Система управления электроприводом размоточного аппарата стана по производству высокопрочной арматуры


С. И. Лукьянов, И. Р. Сафин, Е. Э. Бодров







СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ РАЗМОТОЧНОГО АППАРАТА СТАНА ПО ПРОИЗВОДСТВУ ВЫСОКОПРОЧНОЙ АРМАТУРЫ



Монография




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.771.25
ББК 31.291
    Л84


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок Южно-Уральского государственного университета М. А. Григорьев;
начальник отдела инновационных разработок ЗАО «Консом СКС» кандидат технических наук, доцент А. Н. Панов


    Лукьянов, С. И.
Л84       Система управления электроприводом размоточного аппарата стана
     по производству высокопрочной арматуры : монография / С. И. Лукьянов, И. Р. Сафин, Е. Э. Бодров. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -136 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0842-4

    Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований работы электропривода размоточного аппарата стана по производству высокопрочной арматуры. Предложена методика расчета допустимого изменения натяжения в проволоке, создаваемого электроприводом размоточного аппарата между роликовым правильным устройством и клетью профилирования. Сформулированы технологические требования к системе управления электроприводом размоточного аппарата с позиций обеспечения глубины насечки арматуры в пределах допустимых значений за счет стабилизации натяжения в проволоке между роликовым правильным устройством и клетью профилирования.
    Для специалистов по электронике, электрооборудованию и автоматизации проволочных станов. Может быть полезно студентам и аспирантам электротехнических специальностей.

                                                     УДК 621.771.25
                                                     ББК 31.291




ISBN 978-5-9729-0842-4

     © Лукьянов С. И., Сафин И. Р., Бодров Е. Э., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ.........................................................5
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ СТАНОВ ПО ПРОИЗВОДСТВУ АРМАТУРЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ......................................................8
      1.1.   Особенности технологии обработки проволоки на станах по производству холоднотянутой стабилизированной арматуры для железобетонных конструкций...............................8
      1.2.   Анализ технологических требований к электроприводам станов по производству стальной арматуры для изготовления железобетонных конструкций.................................................21
      1.3.   Характеристика электроприводов стана по производству арматуры для железобетонных конструкций на примере стана ISF 5 ОАО «ММК-МЕТИЗ» .....................................................24
      1.4.   Экспериментальные исследования глубины насечки арматуры на стане ISF 5 ОАО «ММК-МЕТИЗ»...............................35
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА НАТЯЖЕНИЯ В ПРОВОЛОКЕ, СОЗДАВАЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ РАЗМОТОЧНОГО АППАРАТА МЕЖДУ РОЛИКОВЫМ ПРАВИЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ И КЛЕТЬЮ ПРОФИЛИРОВАНИЯ.............................42
      2.1. Исследование влияния параметров работы электроприводов стана
    ISF 5 на глубину насечки арматуры...........................42
      2.1.1.  Дисперсионный анализ влияния параметров работы электроприводов стана на глубину насечки....................49
      2.1.2.   Исследование стационарности процесса влияния электропривода размоточного аппарата на глубину насечки арматуры...........51
      2.2.   Разработка математической модели расчета величины натяжения в проволоке между роликовым правильным устройством и клетью профилирования..............................................55
      2.2.1.   Общие математические выражения для расчета натяжения в проволоке между роликовым правильным устройством и клетью профилирования..............................................55
      2.2.2.   Исследование изменений момента холостого хода электропривода размоточного аппарата стана ISF 5 ОАО «ММК-МЕТИЗ»............59
      2.2.3.   Проверка адекватности результатов расчета на разработанной модели экспериментальным данным на действующем стане ISF 5 ОАО «ММК-МЕТИЗ»..................................................65

