Глава 12 Автоматизация листопрокатного производства

12.1 Общие сведения

Прокатное производство охватывает процессы получения изделий из металлов исплавов путем прокатки, т.е. деформации металлов и сплавов между вращающимися валками. Основная задача прокатного производства состоит в обеспечении требуемого качества проката, т. е. в обеспечении соответствия геометрических размеров, формы, физико-механических свойств и состояния поверхности проката заданным требованиям. Технологический процесс производства проката включает следующие основные технологические операции: подготовки металла к прокатке; нагрев металла перед прокаткой (при горячей прокатке); прокатка металла или сплава; отделка проката. Непрерывный широкополосный стан состоит из чернового оскалиноломателя, черновой группы, состоящей из пяти - шести клетей, чистового окалиноломателя, чистовой непрерывной группы из восьми - девяти клетей. Две или три последние клети черновой группы таксе могут иметь непрерывное расположение, образуя непрерывную черновую подгруппу клетей. Скорость прокатки до 30 м/с, масса используемых слябов до 45 т. Для нагрева слябов перед прокаткой используются пятизонные методические печи с шагающими балками или с толкателями.

12.2 Система регулирования натяжения полосы

Для автоматизации широкополосного стана горячей прокатки создается трехуровневая АСУ ТП стана, состоящая из центральной и зональных УВМ и локальных систем управления. Одной из локальных систем управления технологическими переменными зоны рабочих клетей является система регулирования натяжения полосы между клетями непрерывной группы. Функциональная схема системы автоматического регулирования натяжения полосы между клетями (САРН) приведена на рис.60.

Рис.60 – Функциональная схема системы автоматического регулирования натяжения полосы в НШСГП

Скорость вращения валков клети ω управляется в соответствии с заданием ω_з системой автоматического регулирования скорости (САРС). Усилие прокатки Р₂ в клети измеряется измерителем 2. Статический момент М₂ двигателя привода вращения валков клети определяется косвенно на основании измерения переменных процессов в двигателе. Косвенный измеритель момента на рис.60 не показан. Вычислительное устройство 3 по значениям Р₂ и М₂ определяет расчетное значение усилия T₂ в полосе между клетями. Функциональные элементы 2 и 3 и косвенный измеритель момента клети образуют косвенный измеритель усилия в полосе между клетями. Управляющие устройства 4 при отсутствии полосы в соответствующих клетях устанавливают задания системам регулирования скорости клетей, равными исходным. При наличии полосы в клетях управляющие устройства 4 в функции отклонения расчетного значения натяжения Т₂ от заданного преобразуют исходные значения скорости в заданные таким образом, чтобы обеспечить поддержание заданного значения Т₂ при постоянстве натяжений. Управляющие устройства 1 клетей и косвенный измеритель натяжения между клетями совместно с САРС клетей образуют систему регулирования натяжения полосы между клетями САРН. Аналогично построены САРН остальных межклетевых промежутков группы.

12.3 Регулирование положения петледержателей

Система автоматического регулирования положения петледержателей (САРПП) предназначена для поддержания заданных значений углов подъема рычагов петледержателей, расположенных между клетями чистовой группы стана. Функциональная схема САРПП приведена на рис.61. Рычаг 1 петледержателя, расположенного между клетями, устанавливается в необходимое положение приводом петледержателя 2. Угол подъема рычага α и момент на валу привода измеряются измерителями 3 и 4.

Рис.61 - Функциональная схема системы автоматического регулирования положения петледержателей чистовой группы НШСГП

Вычислительное устройство 5 по значениям α и момента определяет расчетное значение натяжения, действующего в полосе между клетями. При этом учитывается масса и усилие изгиба полосы, а также масса подвижных частей петледержателя. Управляющее устройство 6 в функции отклонения расчетного натяжения от заданного значения вырабатывает управляющее воздействие на привод петледержателя, осуществляя регулирование величины натяжения. Функциональные элементы 1-6 образуют систему автоматического регулирования натяжения (САРН) в межклетевом промежутке. Управляющие устройства 8 клетей в функции отклонения угла подъема рычага петледержателя α от заданного значения преобразуют величины скорости в задания САРС клетей таким образом, чтобы обеспечить поддержание заданного значения угла α при неизменных положениях петледержателей в последующих межклетеевых промежутках. Управляющие устройства 7 и измеритель угла подъема петледержателя 3 совместно с САРС образуют систему автоматического регулирования петледержателя межклетевого промежутка (САРПП). Аналогично строятся САРПП для всех остальных межклетевых промежутков. Система автоматического регулирования толщины полосы (САРТ) предназначена для поддержания заданного значения толщины середины полосы на выходе из чистовой группы клетей (рис.62).

