Оптические методы
УДК 004.056; 061.68
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА
Б. Т. Будаи, Б. Т. Породнов, И. В. Мякутина
Известно, что эффективность выпуска листового проката зависит от достижения требуемых значений параметров и малой себестоимости листового проката. Проанализированы причины отклонения параметров листового проката от требуемых значений. Показано, что традиционные измерители этих параметров (рентгеновские, у.з., радиолокационные и др.) малоэффективны, так как либо приводят к косвенному измерению и поэтому не всегда точны, либо экологически опасны. Предложен высокоэффективный оптический измеритель, обеспечивающий не только высокоточное экологически чистое измерение параметров проката, но и заблаговременное выявление износа оборудования, на котором производится прокат. Поэтому применение такого измерителя позволяет повысить эффективность выпуска проката.
Ключевые слова: листовой прокат, толщина, угол подъема листа, ошибка измерения, высокоэффективный оптический измеритель параметров.
В настоящее время при производстве листового проката все более актуальна задача разработки эффективного измерителя параметров листового проката. Кроме того, известно, что сначала производят горячий прокат листа, а затем параметры листа улучшают путем холодного проката. Так как производство горячего проката намного дешевле производства холодного проката [1, а 179], то все актуальнее становится задача обеспечения параметров горячего проката на уровне параметров холодного проката. Несмотря на то, что существует большое количество измерителей параметров проката, реализующих разные методы измерения, нет формализованного сравнения эффективности этих измерителей.
Для сравнения эффективности измерителей первоначально рассмотрим процесс производства горячего проката [1, с.178—181]. Стан горячей прокатки обычно состоит из
N ~ 11—14 (1)
кл у '
клетей. Производственная линия проката состоит из двух групп клетей: первая — черновой, вторая — чистовой прокатки, между которыми на интервале 40—100 м ставят ножницы для обрезки передних (задних) концов раската, а также чистовой окалиноломатель.
Так как обеспечение требуемых параметров листового проката достигается на этапе чистовой прокатки, процесс измерения параметров листа производят в чистовой группе клетей. При прокатке в чистовой группе клетей раскат листа одновременно находится практически во всех клетях, поэтому процесс прокатки можно рассмотреть как процесс в одной (последней) клети.
Обычно применяют двух- и четырехвалковые клети. На рисунке а схематично представлен процесс горячей прокатки в двухвалковой клети. Лист проката может двигаться с большими скоростями, достигающими значений [2, а 179]
К.х(0| « 101,5 м/с. (2)
На один из двух валков действует сила ^дав(Дупр 0, Ау 1), направленная под некоторым углом к вертикальной плоскости, в которой расположены оси валков, и позволяющая уменьшить толщину верхней части листа на величину 5(0. В соответствии с третьим законом Ньютона со стороны нижнего валка
Борис Тиборович Будаи, доктор техн. наук, профессор кафедры технической физики ФТИ УрФУ. Тел. (343) 375-41-46. E-mail: buda@olympus.ru
Борис Трифонович Породнов, доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры технической физики ФТИ УрФУ. Тел. (343) 375-93-50. E-mail: pbt@list.ru
Ирина Викторовна Мякутина, аспирант кафедры технической физики ФТИ УрФУ Тел. (343) 375-41-46.
действует аналогичная зеркально симметричная сила, которая уменьшает нижнюю часть листа примерно на такую же величину 5'(У). Под действием этих сил в направлении движения листа происходит подъем листа на угол а , который может принимать значения [2, с. 40, 141]
а < 1/2 рад,
(3)
на расстоянии Дхл 0 между валком и вертикальной плоскостью измерения толщины листа, обычно равном
Ах
(4)
При больших угловых отклонениях листа (3) могут возникать и большие вертикальные отклонения Айл от горизонтального направления движения листа
Р (Ау „, Ау ,)
дав4 -'пр О -'пр 1'
X
\
Аа
Ал / ■ \Ч / ; i волн
'ШШ ш 0 к
1 волн
Процесс производства и измерения параметров листового проката вдоль направления его
движения:
а — схематичное представление процесса горячей прокатки в двухвалковой клети; б — к определению величины волнистости листа при прокатке.
100,5 м.
б
АКл ~ Ахл 0 ■ 8ш(ал), (5)
что может вызывать и большие методические отклонения при измерении толщины листа, равные
АКм ~ К ■ (1 - ео8(ал)), (6)
где к0 — требуемая толщина листа (рисунок б). Обычно отклонения толщины проката не должны превышать диапазон значений [3, 4]
|АЛ0| < 10-1,5 ■ И0. (7)
При малых толщинах листа к ~ 0,5 мм диапазон допустимых отклонений толщины составляет для горячего проката [3]
|Акд| < 0,05 мм, (8)
для холодного проката [4]
|Ак | < 0,02 мм. (9)
С учетом вышеизложенного, а также [3—7], отклонения от основных контролируемых параметров листа обусловлены следующими характерными дефектами:
1) отклонением листа от горизонтального направления, приводящим к методическим ошибкам измерения Акм (6);
2) отклонением средней толщины проката Ак0 (8), (9);
3) волнистостью листа (рисунок б), определяемой как
Ак (х) к А ■ 8т(2 ■ %/1 ■ х + ф ), (10)
волн4 ' волн 4 волн * волн' 4 '
где А , I , ф — амплитуда, пространственный период и начальная
волн волн волн
фаза изменений толщины листа.
