thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững, tối ưu bền vững cho hệ thống cán thép tấm

-1-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA


THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BỀN VỮNG,
TỐI ƢU BỀN VỮNG CHO HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM


BAN GIÁM HIỆU


KHOA SAU ĐẠI HỌC



NGƢỜI HD KHOA HỌC

T.S BÙI CHÍNH MINH
HỌC VIÊN



VŨ HOÀI THU





Thái Nguyên, 2010

-2-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu và tổng hợp các tài liệu của
riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.


Học viên


Vũ Hoài Thu

-3-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


LỜI CẢM ƠN

Nước ta đang phấn đấu đến năm 2020 cơ bản trở thành một nước công
nghiệp có trình độ phát triển khá. Chiến lược trong những năm tới là phải đưa đất
nước phát triển nhanh và bền vững, xây dựng nền kinh tế tự chủ, chủ động hội nhập
có hiệu quả với kinh tế quốc tế và tiếp tục đổi mới sâu rộng hơn nữa.
Ngành thép là một ngành công nghiệp then chốt trong nền kinh tế quốc dân,
là đầu vào cho rất nhiều các ngành công nghiệp khác. Thép được đánh giá là vật tư
chiến lược và có vai trò hết sức quan trọng trong sự nghiệp CNH-HĐH đất nước.
Sản phẩm thép rất đa dạng trong đó phải kể đến thép tấm (lá) là một trong
những dạng sản phẩm cán kinh tế nhất. Từ thép tấm và thép băng người ta sản xuất
thép ống, thép hình uốn, các loại kết cấu hàn và các sản phẩm dập rất đa dạng.
Ở nước ta, trong định hướng phát triển của nghành luyện kim đã dự kiến
tổng nhu cầu thép vào năm 2010 là 6.400.000 tấn, trong đó có 3.500.000 tấn thép lá
và 2.900.000 tấn thép hình và dây. Như vậy khối lượng thép tấm, lá chiếm gần 55%
tổng sản phẩm thép cán. Hiện tại ở nước ta chỉ có duy nhất nhà máy cán thép tấm
là công ty TNHH một thành viên Thép Cái Lân đang hoạt động.
Hệ thống cán thép tấm được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi tại các cơ sở
nghiên cứu và thực nghiệm nhưng hầu hết các công trình này đều không xét đến
ảnh hưởng phi tuyến của hệ thống thủy lực do vậy các mô hình này tương đối đơn
giản và phạm vi ứng dụng hẹp. Một vấn đề quan trọng trong điều khiển quá trình
cán là cần cải thiện thời kỳ quá độ.
Xuất phát từ lý do trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển
phi tuyến bền vững, tối ưu bền vững cho hệ thống cán thép tấm”.
Do mộ t phầ n khố i kiế n thứ c dù ng để nghiên cứ u , giải quyết những vấn đề
lớ n trong đề tà i thuộ c lĩ nh vự c Công nghệ cán thép tấm , tác giả phải tự học trong
mộ t thờ i gian ngắ n, tài liệu tham khảo để phục vụ cho luận văn gặp nhiều khó khăn ,
thời gian nghiên cứu luận văn và khả năng tự nghiên cứ u củ a tá c giả cò n hạ n chế ,
nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự quan tâm, góp ý của các
Thầy, Cô và đồng nghiệp để tá c giả lnh hội bổ sung cho chương trình nghiên cứu ,
nâng cao trình độ củ a bả n thân ngà y mộ t tố t hơn.

-4-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Để luận văn hoàn thành đúng thời hạn, cùng với sự nỗ lực của bản thân, tác
giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ; trước tiên tác giả xin chân thành cảm ơn
T.S Bùi Chính Minh, người thầy hướng dẫn khoa học chính giúp tác giả hoàn thành
luận văn này. Ngoài ra, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Khoa Luyện kim và
Công nghệ vật liệu- Đại học Bách Khoa Hà Nội cùng các bạn bè, đồng nghiệp đã
giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm giúp tác giả hoàn thành luận văn này ./.
Thái Nguyên, tháng 9 năm 2010

Học viên


Vũ Hoài Thu

-5-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


MỤC LỤC


Trang phụ bìa
Trang
1
Lời cam đoan
2
Lời cảm ơn
3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