3

      2.3. Анализ значимости факторов, определяющих величину натяжения

    в проволоке между роликовым правильным устройством и клетью профилирования......................................70
      2.4.  Расчет минимально допустимой величины натяжения в проволоке между роликовым правильным устройством и клетью профилирования.71
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЦЕЛЕСООБРАЗНОГО ИЗМЕНЕНИЯ МОМЕНТА ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ РАЗМОТОЧНОГО АППАРАТА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ РАДИУСА ЗАПОЛНЕНИЯ КАТУШКИ
ПРОВОЛОКОЙ.........................................................81
      3.1.  Расчет требуемого изменения момента торможения электродвигателя размоточного аппарата стана типа ISF 5........81
      3.2.  Методика расчета целесообразного изменения момента торможения электродвигателя размоточного аппарата при изменении радиуса заполнения катушки проволокой.......................86
      3.3.  Дополнительные технологические требования к электроприводу размоточного аппарата с позиций обеспечения глубины насечки в пределах допусков............................................87
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ РАЗМОТОЧНОГО АППАРАТА СТАНОВ ТИПА ISF 5.................92
      4.1.  Разработка функциональной схемы системы управления электроприводом размоточного аппарата стана типа ISF 5 по производству стальной арматуры..............................................92
      4.2.  Разработка алгоритма управления электроприводом размоточного аппарата стана типа ISF 5......................................96
      4.3.  Совершенствование системы управления электроприводом размоточного аппарата стана ISF 5 ОАО «ММК-МЕТИЗ»..100
      4.4.  Промышленная апробация результатов исследования на действующем стане ISF 5 ОАО «ММК-МЕТИЗ».........103
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...............................112
ПРИЛОЖЕНИЕ А...........................................118
ПРИЛОЖЕНИЕ Б...........................................120
ПРИЛОЖЕНИЕ В...........................................126
ПРИЛОЖЕНИЕ Г...........................................127
ПРИЛОЖЕНИЕ Д...........................................128
ПРИЛОЖЕНИЕ Е...........................................130
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж...........................................131
ПРИЛОЖЕНИЕ И...........................................133

4

            ВВЕДЕНИЕ



    Арматурный прокат для железобетонных конструкций является одним из самых массовых видов продукции черной металлургии в Российской Федерации. В 2011 году заявленное потребление арматуры для изготовления железобетона составило 4,9 млн т. К 2015 году, в связи с увеличением объемов строительства, ожидается рост потребления арматуры до уровня 7 млн. т. Доля арматурной проволоки, получаемой способом холодной деформации на станах по производству арматуры (СПА), составляет около 40-45 % от общего потребления арматуры для изготовления железобетона [1, 2].
    Технология производства холоднотянутой арматуры, оборудование и системы управления электроприводами отдельных агрегатов станов по производству высокопрочной стабилизированной арматурной проволоки постоянно совершенствуются в направлении повышения качества продукции, производительности станов и снижения себестоимости. Одним из резервов повышения качества арматуры и снижения доли несортовой продукции по причине несоответствия глубины насечки требуемым параметрам является совершенствование систем управления электроприводами основных агрегатов СПА [2, 3].
    В настоящее время на территории Российской Федерации высокопрочная стабилизированная арматурная проволока производится на станах типа ISF 5, изготовленных итальянскими фирмами Mario Frigerio S.p.a. и GCR Eurodraw, на «Магнитогорский метизно-калибровочный завод» (ОАО «ММК-МЕТИЗ»), ОАО «Белорецкий металлургический комбинат», ОАО «Северсталь-метиз» (г. Череповец) [4-9].
    По данным служб контроля качества арматуры ОАО «ММК-МЕТИЗ» на стане по производству стабилизированной арматуры ISF 5, предназначенной для производства железнодорожных шпал, периодически выявляются отклонения в значениях глубины насечки вне допустимых пределов, регламентированных технологическими картами ТК ММК МЕТИЗ - К.ПР. - 190 - 2014, ТК ММК МЕТИЗ - К.ПР. - 117 - 2008, ТИ ММК - МЕТИЗ - К.ПР - 28 - 2008. Указанная арматура подвергается снижению сортности и переназначается для изготовления менее ответственных железобетонных изделий. Потери заявленного производства могут достигать 5 и более процентов от общего объема производства. Возможной причиной указанного переназначения арматуры может быть несовершенство систем управления электроприводами стана.
    К электроприводам станов по производству арматуры предъявляются технологические требования, реализация которых обеспечивает собственно выполнение технологии изготовления арматуры на стане и безаварийную работу его отдельных агрегатов и стана в целом. Технологические же требования к электроприводам агрегатов станов по производству арматуры с позиций обеспечения требуемого качества глубины насечки на арматуре средствами автоматизированного электропривода отсутствуют. Отсутствуют и исследования влияния параметров работы электроприводов стана на глубину насечки на армату