В соответствии с (6), (8) — (10) обеспечение требуемого допуска Акд по толщине проката достигается при выполнении условия
Акд > |Акс|, (11)
где Акс — суммарное отклонение толщины листа от требуемого значения Ак0, которое можно представить неравенством
|Акс| < Акм + |Ак0| + |Акволн|. (12)
Предположим, что 1-е составляющие суммарной ошибки (12) равновелики. Тогда с учетом соотношений (7) и (11) отклонение Ак. толщины листа к0 ~ 10-0,5 мм из-за 1-го дефекта, перечисленного выше, можно определить неравенством
|Ак.| < 10-2 мм. (13)
Оценим выполнимость условия (13) для ошибки Акм. С учетом (6) эта ошибка зависит от угла подъема листа ал, который определяется главным образом величиной 5 (см. рисунок а), уменьшающейся от одной клети к другой. При этом, если в первых клетях прокатного стана подъем листа достигает больших значений а < 1/2 рад (3), то на последних клетях из общего коли-
чества (1) этот угол уменьшается. Для выполнения условия (13) этот угол должен уменьшаться до значений ал < 10-1 рад, что, согласно [1, 2], выполнимо.
Определим условия высокоточного измерения отклонения (12) из-за волнистости Айволн (10) прокатного листа. Период измерения дефектов должен обеспечивать измерение параметров волнистости (10). При произвольном значении фазы Фволн (10) измерение амплитуды ^волн и периода волнистости /волн (10) (рисунок б) достигается при пространственном периоде измерения, определяемом очевидным из рисунка а неравенством
I < I /4. (14)
изм волн 4 '
Обычно период волнистости /волн (14) определяется главным образом износом бочки валков последней и/или предпоследней клети чистовой прокатки, когда сечение валка вместо круглого становится эллиптическим [6]. В этом случае можно предположить, что
I = к • г, (15)
волн в
где гв = ёв/2 — радиус валка; йъ ~ 3 см [8] (рисунок а). Тогда период волнистости (15) равен
I ~ 5 см. (16)
волн
При скорости проката (2) и периоде волнистости (16) период измерения (14) составляет
I ~ 1,25 см. (17)
изм
Такой пространственный период (17) достигается при временном периоде измерений Тизм < 1 ^ С учетом (2) и (17) требуемый период измерения равен
Т < 1,25 • 10-4 с. (18)
изм
Оценим возможности выполнения требований (17) и (18) при использовании известных измерителей. Например, одна из наиболее совершенных систем автоматического регулирования толщины полосы листового проката САРТ [1, с. 277], использующая рентгеновский измеритель параметров, обеспечивает реальную точность поддержания толщины листа в пределах (7) при времени измерения
Т ~ 1015 с. (19)
изм
Поэтому рентгеновский измеритель, во-первых, косвенный, что не обеспечивает большую точность измерения (7); во-вторых, период измерения этим измерителем (19) на 2,5 порядка больше требуемого (18), что не позволяет измерять волнистость Айволн (10) и отклонение ширины А/ш при скорости движения проката (2). Кроме того, такой измеритель экологически вреден.
Ультразвуковой измеритель параметров [6], как и рентгеновский, также позволяет косвенно измерить параметры листа и обладает подобными же недостатками, хотя экологически менее вреден.
Как радиолокационный [12], так и оптический триангуляционные измерители могут обеспечить малый период измерения (18). Кроме того, в отличие от ранее рассмотренных измерителей триангуляционные измерители
позволяют определить истинную толщину листа, а следовательно, и истинные параметры листа.
Рассмотрим первоначально процессы измерения, протекающие на верхней части листа проката (см. рисунок а). Сигнал от излучателя формируется под углом аизл, облучает лист проката и отражается в приемник, который расположен перпендикулярно плоскости движения листа проката. Если отклонения плоскости листа обусловлены изменением его толщины, то изменения положения энергетического центра луча в плоскости приемника Ау 0 соответствуют измеряемой толщине луча.
Если же отклонения в приемнике в текущем п-м кадре Ау 0(п) обусловлены не изменением толщины, а подъемом листа Акл, то измеритель, находящийся снизу листа, позволит учесть этот подъем вследствие изменения значений Ау^ 1(п) (рисунок б). После обработки измерений (Ау^ 0(п), Ау^ 1(п))
в п-м периоде измерения будет формироваться сила ^дав(Ау 0(п), Аупр 1(п)),
которая должна обеспечивать требуемую толщину листа проката к0. При этом отклонение толщины листа Ак . (18) вызывает пропорциональное отклонение луча в плоскости фотоприемной матрицы (ФПМ) Ау. = Ау 1 . -- Ауп 0 .. С учетом [9, с. 101] Ак = Ау. /2 ■ I , где/— фокусное расстояние от объектива ОЭС до плоскости фотоприемной матрицы (ФПМ); I — расстояние от плоскости листа до объектива ОЭС. Для простоты рассуждений можно принять I /Л~ 1, тогда получим
Ак.~ Ау./2. (20)
Из-за дифракции сигнала и шумов детекти
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.