Автоматизация технологического процесса производства холоднокатаной стальной полосы на базе станков с ЧПУ

59646650,4

5013900

11929239

23,7

0.69

24,4

4,9

2,5

2,0

2,5

462336

10801,152

473137,152

95167,485

Удельные капитальные вложения определяются отношением полной балансовой стоимости основных фондов отделения к годовому объему производства

Куд=408823411/120000=3406.86 руб.

Общая сумма капитальных вложений в балансовую стоимость основных фондов:

Кос=19033497+3806699,4+265633,48+11929239+47179365=82214,433000*10 3 руб.

Расчет капитальных вложений в нормируемые оборотные средства

Капитальные затраты на образование запасов сменного оборудования, запасных частей для текущего ремонта определяется по формуле[10]

Ксо=(Ссо/360)*dсо

Где Ссо - стоимость сменного оборудования, запасных частей для текущего ремонта, необходимых для функционирования отделения в течение года, руб.;

dcо-средняя норма запаса (принимается по нормам и средним физ-м данным)

Ксо=(452*103/360)*30=37666,666 руб.

Капитальные затраты на создание запасов быстроизнашивающего инвентаря и инструмента:

Кин=N*Pсп,

Где Pсп- средне списочное число работающих в отделении, человек;

N-средняя норма вложений в инвентарь и инструменты в расчете на одного работающего, руб.

(принимается в сумме 40 руб.)

Кин=40*256=10,24*103 руб.

Капитальные вложения на незавершенное производство могут быть определены как 20% от всех нормируемых оборотных средств [10];

Киз=0,2(37,7*103+10,24*103)=47,9*103 руб.

Таблица 4.4 - Нормируемые оборотные средства отделения.

Элементы оборотных средств	Сумма, руб.
Запасы вспомогательного материала и топлива	-
Запасы сменного оборудования, запасных частей	87666,666
Запасы быстроизнашивающего инструмента	1024
Незавершенное производство	38690,666
Итого	47906,666
Всего	86597,332

Энергетика отделения

Расход технологической электроэнергии (Расход электроэнергии в печи)

Эт=N*Ф*h*к*n,

Где Эт-годовой расход технологической энергии (кВт);

N-установленная мощность печи ,(кВт);

Ф-фонд времени работы печи в течении года

h-коэффциент загрузки

к-КПД печи

n-количество агрегатов.

Эт=6600*7000*0,84*0,73*3=84989520 кВт

Расход производственной электроэнергии в течение года

Эп=SКсi*Ni*Фi*Кп*ni,

Где Эп- расход производственной энергии в течении года кВт

К-количество группы потребителей электроинергии, имеющих разный коэффициент спроса;

Ксi-Коэффициент спроса по данной группе потребителей;

Ni-Установленная мощность в данной группе потребителей электроинергии, кВт;

Фi-фактическое время работы данной группы потребителей электроинергии, 4;

Кп-коэффициент текущих простоев (принимается 0.8-0.9);

n-количество единиц оборудования в данной группе потребителей.

Эв=0,75*75*7000*0,9*3=1063125 кВт*ч;

Транспортное оборудование

Эр=0,75*125*7000*0,9*3=1771875 кВт*ч;

Крановое оборудование

Экр=0,25*50*7000*0,9*3=236250 кВт.

Эп=236250+1771875+1063125=3071250 кВт*ч

Таблица 4.5

Наименование оборудования	Кол-во	Мощность кВт	Потребность в электроэнергии в год
Технологическое оборудование Вспомогательное оборудование Вентиляционная система Транспортное оборудование Крановое оборудование Итого	3 3 3 3	6600 75 125 50	84989520 1063125 1771875 236250 3071250
Всего			88060770

Расход других видов электроносителей исчисляется по удельным нормам расхода и годовому объему производства. Результаты занесены в таблицу[10]

Таблица 4.6 - Годовой расход и затраты на различные виды технологической энергии

Наименование видов энергии и энергоносителей	Единица измерения	Норма расхода на 1т металла	Годовой расход	Цена, руб.	Затраты руб.
Электроинергия Газ Азот Сжатый воздух Вода технологическая Вода химически очищенная Пар технологический	КВт М3 М3 М3 М3 М3	652,1 1,13 160 30 2,28 0,83 0,15	88060770 135600 19200000 3600000 273600 99600 18000	0,149 0,187 0,068 0,035 0,058 1,937 18,562	13121054,73 25357,2 1305600 126000 15868,8 192925,2 33416
					15120921,93

Расчет фонда заработной платы.

Термическое отделение является производством, со строго регламентированным во времени технологическим процессом. Поэтому целесообразно применять повременно премиальную систему оплаты труда. При выполнении норм выработки и получения продукции необходимого качества устанавливается премия в размере 25% от тарифной ставки[11].

Фонд заработной платы рабочих, работающих по сменам.

Зарплата по тарифным ставкам:

Т3=tф*е*ш, руб.,

Где: е - часовая тарифная ставка рабочего 1-го разряда, руб;

Ш- списочное количество работников приведенному к 1-му разряду;

Tф-Фактическое время работы по балансу рабочего времени, ч.

Ш=29*2003/799+18*1836/799+36*1676/799=189.5

Т=799*189,5*1942=294039,191 руб.

Доплата за работу в ночное время:

Тн=0,35*е*ш*tн

Где: tн-число часов работы в ночное время

Тн=0,35*799*189,5*485,5=25728,429 руб

Доплата за работу в праздничные дни

Тп=е*ш*tп*к, руб.

Где: tп-число часов, работы в праздничные дни;

К- коэффициент выполнений нормы выработки.