LỜI NÓI ĐẦU

Phần I. MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

2. Ý ngha khoa học và ý ngha thực tiễn của đề tài

3. Mục đích nghiên cứu

4. Đối tượng nghiên cứu

5. Phương pháp nghiên cứu

6. Cấu trúc của luận văn

Phần II. NỘI DUNG

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP TẤM

1.1. Phôi cho sản xuất thép tấm và thép băng cán nóng

1.2. Đặc điểm, thành phần và cách bố trí thiết bị ở các nhà máy cán
tấm

1.3. Kỹ thuật cán thép ở các nhà máy cán tấm

1.3.1. Cán phôi slab trong giá trục đứng

1.3.2. Cán trong giá thô

1.3.3. Cán trong giá cán tinh

1.4. Đặc điểm biến dạng của thép khi cán ở các nhà máy cán tấm

1.5. Các thông số năng lượng của quá trình cán tấm

1.6. Tính toán chế độ ép cho máy cán tấm

1.6.1. Điều kiện ăn thép

1.6.2. Độ bền của trục cán

1.6.3. Công suất của động cơ truyền động


-6-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


1.6.4. Nhiệt độ kim loại

1.7. Nhiệt luyện và tinh chỉnh thép tấm

1.8. Kết luận chương 1

Chương 2. Điều khiển hệ thống cán thép tấm bằng các bộ điều
khiển cơ bản

2.1. Bộ điều khiển tuyến tính PI

2.1.1. Mô hình toán học

2.1.2. Cấu trúc bộ điều khiển

2.1.3. Kết quả

2.2. Bộ điều khiển đa biến

2.2.1. Mô hình toán học

2.2.1.1. Hệ thống thủy lực

2.2.1.2. Giá cán

2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển

2.2.2.1. Tuyến tính hóa phản hồi

2.2.2.2. Thiết kế không gian riêng

2.2.2.3. Cấu trúc bộ điều khiển

2.2.3. Kết quả

2.3. Bộ điều khiển H



2.3.1. Ký hiệu

2.3.2. Phương pháp tiêu chuẩn cho bài toán thiết kế H



2.3.3. Thiết kế bộ điều khiển

2.3.3.1. Mẫu máy cán

2.3.3.2. Quá trình thiết kế

2.3.4. Kết quả

2.4. Kết luận chương 2

Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững, tối ưu cho
hệ thống cán thép tấm

3. 1. Mô hình toán học của hệ thống cán

3.1.1 Hệ thống thuỷ lực


-7-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


3.1.2. Lực F

3.2. Một số công cụ toán học sử dụng trong quá trình thiết kế

3.2.1. Tính ổn định

3.2.1.1. Ổn định Luapunov

3.2.1.2. Ổn định đầu vào- trạng thái

3.2.1.3. Phương pháp lặp lùi dần


3. 3. Thiết kế các bộ điều khiển

3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững

3.3.1.1. Phương pháp thiết kế chung

3.3.1.2. Thiết kế bộ điều khiển bền vững cho hệ thống cán thép tấm

3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến tối ưu gián tiếp

3.3.2.1. Phương pháp thiết kế chung

3.3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển tối ưu gián tiếp cho hệ thống
cán thép tấm

3.4. Mô phỏng

3.4.1. Mô phỏng bộ điều khiển bền vững cho hệ thống cán thép
tấm

3.4.2. Mô phỏng bộ điều khiển tối ưu bền vững cho hệ thống cán
thép tấm

3.4.3. Kết quả

3.5. Kết luận chương 3

Phần III. KẾT LUẬN CHUNG

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Phụ lục A

Phụ lục B

Phụ lục C

Phụ lục D





-8-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CN: Cán ngang
ISS: Ổn định đầu vào- trạng thái
CLF: Hàm ổn định Luapunov
HJI: Hamilton- Jacobi- Isaacs

HJB: Hamilton- Jacobi- Belman

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình vẽ
Tên hình vẽ
Trang
1.1
Sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm 1 giá đảo chiều
kvarto 4300

1.2
Sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm 2 giá 2800

1.3
Đặc điểm quá trình cán trong các giá trục

1.4.
Sơ đồ biến dạng của phôi slab trong giá cán trục đứng

1.5
Các sơ đồ cán tấm từ Slab

1.6
Sơ đồ cán góc

1.7
Sự phân bố và kích thước ô rãnh trên bề mặt trục cán

1.8

Trục cán có ô gờ

1.9
Sơ đồ bố trí hệ thống đánh gỉ thủy lực

1.10
Sơ biến dạng của đầu trước phôi thép khi cán trong trục
đứng

1.11
Sơ đồ cán trong giá trục đứng và trục ngang

1.12
Sơ đồ nắn phẳng thép tấm với hai giàn con lăn bố trí
song song

2.1
Mô hình hệ thống cán tấm

2.2
Cấu trúc của hệ thống cán với bộ điều khiển PI

2.3
Phản hồi trạng thái vòng kín của hệ điều khiển PI

2.4
Quá trình cán nhìn từ hướng vuông góc với hướng
chuyển động của phôi

-9-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


2.5
Máy cán nhìn từ góc song song với chuyển động của
phôi

2.6
Sơ đồ khối cho hệ thống cán

2.7
Cấu trúc của hệ thống cán với bộ điều khiển đa biến

2.8
Phản hồi với thay đổi đầu vào tại một cạnh

2.9
Sơ đồ khối hệ thống

2.10
Giá cán 4 tầng

2.11
Mô hình máy cán nguội một giá

2.12
Máy cán nguội biểu diễn trên biểu đồ khối tiêu chuẩn

2.13

Đáp tuyến tần số của máy cán và nhiễu

2.14
Đáp tuyến tần số của bộ điều khiển vòng trong K
i

2.15
Đáp tuyến tần số chức năng vòng của vòng trong L
i

2.16
Độ nhạy vòng trong S
i

2.17
Các đáp tuyến tần số

3.1
Sơ đồ hệ thống cán

3.2
Sơ đồ khối của hệ thống cán

3.3
Hệ tương đương

3.4
Phân bổ áp suất

3.5

Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển bền vững cho hệ thống
cán tấm

3.6
Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển tối ưu bền vững cho hệ
thống cán tấm

