Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Взаимосвязь электропривода тпу и качества непрерывнолитых заготовок мнлз 18
1.1. Технологические особенности непрерывной разливки стали 19
1.2. Технологические особенности зоны вторичного охлаждения 22
1.3. Режимы работы тянуще-правильного устройства МНЛЗ 28
1.4. Технологические требования к электроприводу тянущих роликов МНЛЗ криволинейного типа 31
1.5. Типовой электропривод ТПУ МНЛЗ 37
1.6. Влияние конструктивных параметров МНЛЗ и технологических режимов разливки на качество литой заготовки 42
1.7. Временные диаграммы токов электропривода ТПУ и скорости разливки 44
1.7.1. Диаграммы токов электродвигателей тянущих роликов на неизменной скорости разливки 47
1.7.2. Диаграммы токов электродвигателей тянущих роликов при автоколебаниях скорости разливки 72
1.7.3. Сравнительный анализ режимов работы электропривода ТПУ при постоянном задании скорости разливки 81
1.8. Выводы и постановка задачи 82
ГЛАВА 2. Статические режимы работы электропривода тпу мнлз оао «ММК» 86
2.1. Временные характеристики мгновенных значений токов электродвигателей тянущих роликов 86
2.1.1. Исследование износа тянущих роликов 86
2.1.2. Влияние износа роликов и погрешности измерения скорости на характеристики изменения токов 89
2.1.3. Экспериментальное исследование связи ролик-слиток вдоль зоны вторичного охлаждения МНЛЗ 97
2.1.4. Влияние условий контакта тянущий ролик-слиток на характеристики изменения токов электродвигателей 101
2.2. Распределение токов нагрузки электродвигателей тянущих роликов 105
2.2.1. Распределение тока электропривода ТПУ по электродвигателям тянущих роликов МНЛЗ № 1-4 ОАО «ММК»...Ю5
2.2.2. Влияние технологических факторов на распределение токов электродвигателей тянущих роликов 113
2.2.3. Оценка распределения тока нагрузки электропривода ТПУ по электродвигателям тянущих роликов 117
2.3. Оценка неравномерности распределения токов нагрузки электродвигателей тянущих роликов 119
2.4. Распределение токов нагрузки по группам электродвигателей тянущих роликов 126
ВЫВОДЫ 135
ГЛАВА 3. Модель распределения моментов нагрузки по приводным роликам ТПУ 137
3.1. Методика расчета моментов нагрузки на тянущих роликах МНЛЗ. 137
3.2. Моделирование распределения требуемых моментов вытягивания заготовки по приводным роликам 149
3.3. Влияние технологических факторов на распределение общего момента вытягивания слитка по группам тянущих роликов ТПУ 151
3.4. Влияние технологических факторов на распределение момента вытягивания слитка по тянущим роликам зоны вторичного охлаждения МНЛЗ 159
3.5. Адекватность экспериментальных данных методике расчета требуемого распределения моментов нагрузки по тянущим роликам 174
3.6. Распределение реальных и требуемых по технологии общих моментов вытягивания слитка по группам тянущих роликов 179
3.7. Распределение вдоль технологического канала ЗВО статических продольных усилий в слитке 181
3.8. Влияние технологических факторов на распределение продольных усилий в слитке 188
ВЫВОДЫ 194
ГЛАВА 4. Влияние электропривода тпу на качество макроструктуры слитка 197
4.1. Дефекты непрерывнолитой заготовки и причины их образования... 197
4.2. Качество макроструктуры литых заготовок МНЛЗ№1-4 0АО"ММК" 203
4.3. Влияние электропривода тянущих роликов на качество макроструктуры литых заготовок 208
4.4. Влияние автоколебаний в роликовой проводке ЗВО на качество макроструктуры литых заготовок 211
ВЫВОДЫ 214
ГЛАВА 5. Анализ динамических режимов электропривода ТПУ 216
5.1. Динамическая модель электропривода ТПУ 217
5.1.1. Структура модели 217
5.1.2. Экспериментальное исследование собственных частот упругих колебаний якорь электродвигателя — тянущий ролик 221
5.2. Анализ причин возникновения автоколебаний в электроприводе ТПУ 223
5.3. Исследование способов стабилизации скорости литья заготовки при появлении колебаний общего момента сопротивления вытягиванию слитка 236
5.4. Анализ работы электроприводов тянущих роликов в условиях прогиба их бочки 247
5.5. Влияние буксовок электроприводов тянущих роликов на динамические нагрузки в слитке 257
5.6. Влияние износа тянущих роликов на изменение статических продольных усилий в слитке 263
5.7. Требования к электроприводу ТПУ с позиций его оптимизации по критерию качества непрерывнолитых заготовок 267
ВЫВОДЫ 271
ГЛАВА 6. Разработка вариантов реализации автоматизированного электропривода ТПУ 273
6.1. Обоснование выбора силовой части электропривода ТПУ 274
6.2. Общий алгоритм системы управления электроприводом ТПУ 288
6.3. Алгоритм управления электроприводами тянущих роликов 291
6.4. Алгоритм управления электроприводом тянущего ролика 301
6.5. Алгоритм регулировки фаз колебательного изменения токов электродвигателей горизонтального участка ЗВО 305
6.6. Алгоритм стабилизации скорости литья заготовки при возникновении автоколебаний момента нагрузки 309
6.7. Алгоритм системы диагностики состояния электрического и механического оборудования ТПУ 313
6.7.1. Общий алгоритм системы диагностики 315
6.7.2. Алгоритм диагностики автоколебаний общего тока нагрузки электропривода ТПУ 316
6.7.3. Алгоритмы диагностики буксовок и прогиба бочки тянущих роликов 322
6.7.4. Алгоритм диагностики износа тянущих роликов 327
6.7.5. Алгоритм контроля точности выставки роликовой проводки ЗВО 328