Тп=799*189,5*48*1=7267,704 руб.

Доплата за работу в сверхурочное время.

Тс=0,5*е*ш*tc, руб.

Где tс-число часов работы в сверхурочное время.

Тс=0,5*799*189,5*113=8554,693 руб.

Размер премии составляет 25% от зарплаты по тарифным ставкам при условии выполнения производственного задания.

Тпр=0,25*Тз, руб.

Тпр=0,25*294039,191=73509,798 руб.,

Фонд основной заработной платы

Фосн=Тз+Тн+Тп+Тс+Тпр, руб.

Фосн.=294039,191+25728,129+7267,704+8554,693+73509,798=40 9099,815 руб.

Фонд дополнительной заработной платы

Фдоп=Тср.н(tотп+tоб), руб.,

Где: tотп-время ежегодного отпуска, ч;

Tоб-время выполнения государственных и общественных обязанностей.

Фдоп=210,659(192+4)=41289,164 руб.

Начисления на зарплату для целей социального страхования.

Тстр=0,37(Фосн+Фдоп), руб.,

Тстр=0,37(409099,815+41289,164)=166643,922 руб.

Всего получаем 617032,901 руб.

Фонд заработной платы рабочих работающих по обычному графику.

По такому графику в отделении работает 14 человек по 11 разряду с месячным окладом 339 руб., годовые оклады соответственно 4068 руб. и 3720 руб. Сумма месячных окладов составляет 5056 руб. Номинальное время работы 305 дней, а фактическое время работы 275 дней. Тогда дневной оклад рабочих будет составлять:

5056*12/305=198,925 руб.

За фактически отработанное время будет начислено

Тосн=198,925*275=54704,375 руб.

Дополнительную заработную плату можно установить по среднему дневному заработку, который составляет 198,925 руб.

Тдоп=198,925*28=5569,9 руб.

Начисления для целей социального страхования

Тстр=0,37*(Тосн+Тдоп), руб

Тстр=0,37*(54704,375+5569,9)=22301,482 руб.

Всего получаем 82575,757 руб.

Таким образом фонд заработной платы рабочих составляет[11]

617032,901+82575,757=699608,658 руб.

Фонд заработной платы ИТР.

Сумма месячных должностных окладов ИТР работающих по сменам составляет 2520 руб., остальных 4365 руб. Номинальное время работы первых составляет 273,75 дня и вторых 305 дней, а фактическое время соответственно 243,75 дня и 275 дней, тогда дневные оклады сменного персонала ИТР и остальных соответственно составляют

2520*12/273.75=110.465 руб. и 4365*12/305=171,737 руб.

В этом случае за фактически проработанное время данным группам ИТР будет начислено соответственно.

110,465*243,75=26926,026 руб.

171,737*275=47227,867 руб.

Кроме того сменным ИТР следует доплатить за работу в ночное время и праздничные дни соответственно[11].

110,465/8*0.2*481.5=1329.731 руб. и 110,465*8*3/4=662,794 руб.

т.о. основная зарплата ИТР составляет

Тосн=26926,026+47227,867+1329,731+665,794=76146,420 руб.

Дополнительную заработную плату можно установить по усредненному заработку. Средний дневной заработок сменного персонала ИТР составляет;

26926,026+1329,731+662,794/243.75=118.64 руб.

и остальных ИТР 171,737 руб.

Тдоп=(118,640+171,737)*28=8130,582 руб.

Начисления на заработную плату для целей социального страхования

Тстр=(Тосн+Тдоп)*0,37, руб.

Тстр=(76146,42+8130,582)*0,37=31182,491 руб.

Т. о. Фонд заработной платы платы ИТР составляет 115459,493 руб.

Фонд заработной платы МОП.

Сумма месячных должностных окладов составляет 892 руб. Номинальное время работы 305 дней, а фактическое 275 дней.

Дневные оклады МОП

892*12/305=35,095 руб.

За фактическое проработанное время будет начислено

35,095*275=9651,125 руб. и это будет основная заработная плата МОП. Тдоп=35,095*28=982,6 руб.

Начисления для целей социального страхования

Тстр=(Тосн+Тдоп)*0,37, руб.

Тстр=(9651,125+982,66)*0,37=3934,5 руб.

Т.о. фонд заработной платы МОП составляет 14568,285 руб.

1.5.2 Улучшение планшетности и поперечной разнотолщинности холоднокатаных полос

В настоящее время установлены и исследованы следующие факторы, приводящие к нарушению планшетности листового металла: поперечная разнотолщинность подката, неравномерность обжатия по ширине очага деформации, вызванная, например, упругим изгибом валковой системы, тепловой выпуклостью, сплющиванием валков, износом бочек валков и др. С учетом этих явлений разработаны различные методики оценки планшетности листового металла, в основу которых положены следующие основополагающие представления. При листовой прокатке обычно происходит одновременное изменение поперечного профиля и планшетности полосы. Эти параметры взаимосвязаны. Например, в результате упругого изгиба валковой системы, износа или тепловой выпуклости бочек валков изменяется профиль зазора между рабочими валками, что создает различное обжатие участков листового металла по его ширине. Участки, обжимаемые сильнее, стремятся вытянуться в большей степени, чем менее обжимаемые участки, и тянут их за собой, вызывая в них растягивающие продольные напряжения. В более обжимаемых участках в результате сдерживающего воздействия менее обжимаемых участков появляются продольные сжимающие напряжения. Таким образом, участки листового металла, получившие меньшую вытяжку, будут упруго растягиваться, а участки, получившие большую вытяжку -- упруго сжиматься в продольном направлении. Описанная неравномерность продольных напряжений сохранится в листовом металле в виде продольных остаточных напряжений, неравномерно распределенных по ширине полосы. Нарушение планшетности переднего конца полосы происходит под действием продольных сжимающих остаточных напряжений, когда эти напряжения превысят некоторое критическое значение. При этом происходит потеря продольной устойчивости листового металла на части его ширины с образованием дефектов планшетности в виде продольной волнистости.

