CC BY
19
УДК 658.52.011.56;621.771.06
А. Н. Миронов, канд. техн. наук О. Е. Потап, канд. техн. наук И. Г. Тригуб
Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск
МЕТОД НЕПРЯМОЙ ОЦЕНКИ ВЕЛИЧИНЫ НАТЯЖЕНИЯ
ПРОКАТА В ОДНОНИТОЧНОЙ ЧЕРНОВОЙ ГРУППЕ КЛЕТЕЙ НЕПРЕРЫВНОГО МЕЛКОСОРТНОГО СТАНА
Основной задачей автоматизации непрерывных мелкосортных станов является настройка и поддержание рационального скоростного режима прокатки, а также минимизация потерь металла. В статье проанализированы проблемы управления скоростным режимом прокатки на непрерывных мелкосортных станах и рассмотрены существующие методы оценки уровня натяжения проката. Полученные в ходе исследований результаты компьютерного имитационного моделирования подтвердили идею использования сигнала напряжения Ирп с выхода регулятора петли в промежутке между группами клетей в качестве информации о величине суммарной вытяжки в непрерывной черновой группе клетей. Предложен метод непрямой оценки величины натяжения в черновой группе клетей НМС.
Ключевые слова: непрерывный мелкосортный стан, натяжение, вытяжка, прокат, ав-
томатизация, черновая группа клетей.
Введение
Сортамент выпускаемой продукции на непрерывных мелкосортных прокатных станах (НМС) включает в себя широкий спектр профилей [1]. В авиастроении мелкосортный профиль востребован при производстве профиля для пластин коллектора — одного из основных и наиболее ответственных узлов тягового двигателя постоянного тока. При недостаточно высоком качестве обработки пластин коллектора, нестабильности геометрических размеров сечения, а также в случае наличия на их поверхностях вмятин и выступов, неизбежно искрение щеток и повреждение двигателя. К причинам столь низкого качества пластин можно отнести влияние ряда технологических возмущений в ходе прокатки (изменение температуры, размеров и механических свойств заготовки). Необходимо комплексное изучение, анализ и совершенствование существующих способов управления технологическим процессом прокатки.
Состояние вопроса и постановка задачи
Наиболее эффективным каналом управления поперечными размерами при производстве мелкосортных профилей на НМС является корректировка скорости вращения валков клетей [1]. Подстройка скоростного режима прокатки невозможна без оценки величины натяжения проката [2]. Сложность корректировки скорости вращения валков в зависимости от изменения величины натяжения заключается в отсутствии соответствующих измерителей фактических разме-
© А. Н. Миронов, О. Е. Потап, И. Г. Тригуб, 2016
ров проката и величины натяжения [1, 2]. Целью данной работы является определение величины натяжения проката при изменении возмущающих параметров процесса прокатки в однони-точной черновой группе клетей НМС.
Анализ публикаций по теме исследования
Анализ литературных источников показывает, что исследователи уделяют наибольшее внимание проблемам управления скоростным режимом однониточных чистовых групп клетей [1-5]. Значительно меньше изучены вопросы управления скоростным режимом прокатки в черновой группе клетей. Вместе с тем оценка величины натяжения в черновой группе клетей позволит усовершенствовать работу системы автоматического регулирования скорости (САРС) вращения валков и таким образом минимизировать нестабильность площади поперечного сечения подката на входе в чистовую группу клетей. На НМС в САРС применяется непрямой метод оценки величины натяжения [4], основанный на измерении якорного тока электродвигателей, изменение которого пропорционально изменению усилия и момента прокатки. Недостаток метода заключается в скачкообразном изменении усилия и момента прокатки, которое вызвано колебаниями температуры проката, размеров его поперечного сечения по длине, влиянием натяжения при заходе полосы в следующую клеть.
Существует метод регулирования натяжения по изменению величины якорного тока с ограничением времени регулирования [5]. При прокатке на двухниточных станах применение дан-
ного метода осложняется дополнительным изменением усилия и момента прокатки, вызванного заполнением соседней нитки полосой.
Исходя из перечисленных недостатков известных методов оценки и регулирования натяжения, разработка и внедрение альтернативного, более точного, метода оценки является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит усовершенствовать работу САРС вращения валков черновой группы клетей.
