Совершенствование электропривода тянущих роликов слябовых машин непрерывного литья заготовок

УДК 621.74.06:62-83

Лукьянов С.И., Фомин Н.В., Васильев А.Е., Хлыстов А.И.

Совершенствование электропривода тянущих роликов слябовых машин

НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК

Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований электропривода тянущих роликов машины непрерывного литья заготовок. Приведены авторские методики расчета продольных усилий и моментов вытягивания в межроликовом пространстве зоны вторичного охлаждения. Разработан алгоритм управления электроприводом тянуще-правильного устройства машины непрерывного литья заготовок.

Ключевые слова система управления, электропривод тянущих роликов, усилие в слитке, зона вторичного охлаждения, машина непрерывного литья заготовок.

Одним из резервов повышения качества макроструктуры слябов и увеличения производительности машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) является совершенствование электропривода тянущих роликов (ТР) и систем его управления [1,2].

Сотрудниками Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова совместно со специалистами ОАО «ММК» на действующих слябовых МНЛЗ криволинейного типа выполнен значительный объем теоретических и экспериментальных исследований влияния показателей работы электропривода ТР на качество макроструктуры непрерывно-литых заготовок и производительность МНЛЗ. Проделанный объем работ, опыт экспериментальных исследований и внедрения результатов позволяет предложить разработчикам и изготовителям слябовых МНЛЗ методики и основные технические решения по реализации схем силового питания электродвигателей и систем управления электроприводами ТР.

Исследования проводились на МНЛЗ №1-5 ОАО «ММК». Следует отметить, что электропривод ТР слябовых МНЛЗ №1 -4 выполнен по схеме «тири-сторный преобразователь - двигатель» (ТП-Д) с силовым питанием всех электродвигателей (до 70 шт.) от одного ТП. Электропривод МНЛЗ №5 выполнен по индивидуальной схеме «преобразователь частоты -асинхронный двигатель» (ПЧ-АД) [3].

В результате исследования временных диаграмм изменения токов нагрузки электродвигателей ТР и общего тока электропривода тянуще-правильного устройства (ТПУ) МНЛЗ №1 -4 на неизменном установившемся уровне задания скорости литья заготовки установлено, что имеют место два различных режима работы электропривода ТПУ. В первом - при практически неизменных скорости разливки V, общего тока /^ электропривода ТПУ и большинства токов нагрузки 1к электродвигателей ТР на ряде электродвигателей имеют место явно выраженные, устойчивые за цикл разливки, колебания токов 1к (рис. 1, а). Во втором - имеют место устойчивые колебания (автоколебания) токов нагрузки 1к всех электродвигателей ТР, а также общего тока /£ электропривода ТПУ и скорости разливки V (рис. 1, б). В результате статистического анализа временных диаграмм рис. 1, а доказано отсутствие взаимного влияния между изменениями токов нагрузки 1к соседних электродвигателей и между изменениями токов отдельных электродвигателей и общим током электропривода ТПУ. Это позволяет принять в качестве оценки распределения общего усилия вытягивания

слитка по тянущим роликам зоны вторичного охлаждения (ЗВО) и группам приводов за длительный период времени ( /И>2ТР, где ТР - период вращения ролика) математическое ожидание тока Ik. Анализ временных диаграмм токов и скорости рис. 1, б показал, что изменения токов ik отдельных электродвигателей и общего тока Is электропривода ТПУ отражают общий колебательный процесс в электромеханической системе «электропривод ТПУ - роликовая проводка - слиток» и в качестве адекватного отражения автоколебаний в электроприводе ТПУ достаточно использовать изменение общего тока Is. Сравнительный анализ двух режимов работы электропривода ТПУ показал, что изменения токов отражают различные физические явления, происходящие в электромеханической системе привода ТР. Поэтому исследования целесообразно выполнять отдельно для случая разливки стали на неизменной скорости и для случая автоколебаний скорости разливки [4].

ik. А

6.0 4,0 2.0 0,0

I) 100 200

V, м\мин I: , А

0,8 400 300 200 100

О

VI j\ щ

"V

0,6 0,4 0,2 0,0

/ .

