Совершенствование автоматизированного электропривода непрерывного прокатного проволочного стана с четырехвалковыми калибрами

Одной из важнейших задач металлургических предприятий России в современных экономических условиях является всемерная интенсификация производства на основе внедрения инновационных решений в области техники и технологий: В метизной промышленности, в первую очередь, это касается повышения качества выпускаемой продукции, освоения производства новых, профилей из высокоуглеродистых и специальных сталей и сплавов, обладающих комплексом разнообразных свойств: высокой прочностью и в тоже время достаточной плаг стичностью, жаропрочностью, высоким сопротивлением коррозии в агрессивных средах, повышенными характеристиками электрических и магнитных свойств. Производство продукциииз таких сталей и сплавов традиционным методом волочения оказывается весьма трудоемкима в ряде случаев вообще невозможным [1−3].

Альтернативным способом производства проволоки, является ее прокатка. в двухлибо многовалковых калибрах, позволяющая не только снять ограничения единичных обжатий^прочностью переднего конца, но и повысить скорость обработки и. энергетическую эффективность производственного процесса в целом:

Применение способа прокатки в клетях с двухвалковыми’калибрами для производства проволоки различного назначения не получило широкого распространения. Многолетний опыт освоения-двенадцатик-летевого непрерывного стана с двухвалковыми калибрами конструкции ВНИИМЕТМАШа показал, что данный способ производства проволоки из малопластичных сталей и сплавов характеризуется" существенными недостатками и малоперспективен.

За рубежом: для производства гладкой и профилированной арматурной проволоки широкое распространение получили станы с многовалковыми калибрами. В работах^ [4−6] отмечается целесообразность применения их для холодной и. теплой прокатки проволоки из. углеродистых сталей, несмотря на, сложность конструкции деформирующего устройства. Использование многовалковых калибров обеспечивает создание благоприятной схемы напряженно-деформированного состояния, позволяет получать более точные по форме и размерам профили по сравнению с двухвалковыми калибрами.

Учеными Магнитогорского горно-металлургического института были разработаны и доведены до внедрения на Белорецком металлургическом комбинате непрерывные станы с трехи четырехвалковыми калибрами. Основные результаты теоретических исследований и опыт промышленного внедрения этих станов изложен в трудах М.И. Бояр-шинова, М. Г. Полякова, Б. А. Никифорова, И. А. Селиванова [1, 4, 5, 7−9]. Известны так же работы В. Н: Выдрина, Л. А. Баркова, A.B. Соловьева, В. М. Клименко, Г. А. Гладкова и*др. [10−14]. Отличительной особенностью станов с многовалковыми’калибрами является их хорошая, выравнивающая способность продольной разнотолщинности раската, а также малое влияние Hai точность размеров проката изменения таких технологических параметров, как размер исходной заготовки, коэффициент трения, межклетевые натяжения и др. [1].

Электропривод прокатных проволочных станов был реализован по индивидуальному принципу на основе системы тиристорный преобразователь — двигатель постоянного тока. Стремление сделать системы электропривода прокатных станов конкурентоспособными с электроприводом прямоточных волочильных станов обусловило разработку нового способа управления непрерывными станами, отличающегося от традиционного тем, что управляющие сигналы воздействуют не на скорости приводных двигателейа на их электромагнитные моменты. Системы регулирования, реализующие этот способ, отличаясь простотой и отсутствием датчиков технологических величин по выравниванию продольной разнотолщинности, превосходят системы стабилизации межклетевых натяжений. При разработке системэлектропривода в качестве исходных были использованы труды Н. Ф. Ильинского, посвященные созданию теории электроприводов по системе источник тока — двигатель и их практическому применению на агрегатах непрерывного действия [15, 16].

В настоящее время станы отработали уже более 30 лет. Инженерными службами комбината отмечается сильная степень изношенности установленного электрооборудования. Ив виду его частых отказов руководством предприятия поставлена задача о проведении комплексной" реконструкции стана, и в первую очередь его электроприводов и системы автоматизации.

Целью настоящей диссертационной работы является совершенствование автоматизированного электропривода непрерывного пятикле-тевого прокатного стана с четырехвалковыми калибрами, обеспечивающего повышение надежности работы электрооборудования стана и повышение конкурентоспособности изготавливаемой проволоки.

