Введение к работе
Актуальность. На российских металлургических предприятиях ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ПАО «ММК») и ОАО «Северсталь» (г. Череповец) находятся в эксплуатации непрерывные широкополосные станы (ШСГП) 2000 третьего поколения. Их отличительной особенностью является наличие трехклетевой непрерывной подгруппы черновых клетей, прокатка металла в которых ведется одновременно.
Известно, что от размеров подката на выходе черновой группы зависит «геометрия» полосы и, как следствие, качество конечной продукции. При прокатке в непрерывной подгруппе возникает жесткая силовая взаимосвязь электромеханических систем горизонтальных валков через металл. Это вызывает продольные усилия натяжения-сжатия, которые влияют на отклонения ширины полосы. Для снижения разноширинности и ограничения нагрузок на оборудование валковой системы необходимо поддержание натяжения, близкого к нулевому. При этом потеря натяжения приводит к нарушению устойчивости процесса прокатки.
Экспериментальные исследования, проведенные на стане 2000 ПАО «ММК» (далее – стан 2000), показали, что отклонения натяжения в первом межклетевом промежутке превышают нормативное значение 50 кН (5 т) в 4–5 раз. При этом возникает отрицательное натяжение (подпор), что недопустимо по технологической инструкции. Натяжения во втором промежутке достигают 80–100 т при нормативе 10 т. Наиболее остро проблема ограничения межклетевых усилий проявляется при прокатке полосы толщиной 18–24 мм из специальных сталей для производства труб большого диаметра (трубной заготовки).
Установленная на стане система автоматического регулирования нулевого натяжения (САРНН), разработанная фирмой General Electric, не отвечает современным требованиям и неэффективна при расширении сортамента полос. Основной причиной, вызывающей отклонения натяжений, является рассогласование скоростей горизонтальных валков в режиме совместной прокатки. В существующей системе это связано с низкой точностью вычисления натяжения и несовершенством алгоритмов согласования скоростей. В условиях отсутствия петлеобразования в полосе возникают продольные усилия, в несколько раз превышающие допустимые. Это ставит процесс непрерывной прокатки под угрозу аварии.
Вопросам изучения силовой взаимосвязи электромеханических систем клетей прокатных станов посвящены научные труды многих выдающихся отечественных и зарубежных ученых. Вместе с тем вопросам согласования скоростей взаимосвязанных электроприводов непрерывной подгруппы ШСГП не уделяется необходимого внимания.
Целью диссертационной работы является разработка научно-
обоснованных технических решений, обеспечивающих ограничение силовой взаимосвязи электромеханических систем непрерывной подгруппы черновой группы клетей широкополосного стана горячей прокатки за счет согласования скоростей электроприводов горизонтальных валков и повышения точности регулирования натяжения.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
-
Анализ нагрузочных режимов электроприводов горизонтальных валков непрерывной подгруппы ШСГП при прокатке полос традиционного и расширенного сортамента. Анализ существующих алгоритмов управления скоростными режимами.
-
Экспериментальные исследования натяжений в межклетевых промежутках непрерывной подгруппы стана 2000. Теоретические и экспериментальные исследования влияния рассогласования скоростей на натяжения и энергосиловые параметры прокатки.
-
Разработка способов управления электроприводами горизонтальных валков, обеспечивающих независимое регулирование натяжений в межклетевых промежутках и автоматическое согласование скоростей электроприводов последовательно расположенных клетей в режиме совместной прокатки.
-
Разработка динамической математической модели электромеханических систем горизонтальных валков трехклетевой непрерывной подгруппы. Исследование силовой взаимосвязи при реализации существующих и разработанных алгоритмов согласования скоростей.
-
Экспериментальные исследования и промышленное внедрение разработанных алгоритмов управления в черновой группе стана 2000 ПАО «ММК». Оценка экономической эффективности, обобщение результатов.
Методика проведения исследований. При работе над диссертацией использовались базовые положения теории электропривода, теории автоматического управления, основы теории прокатки. При разработке математической модели использовался аппарат передаточных функций, при синтезе регуляторов – аппарат ЛАЧХ. Математическое моделирование осуществлялось в программной среде Matlab Simulink. Экспериментальные исследования выполнялись методом осциллографирования на стане 2000 с последующей обработкой и анализом результатов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты экспериментальных исследований силового взаимодействия электромеханических систем трехклетевой непрерывной подгруппы ШСГП, на основе которых определены причины возникновения недопустимых натяжений в межклетевых промежутках.