о

а

б

Рис. 1. Временные диаграммы работы электропривода ТПУ: а - на неизменной скорости разливки; б - при наличии колебаний Установлено, что распределение общего рабочего тока и общего тока холостого хода /ХХ2 электропривода ТПУ по электродвигателям ТР явно неравное (рис. 2). На различных ручьях МНЛЗ №1-4 вид неравномерности распределения рабочих токов /к и токов холостого хода /ХХ2 вдоль ЗВО различный и установить какие-либо общие аналитические закономерности распределения токов /к и /ХХкк не представилось возможным.

Кроме того, доля значений токов холостого хода в общем рабочем токе электропривода ТПУ существенна и достигает 60%, поэтому оценку реального усилия, развиваемого конкретным электродвигателем на контакте его ТР со слитком, необходимо выполнять за

вычетом тока холостого хода. При изменении скорости разливки и по истечении времени с момента проведения капитальных работ происходит существенное перераспределение тока электропривода ТПУ между электродвигателями ТР. Следовательно, сравнительную оценку распределения токов на различных ручьях необходимо выполнять для конкретного момента времени на конкретной скорости разливки. В качестве оценки неравномерности распределения токов нагрузки применен коэффициент вариации:

V = ,

где 81 - среднее квадратическое отклонение значений токов электродвигателей от математического ожидания I тока группы электродвигателей [4].

I, А

— 1к

\

/ г\\

А ''И * А 'х а \АШ

70 № дв

0 10 20 30

радиальный криволинейный

участок участок

Рис. 2. Распределение токов рабочих и холостого хода вдоль линии ЗВО

40 50 60

горизонтальный участок

Предложена следующая методика оценки распределения общего тока нагрузки электропривода ТПУ по отдельным электродвигателям, отражающего распределение усилия вытягивания заготовки по ТР: до начала разливки во время прокрутки электропривода ТПУ измеряются значения токов холостого хода 1хх,к электродвигателей тянущих роликов на предполагаемой рабочей скорости разливки заготовки V м/мин; рассчитывается временной интервал, соответствующий двум периодам ТР вращения роликов наибольшего диаметра БР; величина периода определяется по уравнению: ТР = с; по данным изменения

мгновенных значений токов ,к электродвигателей определяются значения их математических ожиданий

N

1г ; рассчитываются составляющие рабочих

7=1

токов нагрузки, определяющие усилия вытягивания слитка 1нагл =1к-1хх,к-

В результате анализа изменения форм распределения общего тока нагрузки по электродвигателям ТР при изменении таких технологических факторов, как скорость разливки V, ширина слитка В и фактора времени на различных ручьях одной МНЛЗ и на различных МНЛЗ №1-4 установлено, что распределение токов нагрузки между роликами, секциями и участками ЗВО не является стационарным: при изменении указанных факторов происходит случайное перераспределение величин токов 1к; с увеличением скорости неравномерность распределения возрастает; установить какие-либо взаимосвязи между формами изменения распределения токов нагрузки и указанными факторами невозможно. Распределение общего тока по группам ТР на различных ручьях МНЛЗ №1 -4 при идентичных

технологических параметрах литья заготовки существенно отличаются между собой. На радиальном участке доля нагрузки изменяется в пределах 3-14%, на криволинейном - 33-44%, на горизонтальном участке в первой группе электродвигателей - от 10 до 19% и во второй группе составляет от 31 до 44% [4].

Расчет требуемого по технологии общего статического момента вытягивания слитка МВЫТ, развиваемого всеми ТР на установившейся скорости разливки, выполняется из условия, что т ТР должны приложить к слитку суммарное усилие вытягивания ЕВЫТ, необходимое и достаточное для преодоления сил сопротивления протягиванию застывающей заготовки через п пар роликов верхнего и нижнего ряда роликовой проводки ЗВО. Это условие обусловлено тем, что в роликовой проводке применяются приводные и неприводные ролики различного диаметра [2].

