криволинейного типа, конструирование и расчет: Учебное пособие для вузов / В.А.Пиксаев, К.Н.Вдовин, В.А.Зубачев и др. // -Магнитогорск: МГМА, 1998. 61 с.

48. Попандопуло И.К., Михневич Ю.Ф. Непрерывная разливка стали. -М.: Металлургия, 1990. 247 с.

49. Бычков В.П. Электропривод и автоматизация металлургического производства. Учеб. Пособие для вузов. 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Высш. шк., 1977. - 392с.

50. Петров Б.Н., Кухтенко А.И. Структура абсолютно инвариантных систем и условия их физической осуществимости // Теория инвариантности в САУ. М.: Наука, 1964. - с. 26 - 48.

51. Полещук В.И. Инвариантное подчиненное регултрование регулирование тока в электроприводе постоянного тока с последовательно параллельной коррекцией // Электричество. -1994. - № 9. - С. 51 - 56.

52. Луковников В.И., Логвин В.В. Инвариантный асинхронный электропривод для машин непрерывного литья заготовок // Электрика. 2001. - № 12. - с. 11 - 16.

53. Петров Б.Н., Кухтенко А.И. Современное состояние теории инвариантности // Теория инвариантности автоматических систем. М.: Наука, 1970. с. 20 - 26.

54. Егоров В.Н., Шестаков В.М. Динамика систем электропривода. -Д.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1983. 216 с.

55. Уланов Г.М. Динамическая точность и компенсация возмущений в системах автоматического управления (накопление и компенсация возмущений). -М.: Машиностроение, 1971. 260 с.

56. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979. - 616 с.

57. Бесекерский В.А., Попов Е.П. теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972. - 450 с.

58. Солодовников В.В. Статическая динамика линейных сисьтем автоматического управления. М.: Физматгиз, 1960. - 655 с.

59. Чемоданов Б.К. и др. Математические основы теории автоматического регулирования: Учеб.пособие для втузов. м.: Высшая школа, 1977. - Т.1. - 2.

60. Солодовников В.В. Техническая кибернетика. М.: Машиностроение, 1967. - Т.1 - 2.

61. Лукьянов С.И., Белый А.В., Суспицин Е.С. Система компенсации колебаний момента нагрузки для машины непрерывного литья заготовок // Привод и управление. 2001. - № 5. - С. 20 - 24.о'ссиТ