3.7
Mô phỏng các tín hiệu của hệ cán với bộ điều khiển phi
tuyến bền vững

3.8
Mô phỏng các tín hiệu của hệ cán với bộ điều khiển phi
tuyến tối ưu bền vững







-10-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Phần I- MỞ ĐẦU

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Công nghệ cán thép tấm còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Sản phẩm thép tấm
đều đƣợc nhập khẩu 100%. Trên thế giới, hệ thống cán thép tấm đƣợc nghiên cứu

và sử dụng rộng rãi từ rất lâu nhƣng đều đƣợc đơn giản hóa, hệ là hệ tuyến tính một
đầu vào - một đầu ra hoặc hai đầu vào- hai đầu ra.
Tuy nhiên, các phƣơng pháp trên có nhƣợc điểm là: vùng ổn định của hệ
thống bị thu nhỏ, có sai số do lệch tâm của các trục cán, khe hở của dầu bôi trơn
dẫn đến làm giảm chất lƣợng của sản phẩm. Do đó các phƣơng pháp trên không
đƣợc ứng dụng khi hệ điều khiển yêu cầu độ chính xác cao, độ ổn định lớn.
Vì vậy, thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững, tối ƣu và thích nghi bền
vững để ổn định hệ thống cán thép tấm là vấn đề cần thiết, cải thiện chất lƣợng sản
phẩm thép tấm trong thời kỳ quá độ. Việc thiết kế này sẽ đem lại lợi ích kinh tế to
lớn, góp phần cải thiện chất lƣợng thép tấm và mở rộng phạm vi ứng dụng 7lý
thuyết điều khiển vào thực tế.
2. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
2.1. Ý nghĩa khoa học
Công nghệ cán thép tấm đƣợc điều khiển bằng nhiều phƣơng pháp khác
nhau. Tuy nhiên phƣơng pháp điều khiển phi tuyến sẽ khắc phục đƣợc các hạn chế
của các phƣơng pháp truyền thống. Bộ điều khiển này xét đến các phần tử phi tuyến
của hệ thống thủy lực, hệ thống giá cán, trục cán và nhiễu.
2 2. Ý nghĩa thực tiễn
- Công nghệ cán thép tấm còn khá mới mẻ ở nƣớc ta, sản phẩm chủ yếu nhập
khẩu với giá thành cao. Kết quả của đề tài sẽ tạo cơ sở khoa học để ứng dụng cho hệ
thống cán thép tấm chất lƣợng cao sẽ có ở Việt Nam với hệ thống điều khiển có
phạm vi sử dụng rộng hơn, ổn định hơn và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.
- Đề tài hoàn thành sẽ là tài liệu quan trọng giúp cán bộ khoa học kỹ thuật
thiết kế và hoàn thiện hơn hệ thống điều khiển trục cán thép tấm và mở ra những
ứng dụng thiết thực khác


-11-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
- Tiếp tục hoàn thành công nghệ cán thép tấm có chất lƣợng cao bằng bộ
điều khiển phi tuyến.
- Tạo cơ sở khoa học để các cán bộ khoa học thiết kế bộ điều khiển cho hệ
thống trục cán thép tấm và những đối tƣợng tƣơng đƣơng khác.
4. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
- Lý thuyết điều khiển phi tuyến
- Các hệ thống cán thép tấm
- Thiết kế điều khiển cho hệ thống cán thép tấm bằng bộ điều khiển phi
tuyến.
- Mô phỏng hệ thống trục cán thép tấm với bộ điều khiển phi tuyến.
5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu sách, giáo trình, bài báo, luận văn, các
nghiên cứu khoa học khác và các tài liệu liên quan.
2. Tiến hành khảo sát và thực nghiệm bằng mô phỏng và hiệu chỉnh
Từ đó đề xuất để có điều kiện tiến hành thí nghiệm thực, hiệu chỉnh, đánh giá
và kết luận.
6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Luận văn gồm ba chƣơng, có nội dung nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ cán thép tấm
Chƣơng này giới thiệu tổng quan về công nghệ cán thép tấm nhƣ: đặc điểm
của phôi cán, các thiết bị của nhà máy cán tấm, kỹ thuật cán và các thông số năng
lƣợng của quá trình cán…
Chƣơng 2: Điều khiển hệ thống cán thép tấm bằng các bộ điều khiển cơ bản
Chƣơng 2 giới thiệu một số bộ điều khiển cơ bản đã đƣợc ứng dụng cho hệ
thống cán thép tấm nhƣ: bộ điều khiển tuyến tính, bộ đa biến, bộ điều khiển H…từ
đó phân tích những tồn tại của các bộ điều khiển đó và chỉ ra tính cấp bách của đề
tài.

Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững, tối ƣu cho hệ thống cán
thép tấm

-12-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Chƣơng này phát triển mô hình toán học và thiết kế hai bộ điều khiển phi
tuyến bền vững và tối ƣu bền vững cho hệ thống cán thép tấm, cải thiện thời kỳ quá
độ.

-13-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Phần II- NỘI DUNG
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP TẤM

Thép tấm hay còn gọi là thép lá là một trong những dạng sản
phẩm cán kinh tế nhất. Từ thép tấm và thép băng ngƣời ta sản xuất
thép ống, thép hình uốn, các loại kết cấu hàn và các sản phẩm dập rất
đa dạng. Chế tạo các dạng ống và thép hình nhẹ từ thép tấm và thép
băng (có độ dày nhỏ hơn so với sản phẩm ống và thép hình cán) cho
phép tiết kiệm đƣợc 10- 15% kim loại.
Ở một số nƣớc công nghiệp phát triển, tỷ trọng thép tấm và thép
băng trong tổng khối lƣợng sản phẩm cán chiếm tới 50 - 70%. Cùng với
sự gia tăng nhu cầu về thép băng và thép tấm nói chung, khối lƣợng
sản phẩm thép lá cũng không ngừng tăng nhanh, chiếm tỷ trọng trên
40% tổng sản phẩm và thép băng.
Ở nƣớc ta, trong định hƣớng phát triển của ngành luyện kim đã
dự kiến tổng nhu cầu thép vào năm 2010 là 6.400.000 tấn, trong đó có
3.500.000 tấn thép lá và 2.900.000 tấn thép hình và dây. Nhƣ vậy khối

lƣợng thép tấm, lá chiếm gần 55% tổng sản phẩm thép cán.
Để đảm bảo nhu cầu nêu trên, dự kiến xây dựng, phân bổ và phát
triển năng lực thiết bị nhằm cân đối nhu cầu sản phẩm cũng đƣợc đề
xuất cho từng giai đoạn đến 2005 và 2010, bao gồm các nhà máy cán
nóng, cán nguội thép băng liên tục với tổng sản lƣợng dự kiến đến
2010 tới hơn 4 triệu tấn/ năm [1].









