CC BY
36
Необходимо выбрать такой масштаб модели М, чтобы выражение (1) было равно единице. Нацденное значение масштабаМ = 4,33.
Результаты моделирования представлены в виде кривых, приведенных на рис. 4. На этих рисунках по оси ординат отложена относительная осевая скорость Жх / Ж0, где Ж0 - скорость газового потока в выходном сечении сопла, Ж -скорость газового потока в осевом направлении на расстоянии х от выходного сечения сопла. По оси абсцисс отложено относительное расстояние (так называемый калибр) х / й0, где й0 - диаметр выходного сопла горелочного устройства.
Исследования на модели позволили установить , что длина факела при использовании газового потока, закрученного с помощью завихри-теля особой конструкции [1], составляет всего около десяти относительных расстояний (калиб-ров), что иллюстрирует рис. 4, а.
Для увеличения длины струи было решено ис-ключигь из модели и соответственно из самого горелочного устройства завихрите ль газового потока . Газовая струя при этом удлинилась примерно в 6 раз (рис. 4, б).
На рис. 5 приведены распределения скоростей газового потока на различных расстояниях от сре -за сопла горелочного устройства. Эпюры построе-ны для различных относ игельных расстояний (ка -либров) х /й?0, равных 1,0; 2,0; 3,0; 10,0; 14,0; 19,0 и 22,0. Наименьшим из них было выбрано х / й?0=1,0, т.к. из-за выступающей части центрального тела
входное отверстие трубки Правдтля расположить по оси горелки ближе к срезу сопла нельзя. Анализ эпюр скоростей показывает, что при выявленном характере распределения скоростей газового потока на расстоянии от среза сопла горелки, составляющем примерно до 30 калибров, струя имеет внешний слой Он представляет собой тонкостенный тороид , а внутри него существует зона турбулентной рециркуляции [4]. За счет этого осущест-вляется эффективное перемешивание истекающего потока и окружающей среды. На расстоянии 22 калибров и более характер истечения меняется, тороидальный внешний слой потока исчезает. Однако необходимо отметить, что зона турбулентной рециркуляции с возрастанием длины струи увеличивается и при х / й0=22 полностью заполняет внутреннюю полость струи.
Выводы
Изготовлена модель газового тракта горелки с центральным телом ГЦТ и на холод ной моде ли исследована аэродинамика истечения газового потока. Результаты исследования на модели показали, что при использовании разработанного горелочного устройства ГЦТ длина струи на модели достигает 60 и более относ иге ль ных расстояний (калибров). Это позволяет сделать вывод, что при диаметре сопла горелки 8 мм на объекте может быть достигнута длина факела 480 мм и более.
Библиографический список
1. Копцев В.В. Совершенствование горелочных устройств вращающихся печей // Изв. вузов. Черная металлургия. 2003. № 1. С. 52-54.
2. Копцев В.В. Горелочное устройство вращающихся печей // Металлург. 2004. № 12 С. 37-38.
3. Металлургическая теплотехника. В 2-х томах. Т. 1. Теоретические основы: Учеб. для вузов / Кривандин В.А. и др. М.: Металлургия, 1986. 424 с.
4. Совершенствование теплового и температурного режимов работы одностопной газовой коппаковой печи ЛПЦ-5: Отчет по НИР / Магнитогорск. гос. техн. ун-т; Руководитель работы В.В.Когцев; №ГР 01200510640. Магнитогорск, 2005. 59 с.
УДК: 62-83.001.76:621.778.6.06
Е.Я. Омельченко, А.В. Фадеев, С.В. Чесноков
МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЧЕТЫРЕХКЛЕТЬЕВОГО ПЛЮЩИЛЬНОГО СТАНА
Четырехклетьевой плющильный стан производит стальную полосу толщиной от 0,5 до 1,5 мм из проволоки диаметром от 2 до 6 мм и состоит из фрикционного разматывателя, трех плющильных клетей с групповым редукторным электроприводом, ведущей клети, 4 пассивных петледержателей и намоточного устройства. В разматыватель уста-
навливается катушка 250 кг с полезным весом проволоки 1000 кг. Скоростной режим стана зада -ет ведущая клеть, которая работает всегда в режиме стабилизации скорости, имеет жесткую механическую характеристику и при нулевых обжатиях задает линейную скорость полосы до 2 м/с. Суммарное обжатие по клетям доходит до 4,2, а
сечение на выходе уменьшается только в 2-2,5 раза из-за значительного уширения полосы.
