Состав и свойства систем управления прокатными и кузнечно-прессовыми комплексами

План лекции

1. Характеристика технологического оборудования

2. Системы управления комплексами

5.1 Характеристика технологического оборудования

5.1.1 Клети прокатных станов

Клеть является основным технологи­ческим оборудованием прокатного стана, осуществляющим де­формацию металла в валках в режимах: нереверсивном (проход металла только в одном направлении) или реверсивном (прокатываемый металл проходит между валками несколько раз).

Клети классифицируют по количеству и расположению валков, режиму работы. По количеству валков клети прокатных ста­вов разделяются на двух-, трех-, четырех- и многовалковые (рис 5.1).

а) б) в) г) д) е)

Рисунок 5.1

Приводными являются, как правило, рабочие валки, в кото­рых происходит обжатие металла. В многовалковых клетях в каче­стве приводных используют рабочие и опорные валки. По располо­жению валков клети бывают с горизонтальными, вертикальными и косыми валками. Некоторые клети имеют горизонтальные и вертикальные валки. Двухвалковые (рис. 5.1, а) и трехвалковые (рисунок 5.1, б) клети применяют в тех случаях, когда отношение диаметра рабочего валка к его длине D_В/L_В > 0,4, что обеспечивает достаточную жесткость валка на изгиб. Такие клети устанавливают на обжимных, заготовочных, сортовых и трубных станах. Трехвалковая клеть имеет один двигатель, двухвалковая клеть может иметь один или два двигателя с индивидуальным или групповым приво­дом рабочих валков.

Четырехвалковые клети (рисунок 5.1, в) кроме двух рабочих валков, выполняющих обжатие металла, имеют два опорных вала, что позволяет повысить жесткость рабочих валков. Приводными являются рабочие валки. В зависимости от мощности привода используют один или два двигателя, соединенных механически на один вал.

Шести-, двенадцати- и двадцативалковые клети (рис. 5.1, г, д, е) кроме двух рабочих валков имеют соответственно 4, 10 и 18 опорных валков, обеспечивающих высокую жесткость рабочих вал­ков не только по вертикальной оси. Такие клети служат для прокат­ки тончайшей ленты толщиной менее 0,1 мм. Приводными валка­ми являются рабочие и опорные валки при индивидуальном и груп­повом питании. Они используются для станов холодной прокатки.

В прокатном производстве для привода рабочих валков клетей большинства станов используются двигатели постоянного тока, получающие питание от полупроводниковых преобразователей. В новых разработках и при модернизации применяют синхронные и асинхронные короткозамкнутые двигатели, получающие пита­ние от преобразователя частоты.

Условия работы электроприводов прокатных станов (особенно реверсивных) предъявляют высокие требования к электрическим машинам. Для получения высоких динамических показателей при заданной установленной мощности требуются машины с пре­дельными характеристиками, высоким КПД и максимальной на­дежностью в эксплуатации.

Для привода валков рабочих клетей прокатных станов при­меняют двигатели мощностью от десятков до тысяч кВт с различным диапазоном скоростей. В установках мощностью до 200 кВт используют в основном серийные двигатели, а для уста­новок большей мощности разрабатываются специальные двига­тели.

Обжимные станы, требующие больших обжатий при малых геометрических размерах заготовки по длине, требуют установки ре­версивных двигателей, рассчитанных на малые частоты вращения (50... 150 об/мин). Нереверсивные двигатели, используемые для по­лунепрерывных и других станов, изготавливают более быстроход­ными (100... 1250 об/мин).

5.1.2 Кузнечно-прессовые машины

Кузнечно-прессовые машины (КПМ) осуществляют деформацию металла или другого материала в процессе приложения ударного уси­лия. К таким машинам относятся кривошипные прессы, ковочные машины и вальцы, винтовые прессы и др. Электроприводы кузнечно-прессовых машин разделяются на: главные электроприводы ма­шин, снабженных маховиками; главные безмаховиковые электро­приводы машин; электроприводы насосов и компрессоров, исполь­зуемых в гидропрессах и молотах; электроприводы вспомогательных механизмов механических и гидравлических КПМ.

Расчет мощности и выбор электродвигателей для последних трех групп приводов КПМ не имеют каких-либо особенностей и производятся по аналогии с другими механизмами. Некоторая специфика, свойственная всем КПМ, заключается в выборе исполнений электродвигателей по способу защиты от вредных воздействий окружающей среды, поскольку большинство этих электроприводов работает в условиях вибраций и ударов, повышен­ной температуры горячих цехов, в атмосфере, содержащей пары воды и масла, обладающей повышенной проводимостью вслед­ствие наличия окалины, графитовой смазки и т.п. Поэтому для подавляющего большинства приводов КПМ электродвигатели должны иметь закрытое обдуваемое, а для некото­рых даже пожаро- и взрывобезопасное исполнения.