6.7.6. Алгоритмы диагностики показателей настройки электропривода ТПУ 332
ВЫВОДЫ 334
ГЛАВА 7. Экспериментальные исследования. промышленная реализация результатов работы 337
7.1. Внедрение опытно-промышленного варианта электропривода ТПУ 337
7.1.1. Опытно-промышленная система регулирования распределения токов нагрузки электропривода ТПУ 337
7.1.2. Регулирование показателей настройки электропривода ТПУ 340
7.1.3. Влияние показателей настройки электропривода ТПУ на качество непрерывнолитой заготовки 344
7.2. Анализ влияния электропривода ТПУ на производительность МНЛЗ 349
7.3. Внедрение системы компенсации колебаний момента нагрузки на МНЛЗ 356
7.4. Влияние буксовок электроприводов тянущих роликов на качество литой заготовки 358
7.5. Технико-экономический сравнительный анализ вариантов электропривода ТПУ 361
Выводы 364
Заключение 366
Литература 370
Приложения.. 392
- Сравнительный анализ режимов работы электропривода ТПУ при постоянном задании скорости разливки
- Влияние технологических факторов на распределение токов электродвигателей тянущих роликов
- Влияние технологических факторов на распределение общего момента вытягивания слитка по группам тянущих роликов ТПУ
- Влияние автоколебаний в роликовой проводке ЗВО на качество макроструктуры литых заготовок
Введение к работе
?' 7
Актуальность темы. В последние десятилетия в связи с кардинальным пересмотром технологии выплавки и разливки стали интенсивно развиваются и внедряются процессы непрерывной отливки стальных заготовок на предприятиях черной металлургии. Применение способа непрерывной разливки стали позволило организовать непрерывный, высокопроизводительный процесс производства литых заготовок по профилю и размерам пригодных для непосредственного использования их на сортовых и листовых прокатных станах. При непрерывной разливке существенно снижаются расход электрической энергии и топливно-энергетические затраты, снижается себестоимость продукции и, что особенно важно, значительно повышается выход годного металла из жидкой стали.
Технология непрерывной разливки стали и конструкция машин постоянно совершенствуются в направлении повышения качества отливаемой заготовки и производительности каждой машины. Увеличение производительности машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) прямо связано с увеличением линейной скорости разливки. Задача повышения скорости разливки становится тем более актуальной с применением современных литейно-прокатных агрегатов.
По данным Международного института чугуна и стали основными причинами ограничения линейной скорости разливки являются: качество внутренней структуры заготовки 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 МНЛЗ №1-4 ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" при номинальной проектной скорости разливки 1,5 м/мин среднегодовые показатели скорости за 10 лет эксплуатации МНЛЗ 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.
За последние десятилетия выполнен большой- объем технологических и конструкторских работ по совершенствованию установок МНЛЗ, подготовки стали к разливке и мягкого охлаждения слитка в зоне вторичного охлаждения (ЗВО) и кристаллизаторе. Однако, как отмечено на конгрессе сталеплавильщиков в 1995 г.: "Проводимые в последние годы в мире работы по совершенствованию установок непрерывной разливки при высоких капитальных затратах не дали принципиально нозых положительных результатов. Используя традиционные способы совершенствования процесса непрерывного литья (электромагнитное перемешивание, модернизацию участков ЗВО и системы охлаждения, методы активного воздействия на процесс кристаллизации и т.д.), не удалось существенно улучшить качество заготовок и повысить скорость литья. Это в значительной степени связано с наличием зоны вторичного охлаждения, в которой образуется большинство дефектов непрерывнолитой заготовки".
Среди всего многообразия-факторов, определяющих качество литой заготовки, выделяют схему приложения тянущего усилия, уптпрпя формируется., и
определяется электроприводом тянущих роликов ЗВО МНИВ. ІШШЯМММШіз
^
СПетербург ОЭ 300^ акт,
электропривода тянущих роликов на процесс формирования непрерывного слитка и оказалось наименее ясным. Практически отсутствует оценка уровня требований к степени равномерного деления нагрузки вытягивания заготовки электродвигателями тянуще-правильного устройства (ТПУ) для ограничения растягивающих усилий в оболочке кристаллизующегося слитка. Слабо отражено влияние электропривода на качество макроструктуры слитка. Нет ясности и в целесообразном распределении управляемых и неуправляемых электроприводов тянущих роликов вдоль технологического канала ЗВО с позиций снижения дефектов в литой заготовке и увеличения скорости разливки. Имеющиеся методы технического диагностирования текущего состояния тянущих роликов и настройки роликовой проводки, существенно влияющие на процесс формирования слитка и регулирования его качества за счет электроприводов роликов, часто оказываются неоднозначными и противоречивыми. Проблема обеспечения качественной работы электропривода тянущих роликов ЗВО с позиций роста производительности МНЛЗ' при сохранении качества слитка требует и более глубокого исследования электропривода на действующих объектах.
