Магистрская работа

Обоснование параметров системы регулирования скоростного режима проволочного прокатного стана

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей настройки скоростного режима непрерывных групп клетей сортовых станов является поддержание минимального значения межклетевых натяжений путем регулирования соотношения скоростей клетей при ручном управлении оператором по показаниям измерителя межклетевых натяжений или при автоматическом управлении процессом непрерывной прокатки.

В связи с возросшими скоростями прокатки и повышеннымии требованиями к качеству продукции, в последнее время применяется автоматическое управление скоростным режимом прокатки. При этом наилучшие показатели по качеству выходной продукции и надежности работы имеют системы косвенного измерения и регулирования минимальных межклетевых натяжений. В отечественной практике опыт применения этих систем управления пока достаточно мал.

В настоящей работе приведена разработка структурной схемы для дальнейшего исследования влияния основных параметров звеньев системы на качественные характеристики системы управления скоростным режимом прокатки проволочного прокатного стана.

1 ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Характеристика проволочного стана.

Непрерывный проволочный стан состоит из 13 горизонтальных клетей дуо, 4-х горизонтальных и 4-х вертикальных клетей дуо консольного типа, 2-х десятиклетевых проволочных и 2-х двухклетевых блоков низкотемпературной прокатки. Клети установлены последовательно в пять групп: черновую, 1 промежуточную, 2 промежуточную, чистовую с общим приводом (чистовой блок) и дополнительные две клети с общим приводом для осуществления низкотемпературной контролируемой прокатки. Прокатка ведется в две нитки в черновой и 1 промежуточной группах клетей и в одну нитку - в клетях 2 промежуточной группы, проволочного и низкотемпературного блоков. Оборудование стана смонтировано на рабочей площадке с отм. +4.5 м, склад заготовки, участок загрузки заготовок в печь, участок отделки мотков проката и склад готовой продукции на рабочей площадке с отметкой 0 м. Максимальная скорость прокатки - 120 м/с, расчетная рабочая - от 23 до 110 м/с в зависимости от прокатываемого профиля.

Стан снабжен линиями для регулируемого двухстадийного охлаждения проката, механизированной линии уборки и пакетировки готовой продукции, оснащен автоматизированными системами управления прокатки и слежения за раскатом, а также локальными системами автоматического регулирования и управления технологическими агрегатами и механизмами.

1.2 Сортамент стана

Проволочный стан 150 предназначен для производства катанки и круглой сортовой стали диаметром 5.5-12.0 мм по ГОСТ-2590 и арматурной стали периодического профиля NN6-12 по ГОСТ-5781 в мотках массой до 2 т.

Оборудование стана и технология прокатки позволяет производить прокат с допусками по диаметру:

- катанка диам. 5.5-9.0 мм +0.1/-0.2 мм

- сталь круглая диам. 10-12 мм +0.1/-0.3 мм

- арматурная сталь NN6-12 +0.3/-0.5 мм

и овальностью не более 50% от суммы допуска.

1.3 Технологический процесс производства проката

Заготовки пратцен краном подаются со склада заготовок и укладываются в один ряд на одну из трех загрузочных решеток.

Кулачками реечного шлеппера слой заготовок пошагово транспортируется по решетке к передаточному устройству.

Передаточным устройством заготовки поштучно передаются на подводящий рольганг.

Заготовки взвешиваются на весах, встроенных в последнюю секцию рольганга. Пложение заготовки на весах фиксируется опускающимся упором.

Нагрев заготовок осуществляется в методической печи с шагающим подом, боковой загрузкой и выдачей заготовок.

При необходимости разгрузки печи или в случае возникновения аварийной ситуации в линии стана, нагретые заготовки с помощью трайбаппарата и печного рольганга транспортируются по отводящему рольгангу и сталкивателем передаются на решетку, откуда они после охлаждения убираются краном.

После выхода из печи заготовка проходит через устройство гидросбива окалины. На рольганге перед 1-й клетью заготовка направляющей линейкой направляется в соответствующую нитку и трайбаппаратом подается в 1-ю рабочую клеть.