Механические КПМ с маховиковыми электроприводами со­ставляют наибольшую группу по числу типов и количеству вы­пускаемых и эксплуатируемых машин. В нее входят кривошипные прессы, ковочные машины и вальцы, винтовые прессы и др. Спе­цифической особенностью работы этого оборудования является резко выраженный ударный характер нагрузки, при котором ста­тический момент сопротивления за цикл резко изменяется по раз­личным законам от значения момента холостого хода М_сх до мак­симального (М_сmax) и вновь спадает до М_сх. При этом для боль­шинства кривошипных КПМ отношение М_сmax/М_сх = 10...30.

5.2 Системы управления комплексами

5.2.1 Управление прокатными станами

Клети прокатного стана могут быть нереверсивными и ревер­сивными. Реверсивные клети, кроме горизонтальных прокатных валков, могут иметь пару вспомогательных вертикальных валков для обжатия боковых граней заготовки. Такие клети называются универсальными (слябинги, некоторые толстолистовые и балоч­ные станы).

Различают групповой и индивидуальный приводы прокатных валков. При групповом приводе (рисунок 5.2) прокатные валки 2, ус­тановленные в станине клети 1, приводятся во вращение от об­щего двигателя 5 через шестеренную клеть 4 и универсальные шпиндели 3.

При индивидуальном приводе каждый из прокатных валков имеет привод от отдельного электродвигате­ля. Система передачи вращающего момента от верхнего двигате­ля, более удаленного от клети, кроме универсального шпинделя, снабжена промежуточным валом.

Основные преимущества индивидуального привода валков пе­ред групповым состоят в увеличении предельной мощности, ко­торая может быть приложена к каждому валку; уменьшении сум­марного момента инерции, приходящегося на единицу мощности привода; отсутствии шестеренной клети, потери мощности в ко­торой могут достигать 5 % мощности привода; отсутствии необхо­димости в точном подборе диаметров валков.

Рисунок 5.2

Уменьшение момен­та инерции в свою очередь дает ряд преимуществ: уменьшается продолжительность прокатки вследствие увеличения допустимых ускорений и замедлений; сокращается расход энергии на 1 т про­ката и на нагревание электрических машин; менее опасными ста­новятся срывы при захвате металла; скорость захвата из-за изме­нения условий захвата может быть увеличена, что приводит к воз­растанию средней скорости прокатки и, как следствие, к росту производительности стана.

Основными недостатками индивидуального привода по срав­нению с групповым являются: увеличение количества электро­оборудования; усложнение схемы управления, связанное с необ­ходимостью регулирования соотношения скоростей и выравнива­ния нагрузок двигателей; увеличение в некоторых случаях разме­ров машинного зала, поскольку угол наклона шпинделей не должен превышать (6...8)°, вследствие чего двигатели должны быть удале­ны от клети на большое расстояние.

Индивидуальный привод валков целесообразно применять для мощных обжимных станов с диаметром валков 1100... 1300 мм. Для блюминга диаметром 1000 мм применяют как индивидуальный, так и групповой привод. Для заготовочных, рельсобалочных станов диаметром 900 мм и менее предпочтительно применение группового привода.

Цикл работы реверсивной клети стана горячей прокатки для одного пропуска в общем случае включает в себя разгон валков вхолостую до скорости захвата слитка, разгон со слитком в валках до установившейся скорости, прокатку на этой скорости, тормо­жение до скорости выброса слитка и реверс вхолостую до скоро­сти захвата слитка, повторный разгон со слитком в валках до ус­тановившейся скорости, прокатку на этой скорости, торможение до скорости выброса слитка и реверс вхолостую до скорости захвата при противоположном направлении вращения валков. Во время паузы между пропусками металла с помощью нажимного устройства клети перемещают верхний прокатный валок для из­менения раствора между валками в соответствии с требуемым об­жатием. При необходимости заготовка перемещается в поперечном направлении по рольгангу посредством линеек манипулято­ра и кантуется (поворачивается на 90° вокруг своей продольной оси) с помощью кантователя. Рабочий рольганг возвращает заготовку к клети для последующего пропуска. По окончании после­днего пропуска заготовка транспортируется рольгангом к следую­щему механизму, а нажимное устройство перемещает верхний прокатный валок в первоначальное положение.

Работа электропривода реверсивных клетей характеризуется частыми реверсами (с числом включений до 1000 и более в 1 ч) и ударной нагрузкой, которая может превышать номинальную в 2 раза и более. Диапазон регулирования скорости, определяемый скоростями прокатки и захвата, достигает 10:1.

Номинальная частота вращения прокатных двигателей обычно составляет 50...70 об/мин. Диапазон регулирования скорости изменением магнитного потока двигателя не превышает 2:1. Уменьшение потока двигателя применяется только при небольших обжатиях, главным образом при последних пропусках металла, так как работа при ослабленном возбуждении ведет к непроизводительному нагреванию и снижению перегрузочной способности двигателя.

По условиям технологического процесса прокатки ускорение привода постоянно. Ускорение и замедление во время паузы между пропусками при изменении скорости от скорости выброса до скорости захвата определяются, как правило, временем работы нажимного устройства и лежат в пределах: для группового привода соответственно 40...60 и 50...70 об/мин, для индивидуального привода 70...100 и 80...130 об/мин. Среднее значение динамического момента при этом обычно составляет 0,8...1 номинального, что позволяет использовать большую часть допустимого момента двигателя при разгоне со слитком в валках для обжатия металла.