Таким образом, в существующих методиках по оценке планшетности полос сравнивается геометрический профиль полосы на входе и выходе из валков, а его изменение связывается с образованием неравномерности продольных остаточных напряжений по ширине полосы на выходе из валков и нарушением планшетности ее переднего конца. В дальнейшем такой подход к вопросам нарушения планшетности листового металла будем именовать статической теорией планшетности (СТП). Для оценки планшетности полосы в СТП используется следующая методика.

Определяется неравномерность относительной деформации по толщине полосы (относительная поперечная разнотолщинность) на входе и выходе из валков или относительная продольная деформация (неравномерность коэффициента вытяжки по ширине очага деформации);

С использованием математического аппарата теории упругости определяется неравномерность остаточных напряжений по ширине полосы на выходе из валков;

На равномерную эпюру удельных натяжений, создаваемых моталкой или последующими клетями непрерывного стана, накладывается эпюра продольных напряжений по ширине полосы и определяется результирующая эпюра изменения удельного натяжения по ширине полосы на выходе из валков. На результирующей эпюре определяется зона сжимающих напряжений и ее распределение по ширине полосы;

С использованием теории изгиба тонких прямоугольных пластинок по статическому или энергетическому критерию изгиба пластинки определяются критические напряжения сжатия;

Если напряжения сжатия превышают критическую величину, то делается вывод о нарушении планшетной формы. В противоположном случае можно считать, что полоса сохраняет планшетную форму. Как правило, задача нарушения планшетности решается отдельно для краевых и среднего ее участков с образованием краевой либо центральной волнистости на прокатанном участке полосы;

Величина упругой области различна и зависит от материала полосы, термообработки, величины упрочнения (наклепа) и др. Для малоуглеродистой стали предел текучести равен 400 МПа, соответствующая ему относительная деформация равна 0,02%, для высокоуглеродистой стали предел текучести равен 1000 МПа, соответствующая ему относительная деформация составляет 0,5%. В основу расчета неравномерности деформации при заданном профиле подката берется поперечная форма межвалковой щели, зависящая от упругого прогиба, неравномерного по ширине полосы сплющивания рабочих валков, их износа, профилировки и др. Такой подход, основанный на сравнении профиля полосы до и после прокатки, позволяет с определенной степенью точности определить лишь неравномерность деформации по толщине полосы. Что касается неравномерности продольной деформации, то она может быть правильно определена только с учетом действительного распределения по ширине очага деформации -- поперечной деформации. Принимается, что неравномерность вытяжки по ширине очага деформации при холодной прокатке приводит к появлению внутренних растягивающих и сжимающих остаточных напряжений, взаимоуравновешенных по ширине полосы. При прокатке с натяжением неравномерность вытяжки по ширине полосы приводит к неравномерному распределению натяжения по ее ширине. При существующем подходе к процессу нарушения планшетности полагают, что при плоской схеме очага деформации вся неравномерность обжатия по толщине полосы прямо пропорционально неравномерности вытяжки по ширине очага деформации. Основы энергетической теории планшетности (ЭТП) листового металла состоят в том, что поведение переднего и заднего его концов определяется характером неравномерности продольной скорости металла по толщине и ширине очага деформации в плоскостях входа и выхода из очага деформации. Кинематический критерий планшетности переднего и заднего концов полосы может быть сформулирован следующим образом. Передний и задний концы полосы будут иметь планшетную форму, если в плоскостях входа и выхода очага деформации продольная скорость металла будет равномерна в поперечном и вертикальном направлениях и параллельна оси прокатки. Процесс нарушения планшетности при прокатке обусловлен нестационарным изменением продольной скорости металла по высоте очага деформации в плоскостях входа и выхода. Известно, что волнистость полосы изменяется не только в вертикальном, но и в поперечном направлениях. Это означает, что продольная скорость металла на выходе и входе в валки нестационарно изменяется не только по толщине, но и по ширине очага деформации. Энергосиловые и кинематические параметры процесса прокатки в ЭТП определяются на основе уравнений минимума и энергобаланса процесса прокатки. При обычной прокатке полосы с прямоугольным поперечным профилем на входе и выходе из валков критическая линия будет параллельной осям рабочих валков, а эпюра продольной скорости металла на входе и выходе из валков будет равномерной по толщине и ширине полосы. Процесс прокатки будет стационарным, а концы полосы - планшетными.



