Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1. АНАЛИЗ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАТЯЖЕНИЯ И
ПЕТЛИ ШИРОКОПОЛОСНОГО СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ 13
1.1. Физические основы прокатки с натяжением 13
Факторы, влияющие на разнотолщинность полосы 14
Особенности прокатки с натяжением 16
Характеристика петледержателей стана 2500 18
Аналоговая система автоматического регулирования удельного натяжения и величины петли 20
Функциональная схема системы 20
Принцип регулирования натяжения при прокатке с петлеобразованием 24
Структурная схема САР межклетевого натяжения 27
Технологические требования к САРНиП стана 2500 при прокатке тонких полос 30
Функциональная схема САРНиП стана после реконструкции 32
Принципы построения современных САРНиП 34
Системы с обратной связью по натяжению 34
САРНиП с перекрестными связями 36
1.7. Комбинированная система прямого регулирования натяжения и
петли 38
1.8. Способы выделения сигнала, пропорционального натяжению 42
Вычисление натяжения по параметрам электропривода петледержателя
Косвенное определение натяжения по параметрам электроприводов клетей
1.10. Выводы и постановка задачи исследований 47
Глава 2. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКИХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ
МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
МЕЖКЛЕТЕВОГО ПРОМЕЖУТКА 50
2.1. Математическая модель силовой части электроприводов
межклетевого промежутка 51
Принятые допущения 51
Математическая модель силовой цепи электропривода петледержателя 52
Математическая модель силовой части электропривода прокатной клети 53
Математическая модель полосы в межклетевом промежутке 55
Математическая модель силовой части привода гидравлического нажимного устройства 60
2.2. Синтез контуров регулирования 63
Синтез контура регулирования удельного натяжения 63
Синтез контура регулирования величины петли 65
Синтез контура регулирования положения гидронажимного устройства 73
Моделирование взаимосвязи нажимных устройств и
главного электропривода через прокатываемый металл 76
2.3. Оценка адекватности разработанной модели исследуемому
объекту 79
ВЫВОДЫ 82
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ НАТЯЖЕНИЯ И
ТОЛЩИНЫ В ЧИСТОВОЙ ГРУППЕ 84
Результаты экспериментальных исследований точности регулирования геометрических размеров 85
Вычисление сигнала, пропорционального натяжению, по параметрам электропривода петледержателя 87
Динамическая математическая модель натяжения 87
Оценка точности косвенного определения натяжения 91
3.3. Математическая модель взаимосвязи удельного натяжения и
приращения толщины
3.4. Исследования на математической модели взаимосвязи удельного 101
натяжения и приращения толщины полосы
Экспериментальные исследования взаимосвязи удельного натяжения и приращения толщины прокатываемой полосы 106
Исследование изменения удельного натяжения и приращения толщины проката в динамических режимах 113 ВЫВОДЫ 122 Глава 4. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ САРНиП СТАНА 2500 124
Вычисление задания момента петледержателя 125
Формирование сигнала задания на угол подъема петледержателя 130
Способ взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины 136
Система взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины 140
Расчет контуров регулирования 144 ВЫВОДЫ 147 Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ
СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОЛЩИНЫ И НАТЯЖЕНИЯ.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОМЫШЛЕННОМУ ВНЕДРЕНИЮ 148
Математическая модель усовершенствованной САРНиП 149
Результаты исследования динамических режимов за цикл
прокатки 151
Прокатка переднего конца полосы 152
Прокатка глиссажных меток 155
Изменение положения петледержателя 156
Изменение натяжения полосы 159
Прокатка заднего конца полосы 159
5.3. Результаты экспериментальных исследований внедренной
САРНиП стана 2500 166
Обоснование выбора контролируемых параметров 166
Результаты осциллографирования режимов работы
САРНиП 168
5 5.3.3. Результаты экспериментальной оценки точности
регулирования геометрических размеров 171
5.4. Рекомендации по внедрению результатов исследований 173
ВЫВОДЫ 174
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 177
ЛИТЕРАТУРА 180
ПРИЛОЖЕНИЯ 189
Введение к работе
Доля листовой продукции, потребляемой ведущими отраслями промышленности, находится на уровне 50% от общего объема выпуска стального проката в России. Вся листовая сталь в процессе производства проходит стадию горячей прокатки на технологических линиях с широкополосными станами горячей прокатки (ШСГП). Эти станы по производительности, мате-риало- и энергоемкости относятся к одним из крупнейших объектов современной техники. В связи с их ключевой ролью в получении листового проката с заданными свойствами все большее значение приобретают проблемы обеспечения высокого качества продукции и, в конечном счете, ее конкурентоспособности [1].