-14-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


1.1. PHÔI CHO SẢN XUẤT THÉP TẤM VÀ THÉP BĂNG CÁN NÓNG
Để sản xuất thép tấm ngƣời ta sử dụng phôi là slab và thép thỏi. Slab là phôi
có tỷ lệ giữa chiều rộng và chiều dày khoảng 312. Kich thƣớc phổ biến của slab,
dùng cho các máy cán hiện đại là: HBL = (100 300) mm  (600  320)mm 
(1500  14000 mm, khối lƣợng đạt (35  45) T.
Theo phƣơng pháp sản xuất, slab chia làm hai loại: slab đúc và slab cán.
Slab cán đƣợc cán từ thỏi ở các máy bluming, luming-slabing và slabing. Khi cán
slab ở các máy bluming, luming-slabing ngƣời ta áp dụng những lần cán biên. Do
vậy, bề rộng lớn nhất của slab bị hạn chế bởi khoảng cách nâng trục cực đại. Các
máy bluming có thể sản xuất slab với chiều rộng lớn nhất (800100) mm, còn các
máy blumming-slabing -(1600 1900)mm [1].

Slabing là loại máy cán chủ yếu dùng để sản xuất slab cán. Slab cán ở các
máy này đảm bảo đƣợc hình dạng, kích thƣớc và chất lƣợng gia công. Khoảng cách
giữa hai trục đứng và giữa hai trục lớn cho phép cán slab có bề rộng đến 2240 mm.
Quá trình cán ở các máy slabing đƣợc tiến hành với số lần đảo chiều và số lần cán ít
nhất. Cho nên năng suất của các máy cán slabing lớn hơn nhiều so với các máy cán
slab khác.
Sản xuất slab từ thỏi bằng phƣơng pháp cán có nhiều điểm hạn chế:
- Hệ số tiêu hao kim loại lớn.
- Qui trình công nghệ phức tạp, tốn thời gian và năng lƣợng.
- Slab có sự không đồng nhất về cơ tính do sự không đồng nhất về thành
phần hóa học và tổ chức của thỏi gây nên.
Sản xuất slab bằng phƣơng pháp đúc liên tục khắc phục đƣợc hầu hết những
nhƣợc điểm kể trên. Do có sự đồng nhất về thành phần hóa học và tổ chức nên chất
lƣợng của slab đúc cao hơn slab cán. Ngoài ra, phƣơng pháp đúc liên tục còn cho
phép giảm một cách đáng kể hiệu số tiêu hao kim loại, năng lƣợng và thời gian cho
qui trình công nghệ. Chính vì vậy mà giá thành của slab đúc thấp hơn nhiều so với
slab cán.
Do có những ƣu điểm kinh tế - kỹ thuật nêu trên, hiện nay phƣơng pháp đúc
liên tục slab đƣợc áp dụng một cách rộng rãi và trở thành phƣơng pháp sản xuất
phôi chủ yếu cho các máy cán thép tấm.

-15-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Cán thép tấm từ phôi slab là phƣơng pháp công nghệ hợp lí hơn cả. Bằng
phƣơng pháp này, ta có thể nâng cao cơ tính, chất lƣợng bề mặt của thép thành
phẩm, đồng thời giảm đáng kể hệ số tiêu hao kim loại, tăng năng suất và mở rộng
chủng loại sản phẩm của máy.
Kích thƣớc và khối lƣợng của slab đƣợc xác định căn cứ vào kích thƣớc của

sản phẩm.
Đối với các máy cán tấm, những phôi slab có chiều dày nhỏ nhất và chiều
rộng (hoặc chiều dài) bằng chiều rộng của tấm thành phẩm là những phôi có kích
thƣớc tối ƣu. Các phôi này cho phép giảm tối đa số lần cán và bằng cách đó nâng
cao năng suất của máy. Chiều dài của phôi thƣờng bị hạn chế bởi chiều dài thân trục
cán, bởi lẽ các phôi có chiều dài vƣợt quá chiều dài thân trục, ta không thể áp dụng
sơ đồ cán ngang để tạo bề rộng cho thép thành phẩm. Ở các máy cán tấm lớn, khối
lƣợng của slab có thể lên tới 40T hoặc hơn.
Khi cán ở các máy cán thép băng rộng bản liên tục và bán liên tục, ngƣời ta
dựa vào khả năng ép của các giá cán, kích thƣớc lò nung phôi, đặc điểm và tính
năng của các thiết bị phụ để tính toán kích thƣớc slab.
Khi chọn kích thƣớc tối ƣu cho slab, ta cũng cần chú ý đến khả năng và tính
hợp lí của việc sản xuất chúng ở các máy cán phôi hay ở các thiết bị đúc liên tục.
1.2. ĐẶC ĐIỂM, THÀNH PHẦN VÀ CÁCH BỐ TRÍ THIẾT BỊ Ở CÁC NHÀ
MÁY CÁN TẤM
Chiều dài thân trục cán của các máy cán tấm đƣợc xác định theo chiều rộng
của thép thành phẩm. Chiều rộng lớn nhất của tấm sau khi cán phải nhỏ hơn chiều
dài thân trục từ 200 mm đến 400mm.
Các máy cán tấm gồm một hoặc hai giá phân bố nối tiếp nhau. Số lƣợng giá
cán đƣợc xác định căn cứ vào năng suất cần thiết và yêu cầu về chất lƣợng của thép
thành phẩm. Với năng suất (300.000  500.000) T/năm, ngƣời ta thƣờng đặt máy
cán một giá. Máy hai giá cán cần trong trƣờng hợp yêu cầu năng suất cao hơn.
Các giá cán của máy cán tấm thƣờng là kiểu 2 trục (duo) đảo chiều, 4 trục
(kvarto) hoặc 4 trục vạn năng ( 4 trục ngang kết hợp với 2 trục đứng). Kiểu giá 3
trục, với trục giữa nhỏ hơn không truyền động (trio Lau ta).