Диссертационная работа выполнялась в рамках хоздоговорных НИР между Магнитогорским государственным техническим университетом и ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат". В 2000-2002 г.г. выполнение исследований велось при поддержке гранта "По фундаментальным исследованиям в области технических наук", финансируемых Министерством образования Российской Федерации (центр МЭИ) по направлению "Информатизация и организация металлургического производства".
Цель работы. Разработка автоматизированного электропривода тянуще-правильного устройства МНЛЗ, обеспечивающего увеличение производительности машины посредством увеличения скорости литья заготовки за счет улучшения качества внутренней структуры и уменьшения вероятности прорыва корочки непрерывнолитого слитка.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
создания методики оценки влияния электропривода ТПУ на качество макроструктуры непрерывнолитого слитка;
создания методики определения требуемого по технологии распределения моментов нагрузки по тянущим роликам ТПУ и методики оценки продольных усилий, создаваемых в слитке электроприводом ТПУ;
определения показателей настройки электропривода ТПУ, позволяющих выполнить его оптимизацию по критерию качества макроструктуры непрерыв-нолитых заготовок;
создания динамической модели электропривода ТПУ с учетом реальных параметров упругой связи электродвигатель - тянущий ролик, фрикционной связи тянущий ролик - слиток и условий контакта тянущие ролики - слиток;
обоснования технологических требований к электроприводу ТПУ с позиций снижения неравномерности распределения нагрузок по электродвигателям тянущих роликов, максимальных значений статических и динамических продольных усилий в отливаемой заготовке и обеспечения стабильности протекания процесса литья заготовки в условиях автоколебаний скорости разливки;
- разработки методики и алгоритмов диагностирования текущего состояния тянущих роликов и настройки роликовой проводки, включая диагностику прогиба и износа бочки тянущих роликов, их буксовок с периодическим и случайным срывом контакта между тянущими роликами и слитком, выставки тя-
нущих роликов вдоль технологической линии ЗВО и рабочего состояния линий привода тянущих роликов;
создания технических средств и алгоритмов управления автоматизированным электроприводом ТПУ, обеспечивающих оптимальное по критерию качества заготовок ограничение статических и динамических продольных усилий в слитке и уменьшение неравномерности распределения нагрузок по тянущим роликам;
промышленной апробации и внедрения полученных результатов, оценки их технической и экономической эффективности и технико-экономического сравнительного анализа вариантов реализации технологических требований к электроприводу ТПУ.
Методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием аналитических и численных методов решения алгебраических и дифференциальных уравнений и систем, методов структурного моделирования. Результаты работы базировались.на большом объеме экспериментальных исследований, статистической обработке расчетных и экспериментальных материалов, полученных при исследовании типовой схемы электропривода ТПУ на МНЛЗ ОАО "ММК" и данных макротемплетной лаборатории по основным внутренним дефектам макроструктуры литой заготовки. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций.подтверждается сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов и результатами промышленных испытаний на действующих МНЛЗ №1-4 ОАО "ММК".
На защиту выносятся:
Математические модели распределения моментов нагрузки по электродвигателям тянущих роликов ЗВО и продольных усилий, создаваемых в слитке электроприводом ТПУ.
Методика статистической оценки влияния распределения токов нагрузки электродвигателей тянущих роликов и продольных усилий, создаваемых электроприводом ТПУ в отливаемой заготовке, на дефекты её макроструктуры.
Динамическая модель электропривода ТПУ, учитывающая реальные параметры упругой связи электродвигатель - тянущий ролик, фрикционную связь тянущий ролик - слиток и условия контакта тянущий ролик - слиток при наличии прогиба и износа тянущих роликов и их буксовок.
Технологические требования к электроприводу ТПУ, обеспечивающие уменьшение дефектов макроструктуры в непрерывнолитых заготовках за счет снижения неравномерности распределения нагрузок по электродвигателям тянущих роликов, ограничения статических'и динамических продольных усилий в отливаемой заготовке и обеспечения стабильности процесса литья заготовки в условиях автоколебаний момента нагрузки.
Методика и алгоритмы диагностирования текущего состояния тянущих роликов и настройки роликовой проводки.
Технические решения и.алгоритмы управления электроприводом ТПУ, обеспечивающие оптимизацию статических и динамических продольных усилий в слитке по критерию качества внутренней структуры непрерывнолитых заготовок.
Результаты промышленного внедрения оптимизированного по критерию качества непрерывнолитых заготовок электропривода ТПУ. Оценка его эффективности.
Научная новизна:
1. Разработаны требования к автоматизированному электроприводу ТПУ и
его системе управления с позиций улучшения качества литых заготовок за счет:
ограничения статических и динамических продольных усилий в слитке автономным регулированием токов нагрузки электродвигателей тянущих роликов;
снижения неравномерности распределения токов нагрузки электродвигателей внутри их групп за счет индивидуального регулирования средних значений токов нагрузки;
стабилизации скорости литья заготовки в пределах ±2% при появлении гармонической составляющей в общем моменте сопротивления вытягиванию слитка.