Описание исследования
Известно, что при увеличении натяжения площадь поперечного сечения уменьшается из-за неполного заполнения калибров металлом [3]. Это приводит к увеличению вытяжки прокатываемой полосы 1 — отношению площади поперечного сечения заготовки к площади поперечного сечения проката Б7 на выходе из седьмой клети черновой группы (рис. 2)
£
1 = -*-.
(1)
Кривая изменения площади поперечного сечения ¿у?) по длине проката (рис. 1) принимает характерную «лыжеобразную» форму, так как передний и задний концы проката из-за действия натяжения будут иметь большее поперечное сечение, чем его середина, что, в свою очередь, связано с большим натяжением в середине проката и меньшим натяжением на краях [4].
Технологически затруднительно непосредственно измерить вытяжку прокатываемой заготовки [6]. Поэтому для решения поставленной задачи может быть использована информация о величине свободной петли проката в промежутке между черновой и чистовой группами клетей [2, 4]. Изменения вытяжки будут проявляться в изменениях величины этой петли д ¡п, в связи с чем для анализа изменения вытяжки была предложена идея использования сигнала напряжения ирп с выхода регулятора петли (РП) системы автоматического регулирования петли (САРП) в промежутке между группами клетей (рис. 3)
[4].
Ввиду сложности проведения экспериментальных исследований на реальном промышленном объекте анализ взаимосвязи между напряжением ирп и вытяжкой 1, с учетом влияния возмущающих воздействий на сигнал ирп, выполнен на известной динамической модели процесса прокатки в черновой группе непрерывного мелкосортного стана [7].
Фрагмент структурной схемы модели (рис. 4) [7] содержит подсистемы моделирования процесса
Рис. 3. Система автоматического регулирования петли:
I п— заданное значение длины стрелы петли, 1п — фактический размер стрелы петли (сигнал от датчика петли
ДП), Д 1п — рассогласование, поступающее на вход РП
Рис. 1. Кривая изменения площади поперечного сечения проката на выходе из черновой группы клетей
Рис. 2. Кривые изменения коэффициента вытяжки:
1 — при прокатке с натяжением;
2 — при прокатке без натяжения
Рис. 4. Фрагмент схемы динамической модели в пакете МЛТЬЛБ БтиЦпк
деформации металла в последний черновой (7-я клеть) и первой чистовой клетях (8-я клеть), подсистему моделирования изменения стрелы петли металла в межклетевом промежутке, подсистему моделирования работы электропривода чистовой клети с системой подчиненного регулирования частоты, а также модель САРП.
Динамическая модель реализована в МаИаЪ/
БтиПпк. В качестве задающих воздействий использованы входные параметры прокатки профиля 0 8 мм в черновой и чистовой группах клетей мелкосортного стана 250-1 ОАО «Арселор Миттал Кривой Рог» [7]. При этом в качестве технологических возмущений заданы линейное изменение температуры по длине заготовки (от 1175 ° С до 1125 °С), а также изменение размеров заготовки в пределах ±5 % [7]. Полученные в результате моделирования осциллограммы изменения суммарной вытяжки 1 и напряжения на выходе регулятора петли
Ырт приведены на рис. 5 [4].
Анализ характера изменения этих параметров выполнен путем сопоставления («наложения») указанных осциллограмм (см. рис. 5) [4]. Поскольку значения суммарной вытяжки 1 и напряжения на выходе регулятора петли ырп отличаются на порядок, для сопоставления осциллограмм введен коэффициент масштабирования значений выходного напряжения регулятора петли по оси ординат.
/■ (0 8 7,9 7,8 7,7 7,6 7,5 7,4
Л
/
\.ирп \ ;
35
40
45 50
55
60
65
70
Рис. 5. Осциллограммы изменения суммарной вытяжки 1 и напряжения на выходе регулятора петли ырп
Выполненная авторами работы [4] адаптация и анализ характера изменения осциллограмм вытяжки 1 и напряжения ы]т позволяют судить об их качественном соответствии. Это свидетельствует о наличии взаимосвязи между напряжением на выходе регулятора петли и суммарной вытяжкой в непрерывной черновой группе клетей.