Перед 1-й клетью расположены двухниточные разрывные ножницы, которые при неполадках в соответствующей нитке выполняют делительный рез и предотвращают дальнейшую подачу заготовки в черновую группу.

Прокатка катанки и арматурных профилей осуществляется:

- в две нитки:
в черновой группе, состоящей из пяти горизонтальных клетей "560" и четырех клетей "500", в 1-й промежуточной группе, состоящей из четырех горизонтальных клетей "360"

- в одну нитку:
во 2-й промежуточной группе, состоящей из двух горизонтальных и двух вертикальных клетей "280" с консольным расположением валков в чистовом 10-ти клетевом проволочном блоке и, в зависимости от прокатываемого сортамента, в 2-х клетевом низкотемпературном блоке

Прокатка в черновой и 1-й промежуточной группах осуществляется с минимальным натяжением и с кантовкой полос и овалов на 90 градусов после 2,4,6,8,10 и 12-го проходов с помощью кантующей арматуры, установленной на брусьях клетей. После 7,9,11 и 13-го проходов осуществляется самокантовка на 90 градусов ребровых овальных раскатов перед входом их в овальные калибры 8,10,12 и 14 клетей.

Переход с нитки на нитку осуществляется с помощью пневматических стрелок, установленных за черновой и 1-й промежуточной группами.

После черновой и промежуточной групп на ножницах производится обрезка передних концов раската и, при необходимости, аварийная порезка его на мерные части.

Из 1-й промежуточной во 2-ю промежуточную группу раскат передается в зависимости от прокатываемого профиля с минимальным натяжением или без натяжения, с петлерегулированием.

Во второй промежуточной группе прокатка ведется в чередующихся вертикальных и горизонтальных клетях без натяжения раската, с петлерегулированием. Величина вертикальной петли поддерживается автоматически петлерегуляторами с использованием импульсов от фотоэлектрических головок.

Рабочие клети, по программе не учавствующие в процессе прокат- ки, из потока стана удаляются, с установкой на их место спе- циальных проводок (желобов).

Переход на прокатку соответствующего профиля осуществляется по команде сменного мастера или начальника смены. Количество рабо- тающих клетей соответствует таблицам режимов обжатий

После выхода из 2-й промежуточной группы подкат круглого сечения со средним диаметром 17-23 мм через передающую проводку подается к чистовому блоку. В передающей проводке расположен участок предварительног водяного охлаждения задаваемого в блок подката.

Передний конец раската зачищается на кривошипно-эксцентриковых ножницах и задается в блок через автоматический горизонтальный петлерегулятор, поддерживающий постоянную петлю перед блоком.

Задний конец раската также зачищается ножницами перед заходом в петлерегулятор.

В случае аварии на участке "чистовой блок-виткоукладчик", раскат перерезается разрывными ножницами блока, подача раската в блок прекращается, а оставшийся раскат делится на мерные длины кривошипно-эксцентриковыми ножницами и убирается в скрап.

В зависимости от программы прокатки катанка прокатывается в 6-10 клетях чистового блока и 2-х клетевом низкотемпературном блоке.

Прокатка в блоках осуществляется в чередующихся горизонтальных и вертикальных клетях (кассетах) без кантовки раската и с минимальным натяжением (до 2%) между клетями, с кантовкой направления обжатия на 90 градусов.

Калибровка валков черновой группы является унифицированной для всего прокатываемого на стане сортамента. Калибровка валков всех рабочих клетей, начиная с 6-й клети, выполнена по системе "овал-ребровой овал". Все клети 2 промежуточной группы и кассеты блоков с овальными калибрами горизонтальные (г), с круглыми - вертикальные (в).

Овальная полоса при задаче в круглый калибр удерживается роликовой проводкой. Круглая полоса задается в овальный калибр пропуском скольжения. После каждой клети стана установлена выводная проводка.

После прокатки в блоке чистовых клетей катанка проходит через участок водяного охлаждения (1 стадия охлаждения).

Длина участка водяного охлаждения составляет 38 м. В зависимости от программы прокатки участок собирается из различного количества охлаждающих труб, водяных и воздушных форсунок, воронок (охлаждающих устройств) или желобов. Имеется возможность применять до 9 охлаждающих устройств.