Предложена методика статистической оценки влияния распределения токов нагрузки электродвигателей тянущих роликов и статических продольных усилий, создаваемых электроприводом ТПУ в отливаемой заготовке, на качество её макроструктуры. Методика базируется на разработанных математических моделях статических взаимосвязей электроприводов тянущих роликов через отливаемую заготовку.
Разработана динамическая модель электропривода ТПУ с учетом реальных параметров упругой связи электродвигатель - тянущий ролик, фрикционной связи тянущий ролик - слиток и условий контакта тянущий ролик - слиток при наличии прогиба и износа тянущих роликов и их буксовок.
Предложена методика и алгоритмы технического диагностирования текущего состояния тянущих роликов по виду изменения токов нагрузки их электродвигателей, позволяющие определить величины прогиба и износа тянущих роликов, выделить периодические и случайные буксовки электроприводов тянущих роликов, определить точность выставки тянущих роликов вдоль технологической линии ЗВО как факторов негативного влияния на качество макроструктуры заготовок..
Разработаны функциональные схемы и алгоритмы управления электроприводом ТПУ и электроприводами тянущих роликов, реализующие технологические требования по ограничению статических и динамических продольных усилий в отливаемой заготовке и стабилизации скорости разливки при появлении гармонической составляющей в общем моменте сопротивления вытягиванию заготовки.
Практическая ценность работы состоит в том, что в результате апробации опытно-промышленного варианта электропривода ТПУ на действующей МНЛЗ за счет снижения максимальных значений статических продольных усилий в отливаемой заготовке в 4 раза и показателей неравномерности распределения токов нагрузки электродвигателей тянущих роликов на 50% достигнуто улучшение качества макроструктуры по основным видам дефектов в среднем на 10%, что позволило увеличить скорость разливки и производительность на экспериментальном ручье на 3,8%. Внедрение системы компенсации гармонической составляющей общего момента сопротивления вытягиванию слитка при возникновении автоколебаний тока электропривода ТПУ обеспечило снижение изменения скорости разливки более чем в 3 раза, в результате чего качество макроструктуры непрерывнолитой заготовки улучшилось по четырем видам дефектов из шести при увеличении скорости разливки на 5%.
Разработаны технические решения по разделению силового питания электродвигателей радиального, криволинейного и двух групп горизонтального
участков ЗВО и индивидуальному регулированию электродвигателей радиального, криволинейного и горизонтального до смыкания фронтов кристаллизации участков ЗВО.
Оптимизированы и экспериментально подтверждены алгоритмы управления электроприводом ТПУ, обеспечивающие снижение неравномерности распределения нагрузок электродвигателей тянущих роликов и статических продольных усилий в слитке на неизменной скорости литья заготовки.
Созданы алгоритмы управления электроприводом тянущего ролика с позиций неизменности заданного усилия вытягивания заготовки при наличии прогиба и износа бочки тянущего ролика и снижения динамических продольных усилий в слитке при периодических и случайных буксовках тянущих роликов.
Предложены алгоритмы управления электроприводом ТПУ с целью стабилизации скорости литья заготовки при возникновении автоколебаний общего тока электропривода ТПУ.
Апробированы алгоритмы технического диагностирования текущего состояния линий привода тянущих роликов и их выставки вдоль технологической линии ЗВО.
Реализация результатов работы. Основные научные положения и практические рекомендации диссертационной работы внедрены в промышленность, использованы в научно-исследовательских, проектных и учебных институтах.
На МНЛЗ №4 ОАО "ММК" внедрен опытно-промышленный вариант электропривода ТПУ. В результате за счет уменьшения неравномерности распределения токов нагрузки электродвигателей тянущих роликов и статических продольных усилий в слитке получено улучшение показателей качества макроструктуры непрерывнолитых заготовок, увеличение скорости разливки и производительности МНЛЗ.
На МНЛЗ №3 ОАО "ММК" внедрен алгоритм компенсации переменной составляющей общего момента вытягивания слитка. В результате увеличилась точность поддержания скорости литья заготовки, что обеспечило улучшение качества литых заготовок, увеличение скорости разливки и производительности МНЛЗ.
Методика по проектированию автоматизированного электропривода ТПУ, функциональные схемы и алгоритмы системы управления электроприводом ТПУ и электроприводами тянущих роликов, алгоритмы системы технического диагностирования текущего состояния и настройки оборудования роликовой проводки ЗВО переданы ОАО "ММК" в виде технических заданий и приняты к внедрению в ходе проводимой ОАО "Уралмаш" реконструкции электрооборудования действующих МНЛЗ.