Рассмотрим прокатку полосы с прямоугольным профилем подката и лучшими условиями трения по ее середине. При этом критическая точка по середине очага деформации смещается от своего первоначального состояния, соответствующего обычной прокатке, к выходу из валков, а опережение и продольная скорость металла по середине полосы становятся меньше по сравнению со своими значениями для краев полосы. Для условий прокатки с равномерными условиями трения по ширине и для рассматриваемого случая с лучшими условиями трения по середине очага деформации условия энергобаланса остаются неизменными. Критический угол, опережение и продольная скорость металла по краям полосы на выходе и входе в валки увеличиваются, то есть критическая линия изгибается против направления прокатки по ширине очага деформации. Таким образом, в плоскости выхода и входа в валки эпюра продольной скорости имеет вогнутый характер по ширине очага деформации по направлению прокатки. Различие продольных скоростей металла между краями и серединой полосы в плоскостях выхода и входа в валки и аналогичное им различие длины между краями и серединой полосы в виду целостности металла приводят к появлению на ее переднем конце пластического изгиба в виде краевой волнистости, а на ее заднем участке -- к появлению пластического изгиба в виде центральной волнистости. На заднем участке полосы амплитуда центральной волнистости постепенно уменьшается и затухает на определенном расстоянии от плоскости входа. При оценке планшетности полосы в теории СТП по поперечному профилю полосы на входе и выходе из валков передний и задний концы полосы должны иметь планшетную форму. Фактически на переднем и заднем концах полосы наблюдается краевая волнистость. Следовательно, определение планшетности полосы по методу СТП приводит к неправильным результатам. При определении планшетности полосы по относительной неравномерности длины центрального и краевых участков полосы и пропорциональных им продольных скоростей металла в плоскостях входа и выхода из валков (по методу ЭТП) неравномерности продольной деформации длин и скоростей практически совпадают. Рассмотрим случай изменения кинематики процесса прокатки с неравномерными условиями деформации по ширине полосы. Вследствие большего обжатия краев полосы по отношению к середине критический угол и опережение по краям полосы увеличивается по сравнению с их величиной на менее обжимаемом срединном участке полосы, то есть критическая линия будет изгибаться по ширине очага деформации в направлении прокатки. В этом случае продольная скорость листового металла на входе в валки по середине полосы будет больше, чем по краям полосы. На выходе из валков, наоборот, продольная скорость по краям очага информации будет больше, чем посередине.



Для описанного случая изменения продольных скоростей металла по ширине полосы на входе и выходе из валков в очаге деформации имеется такое поперечное сечение, где продольные скорости для краевых и центрального участков полосы будут одинаковыми. Итак, для рассматриваемого поперечного сечения кривые продольных скоростей по краям и середине полосы будут пересекаться. В описываемом примере эпюры продольных скоростей металла по ширине полосы на входе и выходе из валков будут иметь противоположный характер. На выходе из валков эпюра продольных скоростей металла вогнута по направлению прокатки, а на входе в валки она имеет выпуклую форму. Нарушение планшетности полосы на переднем и заднем ее концах будет происходить в соответствии с изменением продольных скоростей металла по ширине очага деформации на входе и выходе из валков. При большей продольной скорости по середине полосы по сравнению с ее значением по краям на переднем конце полосы будет происходить образование центральной волнистости, и наоборот -- при большей продольной скорости по середине по сравнению с ее значением по краям на заднем конце полосы на участке перед валками будет происходить образование волнистости по краям полосы. Следует отметить, что при этом соотношении продольных скоростей металла на концевом участке перед валками может происходить образование складки и как следствие -- появление наваров на рабочих валках и образование дефекта листового металла в виде «пореза» полосы. Изложенный выше механизм образования дефектов планшетности на участках перед и за валками позволяет объяснить влияние натяжения концов полосы на ее планшетность. Переднее натяжение, создаваемое, например, моталкой при волнообразовании по краям полосы, сосредотачивается в средней части полосы, увеличивая величину критического угла и опережение по середине очага деформации. При этом критическая линия спрямляется, продольная скорость по середине полосы увеличивается, а разность продольных скоростей на краевых и центральном участках полосы, вызывающая образование волнистости, уменьшается. Заднее натяжение сдерживает стремление центральной части полосы двигаться с большей продольной скоростью, снижает разность продольных скоростей на центральном и крайних участках полосы и тем самым препятствует образованию дефектов планшетности (волнистости) по краям полосы или продольной складки листового металла на входе в валки. Таким образом, роль переднего и заднего натяжения сводится к тому, что оба они изменяют характер критической линии, опережения и продольных скоростей металла по ширине очага деформации на входе и выходе из валков. Следует отметить, что при изменении кинематики процесса прокатки по ширине очага деформации переднее натяжение влияет на изменение дефектов планшетности полосы на участке перед валками, а заднее натяжение также влияет на характер волнообразования на переднем конце полосы. В описанных примерах изменение продольных скоростей металла по ширине очага деформации происходит не только на выходе металла из валков, но на входе полосы в очаг деформации. Во взаимосвязи с ее изменением будет также происходить нарушение планшетности на участке перед валками. В практике прокатного производства такие факторы, как натяжение концов полосы, различие по ширине очага деформации обжатия и условий трения, как правило, воздействуют совместно на кинематику очага деформации и планшетность листового металла. В связи с этим важно отметить, что в любом случае нарушение планшетности полосы определяется изменением продольных скоростей листового металла по ширине очага деформации на входе и выходе из валков. При прокатке часто имеет место случай, при котором продольная скорость металла по ширине очага деформации на входе в валки равномерна, а на выходе из валков различна. Очевидно, при этом нарушение планшетности будет происходить только на переднем конце полосы, а задний конец будет сохранять планшетную форму. Рассмотрим пример прокатки полосы, когда продольная скорость металла на выходе из валков по ширине очага деформации будет одинаковой, а на входе -- различной. В этом случае нарушение планшетной формы будет происходить на заднем конце полосы, а передний конец полосы будет сохранять планшетную форму. При разном обжатии середины и краев полосы такой процесс прокатки возможен только при наличии вынужденного уширения более обжимаемой части полосы, целиком компенсирующего различие смещаемых по толщине объемов частей полосы. Анализ показывает, что без поперечного течения металла процесс прокатки планшетных полос кинематически невозможен. Промышленные и опытные исследования показали, что для изменения поперечного профиля и планшетности прокатываемых полос может быть использована шестивалковая прокатная клеть с регулируемым профилем межвалкового зазора, представленная на рис. 1. Шестивалковая прокатная система содержит два рабочих валка, два опорных валка и два промежуточных валка, расположенных в верхней части прокатного стана между рабочими и опорными валками. Промежуточные валки с обеих сторон имеют общие подушки, изгиб промежуточных валков в горизонтальной плоскости осуществляется с помощью роликов с короткой бочкой, расположенных по середине промежуточных валков и контактирующих с ними. При сближении роликов середины промежуточных валков сближаются, а середина контактирующего с ним верхнего рабочего валка опускается. При этом увеличивается обжатие полосы по ее середине, уменьшается поперечная разнотолщинность, улучшается планшетность полосы. Опробование шестивалковой прокатной клети с регулируемым профилем межвалкового зазора показало эффективность влияния механизма изгиба промежуточных валков в горизонтальной плоскости на планшетность прокатываемых полос, которая улучшилась в среднем на 30--40%. В представленной на рис. 2 шестивалковой прокатной клети регулирование профиля межвалкового зазора осуществляется за счет дополнительных опор, установленных на удлиненных шейках промежуточных валков. Дополнительные опоры выполнены в виде двух кулачков. При нажатии дополнительных опор друг на друга они упруго распираются, и промежуточные валки изгибаются в горизонтальной плоскости. При этом середина верхнего рабочего валка опускается, середина полосы обжимается в большей степени по сравнению с ее краями. Изменение величины обжатия по ширине очага деформации приводит к уменьшению поперечной разнотолщинности и улучшению планшетности. Рабочая клеть реверсивного прокатного стана с регулируемым профилем рабочих валков представлена на рис. 3.