За каждой охлаждаемой трубой установлены две отсекающие форсунки - водяная и воздушная. Давление охлаждающей воды - до 1.0 Мпа, воздуха - до 0.4 Мпа.

На участке выравнивания температуры раската между 7 и 8 охлаждающими секциями расположен трайбаппарат, обеспечивающий стабильное прохождение раската по участку охлаждения.

После 1 стадии охлаждения раскат может быть прокатан в двухклетьевом низкотемпературном блоке, если это требуется по программе производства.

После низкотемпературного блока прокат подается в виткоукладчик, который укладывает его в виде плоской спирали на движущийся транспортер. Скорость подачи проката через виткоукладчик - до 120 м/с. Перед виткоукладчиком расположен трайбаппарат для обеспечения стабильной подачи металла в укладывающую трубу.

Скорость транспортирования витков проката регулируется по зонам транспортера в диапазоне 0.05..1.2 м/с. Плотность укладки витков наибольшая при минимальной скорости транспортера и наименьшая при максимальной.

Витки проката, перемещаясь на движущемся транспортере, подвергаются регулируемому воздушному охлаждению (2 стадия охлаждения) в теплоизолирующем тоннеле с крышками.

Расход вентиляторного воздуха регулируется включением разного количества вентиляторов и изменением частоты вращения их приводов. Максимальная производительность 15 вентиляторов - 735 тыс. м3/час (на одном витке).

Воздушное охлаждение катанки может быть реализовано по трем схемам:

- крышки теплоизолирующего тоннеля открыты и прокат охлаждается с помощью принудительной вентиляции

- крышки теплоизолирующего тоннеля открыты, и прокат охлаждается в спокойном воздухе

- крышки теплоизолирующего тоннеля закрыты все или частично, плотно уложенные витки проката, с высокой температурой, перемещаются транспортером и замедленно охлаждаются в спокойном воздухе.

В конце транспортера витки проката увлекаются рольгангом и передаются в виткосборник.

Витки проката с рольганга виткосборника поступают в накопительное устройство (шахту). Витки центрируются направляющими роликами так, чтобы они входили в шахту строго посередине.

Сформированный в виткосборнике моток проката навешивается на крюк цепного конвейера, транспортируется к инспекционному участку, на котором производится его осмотр, удаляются дефектные концы и отбираются пробы для испытаний.

Инспекционный участок служит одновременно и участком-накопителем. Здесь, в случае аварии на последующем оборудовании, можно накапливать мотки в течение не более 10 мин. В зависимости от профиля, не прекращая при этом процесс прокатки.

Готовый моток подпрессовывается и увязывается катанкой. Замок связи выполняется сваркой.

На пути дальнейшей транспортировки к одному из шести мест разгрузки мотки проходят весы, встроенные в транспортную систему, на которых определяется и регистрируется их масса.

Масса мотка при помощи тиснильного механизма наносится на ярлык.

Ярлык вручную навешивается на моток.

На участке разгрузки мотки при помощи разгрузочной тележки снимаются с крюков и укладываются на устройство для сбора мотков.

При необходимости предусмотрена возможность увязывать мотки в пакеты по 2 шт.

Мотки или пакеты мотков передаются на склад или на погрузку мостовым краном с С-образной скобой.

1.4 Общие задачи автоматизации при непрерывной и бесконечной прокатке

Основными характерными особенностями непрерывного процесса являются движение прокатываемого металла только в одном направлении и нахождение его одновременно в валках нескольких клетей.

Ближайшей целью автоматизации непрерывных прокатных станов является создание таких комплексных систем, с помощью которых все процессы управления главным приводом совершались бы без участия операторов как при непрерывном, так и при бесконечном процессах.

Общей задачей является построение систем полной автоматизации, обеспечивающих вполне автоматическую работу всех звеньев технологического процесса, начиная от транспорта, нагрева слитков и кончая выдачей готового продукта должного качества, включая все функции измерения, текущего контроля, учета продукции, ее размещения на складах и отгрузки. Решение этих задач теперь не происходит только последовательно, но в известной степени мероприятия, относящиеся к разработке и внедрению элементов этих устройств, осуществляется параллельно.