Сигнал напряжения ы]т с выхода регулятора петли имеет ступенчатую форму (рис. 5). Каждый переход характеризует момент входа полосы в i-ю клеть и имеет различное значение, что объясняется влиянием натяжения. Для последующей локализации очага роста натяжения проката необходима оценка величины на выходе из каждой клети. Эта задача технически реализуема путем применения датчиков наличия проката в каждой клети. Результат имитационного моделирования работы этих датчиков для получения временных диаграмм нахождения полосы в каждой клети представлен на рис. 6.
и,,„(0 0,2 0,1 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 и с
Рис. 6. Временная диаграмма нахождения полосы в клетях
Изменение вытяжки 1, а, следовательно, и сигнала с выхода регулятора ырп, связано с изменением натяжения под действием внешних возмущающих факторов (изменения геометрических размеров подката и температуры).
Для анализа изменения натяжения и оценки влияния основных технологических возмущений
Таблица 1 — Пример плана однофакторного эксперимента для седьмой клети
№ Температура Т, °С Высота к, м Ширина Ь, м Скорость валков ю7, об/с Натяжение О Н/мм2 Сигнал напряжения ирп¡, В
1 1150 0,08 0,08 6,02 18,91 -0,3
2 1125 0,08 0,08 6,02 20,36 -0,216
3 1175 0,08 0,08 6,02 17,55 -0,384
4 1150 0,076 0,08 6,02 19,7 -0,246
5 1150 0,084 0,08 6,02 18.19 -0,349
6 1150 0,08 0,076 6,02 21,59 -0,122
7 1150 0,08 0,084 6,02 16,34 -0,485
8 1150 0,08 0,08 5,8 19,95 -0,225
9 1150 0,08 0,08 6,23 17,87 -0,377
на величину сигнала с выхода регулятора петли ирп использованы методы планирования эксперимента. Разработан график планов экспериментов для каждой из семи клетей (табл. 1), и проведены машинные эксперименты на вышеуказанной динамической модели процесса прокатки в черновой группе НМС. В результате получена система уравнений — линейная многомерная математическая модель, которая связывает напряжение с выхода регулятора петли ирп{ (в момент появления проката в г-й клети) с температурой Т, размерами заготовки (шириной к и высотой Ь) и скоростью вращения валков клети юi.
Коэффициенты линейной модели определены на основе обработки данных всех машинных экспериментов методами многомерной линейной регрессии (методом наименьших квадратов).
т * II -0,003 • Т- -12,88 • И - 45,38 • Ь - 0,35 • к^ +10,35
* г = рп2 -0,003 • Т -13,63 • И - 47,13 • Ь - 0,31 -ю2 +10,53
* г = рп3 -0,003 • Т -14 • И - 48.59 • Ь - 0,05-ю3 + 9,16
и -0,003 • Т -13 • И - 50.4 • Ь - 0,06-ю4 + 9,03
* г = рп5 -0,003 • Т -14 • И - 50 • Ь - 0,03-ю5 + 8,95
и • -0,003 • Т -15 • И - 52.3 • Ь - 0,16•ю, + 9,96 6
и г- • -0,003 • Т -14,9 • И - 51.9 • Ь-ю7 +16,14
(2)
Рис. 7. Изменение напряжения с выхода регулятора петли ирп при заполнении прокатом семи клетей:
ирп — измеренное, и*рп{ — прогнозируемое (расчетное)
Предлагаемый метод непрямой оценки состоит в сравнении прогнозируемого (расчетного) значения сигнала и*рп1 с измеренным на выходе регулятора петли ирп (см. рис. 7).
Аы .= и - и * . рт рп рт
(3)
Таким образом, полученная система уравнений (2) позволяет вычислить значения напряжения с выхода регулятора петли ирп{ (в момент появления проката в г-й клети) для заданных параметров прокатки [7]. Прогнозируемый график изменения и*рп1 при заполнении прокатом семи клетей черновой группы для заданных параметров (Т = 1150 °С, к = 0,08 м, Ь = 0,08 м) представлен на рис. 7.
По величине рассогласования (3) можно косвенно оценить величину натяжения проката в каждом межклетевом промежутке.
Выводы и перспективы дальнейших исследований
Полученные в ходе исследований результаты компьютерного имитационного моделирования подтвердили идею использования сигнала напряжения ирп с выхода регулятора петли САРП в промежутке между группами клетей для оценки суммарной вытяжки в непрерывной черновой группе. Получена временная диаграмма наличия полосы в каждой клети черновой группы, проанализирован характер изменения вытяжки на выходе из каждой клети. Предложен метод непрямой оценки величины натяжения в черновой группе клетей НМС. Дальнейшие исследования метода будут проведены при моделировании процесса двухниточной прокатки.