-
Способ автоматического регулирования натяжений, согласно которому при прокатке в двух клетях осуществляется автоматическая коррекция скоростей электроприводов первой либо третьей клетей относительно заданной скорости электропривода второй клети, а при совместной прокатке в трех клетях осуществляется косвенное регулирование натяжения в функции разности токов электропривода предыдущей клети, измеренных до и после захвата полосы валками следующей клети.
-
Способ согласования скоростей взаимосвязанных электроприводов непрерывной подгруппы, согласно которому осуществляется автоматическая коррекция (снижение) скорости электропривода предыдущей клети на величину статической просадки скорости электропривода следующей клети.
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтвердившие снижение натяжений и ограничение подпора в межклетевых промежутках при внедрении разработанных алгоритмов.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются применением комплексных методов исследования, использованием характеристик оборудования действующего прокатного стана, совпадением теоретических и экспериментальных результатов, а также их соответствием результатам, опубликованным другими авторами, повторяемостью результатов экспериментов, положительным опытом длительной эксплуатации внедренных алгоритмов управления.
Научная новизна.
1. Уточнены закономерности, характеризующие влияние рассогласования
скоростей последовательно расположенных клетей непрерывной подгруппы на
натяжения в межклетевых промежутках и влияние переднего и заднего натя
жений на энергосиловые параметры прокатки и токовую нагрузку электропри
водов.
2. Разработан способ автоматического регулирования натяжений в межкле
тевых промежутках трехклетевой группы, согласно которому при прокатке в
двух (первых либо последних) клетях осуществляют автоматическую коррек
цию скоростей электроприводов первой либо третьей клетей относительно
заданной скорости второй клети. При совместной прокатке в трех клетях осу
ществляют косвенное регулирование натяжений в функции разности токов
электропривода предыдущей клети, измеренных до и после захвата полосы
валками следующей клети.
3. На основе принципа компенсации статической ошибки регулирования
скорости электродвигателя в однократноинтегрирующей системе разработан
способ согласования скоростей электроприводов последовательно располо
женных клетей путем автоматической коррекции скорости электропривода
предыдущей клети на величину статической ошибки регулирования скорости
электропривода следующей клети после захвата полосы валками.
Практическая ценность и реализация работы.
1. Разработанный алгоритм согласования скоростей электроприводов реа
лизован в программном обеспечении контроллера АСУ непрерывной подгруп
пы стана 2000 ПАО «ММК». В результате обеспечиваются повышение точно
сти регулирования натяжений, снижение подпора и ограничение передачи
возмущающих воздействий «через клеть».
2. Математическая модель рекомендуется для исследования алгоритмов
управления взаимосвязанными электроприводами, что имеет практическое
значение для реконструкции и проектирования непрерывных прокатных ста
нов.
-
Результатами внедрения разработанных технических решений являются снижение расходного коэффициента, повышение устойчивости технологического процесса, продление срока эксплуатации оборудования. Экономический эффект составляет 1,75 млн руб./год.
-
Разработанные алгоритмы рекомендуются для внедрения в непрерывных группах широкополосных и сортовых прокатных станов независимо от рода
тока электроприводов. Технико-экономическая эффективность обеспечивается за счет совершенствования алгоритмов управления, практически без капитальных затрат.
Апробация работы. Положения, выносимые на защиту, и основные результаты работы докладывались на 6-ти международных конференциях, в том числе: в 2016 г. на IX Международной конференции АЭП в г. Пермь; в 2015 г. на Международной IEEE- конференции по управлению и связи в г. Омск и на XIII Международной конференции АПЭП в г. Новосибирск; в 2017 г. на Международной конференции Пром-Инжиниринг в г. Санкт-Петербург и на Международной научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» в г. Бишкек; в 2018 г. на IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering в г. Санкт-Петербург.
В 2017-2018 гг. исследования выполнялись в рамках госзадания «Проведение комплекса научных исследований и разработок, обеспечивающих повышение энергетической эффективности и ресурсосбережение при производстве толстолистового проката» (№13.9656.2017/БЧ от 10.03.2017 г).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных трудах, в том числе 5 статей в рецензируемых изданиях из Перечня ВАК РФ, 4 статьи в изданиях, входящих в систему цитирования Scopus. Получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 147 наименований. Работа изложена на 168 страницах, содержит 54 рисунка, 18 таблиц и приложение объемом 16 страниц.