Основные функции управления главным электроприводом при непрерывном и бесконечном процессах сводятся к созданию и поддержанию такого режима скоростей вращения смежных прокатных двигателей, при котором независимо от их нагрузки величина натяжения металла между клетями либо избыток его (петля) в этом простансве не будут превосходить допустимых значений, необходимых для получения мерного металла.

Рассмотрим далее некоторые стороны технологического процесса, важные для обоснования выбора исходных параметров системы регулирования для непрерывного и бесконечного процессов прокатки.

1.5 Постановка задачи для систем автоматизации прокатных станов

К прокатке металла мелкого сортамента в последнее время предъявляются повышенные требования к точности размеров проката . Это обьясняется требованием к конкурентноспособности продукции на внутреннем и мировом рынках. Исследованиями установлено, что наибольшее влияние оказывает натяжение металла в петлевом промежутке. Таким образом, ставятся повышенные требования к скоростному режиму прокатки.

Так,допустимые отклонения для мелкого сортамента:

Таблица 1.1 - Основные стандарты на прокат мелкого сорта

номинальный диаметр

допустимые отклонения,мм

СССР

США

ФРГ

Швеция

Япония

ГОСТ2590-57

DIN1013-57

SIS 12-11-03-57

JIS 3104-53

5-6

+0.3;-0.5

0.13

0.4

0.5

0.3

6-8

+0.3;-0.5

0.13

0.4

0.5

0.3

8-9

+0.3;-0.5

0.15

0.4

0.5

0.3

9-11

+0.4;-0.5

0.15

0.4

0.5

0.3

11-15

+0.4;-0.5

0.18

0.4

0.5

0.3

15-16

+0.4;-0.5

0.18

0.4

0.5

0.3

Наиболее эффективно задача решается использованием прокатки с малым натяжением или без натяжения.

Прокатка без натяжения вызывает проблему регулирования петель в межклетевых промежутках.

Основные методы регулирования приведены на рис.1.1 и 1.2.

Рисунок 1.1 - Регулирование петель в одно- и многониточных станах

Рисунок 1.2 - Один из возможных вариантов регулирования петель в многониточных прокатных станах

При прокатке металла в некоторые периоды естественного процесса изменения скоростей вращения двигателей относительная скорость вращения валков последующей клети может оказаться меньше скорости вращения последующих валков. вследствие этого возникает вероятность образования избытка свободного металла, то есть петли. Во всех случаях птля при прокатке не должна превосходить некоторой наибольшей величины, которую назовем предельно допустимой.

По эксплутационным соображениям петлю желательно иметь достаточно малой, в частности и потому, что тогда она более устойчива и уменьшаются возможные удары хвостовой части металла, которые могут повлечь провреждения.

При индивидуальном приводе валков предоставляется возможность более гибкой и точной регулировкисоотношения скоростей вращения валков смежных клетей, благодаря чему облегчается возможность получения более ограниченных размеров петли. Однако даже небольшое рассогласование скоростей вращения валков приводит к быстрому нарастанию петли и к значительному увеличению стрелы ее провиса или выгиба.

При прокатке профилей с большой гибкостью (например плоского и круглого сечений), увеличение петли не приводит к появлению сколько-нибудь значительных сил сжатия свободного металла. В этом случае величина предельной петли определяется исходя из выбора практически рациональных размеров петледержателей или других приспособлений, служащих для накапивания петли. при этом необходимо принимать во внимание, что большая петля имеет собственную массу, которая может вызывать некоторое натяжение.

Чтобы судить о состоянии металла на его сободной длине, необходимо определить закон образования петли. Зная допустимую величину приращения пеьли и закон ее образования,можно определить длительность времени, в течение которого допустимо рассогласование скоростей вращения валков в скоростном режиме сжатия.

На этой основе становится возможным решить задачу о задании основных статических и динамических параметров регулирования, исходя из требований технологического процесса. Законы образования петли металла в процессе регулирования пр и переменных скоростях двигателей будут рассмотрены далее.