-16-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Các giá cán duo và trio lauta có độ cứng thấp, thƣờng gây nên độ không
đồng đều ngang và dọc đáng kể của chiều dày thép cán. Đối với các giá cán trio
lauta, còn cần phải có bàn nâng hạ bố trí hai bên giá cán, hệ thống này thƣờng rất
nặng nề, một mặt làm hạn chế khối lƣợng và kích thƣớc thép cán, mặt khác vì tốc
độ quay của trục cán không đổi suốt trong quá trình cán một sản phẩm, nên tải trọng
động khi trục cán ăn thép rất lớn. Ngoài ra ở các giá cán trio lauta lƣợng thép trong
một lần cán thƣờng bị hạn chế và thời gian nghỉ giữa hai lần cán tƣơng đối dài.
Chính vì những nhƣợc điểm trên mà hiện nay, khi xây dựng các xƣởng cán tấm
mới, kiểu giá cán trio lauta không đƣợc dùng nữa, còn các giá cán duo chỉ đƣợc sử
dụng làm giá cán thô ở các máy cán tấm hai giá.
Kiểu giá kvarto đƣợc sử dụng rộng rãi hơn cả. So với các kiểu giá cán khác
(ít trục hơn), các giá cá kavarto có độ cứng cao hơn, do đó đảm bảo đƣợc độ chính
xác của chiều dày thép thành phẩm.
Để cán thép tấm có mặt biên đƣợc gia công, ngƣời ta sử dụng các giá cán
kvarto vạn năng. Các giá này thƣờng đƣợc dùng làm các giá cán tinh ở các nhà máy
cán tấm, băng dày và hẹp. Tuy nhiên hiệu suất sử dụng các giá cán vạn năng ở các
máy cán tấm dày không cao, bởi vì khi cán tấm rộng và tƣơng đối mỏng, không thể
áp dụng lƣợng ép biên để tránh cho thép bị uốn cong theo chiều ngang.
Một số ít nhà máy luyện kim cũ hiện nay trên thế giới vẫn còn sử dụng máy
cán tấm một giá triolauta. Các nhà máy này thƣờng có chiều dài thân trục 1800 
3850 mm, đƣờng kính trục trên và dƣới 650  1000 mm, đƣờng kính trục giữa 450
 780 mm. Hai trục trên và dƣới đƣợc truyền động từ động cơ điện xoay chiều, qua
hộp giảm tốc và bánh đà. Các máy này thƣờng cán tấm dày 4  32 mm với tốc độ
2,5  3,5 m/s.
Các máy cán tấm triolauta một giá hiện nay không đƣợc chế tạo nữa.
Ở các máy cán tấm một giá, ngoài giá kvarto, ngƣời ta thƣờng đặt thêm một
trục đứng, có nhiệm vụ đánh gỉ, gia công mặt biên và căn chiều rộng. Trên hình 1.1
trình bày sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm một gia kvardo 1050/2150  4300
(cộng hòa liên bang Đức). Máy cán tấm có chiều dày đến 40 mm, chiều rộng đến
4160 mm, từ phôi slab có khối lƣợng đến 40T. Phôi trƣớc khi cán đƣợc nung trong

-17-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


là liên tục với công suất 206T/h. Năng suất của máy đạt ( 900 000  1000 000)
T/năm.
Mỗi trục làm việc đƣợc truyền động từ động cơ riêng, công suất 3725KW.
Vận tốc cán đạt 6m/s. Giá cán có khả năng chịu tải đến 8850 T.
Máy đƣợc trang bị hệ thống tự động điều chỉnh chiều dày và cơ cấu chống
uốn trục tựa, cho phép cán sản phẩm với tốc độ chính xác và độ phẳng cao. Lực
chống uốn ở mỗi đầu trục đạt tới 1470 T.

Hình 1.1. Sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm 1 giá đảo chiều kvarto 4300[1]
1- bàn cân phôi;2- lò nung liên tục;3- giá cán đảo chiều kvarto; 4- máy nắn nóng;
5- máy cắt lửa; 6- giàn làm nguội; 7- giá kiểm tra và nghiệm thu sản phẩm (có
trang bị máy lật tấm); 8- máy cắt đầu, đuôi; 9- máy cắt dọc;10- máy cắt mép biên;
11- lò thường hóa; 12- máy cắt ngang; 13- máy nắn nguội
Trƣớc giá cán ngƣời ta đặt thiết bị đánh gỉ thủy lực, áp suất nƣớc đạt tới 170
at. Sau giá cán là máy cán nóng, có thể nắn thẳng thép tấm có chiều dày đến 95 mm.
Máy cán cũng đƣợc trang bị các máy cắt đầu, đuôi, cắt phân đoạn và cắt
mép biên, máy nắn nguội và các lò thƣờng hóa có chiều dài 75m, rộng 4,5m, cho
phép nung thép tấm có chiều dài đến 30m, rộng đến 4,1m với nhiệt độ 500 
1100
0
C.
Do nhu cầu đa dạng hóa chủng loại sản phẩm thép tấm từ các mác thép
cacbon và thép hợp kim, cùng với những yêu cầu ngày càng cao về chất lƣợng bề
mặt và độ chính xác của sản phẩm, các máy cán tấm liên hợp duo kvarto và các máy
cán có khung giá di động đƣợc sử dụng một cách rộng rãi.