Усилие вытягивания на приводных роликах ^ определяется как сумма усилий на данном ]-м приводном ролике и на неприводных роликах Е, перед ним до ближайшего другого ]-1 приводного ролика.

Требуемое суммарное усилие вытягивания слитка вычисляется по выражению

К

ВЫТ

= 2К

}=1

Усилие Fi сопротивления вытягиванию заготовки в одном межроликовом пространстве ЗВО в общем виде для МНЛЗ криволинейного типа определяется из выражения

К = Кр + (Рф, + Рп + Рпр, + Рза„ +

+ Рз, + Рп, + О + 0& ) +

+ Кып + Ом + О .

где Екр - усилие вытягивания слитка из кристаллизатора; Л - эквивалентный коэффициент трения, обусловленный трением качения ролика по слитку и трением в подшипниках опор роликов; Рф, - усилие ферростати-ческого давления на ролики; Ртп, - усилие давления на ролики от температурных поводок непрерывнолитой заготовки; Рпр, - усилие давления на ролик, обусловленное правкой; Рзаг, - усилие давления на ролик, обусловленное загибом заготовки; Рз, - усилие давления, вызванное протягиванием затвердевшей заготовки через роликовую проводку на горизонтальном участке ЗВО; Рмп, - усилие механического прижима роликов к слитку; Ор, - сила тяжести ,-го ролика; Од,, Оп - нормальная и тангенциальная составляющие силы тяжести части слитка в межроликовом пространстве Ос,; Евып, -усилие сопротивления вытягиванию выпученной корки заготовки из ,-й пары роликов; Ом - сила тяжести металла в кристаллизаторе. Составляющие (3) рассчитываются по известным зависимостям [5].

Значение требуемого по технологии момента вытягивания слитка Мвыт/ на валу электродвигателя ]-го тянущего ролика определяется по выражению: Мвьщ = КыД, /(2,р1), где - передаточное число редуктора.

Из сравнения между собой значений относитель-

ного распределения реальных (см. рис. 2) и требуемых по технологии общих моментов вытягивания заготовки (рис. 3) по группам ТР сделан вывод, что в реальных условиях литья заготовки тянущие ролики радиального, криволинейного и первой группы горизонтального участков всегда загружены менее требуемых значений. Напротив, ролики второй группы горизонтального участка существенно (33,3-45,1 вместо требуемых 3,0-6,0%) в реальных условиях загружены более требуемых по технологии значений.

Мв

д, кН*м

10

ММ СР

рРпппРрРпппРпРррппппррппп!

1 4 7 10 13 1 радиальный 6 19 22 25 28 31 34 3 криволинейный 7 40 43 46 группа 1 49 52 55 58 61 64 67 70 N прив. рошк группа 2 |

Рис. 3. Требуемое по технологии распределение моментов вытягивания вдоль ЗВО

Следовательно, ТР второй группы горизонтального участка создают в слитке статические продольные усилия (натяжение) и посредством этого разгружают тянущие ролики остальных групп ТПУ [4]. На основании равенства реальных и расчетных значений общего момента вытягивания слитка, развиваемого всеми приводными роликами, разработана методика расчета распределения вдоль технологической линии ЗВО статических продольных усилий:

¥ = ¥ - ¥

п—1,п Рп Ми э

¥п—2,п—1 ¥п-1,п + (¥Рп—1 ¥ММп—1);

I+1

¥-1,1 = ^ ¥3-1,3 + (¥Р1 — ¥М ) ;

3 = п,—1 3

¥1,2 = ^¥}—1,3 + (¥Р2 — ¥М2) ,

3 = п,—1

где Гщ - статическое продольное усиление, создаваемое в слитке электроприводом ТПУ, в пространстве между /-1 и 1-м приводными роликами; ГР,- - реальное усилие вытягивания слитка, развиваемое 1-м тянущим роликом; ГМ,- - требуемое по технологии усилие вытягивания слитка, рассчитанное по (3).