Намоточное устройство и клети приводятся во вращение от индиввдуальных электродвига-телей постоянного тока независимого возбуж-дения ПН-290 (18,5 кВт, 1300 об/мин, 530 кг, ./о=1,2 кг-м2), питающихся от системы «тиристорный преобразователь - двигатель» (ТП-Д). Нереверсивные тиристорные преобразователи стана имеют трехфазную нулевую схему выпрямления с групповым питанием от одного сетевого трансформатора и управлением от аналоговой системы регулирования на базе интегральных операционных усилителей.
Электромагнитный момент двигателя намоточного устройства задается от петледержателя, расположенного между задающей клетью и намоткой Моменты электродвигателей рабочих клетей задаются от петледержателей, расположенных по ходу прокатки. Петледержатель за счет под -вижной роликовой системы, тросов и тянущего груза, сельсина, тахогенератора и фильтров под -держивает постоянное межклетьевое натяжение.
Процесс прокатки на стане включает в себя заправку полосы и непосредственно прокатку. При заправке полосы в клети, петледержатели и намотку все электроприводы переключаются в режим стабилизации скорости с заданием скорости до 10% от номинальной. После заправки полосы в барабан намоточного устройства стан останавливается, электроприводы рабочих клетей и намотки переключаются в режим стабилизации момента (тока) двигателей с заданием от петледержателей Намоточное устройство выбирает зазор в полосе на барабане, электроприводы клетей создают заданные натяжения в межклетьевых промежутках. При линейном пуске задающей клети петледержатели приходят в движение, увеличиваются уставки моментов двигателей, намотка и клети начинают
совместный разгон, при этом переходные процессы в электромеханической системе стана существенно колебательные. В установившемся скоростном режиме петледержатели занимают положения, соответствующие заданиям момента двигателя для прокатки и натяжения.
Стан проработал более 30 лет. Физический износ основного оборудования превышает 80%, поэтому необходима коренная модернизация меха -нического и электрического оборудования. Для повышения производительности стана возникла необходимость в установке дополнительной рабочей клети При этом суммарное обжатие довдет до 6. Для повышения надежности работы электрооборудования и улучшения энергетических характеристик принято решение по замене существующей системы электроприводов на систему «транзисторный преобразователь частоты - асинхронный короткозамкнутый двигатель» (ПЧ-АД).
Эффективность применения новой системы электропривода по отношению к существующей надо оценивать на стадии проектирования. Но так как плющильный стан представляет сложную взаимосвязанную электромеханическую систему, проверку необходимо выполнять на достоверной математической модели, достаточно точно описывающей основные электрические и механические процессы, происходящие при управлении прокат -кой на стане.
Математическая модель должна включать в себя необходимое количество объектов, характерных для данного стана. Достаточной для описания основных процессов является схема стана (рис. 1), включающая в себя пассивный разматыватель, две рабочих клети, задающую клеть, намоточное устройство (индексы от 0 до 4) и три пассивных пет -ледержателя. Математическое моделирование переходных процессов выполнено в среде прикладного программирования МАТЬАВ 6,5 [1].
Рис.1. Кинематическая схема модели плющильного стана
Дифференциальные уравнения, описывающие поведение угловой скорости вращения барабана разматывателя сок, имеют вид:
7 ж = КА (') -Мтя 8І§п(®д );
м
^ = Яя ('К , (2)
где 7ш = 7бк + ЗМ/) - суммарный момент инерции разматывателя, состоящий из моментов инерции барабана и проволоки на барабане, кг-м2; ^01 -натяжение проволоки между разматывателем и 1 клетью, Н; Мтя - момент трения разматывателя, Н-м; Ь01 - длина размотанной проволоки, м.
В процессе размотки радиус рулона и его момент инерции изменяются от максимального до нуля, но размотка с барабана вдет послойно и продолжительность этого процесса значительно больше времени электромеханических переходных процессов стана, поэтому при моделировании эти параметры для размотки и намотки при -нимаются постоянными для режимов начала прокатки, средины и конца. Так, .7^ принимает значения 110, 45 и 10 кг-м2 при радиусах смотки Яя = 0.4, 0.333 и 0.2 м соответственно.