Для регулирования профиля межвалкового зазора промежуточные валки, рабочие и нижний опорный валок с каждой стороны имеют дополнительные подушки. Дополнительная подушка верхнего рабочего валка установлена внутри дополнительной подушки промежуточных валков, а дополнительная подушка нижнего рабочего валка установлена внутри дополнительной подушки нижнего опорного валка. Между дополнительными подушками промежуточных и нижнего опорного валков установлены гидроцилиндры механизма изгиба валков. Различия в усилиях гидроизгиба справа и слева от поперечной оси стана приводят к появлению скручивающего момента. Этот момент изгибает нижний опорный и верхние промежуточные валки в горизонтальной плоскости. При этом середины верхнего и нижнего рабочих валков опускаются, и полоса получает большее обжатие по середине. Регулирование неравномерности обжатия по ширине полосы приводит к уменьшению поперечной разнотолщинности и улучшению планшетности полосы.

Несмотря на увеличение объема производства синтетических материалов, сталь и, в первую очередь, стальной прокат продолжают оставаться основным материалом в автомобилестроении, химической, трубной промышленности и т.п. Листовой металл является одним из наиболее экономичных видов проката. Мировая практика показывает, что использование конструкций из листового металла позволяет снизить вес изделий по сравнению с литыми в среднем на 20--40% при сохранении эксплуатационных характеристик. С ростом производства и потребления листового металла повышаются требования к качеству этой продукции. Планшетная полоса -- это абсолютно плоская полоса без каких либо геометрических дефектов.

Неудовлетворительная планшетность полос, применяемых при производстве трансформаторной, динамной стали, в телевизионной и электронной технике, приводит к нарушению стабильной работы приборов и повышенному расходу электроэнергии, неблагоприятно сказывается на процессах автоматической листовой штамповки, прессовании и глубокой вытяжке, вызывая износ и разрушение рабочего инструмента, ухудшая качество изделий. Нарушение планшетности листового металла при прокатке вызывает повышенную отбраковку продукции и ее исправление на правильных агрегатах, что в 2 раза повышает стоимость листового металла. В настоящее время для улучшения планшетности прокатываемых полос на существующих станах холодной и горячей прокатки широко используются системы автоматического регулирования поперечного профиля и планшетности полосы (САРПП). Известно, что существующие САРПП, как правило, состоят из измерительного органа, усилителя, промежуточных блоков и исполнительного механизма. В качестве измерительного механизма контактные и бесконтактные измерители планшетности полосы. Датчики планшетности обычно расположены поперек ширины полос на выходной стороне прокатного стана. Исполнительный механизм реализует один из методов регулирования планшетности полосы, основанный на изменении профиля межвалкового зазора. Система автоматического регулирования поперечного профиля и планшетности полосы разработана НИИ Тяжмаш Уралмашзавода для дрессировочного стана кварто 1700/1,2. В качестве исполнительного механизма использовался дополнительный изгиб рабочих валков. Измерение удельных натяжений по ширине полосы осуществлялось с

помощью бесконтактных магнитоанизотропных датчиков, расположенных в пяти точках по ширине полосы на выходе из валков. Техническая характеристика САРПП приведена в таблице 1.



Эксплуатация САРПП на дрессировочном стане кварто 1700 металлургического завода им. Ильича позволила значительно уменьшить отсортировку холоднокатаных полос по дефектам планшетности, данные представлены в таблице 2.