Разработанные-математические модели, результаты теоретических и экспериментальных исследований находят практическое прнменениепри проектировании новых автоматизированных электроприводов ТПУ МНЛЗ.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедрах "Электроники и микроэлектроники" и "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Магнитогорского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на И и III Международных (XIII и XIV Всероссийских) научно-технических конференциях по автоматизированному электроприводу (г. Ульяновск, 1998 г., г. Нижний Новгород, 2001 г.); Всероссийском элек-
тротехническом конгрессе с международным участием ВЭЛК-99 (Москва, 1999 г.); XIII Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ-2000, Санкт-Петербург, 2000 г.); IV Международной конференции "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" (МКЭЭ-2000, г. Клязьма, 2000 г.); Международной конференции к 300-летию металлургии Урала "Теплофизика и информатика в металлургии" (г. Екатеринбург, 2000 г.); II Международной научно-технической конференции "Энергосбережение на промышленных предприятиях" (Магнитогорск, 2000 г.); IV Международном конгрессе прокатчиков (Магнитогорск, 2001 г.); VII Международном конгрессе сталеплавильщиков (Магнитогорск, 2002 г.); Международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, информатизация" (Барнаул: АГТУ, 2000 г.); Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы развития автоматизированного электропривода промышленных установок" (Новокузнецк, 2002 г.), а также республиканских, региональных, городских конференциях и семинарах.
Результаты работы докладывались на заседаниях и научно-технических семинарах кафедры автоматизированного электропривода МЭИ в 2000-2003 г.г., на объединенных научных семинарах энергетического, автоматики и вычислительной техники и химико-металлургического факультетов Магнитогорского государственного технического университета и на технических советах ОАО "ММК" и главного энергетика ОАО "ММК" в 2000-2003 г.г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 63 печатных трудах, в том числе монографии, учебном пособии, 53 статьях и материалах конференций и 8 авторских свидетельствах и патентах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 194 наименований и приложения объемом 35 страниц. Работа изложена на 426 страницах, содержит 119 рисунков и 57 таблиц.
Сравнительный анализ режимов работы электропривода ТПУ при постоянном задании скорости разливки
В процессе разливки стали на установившейся, практически неизменной скорости разливки, на части электродвигателей тянущих роликов наблюдаются колебания токов нагрузки двух форм: близкой к синусоидальной и с резкими передним и задним фронтами изменениями токов. На большинстве электродвигателей тянущих роликов и в электроприводе ТПУ изменения токов и общего тока незначительны. При этом наблюдаются отличия в фазах и амплитудах изменения отдельных токов и длительности наибольших и наименьших значений за период вращения роликов. Периоды изменения токов при этом близки периодам вращения роликов соответствующего диаметра, а значение коэффициента вариации изменения токов на различных электродвигателях находится в широком диапазоне от 0,02 до 0,56, что свидетельствует о различных физических процессах в электроприводах отдельных тянущих роликов. Взаимное влияние между электродвигателями тянущих роликов с колебательным характером изменения тока и влияние их на соседние электродвигатели тянущих роликов и общий ток нагрузки электропривода ТПУ отсутствует.
Напротив, при наличии автоколебаний в роликовой проводке ЗВО на неизменном уровне задания скорости, на всех электродвигателях тянущих роликов и в электроприводе ТПУ имеют место колебания токов и общего тока. При этом изменение токов отдельных двигателей и общего тока син фазно, с равным периодом изменения, соответствующим периоду вращения роликов наибольшего диаметра. При этом, значения коэффициентов вариации изменения токов электродвигателей и общего тока электропривода ТПУ находятся в относительно узком диапазоне от 0,16 до 0,28. Все это свидетельствует об однородности физических процессов в отдельных электроприводах тянущих роликов и электроприводе ТПУ. Существует тесная корреляционная связь между изменениями токов отдельных электродвигателей, изменением токов электродвигателей и общего тока электропривода ТПУ и изменением общего тока и скорости разливки.
На основании изложенного можно сделать вывод о том, что изменения токов электродвигателей тянущих роликов, общего тока электропривода ТПУ и скорости разливки в рассматриваемых режимах работы электропривода ТПУ отражают различные физические явления, происходящие в роликовой проводке ЗВО. Следовательно, анализ работы электропривода ТПУ и его влияния на качество непрерывнолитой заготовки целесообразно выполнить отдельно для случая разливки стали на незначительно изменяющейся скорости разливки и для случая автоколебаний скорости разливки. 1.8. Выводы и постановка задачи
1. Одним из резервов повышения качества литой заготовки и повышения производительности МНЛЗ является электропривод тянуще-правильного устройства, формирующий схему приложения усилия вытягивания заготовки в процессе кристаллизации и движения слитка с жидкой сердцевиной в роликовой проводке зоны вторичного охлаждения. 2. Обращено внимание на то, что в большинстве случаев при большом числе тянущих роликов в зоне вторичного охлаждения (до 70) используется групповой электропривод с силовым питанием всех электродвигателей от одного или двух тиристорных преобразователей.
3. Системы управления электроприводом ТПУ строятся без возможности регулирования нагрузок по электродвигателям тянущих роликов. Одним из основных технологических требований к электроприводу ТПУ является выравнивание нагрузок на электродвигателях тянущих роликов для ограничения продольных усилий в слитке. Научные обоснования этого требования к электроприводу ТПУ отсутствуют. Нет и количественного анализа продольных усилий и исследований по реализации требования на действующих МНЛЗ.
4. Нет ясности и о степени влияния электропривода ТПУ и показателей его работы и настройки на качество литой заготовки.
5. Отсутствует методика оценки показателей работы электропривода ТПУ и методы целесообразного управления этими показателями с позиций снижения дефектов в литой заготовке и увеличения производительности МНЛЗ.