Натяжение проволоки рассчитывается по закону Гука
Кп = (- 4:)Е' ^ , (3)
где Lw - длина проволоки, прокатанная І клетью, м; Е = 22OOO кг/мм2 - модуль упругости Гука для стали; S = У-2В мм2 - сечение проволоки.
Структурная схема, описывающая поведение разматывателя, приведена на рис. 2, в которой с помощью звеньев с І по 5 реализовано уравнение (І), звеньями б, У реализовано уравнение (2), а звеньями с В по Ю - уравнение (З). Звено Ю учитывает передачу натяжения только по направлению прокатки.
Уравнения, описывающие поведение скорости намоточного устройства coN'.
Jtn^T = M, -Fз4Rn -M„ sign(ffl,); (4) dt
df = Rn‘°n , (5)
где JzR=JeN+JMN+JDiN - суммарный момент инерции намоточного устройства, состоящий из моментов инерции барабана, рулона на барабане и электродвигателя намотки, приведенного к валу барабана, кг-м2; F^ - усилие натяжения между З клетью и намоткой, Н; М4 - электромагнитный момент двигателя намотки, приведенный к валу барабана; MTN - момент трения намоточного уст -ройства, Н-м; iN - передаточное число редуктора намотки.
В структурной схеме намоточного устройст-ва (рис. 3) уравнение (4) реализовано с помощью
RR
MG1
га-
L10
WR
f 5 J Г R.s VR
"Ч—ч;
чб |—-| S ЙШ1 |ч9 ,1°
RR>----► - -►©--------►-^>-►3?^
У01 Ш1 Gain F010
MTR Gain2
Рис. 2. Структурная схема модели разматывателя EMCR
Scope
Рис. 3. Структурная схема намоточного устройства ЕМОМ Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. № 2. 2006. ---------------------------------------
-изэ
F01
звеньев с 1 по 5, а уравнение (5) - звеньями 6 и 7. Суммарный момент инерции принимает значения 355, 390 и 455 кг-м2 при радиусах намотки Лл?=0.2, 0.333 и 0.4 м соответственно.
Для клетей уравнения движения принимают ввд:
7 = М + (р+- р- А -
-МТУ 8і§и(юк ); (6)
М7П _ и п ■ м Яу(°п; (7)
7-г= 7Уг /(1 + О; (8)
7+і = 7П (1 + Є2 ) ; (9)
Р+= (г +1) + 2 ^ - К, )Е • Я:
: (7К + 27Рг + М(^ _ 2)) , (10)
где соу - угловая скорость вращения валков /-кле-
ти, 1/с; </£у=./у+.7о/у2 - суммарный момент инерции валковой системы, состоящий из моментов инерции валков с редуктором и электродвигателя, приведенного к валкам, кг-м2; _Р+, - переднее и
заднее натяжение клети, Н; Ь-/, Ь+/, Ьп - длина полосы на входе, выходе клети и длина, накрученная валками, м; е1, е2 - относительное отставание и опережение металла от линейной скорости валков; Ьр1 - подъем петледержателя от оси прокатки, м (Хрм=0.8 м).
На структурной схеме клети (рис. 4) уравнение (6) реализовано на звеньях с 1 по 6, уравнение (7)
- на звеньях 7 и 8, а уравнение (10) - на звеньях с 13 по 17. Для рабочих клетей при обжатии 30% е 1=0.1 и е2=0.05. Для задающей клети при нулевом обжатии е 1=е2=0. В математической модели не учтено влияние переднего и заднего натяжения на опережение и отставание металла, потому что изменение длины петледержателя в межклетьевом промежутке сказывается значительно сильнее на натяжение по сравнению с е\ и е2.
Рис. 4. Структурная схема модели рабочей кпети ЕМС1
Рис. 5. Структурная схема модели петледержателя с системой регулирования СА^
где Tм, Км - постоянная времени фильтра и коэффициент передачи звена «сельсин-фильтр 1»; Тс, Tp - постоянные времени дифференцирования и фильтра звена «тахогенератор-фильтр 2»; ТР, Км - постоянная времени и коэффициент передачи замкнутого контура регулирования момента.