Графическая иллюстрация распределения статических продольных усилий в слитке на примере ручья 3, 4 МНЛЗ №1 приведена на рис. 4, из которой следует: на радиальном участке имеют место отрицательные продольные усилия (подпор), а на криволинейном и горизонтальном участках - положительные (натяжение); величина растягивающих усилий в заготовке достигает существенных значений (375 кН) в месте закрытия лунки жидкой фазы (между 64 и 65 роликами).

Анализ распределения продольных усилий в

слитке вдоль ЗВО на МНЛЗ №1-4 ОАО «ММК» показал, что на различных ручьях, находящихся в идентичных технологических условиях, распределение продольных усилий в слитке по абсолютной величине и характеру изменения вдоль ЗВО значительно отличаются друг от друга. На горизонтальном участке в зоне закрытия жидкой фазы обнаружены значительные изменения максимальных значений натяжения в слитке от 186 до 622 кН [4].

Г, кН

450 350 250 150 50 -50

11 16 21 25 29 33 37 41 45 49 57 63 69 77 83 89 93 97 , номер ролика

радиалыный | криволинейный^ | Горизонтальныйучасттк . |

участок участок

Рис. 4. Распределение продольных усилий в слитке вдоль

ЗВО

В результате исследования влияния технологических факторов на распределение продольных усилий в слитке установлено: при изменении скорости разливки V, ширины отливаемой заготовки В и после проведения ремонтных работ в роликовой проводке ЗВО происходит существенное изменение максимальных значений и вида распределения статических продольных усилий; в пределах же сроков межремонтного периода эксплуатации МНЛЗ при фиксированных скорости V и ширине слитка В изменение продольных усилий незначительны (<5%); исследование влияния продольных усилий, создаваемых в слитке электроприводом ТПУ, на качество литой заготовки целесообразно проводить в пределах сроков межремонтного периода каждой МНЛЗ для идентичных по скорости литья и ширине отливаемой заготовки технологических условий.

Установлено, что чем выше значения показателя неравномерности распределения токов нагрузки электродвигателей ТР первой группы горизонтального участка (коэффициента вариации VгoР), тем выше относительная частота снижения сортности литой заготовки по осевым трещинам и осевой рыхлости (коэффициенты парной корреляции Я составили соответственно 0,93 и 0,75). Кроме этого, чем выше значения продольных усилий в слитке на радиальном и криволинейном участках ЗВО, тем выше частота возникновения перпендикулярных и гнездообразных трещин [4].

На основании выполненного анализа сформулированы дополнительные технологические требования к системе управления электроприводом ТР, реализация которых позволяет минимизировать продольные растягивающие усилия в слитке: в системе управления электроприводом ТР должна быть предусмотрена возможность в рабочем режиме вытягивания слитка рассчитывать и поддерживать на заданных уровнях значения моментов нагрузки электродвигателей ТР.

Идеальным вариантом реализации технологиче-

8

6

0

ских требований является применение индивидуального электропривода ТР. Данные рекомендации реализованы при проектировании и изготовлении МНЛЗ №5 ОАО «ММК», в которой применен индивидуальный электропривод переменного тока на базе преобразователей частоты «Micromaster» (рис. 5).

Создание базы Mxxi

Проверка состояния флагов

отДИ

М„

Массивы данных: Требуемые М вытягивания; Моменты ХХ;К загрузки

М„.

>о-о

ЗИ

dra

_dt

М„,

X?—

РС

М„

г

F

У V_

->о

Управляющий контроллер

Прогиб бочки i-ого ТР Износ i-ого ТР

Буксовка г-ого ТР

Исправность г-ых линий привода

Качество выставки полотна роликовой проводки Расчет фаз изменения моментов

Чо„

1 - Разливка 0- Местн. Упр.