САРПП разработана фирмами АСЕА (Швеция) и ALKAH (Канада) и включает аппаратуру для измерения планшетности полосы (стрессометр), исполнительный механизм в виде устройства противоизгиба рабочих валков и секционированного охлаждения бочек рабочих валков. В зависимости от скорости вращения стрессометра, измеряющего планшетность полосы, выдаются сигналы на устройство противоизгиба и секционной подачи охлаждающей жидкости. Испытания САРПП при прокатке труднодеформируемых сталей показали, что при ее использовании почти полностью исключается брак по дефектам планшетности. При ручном управлении САРПП брак по дефектам планшетности составляет примерно 5% от каждого рулона. Разработанная САРПП может быть использована на станах холодной прокатки с максимальной скоростью прокатки 50 м/с, при удельных натяжениях полосы 1--50 мПа, ширине полосы до 2100 мм и ее толщине 0,1--5,0 мм. В качестве дополнительного канала налаживания в существующих системах автоматического регулирования поперечного профиля и планшетности полосы предлагается использовать рассогласование окружных скоростей рабочих валков. Известно, что при рассогласовании окружных скоростей рабочих валков в очаге деформации появляется зона с противонаправленными силами трения. В результате давление металла на валки уменьшается, что приводит к снижению упругого прогиба и сплющивания валков, а также к уменьшению поперечной разнотолщинности и улучшению планшетности прокатываемых полос. Отмеченная выше способность несимметричного процесса прокатки позволяет использовать его на реверсивных и непрерывных станах с индивидуальным приводом рабочих валков в качестве канала регулирования поперечной разнотолщинности и планшетности прокатываемых полос. Канал регулирования окружных скоростей рабочих валков может быть использован в САРПП. Следует отметить, что использование САРПП с новым принципом регулирования профиля и планшетности полос не исключает возможности применения традиционных методов регулирования поперечной разнотолщинности и планшетности полос путем противозагиба рабочих валков клети кварто или гидроизгиба валковой системы. Очевидно в САРПП гидроизгиб и рассогласование окружных скоростей рабочих валков должны комбинированно дополнять друг друга. Кроме того, следует отметить, что при использовании рассогласования окружных скоростей рабочих валков для регулирования поперечной разнотолщинности и планшетности прокатываемых полос в значительной степени снижаются усилия противоизгиба рабочих валков, что позволит в дальнейшем уменьшить величину усилий на штоках гидроцилиндров противоизгиба рабочих валков, уменьшить их количество, повысить работоспособность и надежность системы. Рассмотрим некоторые из возможных САРПП с использованием рассогласования окружных скоростей рабочих валков. В этом случае регулирующим воздействием является рассогласование окружных скоростей рабочих валков относительно друг друга. Известно, что оно позволяет изменить протяженность участка с противонаправленными силами трения в очаге деформации. При этом увеличение соотношения рассогласования окружных скоростей рабочих валков позволяет изменить протяженность участка с противонаправленными силами трения в очаге деформации. При этом увеличение соотношения рассогласования окружных скоростей рабочих валков приводит к увеличению зоны с противонаправленными силами трения, уменьшение соотношения -- к снижению зоны с противонаправленными силами трения. Регулирование зоны с противонаправленными силами трения вызывает изменение среднего и полного давления прокатки, и, как следствие, упругого прогиба валков, что соответствующим образом сказывается на изменении поперечной разнотолщинности прокатываемых полос. Если при прокатке на полосе образуется краевая волнистость, то необходимо увеличить рассогласование окружных скоростей рабочих валков. В этом случае происходит уменьшение среднего и полного давления металла на валки, их упругого прогиба и сплющивания, а также амплитуды краевой волнистости полосы. В случае увеличения величины рассогласования окружных скоростей рабочих валков происходит увеличение давление прокатки и упругого прогиба валков, а следовательно, уменьшение амплитуды центральной волнистости полосы. Таким образом, в зависимости от вида волнистости прокатываемой полосы окружные скорости рабочих валков целесообразно изменять около своего номинального значения. Изменение номинальной величины окружных скоростей рабочих валков относительно друг друга может быть охарактеризовано коэффициентом рассогласования окружных скоростей рабочих валков. При обычной симметричной прокатке с одинаковыми окружными скоростями рабочих валков коэффициент рассогласования равен 1,0. При несимметричном способе прокатки коэффициент рассогласования окружных скоростей рабочих валков изменяется от 1,0 до коэффициента вытяжки полосы в очаге деформации (при способе прокатки способом ПВ). Изменение коэффициента рассогласования окружных скоростей рабочих валков может быть определено следующим способом:

Kvn+AKv=(Vb1+AVb1)/Vb0,

где AVb1 -- изменение окружной скорости рабочего валка с большей окружной скоростью, Vb1, Vb0 -- большая и меньшая окружные скорости рабочих валков. В этом случае изменение рассогласования окружных скоростей рабочих валков осуществляется путем изменения окружной скорости рабочего валка с большей окружной скоростью, а другой рабочий валок имеет номинальную окружную скорость. На рисунке 1 представлена функциональная схема устройства.