Máy liên hợp có cấu tạo gồm một giá kvarto và một bộ 2 trục cán (duo), có
chiều dài thân trục nhỏ hơn chiều dài thân trục giá cán kvarto, đƣợc gá đặt nhờ một
hệ thống dầm ngang đặc biệt. Do đó, máy liên hợp có thể thay thế phần nào vai trò

-18-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


của hai giá cán: slabing và giá cán tấm kvarto, cho phép sản xuất thép tấm có chất
lƣợng cao từ thỏi.
Một trong các máy cán liên hợp lớn nhất thế giới đƣợc xây dựng ở Nhật Bản,
bộ duo ( kích thƣớc trục 1230 3000 mm) làm việc nhƣ một máy slabing, có thể cán
thỏi khối lƣợng đến 25T và slab kích thƣớc H  B = (100 400) mm  (1200 
1800) mm. Bộ kvarto có kích thƣớc trục 1020/1800  4300 mm, cho phép cán tấm
sản phẩm có chiều dày 6  150 mm, chiều rộng 1200  4000 mm và chiều dài đến
20m. Giá cán liên hợp đƣợc truyền động từ hai động cơ với công suất mỗi chiếc
3680kW.
Ở các máy cán tấm đƣợc trang bị các giá cán có khung di động, quá trình
cán các chủng loại thép tấm hẹp và rộng đƣợc tiến hành với các trục có chiều dài
khác nhau. Điều đó cho phép cán các sản phẩm có dung sai chiều dày thấp (giảm
ảnh hƣởng của độ uốn trục do không phải cán thép tấm hẹp với trục cán quá dài).
Khi chủng loại chiều rộng thay đổi, một trong hai khung giá có thể dịch chuyển đến
hai vị trí khác nhau nhờ các xilanh thủy lực. Khung giá đƣợc bắt chặt vào đế máy
bằng các móc thủy lực.
Một trong những giá cán kvarto đảo chiều có khung di động lớn nhất đƣợc
xây dựng ở Mỹ. Chiều dài thân trục giá cán này có thể thay đổi trong khoảng 4065
 5335 mm, đƣờng kính trục tựa 1800 mm, đƣờng kính trục làm việc 1000mm. Mỗi
trục làm việc đƣợc truyền động từ một động cơ riêng với công suất 4470kW. Máy
cho phép cán tấm từ các mác thép cacbon và thép hợp kim, kích thƣớc hbl = (4,7
380)mm  (760  5080)mm  (29000)mm.

Các máy cán tấm liên hợp duo - kvarto và các máy cán có khung giá di động
chỉ có hiệu suất sử dụng cao trong trƣờng hợp cán sản phẩm có khối lƣợng sản xuất
nhỏ và chủng loại rộng.
Để sản xuất thép tấm, các máy cán hai giá vẫn đƣợc sử dụng rộng rãi hơn cả.
Thành phần của các máy cán tấm hai giá hiện đại thƣờng gồm một giá trục đứng và
hai giá trục ngang (cán thô và cán tinh) bố trí nối tiếp nhau. Các máy cán hai giá có
ƣu điểm là chất lƣợng bề mặt sản phẩm cao (do thép đƣợc đánh sạch gỉ ở giá trục
đứng và giá cán thô trƣớc khi cán trong giá cán tinh), thời gian làm việc của trục
cán dài (giảm số lần thay trục), năng suất cao.

-19-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Các máy cán tấm hai giá hiện đại có sự phối hợp giữa các giá cán nhƣ sau:
- Giá cán thô duo và giá cán tinh kvarto;
- Giá cán thô kvarto và giá cán tinh kvarto.
Trên hình 1.2 trình bày sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm hai giá 2800.
Máy gồm một giá trục đứng, một giá cán thô duo và một giá cán tinh vạn năng
kvarto. Sản phẩm của máy có kích thƣớc hbl = (8 50)mm( 2500)mm (20
000)mm, đƣợc cán từ slab kích thƣớc HBL = ( 125250) mm ( 700  1600)mm
( 2500  6000)mm, khối lƣợng đến 12T. Năng suất của máy đạt 1000 000
T/năm[1].