6. Отсутствуют обоснования необходимости применения группового электропривода ТПУ и целесообразности распределения управляемых и неуправляемых электроприводов тянущих роликов вдоль технологического канала зоны вторичного охлаждения МНЛЗ.
7. Сравнительный анализ временных диаграмм двух режимов работы электропривода ТПУ на неизменном уровне задания скорости разливки показал, что изменения токов и скорости отражают различные физические явления, происходящие в роликовой проводке ЗВО. Это определяет необходимость дальнейшего независимого исследования электропривода ТПУ при разливки стали на неизменной скорости и при наличии автоколебаний в роликовой проводке ЗВО. Для решения перечисленных проблем требуется:
1. Выполнить исследование статических и динамических режимов работы электропривода тянущих роликов. Разработать методику оценки распределения токов нагрузки электродвигателей тянущих роликов вдоль ЗВО и оценки неравномерности распределения токов нагрузки как показателей настройки электропривода ТПУ.
2. Составить математическую модель распределения требуемых по технологии моментов нагрузки по тянущим роликам. Исследовать влияния различных технологических факторов на распределение моментов нагрузки по тянущим роликам и их группам. Дать сравнительный анализ экспериментального и рассчитанного на модели распределений моментов нагрузки. Разработать математическую модель распределения продольных усилий в слитке вдоль ЗВО. Выполнить исследование влияния различных технологических факторов на распределение продольных усилий вдоль ЗВО как показателя настройки электропривода ТПУ.
Влияние технологических факторов на распределение токов электродвигателей тянущих роликов
В предыдущем параграфе сделан вывод о неравномерном, случайном и несовпадающем на различных ручьях распределении токов по электродвигателям тянущих роликов ЗВО. Целесообразно установить, является ли на каждом ручье вид распределения токов стационарным либо он изменяется при изменении таких переменных факторов, как скорость разливки и ширина отливаемой заготовки. К переменным факторам также необходимо отнести фактор времени, т.к известно, что в процессе разливки происходит износ роликовой проводки и изменение сил трения на контакте ролика и слитка и в линиях привода тянущих роликов.
Подробно влияние указанных факторов на вид распределения токов рассмотрен в [74, 87]. Поэтому ограничимся исследованием на примере одного ручья.
На рис. 2.16,2.17 приведены графики распределения токов 1к и токов холостого хода 1хх,к ПРИ изменении скорости разливки в два раза на ручье 11, 12.
Из сравнения между собой графиков распределения токов 1к следует, что вид распределения токов изменился. Особенно значимое перераспределение токов нагрузки произошло на криволинейном и горизонтальном участках ЗВО. Неравномерность в распределении токов 1к увеличилась. Так, на скорости литья V = 0,51 м/мин (рис. 2.16) размах изменения токов на электродвигателях радиального участка составлял 1,4 А (от 1 А для электродвигателя №16 до 2,4 А для № 3), а на криволинейном участке 2,3 А (от 2,2 А для № 36 до 4,5 А для № 34). На скорости разливки V = 1,02 м/мин (рис. 2.17) размах увеличился до 2,3 А на радиальном участке (от 0,9 А, № 16 до 3,2 А, № 2) и до 4,2 А на криволинейном участке (от 2,4 А, № 20 до 6,6 А, № 32).
При этом вид распределения токов холостого хода практически не изменился и произошло примерно пропорциональное (в среднем в 1,2 раза) увеличение значений токов на всех электродвигателях.
На основании изложенного следует признать фактор скорости разливки значимо влияющим на распределение токов электродвигателей тянущих роликов.
На рис. 2.16 приведены графики распределения токов при изменении ширины отливаемой заготовки В с 1330 мм до 1850 мм, из которого следует, что произошло пропорциональное незначительное (в 1,05 раза) увеличение рабочих токов электродвигателей. Вид неравномерного распределения сохранился. Следовательно, фактор ширины отливаемой заготовки можно признать незначительно влияющим на характер распределения токов электродвигателей тянущих роликов вдоль ЗВО и, соответственно, на неравномерность распределения рабочих токов.
С увеличением срока эксплуатации МНЛЗ после проведения капитальных ремонтных работ происходит износ роликов и изменение сил трения в роликовой проводке ЗВО, что вызывает перераспределение нагрузок между электродвигателями тянущих роликов и приводит к изменению вида распределения как рабочих токов, так и токов холостого хода. На рис. 2.18 и 2.19 особенно это заметно на радиальном и горизонтальном участках ЗВО. При этом показатели средних значений токов 1к и токов холостого хода электродвигателей на участках ЗВО изменились незначительно (табл. 2.7).
Таким образом, на основании проведенного анализа графиков распределения рабочих токов и токов холостого хода электродвигателей тянущих роликов вдоль ЗВО можно сделать выводы:
1. При изменении скорости разливки и по истечении времени с момента проведения капитальных ремонтных работ происходит существенное перераспределение токов между электродвигателями тянущих роликов, вид распределения токов изменяется. При изменении указанных факторов происходит значимое изменение величин токов холостого хода на конкретных электродвигателях. Следовательно, оценку распределения усилия вытягивания по тянущим роликам необходимо выполнять для данного конкретного момента времени с учетом изменения текущих значений токов холостого хода электродвигателей на конкретной скорости разливки.