Проведенные автором исследования базировались как на работах известных отечественных и зарубежных научных школ и специалистов, в области автоматизированного электропривода, непрерывных проволочных станов и в области обработки металлов давлением, так и на результатах экспериментальных исследований и систематизации многолетнего опыта работы стана в условиях Белорецкого металлургического комбината.

Вопросу создания систем автоматизированного электропривода" непрерывных проволочных прокатных станов посвящены работы многих авторов [7, 17−23]. Однако в подавляющем большинстве из них предлагается традиционный способ управления непрерывными станами, суть которого состоит в задании таких линейных скоростей металла по клетям, при которых обеспечивается требуемый режим межклетевых натяжений [17−20]. Опыт эксплуатации подобных систем на проволочных станах показал их низкую надежность работы. Более эффективными оказались автоматизированные электроприводы с системами прямого, либо косвенного регулирования межклетевых натяжений, а также системы стабилизации размеров. проката [7, 24−26].

При математическом описании непрерывных станов как многосвязных объектов регулирования в качестве исходных были использованы труды H.H. Дружинина, В. П. Бычкова, A.C. Филатова, В.Г. Моро-зовского, Ю. М. Файнберга, О. В. Слежановского, И. А. Селиванова, A.A. Радионова и др. [8, 17−19, 27−30].

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

— обобщение опыта эксплуатации станов с многовалковыми калибрами, выявление недостатков в работе систем автоматизированного электропривода клетей и способов их устранения, анализ обоснованности сформулированных ранее технологических требований и при необходимости уточнение их;

— разработка математического описания стана, его электромеханических систем с учетом взаимосвязи электроприводов через обрабатываемый металл как объекта управления;

— проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований влияния электроприводов клетей стана на технологическую стабильность его работы и на качество изготавливаемой проволоки;

— разработка рекомендаций по реконструкции системы автоматизированного электропривода пятиклетевого стана с четырехвалковыми калибрами ОАО «Белорецкий металлургический комбинат» .

Результаты решения поставленных задач отражены в четырех главах диссертации.

В первой главе на основе патентно-литературных исследований дан анализ способа производства проволоки методом холодной прокатки в четырехвалковых калибрах, приведены особенности процесса непрерывной прокатки в них. Рассмотрена конструкция, состав электрооборудования и особенности работы непрерывного пятиклетевого стана. В результате изучения технологии производства проволоки, а также состояния механического и электрического оборудования и возможности его дальнейшей эксплуатации показана перспективность применения процессов прокатки в многовалковых калибрах для обработки труднодеформируемых и малопластичных сталей. Кроме того, выявлена существенная физическая и моральная изношенность электрической части оборудования и необходимость его замены. На основе изучения опыта длительной промышленной эксплуатации определены достоинства и недостатки известных систем автоматизированного электропривода клетей прокатных станов с многовалковыми калибрами, уточнены технологические требования к ним. Выполнено обоснование применения при реконструкции стана системы автоматизированного электропривода по типу преобразователь частоты — асинхронный короткозамкнутый двигатель. Определены задачи исследований.

Во второй главе представлено математическое описание электромеханической системы непрерывного пятиклетевого прокатного стана с четырехвалковыми калибрами с учетом взаимосвязи электроприводов через обрабатываемый металл, разработана комплексная математическая модель исследуемого объекта.

В третьей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса непрерывной прокатки проволоки в клетях с четырехвалковыми. калибрами как объекта управления. Рассмотрено влияние условий прокатки на изменения размеров, поперечного сечения проката, в результате чего сделан вывод о том, что повышение точности профиля может быть достигнуто, в том" числе, за счет усовершенствования системы автоматизированного электропривода клетей стана. Экспериментальные исследованияизвестных^ систем автоматизированного электропривода непрерывных" прокатных проволочных станов, показали, что при рассмотрении вопроса совершенствования-электропривода стана с четырехвалковыми калибрами! предпочтение следует отдать системе, обеспечивающей косвенное регулирования размеров проката. Кроме того, в. результате проведенного анализа теоретических исследований пятиклетевого, стана как^ электромеханической системы на математической модели и экспериментальных исследований! стана в производственных условиях, подтверждена адекватность разработанного математического описания, реальному технологическому объекту. Рекомендовано разработанную математическую модель использовать при синтезе новых систем регулирования автоматизированных электроприводов стана.