Сигнал от системы измерения неравномерности удельных натяжений, пропорциональный фактической планшетности прокатываемой полосы, поступает в блок вычитания, где сравнивается с сигналом, пропорциональным величине, допустимой из условия планшетности полосы разности удельных натяжений по ширине полосы. При краевой волнистости прокатываемой полосы сигнал отклонения на входе блока вычитания равен положительной величине неравномерности удельных натяжений по ширине полосы, а при центральной волнистости -- сигнал отклонения неравномерности удельных натяжений по ширине полосы на входе блока вычитания равен отрицательной величине неравномерности удельных натяжений по ширине полосы. Сигнал отклонения разности неравномерности удельных натяжений по ширине полосы усиливается по мощности в усилителе и поступает на первый вход узла суммирования. На другой вход узла суммирования от задатчика подается сигнал, пропорциональный номинальной величине коэффициента рассогласования окружных скоростей рабочих валков. На выходе узла суммирования формируется сигнал, пропорциональный необходимому приращению рассогласования окружных скоростей рабочих валков. Результирующий сигнал с выхода узла суммирования через масштабный преобразователь поступает на вход системы управления приводом рабочих валков. Если результирующий сигнал не превышает допустимого значения коэффициента рассогласования окружных скоростей рабочих валков, то с масштабного преобразователя снимается сигнал, который поступает на вход системы рассогласования окружных скоростей рабочих валков. В блоке зоны нечувствительности сигнал, поступающий из усилителя, сравнивается с сигналом, пропорциональным зоне нечувствительности. Если результирующий сигнал превышает допустимое значение, то с блока снимается сигнал, который после электрогидропреобразователя поступает на регулирующий орган. В результате в устройстве обеспечивается регулирование планшетности полосы до тех пор, пока величина действительного и заданного значения разности неравномерности удельного натяжения по ширине прокатываемой полосы за клетью не сравняются. Работа системы САРПП описана для случая, когда прокатка идет слева направо. В этом случае замкнуты ключи РП. При прокатке в обратном направлении правая и левая системы измерения неравномерности удельных натяжений по ширине полосы меняются местами. В этом случае замкнуты ключи РЛ. При изменении ключами своих положений осуществляется прокатка слева направо. Рассмотрим прокатку в шестивалковой прокатной клети, где рассогласование окружных скоростей рабочих валков используется совместно с устройством для осевого перемещения промежуточных валков в противоположном и устройством для противоизгиба рабочих валков. На рисунке 2 представлена функциональная схема САРПП для совместного регулирования поперечной разнотолщинности и планшетности прокатываемых полос путем рассогласования окружных скоростей рабочих валков, осевого смещения промежуточных валков в противоположном направлении и противоизгиба рабочих валков.



При работе системы сигнал от измерителя планшетности полосы, пропорциональный действительному значению неравномерности удельного натяжения по ширине прокатываемой полосы, в блоке вычитания сравнивается с сигналом, пропорциональным заданному значению неравномерности удельных натяжений по ширине полосы, а сигнал отклонения увеличивается в промежуточном усилителе. С промежуточного усилителя снимается сигнал, который поступает на вход второго промежуточного усилителя и на входы первого и второго блоков зоны нечувствительности. С выхода второго промежуточного усилителя снимается сигнал, пропорциональный приращению коэффициента рассогласования окружных скоростей рабочих валков, который подается на первый вход первого узла суммирования. От задатчика номинальной величины коэффициента рассогласования окружных скоростей рабочих валков сигнал поступает на второй вход первого узла суммирования. В узле суммирования сигналы приращения и номинальной величины коэффициента рассогласования окружных скоростей рабочих валков складываются, и результирующий сигнал поступает на вход ограничительного блока, где сравнивается с сигналом, поступающим от задатчика допустимой величины. Если результирующий сигнал величины коэффициента рассогласования окружных скоростей рабочих валков и приращения рассогласования окружных скоростей рабочих валков не превышает допустимого значения, то с ограничительного блока снимается сигнал, который поступает на вход системы регулирования рассогласования окружных скоростей рабочих валков. В первом блоке зоны нечувствительности сигнал, поступающий с блока, сравнивается с сигналом, пропорциональным зоне нечувствительности. Если результирующий сигнал превышает допустимое значение, то с этого блока снимается, который после второго и третьего узлов суммирования и двух электрогидропреобразователей поступает в гидроцилиндры, смещающие промежуточные валки в осевом направлении. Во втором блоке зоны нечувствительности сигнал, поступающий с первого промежуточного усилителя, сравнивается с сигналом, пропорциональным зоне нечувствительности. Если результирующий сигнал превышает допустимое значение, то со второго блока зоны нечувствительности снимается сигнал, который после четвертого узла суммирования и электрогидропреобразователя поступает в гидроцилиндры противоизгиба рабочих валков. В результате в САРПП обеспечивается регулирование планшетности полосы до тех пор, пока величина действительного и заданного значений из условия планшетности разности удельных натяжений по ширине полосы за очагом деформации не сравняются. Рабочий канал в виде рассогласования окружных скоростей рабочих валков может быть использован для регулирования поперечной разнотолщинности и планшетности прокатываемых полос на непрерывном стане. Причем регулируемые прокатные клети с рассогласованием окружных скоростей рабочих валков в линии непрерывного стана могут чередоваться с нерегулируемыми клетями через одну или две клети. Непрерывный стан, оснащенный САРПП и клетями, имеющими канал по рассогласованию окружных скоростей рабочих валков на части клетей стана представлен на рисунке 3.

САРПП работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный неравномерности удельных натяжений по ширине полосы на входе в стан, сравнивается в узле вычитания с сигналом, пропорциональным заданному значению неравномерности удельных натяжений по ширине полосы на выходе из стана, и сигнал отклонения подается на первый вход первого блока вычитания. Аналогично сигнал, пропорциональный неравномерности удельных натяжений по ширине полосы на выходе из стана, сравниваетсяв узле вычитания с сигналом, пропорциональным заданному значению неравномерности удельных натяжений по ширине полосы на выходе из стана, и сигнал отклонения подается на второй вход первого блока вычитания. Сигнал с выхода блока вычитания через блок определения коэффициента рассогласования окружных скоростей рабочих валков подается на первый вход первого, второго и третьего блоков суммирования. От первого, второго и третьего задатчиков номинальной величины коэффициента рассогласования окружных скоростей рабочих валков, первой, четвертой и седьмой рабочих клетей сигнал поступает на второй вход соответствующих узлов суммирования. В узлах суммирования сигналы складываются, и результирующий сигнал поступает на вход системы регулирования коэффициента рассогласования окружных скоростей рабочих валков, соответствующей клети непрерывного стана. Новый канал регулирования коэффициента рассогласования окружных скоростей рабочих валков обладает повышенным быстродействием, что позволяет оперативно повысить регулирование поперечной разнотолщинности и планшетности прокатываемых полос. Промышленные испытания САРПП на реверсивном стане 1700 холодной прокатки с рабочим каналом в виде рассогласования окружных скоростей рабочих валков показало, что ее использование приводит к уменьшению отсортировки полос по краевой волнистости в 1,5--2,0 раза.