Рис.62 - Функциональная схема системы автоматического регулирования положения петледержателей чистовой группы НШСГП

Винтовое устройство 1 валков клети обеспечивает изменение расстояния между опорными поверхностями подушек опорных валков. Величина h измеряется с помощью измерителя положения 2, кинематически связанного с нажимными винтами. Управляющее устройство 3 в функции отклонения величины h от заданного значения h₀,вырабатывает управляющее воздействие на устройство установки валков, обеспечивающее установку их в заданное положение. Функциональные элементы 7, 2, 3 образуют систему управления положением валков клети. Усилие прокатки в клети измеряется измерителем усилия 4. Сигналы от него, и измерителя положения винтов 2 поступают в вычислительное устройство, определяющее расчетную толщину середины полосы на выходе из клети. Функциональные элементы 2, 4, 5 образуют косвенный измеритель толщины середины полосы на выходе из клети. Управляющее устройство 6 вырабатывает задание системе управления положением нажимных винтов при отсутствии полосы в клети задавая, а при наличии полосы в клети изменяя исходное задание в функции отклонения расчетной толщины от заданного значения таким образом, чтобы обеспечить поддержание заданного значения расчетной толщины середины полосы на выходе из клети. Функциональные элементы 4, 5, 6 совместно с системой управления положением нажимных винтов образуют систему автоматического регулирования толщины середины полосы на выходе из клети. Остальные клети чистовой группы оборудованы аналогичными системами. Задания САРТ отдельных клетей вырабатываются блоком 8 в функции заданного значения толщины середины полосы на выходе из стана и корректируются в функции отклонения от его значения толщины, измеряемого бесконтактным измерителем 7, установленным за чистовой группой.

12.4 Система регулирования профиля полосы

Система автоматического регулирования профиля (САПР) предназначена для поддержания заданного профиля полосы на выходе из чистовой группы клетей (рис.63). Гидроцилиндры 1 гидравлического устройства напряжения клети, смонтированные в подушках нижних рабочих валков, создают между подушками рабочих валков определенное усилие.

Рис.63 - Схема автоматического регулирования профиля полосы НШСГП

Величина усилия измеряется с помощью измерителя 2 (давления в гидроцилиндрах). Управляющее устройство 3 в функции отклонения усилия от заданного значения вырабатывает управляющее воздействие на ЭГП устройства 4. Функциональные элементы 1-4 образуют систему управления усилием напряжения клети. Реакция нажимных винтов измеряется измерителем усилия 5. Сигналы измерителей усилий поступают в вычислительное устройство 6, определяющее расчетную величину выпуклости профиля полосы на выходе из клети. Функциональные элементы 2, 5, 6 образуют косвенный измеритель выпуклости профиля на выходе из клети. Управляющее устройство 7 при отсутствии полосы в клети задает определенное усилие, а при наличии в функции отклонения расчетной выпуклости профиля от заданного значения вырабатывает задание системе управления усилием напряжения, изменяя исходное задание таким образом, чтобы обеспечить поддержание заданного значения расчетной выпуклости профиля полосы на выходе из клети. Функциональные элементы 5, 6, 7 совместно с системой управления усилием напряжения клети образуют систему регулирования выпуклости профиля полосы на выходе из клети. Остальные клети чистовой группы оборудуются аналогичными системами. Задания САРП отдельных клетей вырабатываются блоком 8 в функции заданного значения выпуклости профиля полосы и корректируются в функции отклонения от его значения, измеряемого бесконтактным измерителем выпуклости профиля 9, установленным за чистовой группой. Рассмотренная САРП есть совокупность САРП отдельных клетей, функционального элемента 8 и измерителя выпуклости профиля 7.

12.5 Системы автоматического регулирования температуры конца прокатки и смотки

Функциональная схема системы автоматического регулирования температуры конца прокатки (САРТКП) изменением скорости прокатки в чистовой группе стана показана на рис. 64. Система включает измерители температуры полосы на выходе 1 и входе 2 в чистовую группу, управляющие устройства 3-5, системы автоматического регулирования скорости вращения валков клетей группы 6 и управляющее устройство 7.

