CC BY
78
УДК 621.74.047
С.И. Лукьянов, А.Е. Васильев, Д.В. Шввдченко, Е.С. Суспицын,
И.Л. Погорелов, В.П. Лукьянов, В.Н. Данилов
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ТЯНУЩЕ-ПРАВИЛЬНОГО УСТРОЙСТВА МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ
Технология непрерывной разливки стали и конструкция машин постоянно совершенствуются в направлении повышения качества отливаемой заготовки и производительности каждой машины. Увеличение производительности машины непре-рывного лигья заготовок (МНЛЗ) прямо связано с увеличением линейной скорости разливки.
По данным Международного института чугуна и стали основными причинами ограничения линейной скорости разливки являются: качество внутренней структуры заготовки и частота прорыва металла. Обусловлено это тем, что с увеличением скорости разливки возрастает интенсивность охлаждения заготовки и скорость её деформации, что неминуемо приводит к снижению качества внутренней структуры заготовки и увеличению вероятности прорыва корочки слитка. Поэтому в реальных промышленных условиях показатели средней скорости разливки стали значительно ниже проектных. Так, на МНЛЗ № 1-4 ОАО “Магнитогорский металлургический комбинат” при номинальной проектной скорости разливки 1,5 м/мин среднегодовые показатели скорости за 10 лет эксплуатации МНЛЗ составили около 0,7 м/мин.
О масштабах экономических потерь сввдетельст-вует тот факт, что снижение скорости разливки на одном ручье только на 1% относительно проектного значения наносит ущерб около 1 млн руб. в год.
За последние десятилетия выполнен большой объем технологических и конструкторских работ по совершенствованию установок МНЛЗ, однако из всего многообразия факторов, определяющих качество лигой заготовки, весьма недостаточно рассмотрены вопросы влияния электропривода тянуще-правильного устройства (ТПУ), формирующего один из основных технологических факторов - схему приложения тянущего усилия, на процесс кристаллизации слитка и образование дефектов макроструктуры лигой заготовки. В лиге -ратурных источниках указано, что тянущие ролики в процессе вытягивания заготовки формируют в последней дополнительные продольные усилия, которые являются одной из причин образования дефектов. Однако конкретная оценка значений этих продольных усилий, изменения их вдоль ЗВО
и влияния на качество непрерывнолитой заготовки отсутствует. Отсутствует и четкое обоснование одного из базовых требований к электроприводу ТПУ - равномерного деления нагрузки вытягива-ния заготовки между электродвигателями тянущих роликов для ограничения растягивающих усилий в оболочке кристаллизирующегося слигка. Слабо отражено влияние электропривода на качество макроструктуры слигка. Нет ясности и в целесообразном распределении управляемых и неуправляемых электроприводов тянущих роликов вдоль технологического канала ЗВО с позиций снижения дефектов в литой заготовке и увеличения скорости разливки Проблема обеспечения качественной работы электропривода тянущих роликов ЗВО с позиций роста производительности МНЛЗ при сохранении качества слигка потребовала и более глубокого исследования электропривода на действующих объектах.
В большинстве отечественных и зарубежных МНЛЗ применяется электропривод постоянного тока с силовым питанием всех электродвигателей от одного или двух тиристорных преобразовате -лей. Системы управления строятся по принципу подчиненного регулирования с внутренним астатическим контуром регулирования тока и внешним статическим контуром регулирования скорости вращения одного или нескольких электродвигате-лей тянущих роликов или напряжения с выхода ТП. В существующих системах управления электроприводом ТПУ отсутствует возможность плав -ного регулирования распределения нагрузок по электродвигателям тянущих роликов. Выравнивание нагрузок между электродвигателями осуществляется смягчением их механических характеристик за счет включения в цепь якоря каждого электродвигателя добавочных сопротивлений [1].
Задача разработки автоматизированного электропривода тянуще-правильного устройства МНЛЗ, обеспечивающего увеличение производительности машины посредством увеличения скорости литья заготовки за счет улучшения качества внутренней структуры и уменьшения вероятности прорыва корочки непрерывнолигого слигка, потребовала решения следующих вопросов:
- создания методики оценки влияния электропривода ТПУ на качество макроструктуры непрерывнолитого слигка;
- создания методики определения требуемого по технологии распределения моментов нагрузки по тянущим роликам ТПУ и методики оценки продольных усилий, созда-ваемыхв слитке электроприводом ТПУ;
- определения показателей настройки электропривода ТПУ, позволяющих выполнить его оптимизацию по критерию качества макроструктуры непрерывнолитых заготовок;
- создания динамической модели электропривода ТПУ с учетом реальных параметров упругой связи электродвигатель - тянущий ролик, фрикционной связи тянущий ролик - слиток и условий контакта тянущие ролики - слиток;
- обоснования технологических требований к электроприводу ТПУ с позиций снижения неравномерности распределения нагрузок по электродвигателям тянущих роликов, максимальных значений статических и динамических продольных усилий в отливаемой за -готовке и обеспечения стабильности протекания процесса литья заготовки в условиях автоколебаний скорости разливки;
- создания технических средств и алгоритмов управления автоматизированным электроприводом ТПУ, обеспечивающих ограничение статических и динамических продольных усилий вс литке иуменьшение неравномерности распределения нагрузок по тянущим роликам;
- промышленной апробации и внедрения полученных результатов, оценки их технической и экономической эффективности.