Четвертая глава посвящена рассмотрению вопросов разработки рекомендаций по совершенствованию' электропривода пятиклетевого стана с четырехвалковыми калибрами ОАО «Белорецкий металлургический комбинат». Предложена концепция построения автоматизированного электропривода. Реализацию противоречивых требований по точности регулирования скорости прокатки и обеспечения межклетевых натяжений в диапазоне, достаточном для реализации условий непрерывной прокатки рекомендовано выполнить применением принципа разделения электроприводов на один ведущий’и остальные ведомые. В качестве ведущего электропривода, обеспечивающего требование по точности регулирования скорости, рекомендовано использовать электропривод второй клети. На электроприводы же остальных клетей возложены задачи косвенного регулирования размеров проката. Предложены к реализации системы подчиненного регулирования электроприводов прокатных клетей. Рассмотрены вопросы синтеза регуляторов. Разработана методика выбора мощности двигателей клетей.

В заключении приведены основные результаты проведенных исследований. В приложении представлены акты внедрения результатов научно-исследовательскойработы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Уточненные технологические требования к электроприводам-непрерывного прокатного стана с многовалковыми калибрами.

2. Математическая модель пятикпетевого прокатного стана с четырех-валковыми калибрами как объекта управления, учитывающая взаимосвязь технологических параметров процесса деформирования металла * с его энергосиловыми параметрамиа также взаимосвязь электроприводов через обрабатываемую’проволоку.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований статических и динамических свойств электромеханических систем непрерывного прокатного проволочного стана с четырехвалковыми калибра-МИ'И автоматизированного электропривода его клетей.

4. Рекомендации, по реконструкции, системы автоматизированного электропривода пятиклетевого стана с четырехвалковыми калибрами ОАО «Белорецкий металлургический комбинат» в виде концепции построения автоматизированного электропривода, систем и алгоритмов управления электроприводами прокатных клетей.

По содержанию диссертационной работы опубликовано двенадцать научных трудов [8, 31−41], полученные результаты докладывались и обсуждались на четырех научно-технических конференциях и семинарах.

4.5. Выводы.

1. На основе рекомендованной в 1-ой главе системы ПЧ-АД предложена концепция совершенствования автоматизированного электропривода пятиклетевого прокатного проволочного стана с четырехвал-ковыми калибрами. Реализацию противоречивых требований по точности регулирования скорости прокатки и обеспечения межклетевых натяжений в диапазоне, достаточном для реализации условий непрерывной прокатки, рекомендовано выполнить применением принципа разделения электроприводов на один ведущий и остальные ведомые.

2. Обосновано, что в качестве ведущего электропривода, обеспечивающего требование по точности регулирования скорости, следует использовать электропривод второй клети. Электроприводы же 1-ой, 3-ей, 4-ой и 5-ой клетей должны стабилизировать момент прокатки и тем самым выполнять функцию косвенного регулирования размеров проката.

3. Предложены к реализации системы регулирования электроприводов прокатных клетей, представляющие собой системы подчиненного регулирования координат с внутренним контуром тока и внешними контурами регулирования скорости и потокосцепления. В ведомых электроприводах систему регулирования скорости следует использовать исключительно во вспомогательных режимах работы (заправки, аварийной остановки и др.). При работе стана в режиме прокатки система управления является трехконтурной с внешним контуром регулирования момента прокатки.

4. Выполнен синтез регулятора момента прокатки систем управления ведомых электроприводов. Для этого проведены преобразования структурной схемы электроприводов, учитывающей их взаимосвязь через обрабатываемый прокат. Предложена передаточная функция регулятора момента прокатки. Настройку всех контуров регулирования систем управления электроприводов рекомендовано выполнить на модульный оптимум.

