Управление продольной разнотолщинностью листов на толстолистовых станах с помощью эффекта скоростной асимметрии Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.771:08.531.717.521

Г.Г. ГРАБОВСКИЙ*, Н.Г. ИЕВЛЕВ**

УПРАВЛЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ РАЗНОТОЛЩИННОСТЬЮ ЛИСТОВ НА ТОЛСТОЛИСТОВЫХ СТАНАХ С ПОМОЩЬЮ ЭФФЕКТА СКОРОСТНОЙ АСИММЕТРИИ

Государственная научно-производственная корпорация «Киевский институт автоматики», г. Киев, Украина Институт проблем математических машин и систем НАН Украины, г. Киев, Украина

Анотаця. У статт1 розглянуто проблему забезпечення точност1 геометричних розм1р1в листового прокату. Одним 7з шлях1в вир1шення цгег проблеми е зниження поздовжньог р1знотовщиннос-т1 лист1в. Ефективним способом зниження поздовжньог р1знотовщинност1 на станах, оснащених г1дравл1чними нажимними пристроями (ГНП), е регулювання товщини 7 поздовжньог р1знотов-щинност1 шляхом змти розчину валюв у процес прокатки за допомогою ГНП. Однак бтьш1сть дтчих товстолистових стамв не оснащено ГНП. Тому актуальним е питання про використання тших метод1в управлтня геометричними розм1рами прокату. Одним з ефективних канал1в управлтня геометр1ею прокату за допомогою управлтня швидюстю головних привод1в прокатних ста-мв з тдив1дуальним приводом валюв може бути канал, який використовуе ефект швидюсног аси-метрИ' (ША), який полягае у знижент зусилля прокатки при збтьшент неузгодженост1 швидкос-тей валюв. Оскыьки зниження зусилля прокатки впливае як на товщину, так 7 на поперечний про-фыь смуги, використання ефекту ША запропоновано в ряд1 р1шень з автоматичного регулювання поперечног 7 поздовжньог р1знотовщинност1. У статт1 наведено математичний опис зм1ни товщини прокату тд д1ею неузгодженост1 швидкостей робочих валюв, виконано математичне моде-лювання процесу. Результати моделювання тдтверджет досл1дженнями процесу прокатки з ША на сташ 3600 металургтного комб1нату «Азовсталь». Наведено укрупнену структурну схему си-стеми регулювання р1знотовщинност1 прокату з ША. Проведен7 досл1дження 7 промислова апро-бац1я дозволяють зробити висновок про ефективтсть використання ША для управлтня поздовж-ньою р1знотовщинтстю лист1в на товстолистових станах, а наведен7 у статт1 залежност1 до-цыьно використовувати в системах управлтня ША.

Ключов1 слова: поздовжня р1знотовщинтсть, товстолистовий стан, швидюсна асиметр1я, ав-томатичне регулювання.

Аннотация. В статье рассмотрена проблема обеспечения точности геометрических размеров листового проката. Одним из путей решения этой проблемы является снижение продольной раз-нотолщинности листов. Эффективным способом снижения продольной разнотолщинности на станах, оснащенных гидравлическими нажимными устройствами (ГНУ), является регулирование толщины и продольной разнотолщинности путем изменения раствора валков в процессе прокатки с помощью ГНУ. Однако большинство действующих толстолистовых станов не оснащено ГНУ. Поэтому актуальным является вопрос об использовании других методов управления геометрическими размерами проката. Одним из эффективных каналов управления геометрией проката посредством управления скоростью главных приводов прокатных станов с индивидуальным приводом валков может быть канал, использующий эффект скоростной асимметрии (СА), который заключается в снижении усилия прокатки при увеличении рассогласования скоростей валков. Поскольку снижение усилия прокатки воздействует как на толщину, так и на поперечный профиль полосы, использование эффекта СА предложено в ряде решений по автоматическому регулированию поперечной и продольной разнотолщинности. В статье приведено математическое описание изменения толщины проката под действием рассогласования скоростей рабочих валков, выполнено математическое моделирование процесса. Результаты моделирования подтверждены исследованиями процесса прокатки с СА на стане 3600 металлургического комбината «Азовсталь». Приведена укрупненная структурная схема системы регулирования разнотолщинности проката с СА. Проведенные исследования и промышленная апробация позволяют сделать вывод об эффективности использования СА для управления продольной разнотолщинностью листов на толстолистовых станах, а приведенные в статье зависимости целесообразно использовать в системах управления СА.