В результате теоретических и экспериментальных исследований электропривода ТПУ на типовых МНЛЗ криволинейного типа ОАО "ММК" установлено [2]:
- при неизменном задании скорости разливки в электроприводе ТПУ наблюдаются два режима его работы, отражающие различные физические явления в роликовой проводке ЗВО.
В первом режиме работы электропривода ТПУ при неизменных скорости литья и общем токе электропривода на ряде электродвигателей тянущих роликов происходят устойчивые, неизменные по числовым характеристикам колебания двух форм токов. Одна форма изменения тока обусловлена наличием остаточного прогиба боч-ки тянущего ролика, а вторая - периодическими буксовкам и тянущих роликов по слитку.
Во втором режиме работы электропривода вытягивание слитка сопровождается устойчивыми колебаниями токов всех электродвигателей тянущих роликов, общего тока электропривода ТПУ и скорости разливки Адекватным отображением этого режима работы электропривода ТПУ явля-ются колебания общего тока и скорости разливки При наличии автоколебаний в электроприводе ТПУ изменение скорости разливки достигает 13% от заданного значения, что противоречит одному из основных требований к электроприводу ТПУ -поддержания скорости разливки с точностью ±2%;
- существующая схема электропривода ТПУ не обеспечивает равномерного деления общего тока нагрузки между электродвигателями тянущих роликов. На различных ручьях МНЛЗ № 1-4 ввд неравномерности распределения рабочих токов и токов холостого хода вдоль ЗВО различ-ный, и установить какие-либо общие аналитиче-ские закономерности распределения токов не представлялось возможным. 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 тянущего ролика 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 тянущих роликов. В качестве оценки неравномерности распределения токов нагрузки применен коэффициент вариации:
У/ = 5,//, (1)
где Б, - среднее квадратическое отклонение значений токов электродвигателей от математического ожидания / тока нагрузки группы электродвигателей;
- 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. Следовательно , тянущие ролики второй группы горизонталь -ного участка создают в слитке статические продольные усилия (натяжение) и посредством этого разгружают тянущие ролики остальных групп ТПУ. На основании несоответствия распределения моментов вытягивания заготовки в существующем
электроприводе ТПУ, требуемому по технологии, разработана математическая модель распределения статических продольных усилий, создаваемых в слигке электроприводом ТПУ [3]:
¥ = ¥ - ¥ •
п-1,п Рп Мп ’
¥п-2,п-1 ¥п—1,п ¥Рп-1 ¥Мп-\ ) ;
= Е ¥ 1-1,1 + (¥Рг - ¥Мг) ; (2)
] =п,-1
¥1,2 = Е ¥] -1,1 +(¥Р 2 - ¥М 2 ) .
1 =и,-1
где ¥г-1 г - статическое продольное усиление, создаваемое в слигке электроприводом ТПУ, в пространстве между г-1 и г'-м приводными роликами; ¥Рг - реальное усилие вытягивания слитка, развиваемое г'-м тянущим роликом; ¥М - требуемое по технологии усилие вытягивания слитка, рассчитанное на модели распределения моментов по приводным роликам ЗВО, необходимое и доста-точное для транспортировки слитка в соответствующем ((г'-1)-г')-м межроликовом промежутке.