Hình 1.2. Sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm 2 giá 2800
1- máy đẩy phôi;2- lò nung liên tục; 3- giá cán trục đứng;4- giá cán thô đảo chiều
duo 1150x2800; 5- giá cán tinh đảo chiều kvarto 800/1400x2800; 6- đường băng
lăn làm nguội; 7- máy nắn;8- sàn làm nguội; 9- bộ phận chứa thép tấm làm nguội
chậm; 10- máy lật tấm; 11- xe lấy dấu kích thước; 12- máy cắt chém dùng cắt
ngang và cắt dọc; 13- máy cắt đa cắt mép biên; 14- máy cắt chém có miền hoạt

động rộng; 15- bộ phận chứa thép tấm; 16- lò nung có sàn con lăn dùng nhiệt luyện
thép tấm; 17- xe vận chuyển thép; 18- đường băng lăn có máy đảo điện từ;
19- hố chứa vảy gỉ; 20- cầu trục.
Giá trục đứng có đƣờng kính trục 1500mm, chiều dài thân trục 600mm.
Công suất động cơ truyền động cho giá trục đứng 880 kW. Phía trƣớc giá này có
máy đảo phôi, phía sau là hệ thống đánh gỉ thủy lực gồm hai ống dẫn với các vòi
phun nƣớc áp suất cao (đến 100at), phân bố phía trên và phía dƣới tấm thép.
Trục của giá cán thô duo có kích thƣớc DL = 1150mm 2800mm. Mỗi
trục cán có động cơ truyền động riêng, công suất 2570kW, tốc độ 0 -3-60

-20-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


vòng/phút. Giá cán cũng đƣợc trang bị hệ thống đánh gỉ thủy lực. Phía trƣớc và sau
giá cán có giàn con lăn côn xoay thép một góc 90
0
trong mặt phẳng ngang và hai
máy căn dẫn thép vào trục.
Trục đứng của giá cán tinh vạn năng kvarto có kích thƣớc DL =
700400mm. Mỗi trục có động cơ truyền động riêng, công suất 200kW. Trục làm
việc và trục tựa có đƣờng kính tƣơng ứng 800mm và 1400mm, chiều dài thân trục
2800mm. Hai trục làm việc đƣợc truyền động từ động cơ điện một chiều, công suất
5500kW, tốc độ 0-60-120 vòng/phút. Phía trƣớc và phía sau giá cán có các máy căn
dẫn thép vào trục.
Những máy cán tấm đang làm việc và đƣợc thiết kế mới hiện nay thƣờng có
chiều dài thân trục không dƣới 3000 mm. Một số máy cán tấm lớn có chiều dài thân
trúc tới 5590mm hoặc hơn.
Phụ thuộc vào chiều dài thân trục, trục làm việc thƣờng có đƣờng kính (800
 1130)mm, đƣờng kính trục tựa ( 1400  2300)mm.

Để nung phôi slab và phôi thỏi, ngƣời ta sử dụng kiểu lò nung liên tục hoặc
lò giếng (cho các thỏi lớn).
Các hệ thống cán tấm hiện nay đều đƣợc trang bị các hệ thống tự động điều
khiển, cho phép cán sản phẩm có độ chính xác và độ phẳng cao. Nhiều nhà máy cán
tấm đƣợc tự động hóa hoàn toàn từ khâu nung phôi cho đến khi ra thép thành phẩm.
1.3. KỸ THUẬT CÁN THÉP Ở CÁC NHÀ MÁY CÁN TẤM
Hình 1.3 trình bày sơ đồ quá trình công nghệ sản xuất thép tấm từ các mác
thép cacbon (a), thép không gỉ (b)và thép hợp kim (c).
Sau khi kiểm tra và làm sạch khuyết tật bề mặt (thổi bằng ngọn lửa áp suất
cao) phôi slab và thỏi đƣợc nung trong các lò liên tục hoặc lò giếng đến nhiệt độ
1150- 1250C, khi đạt nhiệt độ cần thiết, từng phôi cán đƣợc đƣa đến máy cán theo
đƣờng băng lăn.
Phụ thuộc vào thành phần thiết bị của máy, ngƣời ta cán phôi thành tấm
trong một hay vài giá cán. Vì các giá cán làm việc đảo chiều nên số lần cán bao giờ
cũng là số lẻ, ở các giá cán một giá số lần cán thô và cán tinh đều tiến hành trong
một giá. Ở các máy cán hai giá, quá trình cán đƣợc tiến hành theo thứ tự sau: Phôi
(slab) đầu tiên đƣợc cán trong giá trục đứng. Tại đây, sau một lần cán, phôi đƣợc ép

-21-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


theo chiều ngang ( 10 50)mm. Tiếp theo phôi đƣợc chuyển sang giá cán thô và cán
ở đây cho đến khi đạt đƣợc độ dày và chiều rộng cho trƣớc. Số lần cán trong giá cán
thô thƣờng từ 5 đến 11 lần. Sau lần cán thứ 2 và thứ 4 ở giá cán thô, thép một lần
nữa đƣợc đƣa trở lại trục đứng để cán bằng cạnh biên và căn chiều rộng. Tiếp theo
giá cán thô, thép đƣợc cán trong giá cán tinh cho đến khi đạt độ dày cần thiết sau
(59) lần cán.
Ở các máy cán tấm hai giá, ngƣời ta thƣờng cán đồng thời 2 phôi- một ở giá
cán thô và một ở giá cán tinh. Để đảm bảo sự đồng bộ trong quá trình làm việc, chu

trình cán ở giá cán thô và giá cán tinh phải xấp xỉ bằng nhau.
Đặc điểm của quá trình cán trong giá trục đứng, giá cán thô và giá cán tinh
đƣợc trình bày ở hình 1.3.






