При увеличении скорости захвата и уменьшении скорости выброса слитка лучше используется запас кинетической энергии вращающихся частей привода, уменьшается нагревание двигателей, а также снижается изменение активной и реактивной мощностей при использовании вентильного электропривода.

Предельная скорость захвата определяется коэффициентом тре­ния металла о валки, который снижается с увеличением скорости. Скорость выброса не может быть слишком низкой. Если продол­жительность паузы определяется временем работы вспомогатель­ного механизма, например, нажимного устройства, чрезмерное снижение скорости выброса приводит к уменьшению производи­тельности стана. Для реверсивных станов частота вращения при­вода захвата выбирается в пределах 10...45 об/мин. Меньшие значе­ния принимаются для первых пропусков, большие — для после­дующих. Примерно в тех же пределах меняется и частота враще­ния привода при выбросе.

Питание прокатных двигателей реверсивных станов осуществ­ляется от полупроводниковых преобразователей.

Широко распространены системы управления приводами ре­версивных прокатных станов, основанные на принципе подчи­ненного регулирования.

В схемах электроприводов реверсивных станов предусматрива­ются следующие защиты: максимально-токовая от мгновенной пе­регрузки по току; от пробоя вентилей; от аварийных токов в урав­нительных контурах; от аварийных токов в якорной цепи двигате­ля; минимально-токовая от размыкания цепи обмотки возбужде­ния двигателя; от чрезмерного повышения напряжения на двига­теле; от чрезмерного повышения скорости; от включения линей­ных автоматов при отключенном, но вращающемся двигателе при наличии напряжения на двигателе и на преобразователе. Защита выполняется с помощью электрических аппаратов, установлен­ных в соответствующих цепях электрической схемы привода. По­вышение скорости контролируется центробежным реле, установ­ленным совместно с тахогенератором на валу двигателя.

Современной тенденцией в реализации привода валков (глав­ного привода клети) является применение двигателей перемен­ного тока: синхронных или асинхронных с короткозамкнутым ротором. При этом используются комплектные преобразователи частоты со звеном постоянного тока или непосредственные преоб­разователи частоты НПЧ (циклоконверторы), которые применя­ются в безредукторных приводах с пониженной частотой питании (от 25 Гц и ниже).

На рисунке 5.3 приведена схема управления главным приводом клети с синхронными двигателями для каждого валка мощностью 4000 кВт, частотой вращения 40/80 об/мин, напряжением 923 В при использовании циклоконвертора фирмы Siemens (диапа­зон частот 0...4/8 Гц). Фазовое управление силовыми тиристорными модулями осуществляется микропроцессорной системой SIMADYN D при коммутации тиристорных групп в функции по­ложения ротора.

Рисунок 5.3

Возбуждение двигателя предусмотрено от комплектных ти­ристорных блоков с интерфейсом для управления от системы SIMADYN D. Таким образом, управление приводом осуществляется по схе­ме вентильного двигателя.

Структурная схема системы управления главным приводом клети в комплексе управления участка прокатного стана приведе­на на рисунке 5.4.

Система управления SIMADYN D имеет модуль связи с про­мышленной сетью управления приводами Profibus DP и, таким об­разом, получает команды на режимы работы от системы программно-логического управления, реализованной на контроллере SIMATIC S7-400 и связанной через модули удаленного ввода-вывода ЕТ-200М с пультом оператора ПО и информационным терминалом (текстовая панель ОР) на посту управления.

Рисунок 5.4

5.2.2 Управление кузнечно-прессовыми машинами

Функциональная схема системы управления прессом с маховичным приводом приведена на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5

Здесь: 1 – стол, 2 – заго­товка, 3 – молот, 4 – шарнир, 5 – кулисный механизм, 6 – электромагнитная муфта, 7 – маховик. Электропривод с M1 и БУ1 является главным электроприводом, а электроприводы с М2, МЗ, М4 и БУ2, БУЗ, БУ4 – электроприводами подач, выполня­ющими перемещение обрабатываемого изделия с механизмами стола относительно оси удара молота. Блок БУ5 управляет элект­ромагнитной муфтой.

Для устранения нежелательных для двигателя и сети измене­ний момента и тока, а также снижения мощности в приводе уста­навливается маховик, обеспечивающий уменьшение колебаний нагрузки и скорости. Являясь аккумулятором кинетической энер­гии, маховик при повышении нагрузки вследствие снижения ско­рости отдает часть накопленной при холостом ходе энергии, чем обеспечивает выполнение рабочей операции. Момент двигателя повышается незначительно, изменение тока существенно снижа­ется, а колебания скорости привода и машины в целом уменьша­ются.

Рекомендуемая литература

1. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: учебник для вузов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. – М.: Академия, 2004. С.277-296.

2. АСУ ТП в черной металлургии: Учебник для ВУЗов / Г.М. Глинков, В.А. Маковский. – М.: Металлургия, 1999. 310 с.

Лекция 6