Настройка электропривода ТПУ

Алгоритм

коменсации автоколебаний

Таблица требуемых значений М нагрузки

Коррекция требуемых значений М с учетом состояния роликовой

проводки Вывод управляющих сигналов

Ж

РТq

РТd

LK>

k Токовая ¡Наблюдатель |

модель

ПЧ

Рис.5. Функциональная схема системы управления электроприводом ТПУ

В управляющем контроллере реализована система распределения требуемых моментов вытягивания по электродвигателям ТР. В контроллере хранятся массивы данных величин общих моментов нагрузки, требуемых для вытягивания конкретного слитка, значения коэффициентов загрузки каждого электродвигателя ТР и массивы данных моментов холостого хода электродвигателей на заданной скорости вытягивания слитка.

Общий алгоритм системы управления электроприводом ТПУ (рис. 6) определяет последовательность выполнения макроопераций в системе управления. Описание работы системы (см. рис. 5) и алгоритма (см. рис. 6) приведено в [6,7].

Разработанные методики расчетов продольных усилий, моментов нагрузки и алгоритм работы системы управления электроприводом ТПУ могут быть использованы при проектировании новых и модернизации электроприводов ТР существующих слябовых машин непрерывного литья заготовок.

Рис.6. Алгоритм управления

Список литературы

1. Нисковских В.М., Карлинский С.Е., Беренов А.Д. Машины непрерывного литья слябовых заготовок. М.: Металлургия, 1991. 272 с.

2. Марголин Ш.М. Электропривод машин непрерывного литья заготовок. М.: Металлургия, 1987. 297 с.

3. Электропривод переменного тока роликового аппарата машины непрерывного литья заготовок с инди-видуаль ным питанием двигателей / В.М. Альшиц, В.И. Зеленцов, Б.Г. Бажин, А.Е. Тикоцкий // Труды V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007. СПб., 2007. С. 344-347.

4. Лукьянов С.И., Васильев А.Е., Лукьянов Д.С. Автоматизированный электропривод тянуще-правильного устройства МНЛЗ: монография. Магнитогорск: МГТУ, 2004. 179 с.

5. Лукьянов С.И., Фомин Н.В., Хлыстов А.И. Расчет продольных усилий в слитке МНЛЗ // Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах: междунар. сб. науч. трудов. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. Ч.П. С. 137-142.

6. Система управления электроприводом тянущих роликов машины непрерывного литья заготовок / С.И. Лукьянов, Н.В. Фомин, А.И. Хлыстов, Е.С. Лукьянов // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2012. Вып.6. С. 104-109.

7. Автоматизированный электропривод тянуще-правильного устройства машин непрерывного литья / С.И. Лукьянов, А.Е. Васильев, Д.В. Швидченко и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, 2006. №2(14). С.30-34.

Information in English

Improvement of Pulling Rollers Electric Drive of Slab Continuous Casting Machine

Lukyanov S.I., Fomin N.V., Vasilyev A.E., Hlystov A.I.

К

+

+

J

£

f

I

U

f

q

q

d

f

d

The results of experimental and theoretical research of the electric drive of pulling rollers of continuous casting machine are presented. The author's methods of calculation of longitudinal forces and the pulling moments are given for the interroller space of the secondary cooling zone. The control algorithm of the pulling rollers electric drive of continuous casting machine is developed.

Keywords: Control system, electric drive of pulling rollers, force in the ingot, secondary cooling zone, continuous casting machine.

References

1. Niskovskih V.M., Karlinskiy S.E., Berenov A.D. Mashiny nepreryvnogo litya slyabovyh zagotovok [Slab continuous casting machines]. Moscow: Metallurgy, 1991. 272 p.

2. Margolin Sh.M. Elektroprivod mashin nepreryvnogo litya zagotovok [Electric drive of continuous casting machines]. Moscow: Metallurgy, 1987. 297 p.

3. Alshic V.M., Zelencov V.I., Bazhin B.G., Tikotskij A.E. Elektroprivod peremennogo toka rolikovogo apparata mashiny neprepyvnogo litya zagotovok s individualnym pitaniem dvigatelei [AC electric drive of continuous casting machine rollers with individual power motors]. Proceedings of V International (XVI all-Russian) conference on automatic electric drive AEP-2007. Saint-Petersburg, 2007, pp. 344 - 347.