© Грабовский Г.Г., Иевлев Н.Г., 2019

1028-9763. Математичш машини i системи, 2019, № 2

Ключевые слова: продольная разнотолщинность, толстолистовой стан, скоростная асимметрия, автоматическое регулирование.

Abstract. The article deals with the problem of ensuring the accuracy of geometric dimensions of rolling stands. One of the ways to solve this problem is to reduce the longitudinal sheets thickness variation. An effective way to reduce the longitudinal thickness variation on stands equipped with hydraulic pressure devices (HPD) is to control the thickness and longitudinal thickness variation by changing the roll solution during the rolling process using the HPD. However, most of the existing rolling stands are not equipped with HPD. Therefore, the actual question is the use of other methods for controlling the geometric dimensions of rolled products. One of the effective channels for controlling the geometry of rolled metal by controlling the speed of the main drives of rolling stands with an individual roll drive can be a channel that uses the effect of speed asymmetry (SA), which reduces the rolling force while increasing the mismatch of the roll speeds. Since the reduction of the rolling force affects both the thickness and the transverse profile of the strip, the use of the SA effect has been proposed in a number of solutions for the automatic regulation of the transverse and longitudinal thickness variations. The article provides a mathematical description of the change in the thickness of the rolled stock under the action of the mismatch of speeds of the work rolls, and a mathematical modeling of the process has been performed. The simulation results are confirmed by studies of the rolling process with SA at a stand 3600 of the Azovstal metallurgical combine. An extended block diagram of a system of regulating the thickness variation of rolled products with SA is given. The studies and industrial approbation allow us to conclude about the effectiveness of using SA to control the longitudinal sheets thickness variation on rolling stands, and the dependencies which are given in the article should be used in SA control systems. Keywords: longitudinal thickness variation, rolling stand, speed asymmetry, automatic control.

1. Введение

К числу важнейших показателей качества листового проката относится точность его геометрических размеров. Одним из путей повышения точности прокатки листовой стали является снижение продольной разнотолщинности листов. Эффективным способом снижения продольной разнотолщинности на станах, оснащенных гидравлическими нажимными устройствами (ГНУ), является регулирование толщины и продольной разнотолщинности путем изменения раствора валков в процессе прокатки с помощью ГНУ. Однако большинство действующих толстолистовых станов не оснащено ГНУ. Поэтому актуальным является вопрос об использовании других методов управления продольной разнотолщинностью.

Целью настоящей статьи является исследование эффективности использования скоростной асимметрии для управления продольной разнотолщинностью листов на толстолистовых станах, а также анализ зависимостей, которые целесообразно использовать в системах управления скоростной асимметрией.

2. Изложение основного материала

Одним из эффективных каналов управления геометрией проката посредством управления скоростью главных приводов прокатных станов может быть канал, использующий эффект скоростной асимметрии (СА), который заключается в снижении усилия прокатки при увеличении рассогласования скоростей валков [1, 2]. Поскольку снижение усилия прокатки воздействует как на толщину, так и на поперечный профиль полосы, использование эффекта скоростной асимметрии предложено в ряде решений по автоматическому регулированию поперечной и продольной разнотолщинности, а также плоскостности [3-5]. Это наиболее доступный с точки зрения реализации канал автоматизированного управления геометрией полосы, поскольку его использование не требует капитальных затрат на реконструкцию оборудования. Необходимо, однако, отметить, что при несимметричной прокатке имеются ограничения по частотному диапазону разведения скоростей, неравномерному распределению моментов между верхним и нижним валками, загибу полосы и т.д.