Усилие ¥М сопротивления вытягиванию за -готовки в одном межроликовом пространстве ЗВО для МНЛЗ криволинейного типа определяется из выражения:
¥Мг = ¥КР + / ( РФг + 0<2г + 0Рг +
+РПРг + Ртт ) + ¥ВЫПг ~ 0П , (3)
где ¥КР - усилие вытягивания слитка из кристаллизатора; /г - эквивалентный коэффициент трения , обусловленный трением качения ролика по слитку и трением в подшипниках опор роликов; Рфг - усилие ферростатического давления на ролики; 0^)1 - нормальная составляющая силы тяжести части слитка в межроликовом пространстве; 0тг - тангенциальная или продольная составляющая силы тяжести слитка; 0Рг - сила тяжести г-го ролика; Рпрг - усилие давления на ролик, обусловленное правкой слитка на криволинейном участке ЗВО; Ртт - усилие давления на ролики от температурных поводок непрерывнолитой заготовки; ¥выт - усилие сопротивления вытягиванию выпученной корки заготовки из г'-й пары роликов;
- анализ распределения статических продольных усилий в слитке вдоль ЗВО для различ-ных ручьев МНЛЗ № 1-4 ОАО “ММК” показал, что на различных ручьях, находящихся в иден-
тичных технологических условиях, распределение продольных усилий в слигке по абсолютной величине и характеру изменения вдоль ЗВО значительно отличаются друг от друга. На горизонтальном участке в зоне закрытия жвдкой фазы обнаружены значительные изменения максимальных значений натяжения в слитке от 186 до 622 кН. Кроме этого, на радиальном и криволинейном участках возможно образование подпора в слигке;
- между показателями неравномерности распределения токов нагрузки электродвигателей тянущих роликов первой группы горизонтального участка (коэффициента вариации уГор) и показателями качества осевой зоны слитка имеет место тесная корреляционная связь. При этом чем выше показатели неравномерности Угор, 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 существует тесная корреляционная связь на радиальном, криволинейном и горизонтальном участках ЗВО между показателями статических продольных усилий в слитке на участках и частотой возникновения перпендикуляр -ных и гнездообразных трещин. Причем, чем выше показатели величины продольных усилий в слитке, тем выше частота возникновения трещин (коэффициенты парной корреляции соответственно составили 0,88, 0,92 и 0,77);
- колебательное изменение скорости литья заготовки приводит к ухудшению качества макроструктуры лигой заготовки по всем шести ви -дам дефектов, учет которых ведется на МНЛЗ ОАО «ММК»;
- исследования на разработанной динамической модели электропривода ТПУ с учетом реальных параметров упругой связи тянущие ролики -электродвигатель и фрикционной связи тянущие ролики - слиток показали, что причиной колеба-ний общего тока нагрузки электропривода ТПУ и скорости литья заготовки является случайное появление гармонической составляющей в моменте сопротивления вытягиванию слитка. Прогиб боч-ки тянущих роликов и их периодические и слу-чайные буксовки приводят к образованию в заготовке значительных дополнительных динамиче -ских продольных усилий. Износ тянущих роликов в применяемой системе электропривода ТПУ без возможности ивдиввдуального регулирования электроприводов роликов вызывает заметное изменение усилия вытягивания относительно перво -начально заданного значения и увеличение статических продольных усилий в слитке.
Приведенные исследования позволили определить конкретные технологические требования к электроприводу ТПУ и его системе управления по участкам ЗВО с позиций улучшения качества макроструктуры непрерывнолигых заготовок за счет снижения неравномерности распределения нагрузок по электродвигателям тянущих роликов, снижения максимальных значений статических и динамических продольных усилий в с лиг -ке и стабилизации скорости разливки при появ-лении гармонической составляющей в моменте сопротивления вытягиванию заготовки.
В соответствии с разработанными технологическими требованиями обоснован выбор и предложены три варианта реализации силовой части электропривода ТПУ с целью снижения максимальных значений статических продольных усилий в отливаемой заготовке и равномерного рас -пределения нагрузок по электродвигателям тянущих роликов на участках ЗВО:
1) индивидуальный электропривод тянущих роликов;
2) групповой электропривод всех тянущих роликов с активными регуляторами нагрузки в якорных цепях каждого электродвигателя тянущего ролика (см. рисунок). Регуляторы нагрузки предложено выполнить по принципу широтно-им пульс ной модуляции;
тп
изс
ВУ
СРТН ссс скттн СД
Структурная схема электропривода ТПУ
3) групповой электропривод тянущих роликов радиального, криволинейного и двух групп горизонтального участков ЗВО от четырех тири-сторных преобразователей с включением в якорные цепи электродвигателей радиального, криволинейного и первой группы горизонтального участков ЗВО активных регуляторов нагрузки.
Разработка предлагаемых технических решений электропривода ТПУ выполнена в рамках программы реконструкции действующих МНЛЗ № 2-3 ОАО «ММК» с целью повышения качества макроструктуры литых заготовок и повыше -ния производительности МНЛЗ.
Техническое решение (см. рисунок) принято к внедрению на МНЛЗ ОАО «ММК».
Разработан общий алгоритм управления электроприводом ТПУ для технологических условий литья заготовки на МНЛЗ ОАО «ММК» (СРТН). В алгоритме предусмотрена возможность компенсации гармонической составляющей общего момента вытягивания слитка при появлении автоколебаний скорости литья заготовки, превышающих требуемую точность её стабилизации (СК). Также учтена необходимость коррекции требуемых зна-чений токов (моментов) нагрузки с учетом текущего состояния тянущих роликов и коррекции их числа в соответствии с точностью выставки тянущих роликов по технологической оси ЗВО и ис-правностью электрического и механического оборудования линий привода тянущих роликов (СКТН). В состав системы управления электроприводом ТПУ включена система диагностики текущего состояния и настройки оборудования роликовой проводки (СД).