Значительно усилилось внимание к повышению точности размеров и плоскостности полос в сочетании с расширением марочного и размерного сортамента. К системам автоматического управления современных листопрокатных станов, в частности, к системам регулирования натяжения и толщины предъявляются высокие требования по поддержанию заданных технологических параметров как в установившихся, так и в динамических режимах. Это связано в первую очередь с тем, что большой процент горячекатаной полосы (толщиной 0,8-2 мм) не подлежит дальнейшей обработке в холодном состоянии, т.е. является конечной рыночной продукцией. На сегодняшний день этот сектор занимает до 25% рынка и покрывается за счет увеличивающейся доли тонких горячекатаных полос, не уступающих по качеству холоднокатаным [1,2].
Конкурентоспособность продукции ШСГП зависит в первую очередь от разнотолщинности полосы, которая определяется точностью регулирования межклетевых натяжений в чистовой группе, обеспечиваемой за счет системы автоматического регулирования натяжения и петли (САРНиП). Существующие системы регулирования геометрических размеров, рассчитанные на прокатку более толстых полос (от 2 мм до 10 мм), не обеспечивают техно-
7 логических требований из-за влияния на толщину проката удельного натяжения особенно в последних межклетевых промежутках чистовой группы [3-5].
На большинстве отечественных ШСГП (в том числе на стане 2500 ОАО «ММК») САРНиП выполнены по принципу косвенного регулирования натяжения и включают контур регулирования натяжения, который по заданной уставке тока косвенно поддерживает натяжение на заданном уровне, и контур регулирования петли, поддерживающий угол подъема петледержате-ля с воздействием по отклонению на контур скорости главного электропривода прокатной клети [5—7]. Указанный принцип регулирования не гарантирует требуемой точности регулирования натяжения тонкой полосы в динамических режимах. Влияние на качество регулирования натяжения в динамических режимах оказывают значительные инерционности электромеханического петледержателя и прокатной клети, что не позволяет эффективно использовать ресурсы, быстродействующей системы автоматического регулирования толщины (САРТ), выполненной^ на базе современных гидравлических нажимных устройств (НУ).
В результате расширения сортамента прокатываемых полос диапазон регулирования натяжения существенно изменился и находится в пределах 0,5...17 Н/мм~. Соответственно изменились и допустимые отклонения удель-ного натяжения, не более ±0,05 Н/мм". Разнотолщинность полосы после установки гидравлических НУ на 10 и 11 клетях и включения в работу новой системы регулирования толщины на их основе не должна превышать 0,075...0,09 мм (до реконструкции разнотолщинность составляла 0,1...0,14 мм), что составляет (при прокатке полосы 1,5...2 мм) 3,7...5%. Кроме того, переход на тонкий сортамент связан с увеличением скоростей прокатки. Если при прокатке полосы толщиной 2 мм скорость на выходе чистовой группы составляет 13 м/с, то для полос толщиной 1,5...1,8 мм она достигает 20 м/с [8-9, 35, 52]. Такие жесткие требования направлены на обеспечение непрерывного контроля и поддержание точности регулирования удельного натяжения как в установившихся, так и в динамических режимах при прокатке
8 тонких полос в требуемых допусках. Эти условия требуют постоянного совершенствования систем автоматического регулирования натяжения и петли полосы.