Структурная схема модели петледержателя с системой регулирования момента приведена на рис. 5, в которой с помощью звеньев с 1 по 10 реализованы уравнения (11) и (12), а система уравнений (13) решается с помощью звеньев с 11 по 16. Структурные схемы моделей петледержа-телей, управляющие двигателями рабочих клетей и намоткой, идентичны. Система регулирования двигателем задающей клети СЛЯ3 представляет собой стандартную двухконгурную систему под -чиненного регулирования координат с внутренним ПИ-регулятором момента (тока) и внешним ПИ-регулятором скорости (СПРК), задание на которую поступает через задатчик интенсивности с поста управления станом.
Общая структурная схема модели плющильного стана представлена на рис. 6. Она состоит из электромеханических систем разматывателя ЕМСЯ, намоточного устройства ЕМСЫ и трех клетей ЕМС 1-ЕМС3, а также систем регулирования моментов двигателей клетей СЛЯ1-СЛЯ3 и намотки СЛЯ4.
Расчет переходных процессов на модели стана выполнен для режима линейного пуска задающей клети при полной катушке на разматы-вателе. За время с 0 до 5 с стан стоит, устанавливается натяжение между клетями в соответствии
Рис. 6. Общая структурная схема модели плющильного стана
Движение петледержателя зависит от величины тянущего груза ш;, натяжения полосы, скоростного режима клетей, тормозного и демпфирующего действия роликовой подвижной опоры и описывается дифференциаль ными уравне ниями:
mv
ёУ,
Pi _
= т£ - 2Р -
-РТРг*Щп(УР ) - КмУрг;
МЬ
Ті _
= У
(11)
(12)
где т^=тг+т0 - суммарная движущаяся масса элементов петледержателя, состоящая из масс тянущего груза и роликовой опоры, кг; -
усилие трения в роликовой опоре, Н; Км - коэффициент демпфирования опоры, кг/с.
Перемещение петледержателя с помощью сельсина, тахогенератора и фильтров преобразуется в электрические сигналы и2М\ и игМ2, которые, в свою очередь, подаются в замкнутый контур регулирования момента (якорного тока) и преобразуются в электромагнитный момент двигателя в операторном ввде по формулам:
и2М ,(Р ) = Ьр (Р ) К
ш
:(Т2 Р1 + 2.5ТмР +1);
и2М 2
(Р) = Ьр (Р )ТсР /(ТрР +1); Мв (Р) = (иш,( р )+иш 2( р )) К :(Тр Р2 +1.4* ТРР +1),
М
(13)
Таблица 1
Расчет моментов инерции
Таблица 2
Постоянные времени системы регулирования
№ п/п М еханизм Разматыватель Клеть Намотка
Режим прокатки Нач. Сред. Кон. 1 2 3 Нач. Сред. Кон.
1 ■ мех 110 45 10 3,8 3,8 2 10 45 110
2 ■ дсущ прив. 0 0 0 126,6 95,5 345 345 345 345
3 ■ днов прив. 0 0 0 6,5 5 16 16 16 16
4 ■е сущ 110 45 10 164,6 99,3 347 355 390 455
5 ■ е нов 110 45 10 10,3 8,8 18 26 61 126
6 сущ/ нов 1 1 1 16 11,3 19,3 13,7 6,4 3,6
Электропривод Система Тм Тр Т( Тс Тд Ті
Существующий тп - Д 0,022 0,015 0,01 2,0 0,12 0,02
Новый ПЧ - АД 0,006 0,005 0,005 0,5 0,04 0,005
с грузами иетледержателей и быстродействием систем регулирования. За время с 5 до 30 с задающая клеть линейно разгоняется до скорости 10 1/с. Значения моментов инерции механизмов и постоянные времени систем регулирования приведены в табл. 1 и 2.
На рис. 7 представлены переходные процессы скоростей и моментов существующих электроприводов плющильного стана (скорости и моменты приведены к линейным скоростям полосы). Переходные процессы задающей клети соответствуют астатической СПРК. Переходные процессы остальных электроприводов колеба-
тельные с перерегулированием до 100%, периодом колебаний 7 с, но разным фазовым сдвигом.
