Система управления и диагностирования электропривода отводящего рольганга широкополосного стана горячей прокатки


СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ОТВОДЯЩЕГО РОЛЬГАНГА ШИРОКОПОЛОСНОГО СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ



Монография














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 621.771.067:62-83
ББК 34.621
      С40






Авторы:
С. И. Лукьянов, Н. В. Швидченко, Р. С. Пишнограев, Д. В. Швидченко, С. С. Красильников

Рецензенты:
профессор кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) доктор технических наук, профессор М. А. Григорьев;
старший менеджер по автоматизации и наладке ООО «Объединенная сервисная компания» кандидат технических наук И. Л. Погорелов






С40 Система управления и диагностирования электропривода отводящего рольганга широкополосного стана горячей прокатки : монография / [С.И.Лукьянов и др.]. - Москва; Вологда: Инфра-Инженерия, 2020. - 240 с.: ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0472-3

     Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований работы электропривода отводящего рольганга (ОР) широкополосного стана горячей прокатки. Предложены методика определения составляющей момента нагрузки электродвигателя ОР от действия ламинарного охлаждения, методика расчета требуемых по технологии значений моментов нагрузки на роликах рольганга и полных моментов электродвигателей роликов ОР. Разработаны функциональная схема и обобщенный алгоритм автоматизированной системы технического диагностирования состояния и настройки электромеханической системы ОР. Дана оценка технической и экономической эффективности разработанных систем управления и диагностирования.
     Для специалистов по электронике, электрооборудованию и автоматизации металлургических агрегатов. Может быть полезна для аспирантов и студентов электротехнических специальностей.

УДК 621.771.067:62-83
                                                          ББК34.621



ISBN 978-5-9729-0472-3

    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
    © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

            ВВЕДЕНИЕ



    В настоящее время около 30 % от общего объема выпуска стального проката в Российской Федерации составляет листовая продукция, получаемая на широкополосных станах горячей прокатки (ШСГП). Технология прокатки, оборудование и системы электропривода отдельных агрегатов ШСГП постоянно совершенствуются в направлении повышения качества продукции, производительности станов и снижения себестоимости проката. Одним из резервов снижения себестоимости листовой продукции является увеличение срока эксплуатации оборудования стана за счет совершенствования систем управления электроприводами основных агрегатов стана. Одним из важнейших технологических агрегатов листового стана горячей прокатки, от надёжности работы которого и степени выполнения предъявляемых к нему технологических требований зависит производительность стана и качество готового проката, является отводящий рольганг, обеспечивающий перемещение полосы от чистовой группы клетей до моталок [1-5].
    К электроприводу ОР предъявляются жесткие технологические требования, направленные на безаварийное транспортирование головной и хвостовой частей проката до моталок. Невыполнение требований приводит к аварийным ситуациям, простоям стана на ликвидацию последствий аварий и отбраковке листа, не прошедшего нормальную смотку в рулон на моталке. За счет этого создаются тянущие усилия в головной и хвостовой части полосы, необходимые для надежной транспортировки и качественной смотки полосы. На практике значения опережений скорости роликов подбираются персоналом стана экспериментально с позиции обеспечения надежности работы ОР. Это приводит к тому, что большинство электроприводов роликов ОР работает в режиме буксовок поверхностей роликов по полосе, что является причиной интенсивного износа бочек роликов. В режиме сопровождения полосы, когда она зажата между клетью и моталкой, скорость ОР задается равной скорости прокатки с целью недопущения буксовки роликов по полосе, что приводит к снижению качества полосы и износу бочек роликов. Недостатком данного способа реализации технологического требования является то, что согласование скорости образующей бочки ролика и полосы не гарантирует минимизации усилий на их контакте, поскольку в условиях сцепления ролика с полосой усилие на их контакте может изменяться от нуля до определенного максимального значения. В результате на контакте ролика с полосой возникает нежелательное в данном режиме трение, что приводит к повышенному износу бочек роликов [6-9].
    Неотъемлемой частью системы поддержания оборудования в работоспособном состоянии являются системы технического диагностирования. Задачами технической диагностики являются определение технического