Рис.64 - Функциональная схема системы автоматического регулирования температуры конца прокатки изменением скорости

Для управления температурой конца прокатки может быть использовано принудительное охлаждение полосы изменением расхода охлаждающей воды. Функциональная схема системы приведена на рис. 65. Управляющие устройства 3-5 в функции заданного значения скорости полосы на выходе из группы преобразуют исходные задания систем регулирования скорости вращения валков клетей в задания таким образом, чтобы обеспечить требуемые изменения скорости прокатки при постоянстве положения петледержателей. Кроме этого, управляющее устройство 3 клети в функции исходных заданий систем регулирования скорости преобразует исходное задание системы регулирования скорости в задание таким образом, чтобы при изменениях положение петледержателя между клетям не изменялось. Аналогично, управляющее устройство 4 клети в функции исходных заданий преобразует исходное задание системы регулирования скорости этой клети в задание так, чтобы при изменениях положение петледержателя между клетями не изменялось. Функциональные элементы 8-6 образуют систему управления скоростным режимом прокатки в группе. Непосредственное управление температурой конца прокатки осуществляет управляющее устройство 7, представляющее собой устройство комбинированного управления по отклонению и возмущению. В устройство вводится заданное значение температуры конца прокатки, а также значения скорости прокатки и температуры подката, при которых в условиях отсутствия других возмущений достигается заданная температура конца прокатки. Закон изменения температуры подката по его длине от полосы к полосе меняется не очень значительно. Поэтому измерение температуры подката может при управлении не использоваться, а компенсация влияния изменения температуры по длине подката на температуру конца прокатки может осуществляться изменением скорости прокатки в группе по заданному закону в функции времени. Регулирование температуры конца прокатки сопровождается ослаблением влияния изменений температуры подката на толщину, выпуклость профиля и показатель неплоскостности полосы на выходе из стана. Для управления температурой конца прокатки может быть использовано принудительное охлаждение полосы между клетями чистовой группы стана. С этой целью группа оснащается установкой межклетевого охлаждения полосы, представляющей собой систему коллекторов с соплами, из которых вода струями подается на полосу, подводящих трубопроводов, а также запорно-регулирующей арматуры. При наличии в составе числовой группы установки межклетевого охлаждения полосы группа оснащается системой автоматического регулирования температуры

Рис.65 - Функциональная схема системы автоматического регулирования температуры конца прокатки изменением расхода охлаждающей воды

1 измеряет расход охлаждающей воды, подаваемой на полосу между клетями. Управляющее устройство 2, воздействуя с помощью управляющего сигнала на регулирующий клапан 3, обеспечивает поддержание расхода равным заданному значению. Элементы 1-3 образуют систему регулирования расхода межклетевого промежутка. Регулирование расхода в других межклетевых промежутках осуществляется аналогично. Задания системам регулирования расхода вырабатывается устройством управления 7 по отклонению и возмущению. Задача автоматического управления состоит прежде всего в оптимизации процесса прокатки, обеспечивающего достижение поставленных целей. При наличии нескольких целей оптимального управление должно вестись с использованием векторного критерия оптимальности, составляющие которого соответствуют частным целям.

Для управления процессом охлаждения полосы на отводящем рольганге создается система автоматического регулирования температуры смотки полосы (САРТС) изменением расхода воды на душирование (рис. 66).

Рис.66 - Функциональная схема системы автоматического регулирования температуры смотки полосы изменением расхода охлаждающей воды

В состав системы входят регуляторы расхода охлаждающей воды по секциям установки 1, измеритель 2 температуры смотки полосы, установленный перед моталкой, измеритель 3 температуры полосы за чистовой клетью, измеритель 4 скорости вращения валков чистовой клети и управляющее устройство 5 комбинированного управления по отклонению и возмущениям. В управляющее устройство вводится заданное значение температуры смотки полосы, значения скорости валков чистовой клети, температуры конца прокатки и расходов по секциям, при которых в условиях отсутствия других возмущений достигается заданная температура смотки полосы, а также значения температуры смотки, температуры конца прокатки и скорости валков чистовой клети, измеряемые соответственно измерителями 2, 3 и 4. Устройство 5 в функции отклонения скорости валков и температуры от заданных значений, являющихся главными возмущениями для системы, преобразует значения расходов в задания, при которых обеспечивается компенсация влияния этих возмущений на температуру смолки. Управление по отклонению температуры смотки от заданного значения устраняет влияние на нее не скомпенсированных возмущений. Для уменьшения влияния транспортного запаздывания между душирующей установкой и моталкой на процесс управления может осуществляться косвенное измерение температуры смотки определением температуры полосы на выходе из душирующей установки. При выходе заднего конца полосы из чистовой клети для оценки скорости полосы может использоваться измерение скорости моталки. Работа системы принципиально не отличается, если изменение расхода воды производится изменением числа включенных секций установки. При отсутствии полосы в зоне действия секции установки межклетевого охлаждения или душирующей установки секция отключается. Во всех рассмотренных системах регулирования температуры результаты ее измерения можно использовать для адаптации контуров управления по возмущению