Работы по совершенствованию САРНиП ШСГП ведутся как отечественными, так и зарубежными фирмами. Среди основных отечественных разработчиков следует отметить ВНИИЭлектропривод [10-16], ВНИИметмаш [17-23], НИИтяжмаш и некоторые другие [24-27]. Наиболее распространена на отечественных ШСГП САРНиП, разработанная ВНИИЭлектропривод, обеспечивающая косвенное регулирование натяжения на базе астатических петледержателей [10-16]. Ведущими зарубежными фирмами, работающими в данном направлении, являются Siemens (Германия) [23], General Electric (США) [24, 25], VAI (Австрия) [26], Ansaldo (Италия) [27] и ряд японских фирм [28 -30].
В 2005 г на стане 2500 в ходе реконструкции АСУТП выполнена модернизация САРНиП, разработки ВНИИЭлектропривод. Данная система была выполнена на базе блоков УБСР, введена в эксплуатацию в 1980 году и к моменту реконструкции морально и физически устарела. Алгоритмы работы этой системы соответствовали аппаратной базе и концепции построения систем локальной автоматики тех лет. На базе блоков УБСР, где математические действия выполняются с помощью аналоговых блоков умножения и деления, выполнение сложных расчётов затруднительно. Поэтому в старой системе был реализован упрощенный алгоритм управления натяжением. В частности, при вычислении момента на валу петледержателя не учитывались, либо вычислялись весьма приближенно следующие его составляющие [31-32]:
момент для компенсации веса неуравновешенных элементов конструкции петледержателя;
момент для компенсации веса полосы;
момент для компенсации момента инерции петледержателя;
момент для компенсации составляющей от натяжения полосы, действующей на петледержатель.
При переходе на прокатку тонкой полосы данные упрощения приводят к появлению значительных погрешностей, которые при повышении требований к точности регулирования геометрических размеров не являются допустимыми.
Реконструированная система управления натяжением выполнена на базе многопроцессорного цифрового контроллера TCS. Обоснование структуры САРНиП, ее разработка и техническое исполнение, разработка технического задания на программное обеспечение выполнялись при непосредственном участии автора, в связи с чем некоторые из вопросов вопросы получили отражение в настоящей работе. Отдельные технические решения, обладающие, по мнению автора, научной новизной, выносятся на защиту.
Вместе с тем, совершенствование САРНиП стана 2500 только за счет повышения точности вычисления и регулирования технологических параметров не обеспечивает выполнения повышенных требований в динамических режимах. Возникла задача поиска путей повышения быстродействия САРНиП уже после реконструкции, что позволило бы максимально использовать ресурс быстродействующей гидро-САРТ. Особенностью прокатки тонкой полосы в непрерывной группе клетей является значительное влияние натяжения на толщину полосы [33-34]. В связи с этим целесообразно построение системы взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины, подобно тому, как это осуществляется на непрерывных станах холодной прокатки. Принципиальным отличием ШСГП является наличие в каждом межклетевом промежутке петледержателя, что определяет принципиальное отличие взаимосвязей электроприводов станов горячей и холодной прокатки.
Достаточно простым, но эффективным решением, направленным на устранение указанного недостатка, является построение комбинированной САРНиП с дополнительным воздействием по каналу гидравлических НУ последующей клети чистовой группы. Данный принцип был предложен и обоснован в [37] для системы прямого регулирования натяжения. Но реализация САРНиП прямого действия на стане 2500, как и на большинстве отече-
10 ственных станов горячей прокатки, затруднительна, т.к. требует установки в каждом межклетевом промежутке датчика натяжения, что в условиях горячей прокатки сопряжено с определенными трудностями. Известные способы косвенного вычисления натяжения по параметрам двигателя петледержателя [38, 39] либо по параметрам двигателя клети [40, 41] не обеспечивают требуемой точности.