1.7 Разработка математической модели стана холодной прокатки

Раскатка листов на непрерывном стане является одним из важных этапов технологического процесса производства холоднокатаной стальной полосы. Целью данной главы является разработка математической модели прокатного стана как объекта управления. Далее потребуется разработка системы управления электроприводами стана с учетом их технологической связи через прокатываемый металл.

Скоростной режим приводов клетей стана является одним из важнейших факторов, определяющих качество полос на выходе с линии производства. Соотношения скоростей валков клетей стана определяют энергосиловые параметры прокатки, в том числе, продольные силы межклетевого натяжения и подпора. Некорректное задание скоростного режима приводит к превышению критических значений натяжения и подпора, и, как следствие, к потере устойчивости процесса и авариям (разрыв, гофрообразование). Последствиями аварий являются потери металла, длительные простои стана и значительные материальные затраты на ремонт оборудования. В настоящее время установка заданий на скорости и их периодическая коррекция в паузах между прокатками осуществляются оператором стана. Субъективная, интуитивная оценка параметров процесса прокатки и высокая размерность управления (в случае использования 7-9 клетей) повышают вероятность ошибок оператора и вызванных этим аварий. Поэтому актуальной задачей является разработка системы автоматического управления работой приводов стана, которая могла бы снизить вероятность аварий, уменьшить продольную разнотолщинность и другие виды брака полос.

Первоначально рассмотрим процесс прокатки в одной клети стана. Для возможности последующего объединения моделей отдельных клетей в общую модель многоклетьевого стана вводятся следующие входные переменные:

угловая скорость вращения валков Щi;

усилие натяжения или подпора на выходе из валков Gi;

усилие натяжения или подпора на входе в валки Qi;

осевая скорость оправки Vm(i).

В первом приближении скорость движения оправки принимается заданной. Процесс прокатки полагаем установившимся. Знаки межклетевых сил приняты: “+” при натяжении, “-” - при подпоре (сжатии).

Выходными переменными для каждой клети являются:

- входная скорость листаV0i;

- выходная скорость листа V1i;

- суммарная сила трения на оправке Fm(i).

Как объект управления, i-ая клеть может быть описана следующими линейными уравнениями:

где V00(i),V01(i) - соответственно, входная и выходная скорости для случая свободной прокатки в данной клети;

ДЩi=(Щ0i - Щi) - приращение угловой скорости валков относительно случая свободной прокатки;

ДVm(i)=(V0m(i) - Vm) - приращение скорости оправки относительно случая свободной прокатки;

F0m(i) - усилие трения на оправке для случая свободной прокатки;

V0m(i) - скорость оправки в i-ой клети для случая свободной прокатки;

Vm - текущая скорость оправки (общая для всех клетей);

Подобная модель справедлива при малых отклонениях переменных от центра разложения и неизменных геометрии инструмента, марке стали, температуре, однородности заготовки. Здесь и далее величины с верхним индексом 0 соответствуют случаю свободной прокатки, который принят за центр разложения.

Коэффициенты линейных уравнений (КV0(Щi), КV0(Vi), KV0(Qi), KV0(Gi) КV1(Щi), КV1(Vi), KV1(Qi), KV1(Gi), КFm(Щi), КFm(Vi)) далее будут определены численным моделированием с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Кроме того, результаты моделирования позволят аргументировать допустимость модели (1)…(3), оценить диапазон изменения входных и выходных параметров, в котором адекватна данная модель.

Рисунок 1.6 - Структурная схема математической модели стана

На втором этапе моделирования для описания стана в целом (рисунок 1.6) уравнения (1-3), полученные для отдельных клетей, дополняются следующими уравнениями связи:

- уравнение силового равновесия листа:

- уравнение равновесия оправки:

- условие связи скоростей металла на входе и выходе валков соседних клетей:

Из уравнения равновесия оправки (5) путем совместного решения с (3) определяется скорость движения оправки:

Очевидно, что с учетом условий (4)-(7) система линейных уравнений (1)-(3) становится разрешимой относительно скорости и усилия на оправке, входной и выходной скоростей для каждой клети, усилий межклетевого взаимодействия при известных значениях скорости вращения валков и коэффициентов этих уравнений.

Заключение

В заключение следует отметить, что внедрение автоматической прокатной линии позволит:

автоматизировать технологический процесс и сократить влияние человеческого фактора;

вести базы данных программ прокатки и сделать ее более совершенной;

существенно сократить время настройки стана и вспомогательного оборудования при переходе на производство нового вида продукции;

сделать более простой и точной настройку скоростных режимов приводов;

сократить время на поиск причин нарушений нормального процесса прокатки.

В результате внедрения автоматических металлопрокатных линий средней производительности в технологическую цепочку машиностроительных заводов и заводов, производящих оборудование будет достигнуто повышение производительности и эффективности машиностроительной отрасли в нашей стране и в частности в г. Волгодонске.