Существующая система управления станом, включающая в себя электроприводы механизмов и петледержатели, критична к режимам работы и настройкам. В конце прокатки, когда рулон находится на намотке, колебательность несколько снижается. Уменьшение времени задатчика интенсивности и постоянной Тс приводит к образованию петель с дерганьем или порывом полосы. Натяжение полосы поддерживается с точностью ±8%.
Модернизация стана предусматривает замену двигателей постоянного тока на асинхронные, сельсинов и тахогенераторов на импульсные эн-кодеры. В модели зало же ны параметры кранового электродвигателя АМТК-Р 160 [2] (18,5 кВт, 1500 об/мин, 142 кг, ]д=0,065 кг*м2), пигающе-
Рис. 7. Переходные процессы пуска стана с существующей системой электроприводов
Рис. 8. Переходные процессы в новой системе управления станом
гося от преобразователя частоты ACS 800 (АББ) с системой прямого управлении моментом. Значения моментов инерции и постоянные времени системы регулирования для новой системы управления станом приведены в табл. 1 и 2. На рис. В представлены кривые переходных процессов скоростей и моментов новой системы электроприводов стана.
Работа системы управления станом стала более устойчивой, колебательность переходных процессов существенно снизилась, что позволит уменьшить время разгона и повысить запас
мощности по двигателям. Точность поддержания натяжения доходит до ±3%, что должно сказать -ся на снижении разнотолщинности полосы.
Выводы
Замена систем ТП-Д на системы ПЧ-АД электроприводов плющильного стана позволит:
- уменьшить время разгона стана;
- увеличить обжатия по клетям;
- повысить точность прокатки и снизить раз нот олщинность;
- повысить общую производительность стана.
Библиографический список
1. Черных И.В. БМиШК: среда создания инженерных приложений / Под общ. ред. В.Г. Потемкина. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. 496 с.
2. Крановые электродвигатели для применения с преобразователями частоты. Серия АМТК-Р. Технический каталог // Кранрос. Крановые ирольганговыесистемы. 2006, март. Вып. 2.
УДК 621.746.27: 04У
И.М. Ячиков, Т.П. Ларина, К.Н. Вдовин
СРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ МНЛЗ С ОХЛАЖДАЮЩИМИ КАНАЛАМИ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ
Кристаллизатор является наиболее ответственным элементом машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), определяющим размеры формирующейся корочки слитка, а также ее техникоэкономические показатели От эксплуатационной стойкости кристаллизатора зависит длительность межремонтных периодов и производительность машины.
Наиболее частыми причинами выхода из строя кристаллизатора являются износ рабочих стенок и их коробление, а также раскрытие стыка между широкими и узкими стенками сборных кристаллизаторов. Все эти факторы во многом определяются тепловой работой кристаллизатора, поэтому знание температурного поля в кристаллизаторе является важной научно-технической задачей
На металлургических предприятиях наметился переход от кристаллизаторов МНЛЗ со сверлеными каналами к сборным кристаллизаторам. Связано это с тем, что производство и техническое обслуживание их значительно проще при экономии медьсодержащих материалов. Отсюда актуальной проблемой становится определение теплового состояния сборных кристаллизаторов с каналами различной формы. Важной задачей является выявление, насколько эффективно данный тип кристаллизатора охлаждает рабочую
поверхность по сравнению с кристаллизаторами со сверлеными каналами и какая форма каналов с точки зрения теплопередачи от рабочей стенки к охлаждающей воде будет оптимальной.
Целью данной работы являлось создание математической модели и программного продукта по определению нестационарного температурного поля в кристаллизаторе с каналами различной формы. Сравнить тепловую работу кристаллиза-тора при использовании охлаждающих каналов различной формы.
В стенке кристаллизатора наблюдается практически периодическое расположение вертикальных каналов охлаждения. Можно выделить два семейства плоскостей симметрии - плоскости, проходящие по центру и между щелей [1]. Эти плоскости симметрии могут рассматриваться как теплонепроницаемые границы.
Тепловое состояние описываем уравнением нестационарной теплопроводности Фурье для элемента объема стенки кристаллизатора со сверле ным и или фрезерованными каналами, имеющим и различную форму (рис. 1).
a
дх ду
д1
дт
(1)