Система регулирования петли является частью системы регулирования скоростного режима прокатки.

Системы регулирования главных электроприводов непрерывных и полунепрерывных станов горячей прокатки различаются по двум признакам:

а) по способу электрического воздействия на прокатный двигатель;

б) по характеру величин, подлежащих регулированию.

Системы регулирования по способу электрического воздействия на прокатные электродвигатели можно свести к двум группам схем:

а) схемы с регулированием напряжения источников питания;

б) схемы с регулированием силы тока возбуждения прокатных двигателей;

в) схемы совместного регулирования напряжения источника питания и силы тока возбуждения прокатных двигателей.

К первой группе относятся:

- системы поддержания постоянства напряжения на шинах параллельно включенных источников питания двигателей;

- устройства регулирования по схеме генератор-двигатель;

- системы с регулируемыми выпрямителями.

Ко второй группе принадлежат:

- системы с непосредственным возбуждением двигателей от регулируемых возбудителей;

- системы с применением вспомагательных возбудителей в цепи возбуждения двигателей;

По характеру величин, подлежащих регулированию:

- системы автоматического регулирования скорости валков САРС;

- системы автоматического регулирования величины петли САРП;

- системы комбинированного автоматического регулирования скорости вращения валков и величины петли САРСП;

- системы автоматического регулирования размеров прокатываемого металла;

- системы полной автоматизации.

Далее будем рассматривать только контур САРСП - комбинированной системы автоматического регулирования скорости вращения валков и величины петли.

Типичная блок-схема системы регулирования скорости и петли имеет вид:

Рисунок 1.3 - Блок-схема системы регулирования скорости и петли (САРСП)

Принцип действия системы в общем случае выглядит следующим образом: определенная величина угловой скорости w двигателя 2 задается либо величиной эталонного напряжения Uэ, либо уставкой выходного напряжения Uдс датчика скорости 3. Напряжения Uдс и Uэ сопоставляются в суммирующем блоке 4 и их разность Uу усиливается с помощью электронного усилителя мощности 7. Выходной ток Iр усилителя 7 подается в устройство управления 8. Последнее изменяет фазу включения a управляемого выпрямителя (таким образом, что приращение выпрямленного напряжения Uв, а следовательно и угловой скорости w двигателя 2 приводит к уменьшению величины разности Uу напряжений датчика скорости и эталонного.

Размер петли определяется напряжением Uдп, поступающим с датчика величины петли 6, изменяющего длину l петли металла 5. Это напряжение в блоке 4 сравнивается с эталонным напряжением Uэ, которым задается необходимый размер петли. Разность этих напряжений Uу поступает на усилитель 7 и после усиления воздействует на устройство управления выпрямителем 8, заставляя выпрямитель 1 изменить выпрямленное напряжение Uв, а следовательно и угловую скорость w двигателя 2 в нужную сторону и на нужную величину. При этом абсолютная величина разности напряжений эталонного Uэ и датчика петли Uдп уменьшается.

В системе регулирования скоростным режимом прокатки проволочного прокатного стана 150 выделим контур регулирования скорости и петли. Таким образом обобщенная схема (рисунок 1.3) примет вид (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Структурная схема контура автоматического регулирования скорости и петли (САРСП).

На структурной схеме (рисунок 1.4) приняты следующие обозначения:

В - выпрямитель (тиристорный преобразователь);

Д - двигатель;

ДС - датчик скорости;

СН - сумматор напряжения;

ЭР - электронный регулятор;

УУ - устройство управления выпрямителем;

П - петля;

ИП - измеритель петли;

ДП - датчик петли.

Электронный регулятор ЭР и устройство управления выпрямителем УУ при этом можно объеденить в устройство управления выпрямителем.

На основании представленной схемы далее находим основные уравнения блоков и системы в целом по управляющим воздействиям, при помощи которых оптимизируем режимы работы системы управления скоростным режимом проволочного прокатного стана и выполняем синтез регуляторов с заданными характеристиками.

Последнее изменение 7.04.2000
Разработчик Куц В.Н.