12.6 Общие сведения о станах холодной прокачки полос и их автоматизации

На станах холодной прокатки получают листовую продукцию толщиной 0,5-2 мм и шириной от 200 до _2300 мм из рядовых и качественных углеродистых, низколегированных и легированных сталей. Заготовкой служат горячекатаные полосы в рулонах. Технологический процесс производства холоднокатаных полос и листов включает следующие основные технологические операции:

1) травление с последующим промасливанием;
2)холодная прокатка;
3) светлый отжиг;
4) дрессировка;
5) порезка, промасливание, сортировка;
6) упаковка, маркировка и отгрузка пачек листов и рулонов.
Травление обеспечивает удаление окалины с поверхности горячекатаных полос и осуществляется на непрерывных травильных агрегатах (НТА), включающих разматывающие устройства, устройства для сварки концов рулонов, петлевые устройства, дрессировочную клеть; травильные ванны или башни, гильотинные и дисковые ножницы, промасливающее устройство и свертывающую машину. Травление полосы производится в сернокислотном или солянокислотном травильном растворе. Холодная прокатка осуществляется на непрерывных и реверсивных одноклетевых станах.

На непрерывных станах прокатываются в больших объемах полосы узкого сортамента из углеродистых сталей. Современный непрерывный стан холодной прокатки полос состоит из четырех-шести последовательно расположенных клетей; разматывателя и моталки. Скорость прокатки на стане до 40 м/с, масса рулонов - до 50 т. Клети стана четырехвалковые. Рабочие валки устанавливаются на четырехрядных подшипниках с коническими роликами, а опорные - на подшипниках жидкостного трения. Находят применение ПЖТ с гидростатической системой смазки, исключающей изменение толщины масляной пленки в подшипнике при изменении скорости прокатки.

12.7 Системы автоматического регулирования натяжения

Управление натяжением полосы между клетями непрерывного стана возможно изменением положения валков последующей клети, скорости валков предыдущей клети или скорости валков последующей клети. Функциональная схема регулирования натяжения перемещением валков как управляющего воздействия на натяжение полосы (САРН) показано на рис. 67.

Рис.67 – Функциональная схема системы автоматического регулирования натяжения полосы на непрерывном стане холодной прокатки изменением скорости валков

Регулирование натяжения между клетями осуществляется системой, включающей роликовый измеритель натяжения 1, управляющее устройство 2 и систему управления положением валков 3 клети. Управляющее устройство 2 в функции отклонения натяжения от заданного значения преобразует исходное задание системе управления положением валков в задание, обеспечивающее поддержание заданного значения натяжения. Регулирование натяжения между остальными клетями стана осуществляется аналогично. САРН стана представляет собой совокупность САРН отдельных межклетевых промежутков. Основными возмущающими воздействиями для рассматриваемой САРН являются изменения:
1) зазоров между валками вследствие их биения, теплового расширения и износа, а также изменения толщины масляной пленки в ПЖТ;
2) скоростей вращения валков.

Функциональная схема системы автоматического регулирования по отклонению толщины середины полосы на выходе из промежуточной клети непрерывного стана холодной прокатки показана на рис. 68.