Целью диссертационной работы является совершенствование системы автоматического регулирования натяжения и петли широкополосного стана горячей прокатки, обеспечивающее повышение точности регулирования натяжения в динамических режимах.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:
Обоснования и разработки алгоритмов вычисления составляющих момента на валу электродвигателя петледержателя, обеспечивающих повышение точности задания и регулирования натяжения в САРНиП косвенного типа.
Разработки схемы формирования сигнала задания на угол подъема петледержателя и схемы регулирования размера петли в усовершенствованной САРиП, выполненной на базе контроллера TSC.
Разработки способа взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины, а также САРНиП косвенного типа с дополнительным быстродействующим каналом воздействия на гидравлические нажимные устройства в структуре гидро-САРТ.
Разработки математической модели межклетевого промежутка, реализующей предложенные технические решения в усовершенствованной САРНиП косвенного типа, а также предложенный принцип взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины.
Проведения исследований методами математического моделирования с целью сопоставления динамических характеристик следующих систем:
— САРНиП до и после внедрения технических решений по повышению
точности вычисления и регулирования натяжения и высоты петли (т.е. в су
ществовавшей до реконструкции и в усовершенствованной цифровой систе
мах);
- усовершенствованной цифровой системы и разработанной САРНиП
с дополнительным регулирующим воздействием по каналу гидравлических
нажимных устройств.
6. Проведения экспериментальных исследований реализованных технических решений. Рекомендации по промышленному внедрению результатов работы.
В соответствии с поставленными задачами содержание работы изложено следующим образом:
В первой главе рассмотрена аналоговая САРНиП широкополосного стана 2500 ОАО «ММК» до реконструкции, рассмотрены физические основы регулирования натяжения, петлерегулирования и соответственно работы САРНиП косвенного типа. Сформулированы технологические требования к САРН при прокатке тонких полос, рассмотрена функциональная схема усовершенствованной цифровой САРНиП, выполненной на стане. Проведен анализ известных систем с косвенным регулированием натяжения, рассмотрена комбинированная система прямого регулирования натяжения и петли с дополнительным воздействием по каналу гидро-САРТ.
Во второй главе рассмотрена математическая модель межклетевого промежутка чистовой группы стана 2500, содержащая модель электропривода петледержателя, модель главного электропривода прокатной клети (в системе двухзонного регулирования), а так же модель гидронажимного устройства в составе системы автоматического регулирования толщины полосы и модели взаимосвязи указанных приводов через прокатываемый металл. Приведены результаты оценки адекватности полученной математической модели реальным процессам межклетевого промежутка.
В третьей главе разработана математическая модель взаимосвязи удельного натяжения и толщины прокатываемого металла. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования указанной взаимосвязи, дан анализ переходных процессов удельного натяжения и приращений толщины прокатываемого металла в динамических режимах.
В четвертой главе дано обоснование и предложены алгоритмы вычисления составляющих момента на валу электродвигателя петледержателя, а также разработанных схем формирования задания на угол подъема петледержателя и регулирования размера петли в межклетевом промежутке. Предложен способ взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины, рассмотрена разработанная система косвенного типа, реализующая данный способ. Выполнен синтез регулятора контура регулирования удельного натяжения с воздействием на положение гидронажимного устройства.
В пятой главе предложена математическая модель разработанной САР-НиП, реализующей принцип взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины. Выполнено математическое моделирование переходных процессов. Приведены показатели регулирования системы в сравнении с действующей системой стана 2500. Даны рекомендации по промышленному внедрению результатов исследований.
В заключении приводятся выводы по работе.
По содержанию диссертационной работы опубликовано 12 основных научных трудов, в том числе 4 в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ по направлению «Энергетика». Полученные результаты докладывались и обсуждались на 7-й международных научно-технических конференциях и конгрессах.