Список литературы
1. Пустыльник М. П. Системы регулирования межклетевых усилий на однониточных сортовых прокатных станах / М. П. Пустыльник, В. Н. Куваев, А. П. Егоров // АСУТП и средства автоматизации черной металлургии на базе микропроцессорной техники. — М. : Металлургия, 1986. - С. 74-79.
2. Егоров В. С. Модель передачи межклетевых усилий по стану при непрерывной сортовой прокатке / В. С. Егоров, О. Е. Потап // Теоретические проблемы прокатного производства : тез. докл. IV Всесоюз. науч.-техн. конф., Ч. I. - Днепропетровск, 1988. - С. 203-205.
3. Бадюк С. И. Текущее состояние сортопрокатного производства Украины / С. И. Бадюк, Д. Г. Паламарь, В. Г. Раздобреев // Вестник Нац. техн. ун-та «ХПИ» : сб. науч. тр. Те-мат. вып. : Новые решения в современных технологиях. - Харьков : НТУ «ХПИ». - 2011. -№ 46. - С. 116-126.
4. Автоматизация технологических процессов на мелкосортных прокатных станах: монография / А. С. Бешта, В. Н. Куваев, О. Е. Потап, А. П. Егоров. - Днепропетровск : Журфонд, 2014. - 283 с., ил.
5. А. с. 1397110 (СССР). Устройство стабилизации натяжения проката на непрерывном стане / А. П. Егоров, В. С. Егоров, М. П. Пустыль-ник В. И. Стахно, В. С. Ткачев (СССР). -
№ 4097500 ; заявл. 16.07.1986 ; опубл. 23.05.1988 ; Бюл. № 19.
6. Миронов А.Н., Потап О.Е., Тригуб И.Г., Современные проблемы производства проката на непрерывных мелкосортных станах. -Днепропетровск: Системные технологии: 2016. - С. 68-72.
7. Потап О. Е. Информационное обеспечение системы принятия решений о качестве настройки режима прокатки в черновой группе клетей мелкосортного стана / Потап О. Е., Егоров А. П., Меледин Н. В. // 1нформацшне за-безпечення систем прийняття ршень в еко-номщ1, техшщ та оргашзацшних сферах. -Донецьк. - 2013. - С. 315-323.
Поступила в редакцию 18.05.2016
Миронов О.М., Потап О.Ю., Тригуб I.Г. Метод непрямо! ощнки величини натягу прокату в однонитковш чорновш rpyni клггей безперервного др1бносортного стану
Основным завданням автоматизацИ безперервних dpi6mcopmHux сташв е налагодження та тдтримка рацюнального швидксного режиму прокатки, а також мiнiмiзацiя втрат металу. У статтi проаналiзовано проблеми управлння швидтсним режимом прокатки на безперервних дрiбносортних станах i розглянуто iснуючi методи оцнки рiвня натягу прокату. Отримаш тд час до^джень результати комп 'ютерного iмiтацiйного моделювання тдтвердили iдею використання сигналу напруги Upn з виходу регулятора петлi промiжку мiж групами клтей в якостi тформаци про величину сумарно1 витяжки в безперервнш чорновш грут клтей. Запропоновано метод непрямог оцтки величини натягу в чорновш грут клтей БДС.
Km4oei слова: безперервний дрiбносортний стан, натяг, витяжка, прокат, автоматиза-щя, чорнова група кл1тей.
Mironov A., Potap O., Trigub I. The indirect method of estimating the value of the tension in the single-stranded roughing mill continuous light-section mill
The main task of the automation of continuous small-section mill is to set up and maintaining a rational high-speed mode of rolling, as well as the minimization of metal losses. The article analyzes the problems of management of high-speed rolling mode on continuous small-section mills and reviewed the existing methods of valuation rolling tension level. The results of the computer simulation were obtained. It was confirmed the idea of using the output signal voltage Upn from loop controller between groups stands as information about the amount of total stretching in cages continuous roughing group.
Key words: continuous small-section mill, tension, extractor hood, rolling, automation, roughing mill stands.