5

ре и методики расчета изменения параметров работы электроприводов стана с целью обеспечения требуемых значений глубины насечки на арматуре.
    Вопросами электропривода и автоматизации проволочных прокатных и волочильных станов в СССР и РФ занимались научные школы ВНИИМЕТИЗ, ВНИИМЕТМАШ, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова», НИУ «Московский энергетический институт», ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ) и др. В работах Селиванова И. А., Радионова А. А., Выдрина В. Н. было доказано, что электропривод непрерывных проволочных станов, как активное звено многосвязного объекта регулирования, может существенно влиять на геометрические размеры обрабатываемой проволоки. Исследования же о влиянии электропривода станов по производству арматуры на показатели глубины насечки отсутствуют [10-14].
    За рубежом работы по разработке станов и способов производства арматурной проволоки проводились на фирмах Hans Arnold Maschinenfabrik (ФРГ), Karl Fuhr (ФРГ), BauStahlgewebe (ФРГ), Elin Union (Австрия), Koks (ФРГ), Vereinigte Drahtindustrie (ФРГ), Roth - Electic (ФРГ) [15].
    В [16, 17] экспериментально доказано, что наилучшей схемой проведения операции профилирования является обжатие в неприводных валках на участке размотки и профилирования с формированием натяжения перед входом в клеть профилирования. Однако, конкретных рекомендаций по выбору величины натяжения перед входом в клеть профилирования, создаваемого электроприводом размоточного аппарата, не приведено.
    Создание эффективной с позиций обеспечения глубины насечки на арматуре в пределах допустимых параметров системы управления электроприводом размоточного аппарата позволит за счет стабилизации на требуемом уровне натяжения в проволоке на входе в клеть профилирования посредством целесообразного изменения момента торможения электродвигателя размоточного аппарата в функции изменения радиуса заполнения катушки проволокой уменьшить долю арматуры, подлежащей переназначению, и, как следствие, увеличить долю готовой сортовой продукции.
    В связи с изложенным, целью настоящей работы является разработка системы управления электроприводом размоточного аппарата стана по производству арматуры, обеспечивающей увеличение доли сортовой продукции за счет стабилизации натяжения в проволоке на входе в клеть профилирования посредством целесообразного по мере размотки проволоки с барабана катушки изменения момента торможения электродвигателя размоточного аппарата.
    Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:
    -      анализа известных технологических требований и применяемых систем управления электроприводами СПА с позиций обеспечения требуемого качества глубины насечки на арматуре;
    -      экспериментальных и теоретических исследований электроприводов отдельных агрегатов СПА;

6

    -      разработки математической модели расчета натяжения в проволоке между роликовым правильным устройством и клетью профилирования, создаваемого электроприводом размоточного аппарата;
    -      разработки методики расчета допустимого, с позиций обеспечения глубины насечки на арматуре в пределах допусков, изменения натяжения в проволоке, создаваемого электроприводом размоточного аппарата между роликовым правильным устройством и клетью профилирования;
    -      разработки методики расчета целесообразного изменения момента торможения электродвигателя размоточного аппарата при изменении радиуса заполнения катушки проволокой с целью стабилизации на требуемом уровне натяжения в проволоке между роликовым правильным устройством и клетью профилирования;
    -      разработки дополнительных технологических требований к системе управления электроприводом размоточного аппарата с позиций обеспечения глубины насечки на проволоке в пределах допустимых значений;
    -      разработки функциональной схемы и алгоритма управления электроприводом размоточного аппарата, обеспечивающих реализацию дополнительных технологических требований;
    -      экспериментальной оценки технической и экономической эффективности предложенных методик и технических решений на действующем стане ISF 5 ОАО «ММК-МЕТИЗ».