Остановимся на математическом описании изменения толщины проката под действием рассогласования скоростей рабочих валков, для чего рассмотрим очаг деформации.

С учетом аппроксимации поперечного сечения полосы параболой средняя толщина выходного (из очага деформации) сечения может быть представлена как

Нср. вых Нвых

дк

п

п.въж

3

(1)

где Нсрвых - средняя толщина полосы на выходе из очага деформации, 5Ипеъх - поперечная

разнотолщинность (на выходе клетей) - разница между толщиной по продольной оси и толщиной по кромкам в одном и том же поперечном сечении. Соответственно средняя толщина на входе очага деформации

Нср. вх Нвх

дН

п

п. вх

(2)

где 8И*пвх - поперечная разнотолщинность на входе очага деформации. Усилие прокатки Р определяется зависимостью [6]

Р = 1,15истав4Шк ,

(3)

где пет - коэффициент напряженного состояния, АН - обжатие, В - ширина полосы, Я -

радиус валков, а - сопротивление деформации проката.

Связь между усилием прокатки Р , толщиной по оси полосы и поперечной разно-толщинностью может быть представлена как

Н„.... =

М,,

дк*.., = 8К

М

(4)

где £ - раствор ненагруженных валков, МК, Мвсш - модули клети и валковой системы, ЗН*0 - начальная выпуклость валков.

С учетом выражений (2) и (3) воздействие СА на разнотолщинность полосы анализировалось на основе полученных экспериментальных данных и математического описания [4, 7]:

Р

ЗН* = дН

п. вых Нвъх = £

дН*.. =

М вал

Р

М' 5Р М'

Р = 1,15« а В В^ЯАИ,

АН = Н

^дк" - Н 3

к = АРСЛ

ксл / ду

(5)

где па определяется в соответствии с [4, 7] по следующей зависимости:

3

п = 1 +

4

1+1/И

4 V в

'1 -в

(1 -АУ/У )(1 -в)) ^ 1 -в

-АУ/У У*

ш1^, (6)

1 -в

где квых - толщина на выходе из валков, Зк*вых - продольная разнотолщинность полосы, Р - усилие прокатки, в = — - относительное обжатие, У - скорость прокатки, А У - разни-

К

ца скоростей верхнего и нижнего валков, КСА - коэффициент передачи канала СА, АРСЛ -изменение усилия от СА.

На основе уравнений (5) было выполнено математическое моделирование процесса асимметричной прокатки в диапазоне реального изменения параметров проката для ряда толстолистовых прокатных станов.

Анализ результатов моделирования показал, что эффект снижения усилия прокатки увеличивается с уменьшением толщины прокатываемых раскатов и увеличением рассогласования скоростей, а при увеличении степени деформации уменьшается. Максимально допустимое рассогласование близко к величине деформации. Как видно из выражений (5), максимальное рассогласование достигается при А У/У = в . Дальнейшее увеличение рассогласования может привести к неустойчивости процесса с возможным появлением проскальзывания (буксовки) валков относительно полосы.

Также установлено, что канал СА характеризуется переменным и нелинейным коэффициентом передачи в функции относительного обжатия £ и сопротивления деформации а. Кроме того, наличие ненаблюдаемых факторов обусловливает случайную составляющую в результатах расчетов относительно данных эксперимента.

Учитывая сказанное, для выработки регулирующего воздействия по каналу СА необходимо прогнозировать значение АУ/У на каждом участке полосы, изменение £, а также производить идентификацию и адаптацию описания объекта.

С целью установления характеристик канала скоростной асимметрии для его использования в системе автоматического управления были проведены также исследования процесса прокатки со скоростной асимметрией на стане 3600 металлургического комбината «Азовсталь» с использованием установки, описанной в [3].