Рис.68 – Функциональная схема системы автоматического регулирования толщины полосы на непрерывном стане холодной прокатки изменением по отклонению

В систему входит измеритель толщины середины полосы 1, установленный на выходной стороне клети, управляющее устройство 2 и система автоматического регулирования скорости валков 3 клетей. Управляющие устройства 2 в функции отклонения толщины середины полосы в измерителе от заданного значения преобразуют исходные задания систем регулирования скорости в задания так, чтобы толщина равнялась заданному значению при постоянстве натяжений. В схему входит система автоматического регулирования скорости валков 5 и управляющее устройство 4, формирующее задание системе 5 в функции отклонения толщины от задания. Функциональная схема САРФ, предназначенной для регулирования показателей неплоскостности полосы на выходе из клети изменением усилия напряжения этой клети показана на рис.69. Гидроцилиндры 1 устройства напряжения, измеритель усилия напряжения 2, управляющее устройство 3 и ЭГП

Рис.69 – Функциональная схема системы автоматического регулирования формы с прямым измерением показателя неплоскостности

4 образуют систему управления усилием напряжения клети. а измеритель неплоскостности 5 и управляющее устройство 6 обеспечивают регулирование показателя неплоскостности, то изменением задания. Если использовать косвенное измерение показателя неплокостности, то функциональная схема системы принимает вид, показанный на рис. 70.

Рис.70 – Функциональная схема системы автоматического регулирования формы с косвенным и прямым измерением показателя неплоскостности

Функциональные элементы 1-4 образуют систему управления усилием напряжения клети. Измерители 5 усилия на нажимных винтах и координаты 6 нажимных винтов, кинематически связанные с устройством установки валков, измеритель 2 усилия Р и вычислительное устройство 8 образуют косвенный измеритель относительной выпуклости профиля полосы на выходе из клети. Аналогичный измеритель имеется на других клетях. Расчетные значения относительной выпуклости из косвенных измерителей поступают в вычислительное устройство 9, образующее совместно с ними косвенный измеритель показателя неплоскосгности на выходе из клети. Управляющее устройство 10 в функции отклонения расчетного значения показателя неплоскостности от заданного f вырабатывает задание системе управления усилием напряжения клети, обеспечивая соответствие заданию. Заданное значение вырабатывается блоком 11 в функции заданного значения показателя неплоскостности полосы на выходе из группы и корректируется с учетом показания измерителя неплоскостности полосы 12, установленного за клетью. При косвенном измерении относительной выпуклости полосы на выходе из клети должно учитываться транспортное запаздывание между клетями. Аналогичными системами можно оснастить также все клети.

12.8 АСУ ТП широкополосных станов

Опыт эксплуатации АСУ ТП широкополосных станов показал, что наибольший экономический эффект может быть достигнут при создании многоуровневых интегрированных систем управления, обеспечивающих как управление технологическим процессом, так и производством в цехе и на предприятии в целом. На НШСГП используется разнообразное оборудование, расположенное на протяжении нескольких сот метров; причем одновременно на стане может прокатываться до пяти слябов. Это требует при создании АСУ ТП предусмотреть слежения за каждым слябом, а также автоматизацию всех технологических процессов.

На рис. 71 представлена структура АСУ ТП современного широкополосного стана. Для управления отдельными механизмами и технологическими участками применяются локальные системы автоматического регулирования», которые могут быть выполнены как на аналоговых, так и на цифровых элементах. На некоторых НШСГП для управления электро- и гидроприводами механизмов применяются УЭВМ в режиме прямого цифрового управления, а локальные САР используются в качестве резерва. Системы автоматического регулирования совместно с датчиками технологического контроля составляют нижний уровень автоматизации, управляемый от среднего уровня. На среднем уровне устанавливается несколько вычислительных машин (в данном случае три), обеспечивающих оптимальное и адаптивное управление станом на основе принятых моделей и критериев и полученной информации о ходе технологического процесса, начальную настройку стана, сбор и обработку технологической информации. Верхний уровень АСУ ТП предназначен для целей планирования и оперативного управления производством, для сопровождения металла по линии стана, идентификаций слябов и управления ритмом прокатки, а также для сбора и обработки производственной информации. УЭВМ верхнего уровня связана с АСУП цеха и завода и в ряде случаев может выполнять функции, принадлежащие низшей ступени иерархии АСУП. Применение нескольких вычислительных машин как на низшем, так и на верхнем уровнях АСУ ТП соответствует современной тенденции внедрения децентрализованных систем управления. Их появление и развитие обусловлено как усложнением объектов управления, так и повышением требований к надежности систем.

Контрольные вопросы

1.Объясните необходимость автоматического регулирования полосы между клетями.
2.Объясните систему регулирования толщины полосы.
3.Каким образом регулируется профиль полосы НШСГП?
4. Для чего необходим контроль температуры в конце прокатки?
5. Объясните технологический процесс производства холоднокатаных полос и листов.
6. Объясните структурную схему АСУ ТП широкополосных станов.

Вернуться к началу главы

Вернуться к началу учебника