4. Lukyanov S.I., Vasilyev A.E., Lukyanov D.S. Avtomatizirovannyi elektroprivod tyanusche-pravilnogo ustroistva MNLZ [Automated electric drive of drawing-levelling device of continuous casting machine]: Monograph. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2004. 179 p.

5. Lukyanov S.I., Fomin N.V., Hlystov A.I. Raschet prodolnyh usilii v slitke MNLZ [Calculation of the longitudinal force in ingot of continuous casting machines]. Mathematical support and software of systems in industrial and social spheres: the international collection of scientific works. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2011, vol.II, pp. 137-142.

6. Lukyanov S.I., Fomin N.V., Hlystov A.I., Lukyanov E.S. Sistema upravleniya elektroprivodom tyanuschih rolikov mashiny nepreryvnogo litya zagotovok [Control system of electric drive of continuous casting machine pulling rollers]. Vestnik of Ivanovo State Power University. 2012, no. 6, pp. 104-109.

7. Lukyanov S.I., Vasilyev A.E., Shvidchenko D.V. et.al. Avtomatizirovannyi elektroprivod tyanusche-pravilnogo ustroistva mashin nepreryvnogo litya [Automated electric drive of drawing-levelling device of continuous casting machines]. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tehnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University] 2006, no. 2 (14), pp.30-34.

УДК 621.311+621.34.001 Карандаев А.С., Храмшин В.Р.

Совершенствование электроприводов и систем автоматического регулирования

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

ПРИ РАСШИРЕНИИ СОРТАМЕНТА ПОЛОС

Показано, что современной тенденцией совершенствования технологии широкополосных станов горячей прокатки является расширение сортамента при производстве продукции малыми партиями. Расширение сортамента происходит как за счет производства толстых полос из труднодеформируемых марок стали, так и за счет производства особо тонкой полосы, являющейся конечной продукцией металлургического предприятия. Отмечены технологические особенности прокатки полос расширенного сортамента на широкополосных станах 2000 и 2500 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»). Рассмотрены разработки, обеспечивающие энергосбережение за счет снижения потребления реактивной мощности тиристорными электроприводами клетей без применения компенсирующих устройств. Представлен комплекс разработанных и внедренных технических решений по совершенствованию систем автоматического регулирования технологических параметров: натяжения, толщины полосы и скоростных режимов прокатки. Показано, что разработанные системы обеспечивают ресурсосбережение за счет снижения материалоемкости и улучшение качества полосы за счет повышения точности регулирования натяжения и толщины в установившихся и динамических режимах.

Ключевые слова широкополосный стан горячей прокатки, сортамент, автоматизированный электропривод, энергосбережение, технологические параметры, системы автоматического регулирования, совершенствование, экспериментальные исследования, внедрение.

Тенденции развития технологии

широкополосных станов горячей прокатки

В прошедшие десятилетия существенно изменились потребности рынка в продукции прокатного производства. При этом явно выражены две противоречивые тенденции: с одной стороны, растет спрос на тонкую горячекатаную полосу (толщиной 0,7-1,2 мм), являющуюся конечной рыночной продукцией, с другой -в качестве основной перспективы ШСГП названа прокатка толстой полосы из труднодеформируемых и специальных сталей [1, 2]. Наряду с изменением конъюнктуры рынка качественно изменились требования потребителей. Исследования, проведенные международным институтом чугуна и стали (ПБ1), выявили

главное требование к металлургическому производству, которое должно быть удовлетворено в XXI веке -это поставка стали высокого качества при низкой стоимости, малыми партиями и в короткое время [3, 4].

На рис. 1 представлены диаграммы, характеризующие сортамент сталей, прокатываемых на европейских заводах, представленные фирмой «Schloemann-Demag» («SMS-Demag», Германия) [5]. Необходимо отметить значительную долю мягких нелегированных сталей, используемых для холодной формовки и прокатки. Доля полос толщиной 0,7-1,2 мм составляет 57% всех холоднокатаных полос из мягких нелегированных сталей, доля полос шириной 900-1300 мм -72%. Подобное распределение характерно также для США и для других развитых стран.