В зависимости от марок сталей и типоразмеров эффект скоростной асимметрии оказывает различное влияние на изменение усилия прокатки. В среднем для исследуемого

У - У

сортамента по маркам сталей и типоразмерам при —-- = 0,04 (где Ув и Ун - соответ-

Ун

ственно скорости вращения верхнего и нижнего валков) усилие прокатки снижается примерно на 7% полного усилия прокатки. При этом момент прокатки с учетом отдачи электроэнергии в сеть (один из валков работал в генераторном режиме) уменьшился на 17%. Анализ экспериментальных данных показал, что динамика процесса полностью определяется системой электропривода. Очаг деформации является практически безынерционным звеном. Для электропривода чистовой клети стана 3600 на основании полученных экспериментальных данных, согласно известным методикам, была построена передаточная функция переходного процесса разведения скоростей [8], характеризующаяся чистым запаздыванием порядка 0,3 с и максимальной постоянной времени 0,25 с. Сопоставляя эти данные с характеристиками возмущений, дестабилизирующих продольную разнотолщин-ность, следует отметить, что быстродействие электропривода прокатных валков соизмеримо со скоростью изменения основных возмущений. Это необходимо учитывать при разработке системы автоматического регулирования.

Рассмотрим постановку задачи для системы автоматического управления скоростной асимметрией, обеспечивающей стабилизацию толщины полосы (Нвых) на выходе из валков или продольной разнотолщинности (дквых). При этом необходимо свести изменение усилия прокатки (АР) к нулю. Критерием управления является изменение усилия прокатки в клети, которое зависит от величины разведения скоростей

АУ

—: АР ^ 0, (7)

У

где А У - разность скоростей рабочих валков, V - скорость одного из валков.

Критерием эффективности управления является получение заданной толщины. При

АУ

этом имеют место следующие ограничения на величину :

1) энергосиловые, связанные с перераспределением моментов прокатки или токов главного привода как при работе на основной скорости, так и при ослаблении поля;

2) технологические, обусловленные нарушением стабильности процесса при возникновении пробуксовок валков относительно полосы и связанного с этим явлением изменения состояния поверхности полосы, загибами конца полосы;

3) частотные, связанные с полосой пропускания трудноизменяемой части системы -системы электропривода.

Как было отмечено выше, для выработки управляющего воздействия при регулировании продольной разнотолщинности по каналу скоростной асимметрии необходимо прогнозировать значение (изменение) в на каждом участке полосы, а также производить идентификацию и адаптацию описания объекта.

Сопоставив возможности канала СА с учетом перспектив повышения быстродействия индивидуального привода прокатных валков и частотные характеристики возмущений, действующих на геометрию полосы в условиях нелинейного Ксл, для стана 3600

определена целесообразность построения регулятора по возмущению, компенсирующего разнотолщинность от «глиссажных меток», «температурного клина» и охлаждения концов. Укрупненная структурная схема системы регулирования электропривода приведена на рис. 1.

Структурная схема содержит два основных блока 1 и 2 [4, 7]. Блок 1 - это схема объекта - очага деформации с вводом СА. Блок 2 представляет функциональную схему регулятора по возмущению, базирующегося на прогнозировании текущего усилия по длине полосы в регулируемом пропуске на основании измерений, произведенных в предшествующем пропуске, и дополнительного температурного клина. В пропуске, предшествующем регулируемому N - 1-му, измеряется усилие прокатки Р 1 в /-х точках по длине полосы. Причем каждому измеренному значению соответствует своя координата по длине полосы , которая фиксируется с помощью датчика угла поворота валков. Эти данные заносятся в массивы машинной памяти. Толщина полосы Н^-1 в каждой координате:

рм-1

км-1 = + 8м-1 (8)

г М к ()

Средняя толщина полосы Н^р 1 по длине и среднее усилие прокатки:

К- = 1 ¿Н-1, Р-1 =1 ¿Р-1, (/■ = 1,2,..., у). (9)