5. Рекомендована методика выбора мощности электродвигателей прокатных клетей стана с многовалковыми калибрами, основанная на аналитических зависимостях расчета момента прокатки в зависимости от технологических параметров и режимов. Создано специализированное программное обеспечение для автоматизированного расчета мощности приводных электродвигателей. Выполнен расчет и обосновано применение двигателей мощностью 180 кВт с номинальной скорость вращения 1450. 1500 об/мин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В результате анализа технологии прокатки на станах с многовалковыми калибрами, опыта эксплуатации пятиклетевого стана с че-тырехвалковыми калибрами, а также принципов работы известных систем управления электроприводами показано, что наиболее перспективным является процесс изготовления проволоки путем ее прокатки на непрерывных станах с четырехвалковыми калибрами. Анализ состояния электрооборудования пятиклетевого прокатного стана с четырехвалковыми калибрами, эксплуатируемого на ОАО «Белорецкий металлургический комбинат», показал высокую степень его изношенности и необходимость комплексной реконструкции.

2. Экспериментально, на основе изучения опыта длительной промышленной эксплуатации, уточнены ранее теоретически обоснованные технологические требования к электроприводам непрерывного проволочного прокатного стана с многовалковыми калибрами.

3. Предложено математическое описание, разработаны структурные схемы и создана программа для ПЭВМ, реализующая динамическую математическую модель непрерывного прокатного стана с четырехвалковыми калибрами как электромеханической системы с учетом взаимосвязи электроприводов через обрабатываемую проволоку. В результате проведенного анализа теоретических исследований пятиклетевого стана как электромеханической системы на математической модели и экспериментальных исследований стана в производственных условиях подтверждена адекватность разработанного математического описания реальному технологическому объекту.

4. Анализ результатов экспериментальных исследований влияния технологических параметров на продольную разнотолщинность проката позволил установить, что:

— наиболее значимое влияние на геометрические размеры готовой проволоки оказывают межклетевые натяжения и размеры исходной заготовки;

— повышение точности профиля может быть достигнуто как за счет усовершенствования конструкции клетей стана, так и за счет совершенствования системы автоматизированного электропривода этих клетей.

5. Экспериментальные исследования известных систем автоматизированного электропривода непрерывных прокатных проволочных станов показали, что при рассмотрении вопроса совершенствования электропривода стана с четырехвалковыми калибрами предпочтение следует отдать системе, обеспечивающей косвенное регулирования размеров проката. Системы, построенные по подобному принципу, являются наименее восприимчивыми к таким возмущающим воздействиям как непостоянство сечения исходной заготовки, изменение коэффициента трения и сопротивления деформации и обеспечивают большую стабильность геометрических размеров готовой проволоки.

6. Разработан новый способ построения автоматизированного электропривода пятиклетевого прокатного проволочного стана с четырехвалковыми калибрами. Реализацию противоречивых требований по точности регулирования скорости прокатки и обеспечения межклетевых натяжений в диапазоне, достаточном для реализации условий непрерывной прокатки, рекомендовано выполнить применением принципа разделения электроприводов на один ведущий и остальные ведомые. Обосновано, что в качестве ведущего электропривода, обеспечивающего требование по точности регулирования скорости, следует использовать электропривод второй клети. Электроприводы же 1-ой, 3-ей, 4-ой и 5-ой клетей должны стабилизировать момент прокатки и тем самым выполнять функцию косвенного регулирования размеров проката.

7. Предложены к реализации системы регулирования электроприводов прокатных клетей, представляющие собой системы подчиненного регулирования координат с внутренним контуром тока и внешними контурами регулирования скорости и потокосцепления. В ведомых электроприводах систему регулирования скорости рекомендовано использовать исключительно во вспомогательных режимах работы (заправки, аварийной остановки и др.). При работе стана в режиме прокатки система управления является трехконтурной с внешним контуром регулирования момента прокатки. Выполнен синтез регулятора момента прокатки и предложена его передаточная функция.

8. Рекомендована методика выбора мощности электродвигателей прокатных клетей стана с многовалковыми калибрами, основанная на аналитических зависимостях расчета момента прокатки в зависимости от технологических параметров и режимов. Создано специализированное программное обеспечение для автоматизированного расчета мощности приводных электродвигателей. Выполнен расчет и обосновано применение двигателей мощностью 180 кВт с номинальной скоростью вращения 1450. 1500 об/мин.