3

состояния объекта диагностирования и прогнозирование будущего технического состояния оборудования. Применение систем технического диагностирования оборудования прокатных станов позволяет заблаговременно подготовиться к плановым ремонтным работам, исключить из перечня ремонтных работ визуальный и метрологический контроль состояния оборудования и за счёт сокращения времени ремонтных работ увеличить коэффициент использования агрегата и производительность прокатного стана [5].
    Наиболее перспективным методом диагностирования электропривода роликов отводящего рольганга служит токовая диагностика - метод диагностирования, основанный на определении технического состояния механического и электрического оборудования электропривода по координатам его работы. Суть данного метода заключается в том, что изменение технического состояния электрического или механического оборудования объекта диагностирования вызывает изменение формы и величины тока нагрузки электродвигателя. Преимуществом данного метода диагностирования является отсутствие необходимости в установке датчиков непосредственно на стан. Кроме этого, в большинстве современных автоматических систем управления технологическим процессом предусмотрены функции измерения токов и напряжений электродвигателей технологических агрегатов, что позволяет снизить затраты на внедрение систем токовой диагностики и делает данный метод диагностирования наиболее перспективным [10-13].
    В технической литературе информация об использовании на станах горячей прокатки автоматизированных систем диагностирования состояния и настройки оборудования электропривода отводящего рольганга отсутствует.
    Основными дефектами электропривода роликов отводящего рольганга, негативно влияющими на качество готового проката и безаварийную работу отводящего рольганга, являются: эксцентриситет бочки ролика; неисправность щёточно-коллекторного устройства электродвигателя ролика; перегрев якорной обмотки электродвигателя; разрушение соединительных муфт в линии электропривода ролика; неисправность подшипниковых узлов в линии электропривода ролика или касание роликом бортов рольганга; неправильная выставка ролика относительно технологической плоскости отводящего рольганга; невыполнение электроприводом ролика предъявляемых к нему технологических требований [5,13].
    Методики и алгоритмы диагностирования указанных дефектов электропривода ОР ШСГП по токам нагрузки электродвигателей роликов рольганга в технической литературе отсутствуют.
    Целью настоящей работы является разработка систем управления и технического токового диагностирования электропривода роликов отводящего рольганга ШСГП, обеспечивающих увеличение срока эксплуатации ОР и сокращения времени на выполнение ремонтных работ.

4

.АНАЛИЗ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА РОЛИКОВ ОТВОДЯЩЕГО РОЛЬГАНГА НЕПРЕРЫВНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТИ



    1.1. Технологические особенности прокатки и смотки листа на широкополосных станах горячей прокатки

    На широкополосных станах горячей прокатки (ШСГП) прокатывают листовую и полосовую продукцию толщиной от 0,8 до 27 мм и шириной до 2350 мм. Основным сортаментом ШСГП являются полосы толщиной 1,2—16 мм (табл. 1.1).


Таблица 1.1

Основные характеристики ШСГП

Стан    Предприятие      Год   Сортамент, мм   Производительность
                        пуска                     млн. т./год    
                           Россия                                 
2000     ПАО «ММК»      1991  1,2+16x750+1850         до6        
2000  ПАО «Северсталь»  1974  1,2+16x900+1850         до6        
2000 ПАО «НЛМК»         1969  1,2+16x900+1850         до6        
2500     ПАО «ММК»      1960  2+10x1250+2350         1-2,5       
                           Украина                                
1700    ПАО «МарМК»     1960  1,5+11x1000+1540        3-4        
1680 ПАО «Запорожсталь» 1936  1,5+6x1000+1520        1-2,5       
                          Казахстан                               
1700 ПАО «ИСПАТ-Кармет» 1967  1,2+12x700+1550         3-4        

    Марочный сортамент ШСГП - рядовые и качественные углеродистые, низколегированные, нержавеющие и электротехнические марки стали.