2. В дальнейших исследованиях необходимо оценить возможность распространения оценки распределения рабочих токов, рассчитанную для конкретных скорости литья и момента времени, на более длительные отрезки времени и оценить вносимую при этом погрешность.
3. Фактором ширины отливаемой заготовки при оценке неравномерности распределения рабочих токов можно пренебречь.
В результате анализа временных диаграмм изменения мгновенных значений токов электродвигателей тянущих роликов ЗВО было установлено, что в качестве оценок изменения токов для конкретных текущих условий и параметров отливаемой заготовки целесообразно принять числовые характеристики -математические ожидания токов, рассчитанные за период времени, равный по длительности двум периодам вращения роликов криволинейного и горизонтального участков ЗВО. Данное положение позволило выполнить анализ распределения общего рабочего тока и тока холостого хода электропривода ТПУ по электродвигателям тянущих роликов на различных ручьях МНЛЗ № 1-4. В результате этого анализа было установлено, что распределения рабочих токов и токов холостого хода вдоль ЗВО весьма неравномерны и на различных ручьях существенно отличаются друг от друга. При изменении скорости разливки и во время эксплуатации оборудования МНЛЗ происходит перераспределение токов между электродвигателями и изменение значений их токов холостого хода, не поддающееся общему аналитическому описанию процессов, а соответствующее изменению по законам случайных функций. При этом величины токов холостого хода, пропорциональные суммарным моментам механических потерь в линиях привода тянущих роликов, составляют значительную часть от общих токов электропривода ТПУ.
Влияние технологических факторов на распределение общего момента вытягивания слитка по группам тянущих роликов ТПУ
С целью оценки влияния технологических факторов на распределение моментов нагрузки по тянущим роликам и их группам был выполнен расчет для различных значений технологических коэффициентов и параметров в уравнениях (3.1)-(3.28). Значения коэффициентов и параметров варьировались в диапазонах изменения, рекомендованных в [5, 7, 21, 45, 89-96].
Исследовалось влияние трех групп технологических факторов.
Первая группа - коэффициенты трения роликов по слитку к и в опорах роликов /и. Это случайные факторы, характеризующие состояние роликового аппарата ТПУ. Экспериментальное определение значений коэффициентов трения в промышленных условиях МНЛЗ практически невозможно. Вторая группа - варьируемые технологические факторы, характеризующие сортамент литых заготовок. Это такие параметры, как ширина слитка В, предел текучести стали ст в диапазоне температур 1000 — 1500 С. Значения предела текучести GT определяются химическим составом стали различных марок, и в цикле разливки одной плавки стали эти факторы можно считать неизменными. В третьей группе — технологические факторы, характеризующие режим разливки. В этой группе выделен один фактор - скорость вытягивания слитка. Это варьируемый фактор, значения которого могут изменяться в процессе разливки. Карты охлаждения заготовки [26, 97], задающие условия охлаждения слитка, составлены для различных технологических условий разливки и различных уровней скорости литья заготовки V, заданных с шагом изменения на 0,1 м/мин. Изменение скорости на эту величину требует изменения условий охлаждения слитка.
Результаты расчета общего момента МОБЩ вытягивания слитка и его распределения по группам тянущих роликов при варьировании значений указанных технологических факторов приведены в приложении 5 (табл. П.5.1-П.5.5).
При изменении одного технологического фактора значения остальных принимались на уровне их средних значений согласно табл. 3.1. Согласно [5] возможный диапазон изменения значений коэффициента трения качения ролика по слитку к составляет 0,002 м — 0,003 м. Из данных табл. П.5.1 следует, что изменение коэффициента к в указанном диапазоне вызывает существенное изменение абсолютных значений как общего момента вытягивания МОБЩ, так и значений моментов на группах тянущих роликов (Мрлд изменяется на 45%, МКР - на 22%, Мп - на 21%, Мп - на 19%). Однако относительное распределение общего момента вытягивания по группам изменяется незначительно (доля нагрузки радиального участка МРАД % изменяется на 2,0%, МКР% - на 1,0%, Мп% - на 0,8%, Мп% - на 0,2%) [98, 99].
Аналогичное влияние на общий момент и его распределение по группам тянущих роликов оказывает изменение таких технологических факторов, как коэффициент трения в опорах роликов //, ширина слитка В, предел текучести стали от (табл. 3.2).
При варьировании значений коэффициента трения в опорах роликов /и в диапазоне 0,015 — 0,025 [5] значения общего момента нагрузки групп электродвигателей ТПУ изменяются в широком диапазоне (табл. 3.2). При этом относительное распределение моментов нагрузки по группам тянущих роликов остается практически неизменным. Изменение доли нагрузки каждой группы электродвигателей не превышает 1,7%.
При варьировании значений ширины слитка В (табл. 3.2) во всем диапазоне сортамента заготовок от 1,05 м до 2,35 м суммарный момент нагрузки изменяется на 143%. Изменение доли нагрузки каждой группы тянущих роликов не превышает 3,0%. При варьировании значений предела текучести стали от (табл. 3.2) в диапазоне 70 МПа — 170 МПа суммарный момент нагрузки изменяется на 7%. Изменение доли нагрузки каждой группы тянущих роликов не превышает 3,3%.