Рисунок 1 - Структурная схема регулирования разнотолщинности проката со скоростной асимметрией индивидуального привода: 1 - схема замещения очага деформации с СА, 2 - схема регулирования, Zq, Zs, Z - возмущения по жесткости полосы, раствору валков, входной толщине, СУГП - система управления главным приводом, УИУ - устройство измерения усилий прокатки, р - датчики угла поворота, ФП - фотопирометр, Д, Д2 - прокатные двигатели,

р/l - преобразователь угла поворота в координаты длины раската Среднее обжатие в регулируемом пропуске:

= К;1 - Кад , (10)

где h3ad - заданная толщина листа.

На основании расчетных данных N-го пропуска по модели пластической деформа-

TjN

ции прогнозируется среднее усилие прокатки в регулируемом пропуске Рср расч, определяется вытяжка Л в регулируемом пропуске и коэффициент 3 :

,N

И р

Х = , Р= <рра<у N-1. (11)

Изад / <Р

Затем вычисляется распределение усилия прокатки в регулируемом пропуске с привязкой по координате длины. Эти данные заносятся в память:

I.? = РГ'Р + Р^) , Г = О, (12)

где ) - поправка, учитывающая «температурный клин».

Из множества р? определяются наименьшее Р?п и разность Ар = Р? - Р?п .

AV

Уставка вычисляется по формуле

АУ АР (к? 1 )2

= '} ' ' к , (13)

У РГКдЯ ^ , ()

где Я - радиус валков, Ксл = Ч - коэффициент влияния СА на жесткость полосы ч, Ч0 -

Чо

жесткость полосы при А У = 0 .

Коэффициент Ксл определяется экспериментально и автоматически уточняется в

процессе прокатки после получения фактических значений параметров процесса и подстановки их в формулу (13).

Таким образом, в результате проделанных расчетов имеется массив данных: {I?} -координаты по длине от головы (хвоста) листа, {р?} - усилия прокатки при отсутствии СА, {АР} - прогнозируемые отклонения усилия прокатки от минимального значения, - значение уставок СА, требуемое для компенсации отклонений усилия прокатки.

Рассчитанная уставка проверяется на ограничения и фиксируется в массиве управляющих воздействий.

Схема алгоритма функционирования системы управления скоростной асимметрией в регулируемом пропуске приведена на рис. 2.

Алгоритм начинает функционировать по инициативному сигналу, формируемому через определенный угол поворота валков. Далее производится опрос датчиков для корректировки коэффициента Ксл . Вычисление фактического значения КфА производится с использованием формулы (13):

(АУ 1ф рф ЯНФ

КФСА = ДУ „,Ч2 , (14)

(Р? - Рф )(Н* 1)

где индексом (ф) обозначены фактические значения координат.

Коэффициент передачи для последующих расчетов берется как среднее

к .х- кФ

Кса = . (15)

Затем определяется уставка, подаваемая в систему управления главным приводом. Для чего вычисляется координата выдачи уставки по длине полосы, которая должна быть отработана в координате I? :

I = 1+1 - У*-МУ*2, (16)

м

где * - время отработки системой управления главным приводом данной уставки.

Далее из массива данных выбирается значение , определяется поправка на

уставку

к1

т = К^, (17)

КСА

где К - коэффициент, при котором рассчитывается уставка.

Рисунок 2 - Схема алгоритма функционирования системы управления скоростной асимметрии Скорректированное значение

АУ (АУ]

-= т I-I (18)

У I У )м )

выдается в систему управления главным приводом в момент прохождения сечения /г. Для расчета уставки используется зависимость

(АУ ] _ АР (И?-2)2

У

кг КСА. (19)

Р?КадЯ СА ( )

Это оперативная корректировка коэффициента модели определения рассогласования. Кроме того, в алгоритме производится запоминание измерений и расчетов в пропуске и партии полос для последующей возможной адаптации моделей канала скоростной асимметрии.