7

ГЛАВА 1


АНАЛИЗ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ СТАНОВ ПО ПРОИЗВОДСТВУ АРМАТУРЫ
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

    Требования к качеству арматуры, особенно предназначенной для производства железнодорожных шпал, постоянно повышаются как с позиций увеличения параметров эксплуатационной стойкости арматуры, так и с позиций уменьшения диапазона изменения значений глубины насечки [1, 18, 19].
    На современных станах по производству арматуры для железобетонных конструкций службами контроля качества периодически фиксируются отклонения параметров глубины насечки менее требуемых по технологическим инструкциям значений.
    Одним из резервов повышения качества насечки арматурной проволоки на станах по производству холоднотянутой стабилизированной арматуры для железобетонных конструкций является целесообразное управление параметрами работы электроприводов стана с целью минимизации величины отклонения глубины насечки арматурной проволоки от допустимых по технологической карте значений при условии выполнения основных технологических требований, предъявляемых к электроприводам.
    Анализ технологических особенностей производства высокопрочной арматуры, режимов работы электроприводов и предъявляемых к ним технологических требований позволит определить пути дальнейших исследований в направлении разработки эффективной с точки зрения уменьшения доли арматуры с глубиной насечки менее требуемых параметров системы автоматического управления электроприводами станов по производству арматуры.

        1.1. Особенности технологии обработки проволоки на станах по производству холоднотянутой стабилизированной арматуры для железобетонных конструкций

    Основные тенденции развития технологии производства предварительно напряженных железобетонных конструкций направлены на сокращение металлоемкости конструкции, снижение трудоемкости и энергетических затрат на их изготовление, снижение пересортицы, повышение стойкости и срока эксплуатации железобетонных изделий, а также увеличение выхода доли годной продукции [1].
    В настоящее время применяется несколько технологий получения арматуры. К ним относятся технологии горячей и холодной прокатки проволоки, ее

8

волочения с последующим упрочнением вытяжкой или скручиванием, волочения с последующей термообработкой и т. п. [3, 20].
    Стальная арматура для ответственных железобетонных конструкций и железобетонных шпал должна обладать комплексом высоких прочностных характеристик с сохранением пластических свойств. Данный комплекс механических свойств металла достигается за счет формирования в нем ультрамелкозерни-стой структуры (структуры с субмикрокристаллическими зернами размером 100-1000 нм и нанокристаллическими зернами размером менее 100 нм). Кроме того, арматура должна иметь высокие показатели прочности сцепления с бетоном, которые, в основном, достигаются за счет применения рациональных параметров насечки арматуры в соответствии с ГОСТ 7348-81, ТУ 1224088-00187240-2013 и ТУ 0930-011-01115863-2008 на арматурную сталь [18, 19, 21-23].
    Технология производства арматуры для ответственных железобетонных конструкций и железобетонных шпал нового поколения включает в себя следующие операции [24, 25]:
    1)      патентирование катанки с целью получения ультрамелкозернистой структуры металла;
    2)     волочение с целью получения заданного сечения арматуры;
    3)     нанесение насечки;
    4)      стабилизация механических свойств арматуры с целью получения специальных свойств наноструктурированной арматуры: релаксационной стойкости, характеризующей способность арматуры противостоять пластической деформации при воздействии напряжений, и циклической прочности, характеризующей способность арматуры воспринимать повторные, знакопеременные нагрузки без разрушения.
    В последние годы в России и за рубежом выполнение последних двух операций совмещается в одном технологическом процессе на станах типа ISF 5. Совмещение технологических операций на одном стане позволяет сократить цикл производства арматуры и повысить выход годного продукта [26].
    Одними из основных производителей станов с совмещением процессов нанесения насечки и стабилизации механических свойств арматуры являются фирмы Mario Frigerio S.p.a. (Италия) и GCR Eurodraw (Италия) [4-6].
    В настоящее время производство арматуры в Российской Федерации на станах типа ISF 5 осуществляется на «Магнитогорский метизно-калибровочный завод» (ОАО «ММК-МЕТИЗ»), ОАО «Белорецкий металлургический комбинат», ОАО «Северсталь-метиз» (г. Череповец). Эти предприятия являются основными поставщиками арматуры для железобетонных конструкций повышенной прочности. Общая производительность станов на указанных предприятиях составляет около 42 тыс. т. в год при обработке проволоки различного сортамента [8, 9].
    Основные технологические и конструкционные параметры указанных станов идентичны. Поэтому результаты исследований, выполненных на стане ISF 5 ОАО «ММК-МЕТИЗ» могут быть использованы на других станах.