СРТН обеспечивает расчет и поддержание требуемого по технологии относительного рас -пределения общего момента вытягивания слитка по группам электродвигателей радиального, криволинейного и двух групп горизонтального участ-ков ЗВО с целью снижения максимальных значений статических продольных усилий в слитке, расчет и поддержание относительного распределения момента нагрузки группы электродвигателей по электродвигателям тянущих роликов с це-лью снижения неравномерности распределения токов нагрузки.
Алгоритм СКТН обеспечивает стабилизацию усилия вытягивания слитка на контакте ролик -слиток при наличии прогиба и износа тянущего ролика и ограничение динамических продольных усилий в слитке при появлении периодических и случайных буксовок приводов тянущих роликов.
Алгоритм СК обеспечивает стабилизацию скорости литья заготовки при появлении колеба-тельной составляющей в общем моменте сопротивления вытягиванию слитка.
Разработан общий алгоритм и алгоритмы от -дельных функций системы диагностики (СД) текущего состояния тянущих роликов, контроля точности их выставки вдоль технологической линии ЗВО и исправности электрического и механического оборудования линий привода тянущих роликов. Предложенная система диагностики отличается от известной увеличением выполняемых функций диагностики с 5 до 10.
Система управления электроприводом ТПУ (см. рисунок) внедрена на МНЛЗ № 3 ОАО
«ММК». Внедрение системы обеспечило за счет снижения максимальных значений статических продольных усилий в слитке в 4 раза, снижения неравномерности распределения то -ков нагрузки на 50% и стабилизации скорости литья заготовки в пределах ±2% от заданного значения увеличить скорость разливки на 5% при улучшении качества макроструктуры заготовок в среднем на 10%.
Фактический годовой эффект от внедрения составил 22 млн руб.
Библиографический список
1. Лукьянов С. И. Электропривод тянуще-правильного устройства М НЛЗ: М онография. М агнитогорск: М ГТУ, 2002. 100 с.
2. Лукьянов С. И., Белый А.В., Швидченко Д.В. Стабилизация технологических параметров вытягивания непрерывнолитого слиткаэлектроприводом тянущих роликов: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2004. 141 с.
3. Лукьянов С. И., Васильев А.Е., Лукьянов Д. С. Автоматизированный электропривод тянуще-правильного устройства МНЛЗ: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2004. 179 с.
УДК 621.74.06.62-83
Ю.А. Кирпичников, А.А. Николаев
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ВЫХОДНОЙ ЗОНЫ АГРЕГАТА НЕПРЕРЫВНОГО ГОРЯЧЕГО ЦИНКОВАНИЯ ОАО «ММК»
По завершении технологического процесса цинкования полоса сматывается моталкой в рулон для последующего складирования и отгрузки Переход полосы с одной моталки на другую связан с рядом операций при пониженной (заправочной) скорости ее передвижения. Минимальное время цикла смены моталки включает в себя затраты на следующие операции: замедление полосы от технологической скорости до заправочной; подвод необходимого участка полосы к ножницам; порез полосы выходными гильотинными ножницами с вырезкой участка сварки и образцов, а также возможного брака на концах полосы; протяжка переднего конца на заправочной скорости до свободной моталки и его заправка на барабан; разгон полосы до максимальной скорости выходной секции с целью снижения запаса в выходном накопителе до минимального; переход на технологическую скорость передвижения оцинкованной полосы в выходной зоне.
Перечисленные выше операции выполняются в автоматическом режиме, но при необходимости возможно ручное управление заправкой конца полосы в моталку. При этом все операции, в зависимости от сортамента, укладываются в минимальное время 100-200 с при минимальном
времени работы выходной зоны на пониженной скорости до 90 с.
Цикл смены моталок обеспечивается соответствующей и согласованной работой выходного накопителя полосы, назначением которого является строгое сохранение неизменным заданного натяжения и скорости полосы в технологи -ческой зоне.
Выходной накопитель представляет собой вертикальную петлевую систему, основной частью которой является передвижная платформа с роликами (рис. 1). При перемещении платформы вверх или вниз изменяется объем накопленной полосы согласованно с заданными натяжением и скоростью полосы в технологической зоне. До начала смены моталок выходной накопитель имеет минимальное заполнение от 30 до 70% к максимальной емкости в зависимости от сортамента.
При подаче команды на смену моталок начинается замедление полосы в выходной зоне от технологической скорости до заправочной за счет передвижения платформы накопителя вверх со скоростью, соответств
ующей разности скоростей полосы до и после накопителя. Начинается процесс накопле-ния полосы в выходном накопителе.