На основании изложенного можно сделать следующий вывод: при изменении таких технологических факторов, как коэффициент трения качения ролика по слитку к, коэффициент трения в опорах роликов ju, ширина слитка В, предел текучести стали от, изменение общего момента вытягивания слитка МОБЩ И его составляющих по группам тянущих роликов Мрдд, Мцр, Мп и Мп происходит в равных пропорциях. Поэтому на фоне существенного изменения абсолютных значений общего момента М0БЩ И его составляющих, долевое распределение МОБЩ ПО группам тянущих роликов остается практически неизменным.
При изменении же скорости литья заготовки Г на 0,1 м/мин при неизменных условиях охлаждения слитка (табл. 3.2) происходит непропорциональное перераспределение общего момента МОБЩ ПО группам тянущих роликов. Так с увеличением скорости разливки V увеличение общих моментов нагрузки на тянущих роликах радиального МРАД И криволинейного МКР участков составляет всего 5% и 3% соответственно. Общий момент на тянущих роликах в секциях 11-13 горизонтального участка Мп не изменяется, а момент на тянущих роли ках в секциях 9-10 горизонтального участка Мп увеличивается на 68%. Соответственно, и в относительных единицах происходит более существенное перераспределение общего момента МОБЩ ПО группам тянущих роликов: доля общего момента нагрузки на криволинейном участке МКр% снижается на 7,9%, а доля общего момента в секциях 9-10 Мр\% — увеличивается на 10,5%. Объясняется это тем, что при изменении скорости литья заготовки изменяется глубина лунки жидкой фазы, и, соответственно, изменяется давление на ролики секций 9-10. Графическая иллюстрация распределения момента вытягивания по тянущим роликам на двух уровнях скорости разливки Vпредставлена на рис. 3.5.
Влияние автоколебаний в роликовой проводке ЗВО на качество макроструктуры литых заготовок
Анализ временных диаграмм токов электродвигателей тянущих роликов, общего тока электропривода ТПУ и скорости разливки показал, что периодически в электроприводе ТПУ имеют место автоколебания токов и скорости разливки. При этом изменение скорости достигает 10%, что противоречит одному из основных требований к электроприводу ТПУ — стабилизации скорости разливки в пределах ±2%.
С целью оценки влияния автоколебаний скорости разливки на качество макроструктуры литой заготовки в реальных промышленных условиях ОАО "ММК" на четырех ручьях МНЛЗ №1 был выполнен отбор проб металла (тем-плетов) от заготовок, отлитых на стабильной скорости разливки и при наличии автоколебаний скорости.
В исследуемый период времени диапазон изменения общего тока электропривода ТПУ составил от 10 до 50 А, а изменения скорости разливки доходили до 10% от заданного значения.
Для обеспечения идентичности условий по прочим факторам металлургического, теплотехнического и механического характера исследование проводилось на одной МНЛЗ в пределах срока одного межремонтного периода эксплуатации машины для аналогичных значений ширины заготовки, химического состава слитка (I группа марок стали) и скорости разливки (табл. 4.5).
Результаты обработки проб металла, выполненной макротемплетной лабораторией ОАО "ММК", по таким видам дефектов, как осевые (ОТ), гнездооб-разные (ГТ) и перпендикулярные (ПТ) трещины, осевая химическая неоднородность (ОХН), точечная неоднородность (ТН) и осевая рыхлость (ОР) приведены в табл. 4.5.
Из сравнения между собой показателей качества заготовок, отлитых на стабильной скорости разливки и при наличии автоколебаний скорости следует, что невыполнение требования стабилизации скорости разливки в пределах ±2% от заданного значения приводит к ухудшению качества макроструктуры по всем шести видам дефектов [126, 127].
На основании изложенного можно сделать вывод, что существующая система управления электроприводом ТПУ не обеспечивает требуемую стабилизацию скорости разливки, что проводит к снижению качества макроструктуры заготовки по всем выдам дефектов. Следовательно, необходимы анализ причин возникновения автоколебаний в электроприводе ТПУ и разработка технических решений, позволяющих выполнить требование стабилизации скорости разливки в пределах ±2% в рабочем диапазоне скорости литья заготовки во всех режимах работы электропривода тянущих роликов.
1. Исследование внутренних дефектов и анализ причин образования дефектов макроструктуры слитка показали, что наиболее распространенными и опасными являются осевые, гнездообразные и перпендикулярные трещины и осевая рыхлость.
2. Усилия вытягивания слитка, создаваемые электроприводом тянущих роликов, наряду с факторами металлургического, теплотехнического и механического характера оказывают существенное влияние на процесс формирования макроструктуры непрерывнолитых заготовок.
3. Предложена методика статистической оценки влияния распределения токов нагрузки электродвигателей тянущих роликов и статических продольных усилий в непрерывнолитом слитке на качество макроструктуры литой заготовки. Показано, что чем выше показатели неравномерности в распределении токов нагрузки электродвигателей секций 9-10 на горизонтальном участке, тем выше относительная частота снижения сортности литой заготовки по осевым трещинам и осевой рыхлости. При этом, чем выше показатели статических продольных усилий в слитке, тем выше частота возникновения перпендикулярных и гнездообразных трещин в секциях радиального, криволинейного и горизонтального участков ЗВО.