5

    Типовой ШСГП (рис. 1.1) состоит из участка печей, участков черновой и чистовой обработки проката и участка смотки.
    Слябы, нагретые в печах 1 до температуры 1100^1280 °C, перемещаются приемным рольгангом 2 к черновой группе клетей стана 5. В вертикальном окалиноломателе 3 выполняется взламывание печной окалины и обжатие боковых граней сляба. От вертикального окалиноломателя сляб поступает в черновую горизонтальную клеть 4 с обжатиями сляба до 25—30 %. В черновой группе клетей 5 осуществляется последовательное обжатие сляба универсальными четырехвалковыми клетями. Черновые клети могут располагаться прерывно (раскат одновременно в двух клетях не прокатывается) или непрерывно - несколько клетей объединяется в непрерывную группу. Применение непрерывной подгруппы клетей позволяет уменьшить протяженность черновой группы стана и улучшить температурный режим прокатки. Функции промежуточного рольганга 6 заключаются в транспортировке подката из черновой группы клетей в чистовую и обеспечение «разрыва» технологического потока, обусловленного превышением скорости выхода подката из черновой группы над скоростью входа его в чистовую группу клетей. Для снижения потерь тепла раскатом за время пребывания на промежуточном рольганге используются тепловые экраны различной конструкции. Ножницы 7 служат для обрезки переднего и заднего концов раската. За ножницами установлен чистовой роликовый окалиноломатель 8 и гидросбив высокого давления. Чистовая непрерывная группа клетей 9 состоит из клетей «кварто».
    При прокатке в чистовой группе контролируется режим обжатий, скоростной и температурный режимы прокатки. Полученная полоса сматывается в рулон моталками 11. Отводящий рольганг 10 предназначен для надежного транспортирования полосы от последней чистовой клети до моталок [1, 3].
    Для получения требуемой структуры металла и его механических свойств при прокатке на ШСГП строго выдерживаются температура полосы t^n (конца прокатки) на выходе из чистовой группы клетей и температура смотки полосы tCM. В зависимости от толщины прокатываемой полосы требуемая температуры tKₙ обеспечивается различной скоростью прокатки - чем тоньше полоса, тем скорость прокатки выше. На существующих ШСГП (табл. 1.1) диапазон скорости прокатки составляет от 2 м/с до 20 м/с.
    Для обеспечения постоянной температуры полосы t^n в процессе прокатки по всей длине полосы на ШСГП применяется прокатка с ускорением клетей чистовой группы (рис. 1.2). Величина ускорения прокатки и скорость прокатки выбираются в зависимости от толщины полосы на выходе стана [3].

6

участок черновой обработки

9

6 7 ⁸'-------Л------'

участок чистовой обработки

участок смотки

Рис. 1.1. Структурная схема ШСГП: 1 — нагревательные печи; 2 — приемный рольганг; 3 — вертикальный окалиноломатель; 4 — двухвалковая черновая клеть; 5 —универсальные четырехвалковые черновые клети; 6— промежуточный рольганг;
7 — летучие ножницы; 8 — чистовой роликовый окалиноломатель; 9 — четырехвалковые клети чистовой непрерывной группы;
10 — отводящий рольганг; 11 — моталки

Рис. 1.2. Временные диаграммы изменения скорости прокатки полосы в последней прокатной клети: а) при прокатке полосы толщиной 7,8 мм; б) при прокатке полосы толщиной 2,8 мм; в) при прокатке полосы толщиной 2 мм