Как указывалось выше, существуют ограничения при использовании эффекта скоростной асимметрии - энергосиловые, связанные с перераспределением момента прокатки между валками. Это ограничение учтено при разработке алгоритма автоматического управления рассогласованием скоростей, где осуществляется проверка по допустимому моменту на один валок. При этом следует отметить, что проведенные исследования и промышленная проверка системы управления позволяют сделать вывод о возможности применения рассогласования во всем диапазоне изменения соотношений между моментами, даже в случае, когда один из валков воспринимает двойной момент прокатки, а другой при этом работает в генераторном режиме. Это объясняется тем, что регулирование продольной разнотолщинности осуществляется в последних пропусках прокатки в чистовой клети, где момент прокатки значительно меньше допустимого, так как обжатие, а, следовательно, и длина дуги захвата имеют минимальные значения. Другое ограничение - технологическое, связанное с изгибом полосы. При автоматическом управлении с рассогласованием скоростей это ограничение также учтено в соответствующем алгоритме, для чего сигнал рассогласования скоростей подается после «захвата» металла с выдержкой времени, которая позволяет переднему концу полосы попасть на первый станинный ролик. Следует также отметить, что при прокатке на ТЛС 3600 в исследуемом интервале рассогласования скоростей в последних двух пропусках чистовой клети изгиба раската на нижний или на верхний валки, приводящего к нарушению технологического процесса, не наблюдалось.

3. Выводы

Рост требований потребителей листового проката к его качеству требует от производителей листового проката поиска новых технологий и воплощения их в производство. Одним из таких процессов является асимметричная прокатка (АП). Асимметричная прокатка позволяет понизить усилие прокатки и энергозатраты на процесс деформации, уменьшить продольную и поперечную разнотолщинность, улучшить плоскостность и форму полосы. Одним из наиболее управляемых и эффективных параметров АП является соотношение линейных скоростей рабочих валков, характеризуемое коэффициентом асимметрии. Применение скоростной асимметрии дает возможность регулировать рассогласование скоростей валков в широком диапазоне непосредственно в процессе прокатки, а также позволяет использовать системы автоматического управления.

Проведенные исследования и промышленная апробация позволяют сделать вывод об эффективности использования скоростной асимметрии для управления продольной разнотолщинностью листов на толстолистовых станах, а приведенные в статье зависимости целесообразно использовать в системах управления скоростной асимметрией.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Пименов А.Ф., Скороходов В.Н., Трайно А.И. [и др.]. Асимметричные процессы прокатки - анализ, способы и перспективы применения. Сталь. 1982. № 3. С. 53-56.

2. Синицын В.Т. Несимметричная прокатка листов и лент. М.: Металлургия, 1984. 167 с.

3. Горелик В.С., Будаква А.А., Гринчук П.С. Освоение прокатки толстых листов со скоростной асимметрией на стане 3600. Сталь. 1984. № 12. С. 31-33.

4. 1евлев М.Г., Грабовський Г.Г. Математичш моделi i алгоритми керування в АСК ТП товстолис-тових прокатних сташв. К.: Техшка, 2001. 248 с.

5. 1евлев М.Г., Грабовський Г.Г. Теоретичш та експериментальш дослщження математичних моделей площинносп товстолистового прокату. Науково-техмчна ¡нформащя. 2016. № 1 (67). С. 54-62.

6. Целиков А.И., Никитин Г.С., Рокотян С.Е. Теория продольной прокатки. М.: Металлургия, 1980. 318 с.

7. Архангельский В.И., Грабовский Г.Г., Твардовский В.П. Управление геометрией проката. Автоматизация конвертерного и прокатного производства. К.: Институт автоматики, 1987. С. 75-83.

8. Иванченко Ф.К., Красношапка В.А. Динамика металлургических машин. М.: Металлургия, 1983. 293 с.

Стаття над1йшла до редакцп 10.05.2019