9

    На станах для производства высокопрочной стальной арматуры для изготовления железобетонных конструкций типа ISF 5 обрабатывают проволоку в основном из высокоуглеродистых марок стали диаметром от 3 до 10 мм. Основным сортаментом стана для производства высокопрочной стальной арматуры для железобетонных конструкций ISF 5 на ОАО «ММК-МЕТИЗ», изготовленного итальянской фирмой Mario Frigerio S.p.a., является арматура диаметром 5 и 9,6 мм. Арматура диаметром d₁ = 5 мм используется для изготовления строительных конструкций, d₂ = 9,6 мм - для изготовления железнодорожных шпал [21, 22].
    Структурная схема технологической линии типового стана по производству стальной арматуры для железобетонных конструкций, на примере стана ISF 5 ОАО «ММК-МЕТИЗ», приведена на рисунке 1.1.
    По технологическому назначению процесс изготовления арматуры на станах типа ISF 5 разделяют на четыре участка: участок размотки и нанесения насечки (между размоточным аппаратом 1 и кабестаном 7); участок формирования механических свойств арматуры (между кабестаном 7 и кабестаном 11); участок намотки арматуры в бунты (между кабестаном 10 и намоточными аппаратами 14); участок резки арматуры на прутки (между кабестаном 11 и отрезным станком 16).
    Размоточный аппарат 1 предназначен для удержания в его цапфах катушки с проволокой, ее бесперебойной размотки, разгиба проволоки и создания натяжений в проволоке на входе в клеть профилирования 3 и в промежутке клеть профилирования 3 - первая группа кабестанов 6, 7.
    Кинематическая схема электропривода размоточного аппарата приведена на рисунке 1.2. Вал электродвигателя 1 соединен с цапфой крепления катушки 5 через редуктор 2 и ременную передачу (малый шкив 3, большой шкив 4).
    В роликовом правильном устройстве 2 (рисунок 1.3) осуществляется выпрямление проволоки посредством ее последовательного загиба и разгиба в Цр₀Л = 7 роликах, расположенных в двух рядах (в верхнем ряду установлено 3 ролика, в нижнем - 4). Вертикальное расстояние между осью верхнего ролика и осями нижних роликов ур₀Л роликового правильного устройства 2 для каждого верхнего ролика одинаково.

10

Участок резки

Участок формирования

механических свойств

Рисунок 1.1- Структурная схема технологической линии стана типа ISF 5:
       1 - размоточный аппарат; 2 - роликовое правильное устройство; 3 - клеть профилирования; 4 - роликовое рихтовальное устройство; 5 - промывочная ванна; 6 - первый кабестан; 7 - второй кабестан; 8 - индукционная печь; 9 - ванна охлаждения; 10 - третий кабестан; 11 - четвертый кабестан; 12 - подающие ролики; 13 - отрезная станция;
14 - намоточные аппараты; 15 - подающие ролики; 16 - отрезной станок

Рисунок 1.2 - Кинематическая схема электропривода размоточного аппарата стана типа ISF 5:
1 - электродвигатель; 2 - редуктор; 3 - малый шкив; 4 - большой шкив;
5 - цапфа крепления катушки; 6 - катушка

    В клети профилирования 3 осуществляется нанесение насечки на проволоку. Для нанесения периодического профиля применяется двух- или трехроликовая неприводная клеть с водяным охлаждением роликов [27].
    Периодичность замены роликов клети профилирования на стане не регламентирована. Замена роликов осуществляется технологическим персоналом по мере их износа. Практика обработки проволоки на стане ISF 5 ОАО «ММК-МЕТИЗ» показала, что замена роликов клети профилирования осуществляется, в среднем, один раз за рабочую смену.
    Роликовое рихтовальное устройство предназначено для обеспечения необходимой прямолинейности готовой арматуры. Роликовое рихтовальное устройство состоит из четырех блоков роликов, расположенных в четырех плоскостях под углом 30° по отношению друг к другу. Каждый блок роликов i = 1.. .4 имеет типовую конструкцию (рисунок 1.3) и состоит из прол = 9 роликов, расположенных в двух рядах (в верхнем ряду установлено 4 ролика, в нижнем - 5).

12