8

    На рисунке 1.2 приведены типичные временные диаграммы изменения скорости прокатки У₃ /,-л в последней клети стана 2000 крупного промышленного предприятия для полос толщиной 7,8 мм, 2,8 мм и 2 мм соответственно (НМ_КЛ - сигнал наличия металла в клети). Из данных рисунка 1.2 следует: чем меньше толщина проката, тем выше средняя скорость прокатки; чем меньше толщина проката, тем больше ускорение а прокатки в процессе прокатки одной заготовки.
    При прокатке полос толщиной до 2 мм транспортировка головной части полосы до моталок на скорости более 10-11 м/с с ускорением не применяется из-за высокой вероятности возникновения вертикальных колебаний в полосе и петлеобразования. Поэтому до захвата полосы моталкой (момент времени t₂) скорость прокатки практически не изменяется (рис. 1.2, в). Захват полосы валками последней клети стана осуществляется на скорости 10-11 м/с и прокатка ведется на установившейся скорости до надежного захвата переднего конца полосы моталкой (период времени t1 ... t₂,рис. 1.2, в).
    С момента времени t₂ до момента t₃ прокатка ведется в режиме «быстрого» ускорения с целью компенсации охлаждения полосы за период прокатки без ускорения.
    С момента времени t₃ до момента t₄ ускорение уменьшается до «штатного» значения, обеспечивающего постоянство температуры t^n. С момента времени t₄ происходит снижение скорости прокатки с целью уменьшения динамических нагрузок на оборудовании стана в момент t₅ выхода хвостовой части полосы из клети.
    Охлаждение полосы от температуры конца прокатки t^n до требуемой температуры смотки tCM выполняется на участке смотки стана при транспортировании полосы по отводящему рольгангу.
    На рисунке 1.3 приведена схема расположения оборудования типового участка смотки ШСГП. Для смотки полос используются две группы моталок 2, 3: смотка тонких полос (1,2—4 мм) осуществляется в ближнюю группу моталок; смотка толстых полос (4 —16 мм) - в дальнюю группу моталок. Перед каждой группой моталок установлены системы ускоренного охлаждения полосы водой 4, 5: охлаждение полосы сверху осуществляется ламинарными струями из сифонов; охлаждение снизу - через отверстия в коллекторах, расположенных между роликами рольганга. Верхние и нижние участки водяного охлаждения разбиты на секции. Регулирование температуры смотки полосы tCM осуществляется изменением числа включенных секций охлаждения (выбором схемы охлаждения).
    Таким образом, участок смотки является важнейшим участком ШСГП, на котором формируется качество прокатываемой полосы. Отводящий рольганг 6-14 относится к участку смотки ШСГП и предназначен для надежного транспортирования полосы от последней клети до моталки.

9

    1.2. Характеристика электропривода отводящего рольганга широкополосного стана горячей прокатки

    Характерными особенностями отводящего рольганга (ОР) ШСГП являются:
    1.     Широкий диапазон скорости транспортирования полосы - от 2 до 20 м/с;
    2.     Поточный режим работы - полосы прокатываются одна за другой с минимальными паузами между ними (рис. 1.2).
    3.     Работа в тяжелых условиях: высокая температура транспортируемой полосы - от температуры смотки tCM (500-600С⁰) до температуры конца прокатки t^n (800-900С0); наличие воды и пара в зоне водяного охлаждения полосы.
    Данные особенности ОР определяют его конструкцию и схему управления.
    Основными конструктивными параметрами рольганга являются диаметр бочек роликов Dp и шаг роликов lₚ. Для отводящего рольганга ШСГП данные параметры выбираются из условия надежного транспортирования головной части тонких полос.
    Согласно [6] значение относительного шага роликов lₚ/Dₚ определяет максимальную скорость устойчивого транспортирования полосы. На ряде ШСГП с целью повышения надежности и скорости транспортирования головной части тонких полос выполнялась реконструкция ОР, связанная с уменьшением шага роликов [6]. В таблице 1.2 приведены значения диаметров бочек роликов Dₚ и шага роликов lₚ ОР различных ШСГП, действующих в России.


Таблица 1.2

Конструктивные параметры роликов ОР

                              Параметры            
Стан   Предприятие       отводящего рольганга      
                       D, мм    1, мм      I/D    
2000    ПАО «ММК»     300      460         1,53   
2000 ПАО «Северсталь» 300      460         1,53   
2000    ПАО «НЛМК»    300/300* 460/335* 1,53/1,12*
2500    ПАО «ММК»     300      450         1,50   

- параметры ОР до/после реконструкции.

    Сами ролики ОР ШСГП выполняются пустотелыми с внутренним водяным охлаждением [9]. Привод роликов - индивидуальный безредуктор-ный от двигателей постоянного или переменного тока (табл. 1.3).


10