-22-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Thép các bon và thép hợp
kim thấp
Phôi slab hoặc thỏi
Làm sạch khuyết
tật bề mặt
Nung
Cán giữ nhiệt độ
đến nhiệt độ định
trƣớc
Cán
Nắn thẳng nóng
Cắt và lấy mẫu
kiểm tra
Đóng nhãn và dấu
Nhiệt luyện
Nắn thẳng nguội
Kiểm tra, làm sạch
Xuất xƣởng
Thép không gỉ
Phôi slab
Làm sạch khuyết
tật bề mặt
Nung
Nắn thẳng bimetal ở
nhiệt độ 300600
0
C
Cán
Đóng dấu
Nhiệt luyện

Nắn thẳng ở trạng
thái nguội và cắt
Tẩy sạch bề mặt và
phân loại sản phẩm
Xuất xƣởng
Nắn thẳng thép không
gỉ không giảm nhiệt
a)
b)
Hình 1.3

-23-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Thép hợp kim

Phôi thỏi (600- 900ºC)

90

Nhiệt luyện

Làm sạch bề mặt

Nung

Cán thành tấm

Nắn thẳng

Cắt ở trạng thái nóng

Phôi slab

Làm sạch bề mặt

Nung

Cán

Nung

Cán thành slab

Cắt và đóng dấu

Đóng dấu

Nhiệt luyện

Nắn thẳng ở trạng thái
nguội

Kiểm tra, tẩy sạch bề
mặt và phân loại tấm

Xuất xƣởng

Tôi ram

Làm nguội đến 200ºC

Làm nguội đến 200ºC

Nhiệt luyện

Slab

Hình 1.3 c)

-24-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1.3.1. Cán phôi slab trong giá trục đứng
Trong giá trục đứng, phôi slab đƣợc ép theo chiều ngang nhằm đánh bóng gỉ
tạo ra trong quá trình nung (gỉ lò) và san bằng độ không đồng đều ban đầu của chiều
rộng phôi. Gỉ lò sau khi bị bẻ gãy cơ học, đƣợc đánh bóng bằng nƣớc phun dƣới áp
suất (100200)at.
Chất lƣợng đánh gỉ phụ thuộc vào độ thẩm thấu của biến dạng trên tiết diện
ngang của phôi. Nếu vùng giữa phôi trong quá trình cán không biến dạng dẻo, thì gỉ
chỉ đƣợc đánh bóng ở vùng hai mép biên, tức là vùng có sự giãn rộng b
ph
(hình 1.4).








Hình 1.4. Sơ đồ biến dạng của phôi slab trong giá cán trục đứng

Chiều rộng lớn nhất của phôi slab, đảm bảo cho biến dạng dẻo thẩm thấu
toàn bộ tiết diện ngang, có thể xác định từ điều kiện sau:
b
tb
=4,5l
tv
+ 4h
0

(1.1)
Trong đó: b
tb
= 0,5(b
0
+ b
1
) - chiều rộng trung bình của phôi;

v
bR
tv
l  .
- chiều dài vùng biến dạng ( b
v
= b
0
-b
1
– lƣợng ép
trong giá trục đứng).
Biểu thức (1.1) cho thấy, nếu b
tb
> 4,5l
tv
+ 4h
0
, vùng giữa phôi sẽ không
biến dạng, hiệu suất đánh gỉ của giá trục đứng sẽ kém. Trị số của b
ph

có thể tính
theo công thức thực nghiệm:

tv
ph
l
h
h
b
0
0
33,09,1
2

(1.2)
Trong đó h
0
là chiều dài ban đầu (mm)
b
v
/2
h
0
h
ph
b
ph
b
ph
b

1
b
0
l
tv

-25-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Đƣờng kính trục cho phép đạt hiệu suất đánh gỉ cao nhất :

R
hb
v
b
tb
2,20
2
)4(
0


(1.3)
Trong thực tế, chất lƣợng đánh gỉ chỉ đảm bảo khi lƣợng ép lớn hơn so với
lƣợng ép đƣợc tính theo (1.3). Đại đa số các trƣờng hợp, khi cán phôi có bề ngang
tƣơng đối hẹp, để đánh sạch gỉ lò, lƣợng ép riêng tuyệt đối trong giá trục đứng phải
đạt (5060)mm. Tuy nhiên, do công suất động cơ truyền động và đƣờng kính trục
tƣơng đối nhỏ nên việc tiến hành một lƣợng ép riêng lớn, nhƣ vậy ở nhiều máy
không thể thực hiện đƣợc.

Để nâng cao hiệu suất đánh gỉ ở các giá trục đứng, ngƣời ta tăng đƣờng
kính trục lên tới (12001300)mm.
Việc áp dụng trục đứng có khuôn hình cũng là biện pháp hiệu quả tăng chất
lƣợng đánh gỉ. Khi cán trong trục đứng có khuôn hình, lƣợng giãn rộng của thép ở
vùng tiếp giáp với trục bị hạn chế, còn lƣợng biến dạng giãn dài và độ thẩm thấu
biến dạng lại tăng lên đáng kể, làm cho gỉ lò đƣợc đánh bóng toàn diện hơn.
Sau khi đánh sạch gỉ lò, thép đƣợc chuyển sang giá cán thô. Tiếp theo giá
trục đứng chỉ dùng để san bằng mặt biên và căn chiều rộng cho thép giữa những lần
cán thô nhất định.
1.3.2. Cán trong giá cán thô
Ở giá cán thô các máy cán tấm hai giá, lƣợng ép tổng đạt tới (7080)% tổng
lƣợng ép theo chiều dày phôi.
Phụ thuộc vào kết cấu của máy cán, tỷ số giữa chiều rộng của tấm sau khi
cán và chiều rộng của phôi, yêu cầu về chất lƣợng của thép thành phẩm, ta có thể áp
dụng nhiều sơ đồ cán khác nhau. Khi xét từng sơ đồ, cần thống nhất qui định sau:
quá trình cán dọc theo trục của thỏi hoặc slab gọi là cán dọc (CD), cán vuông góc
với trục của thỏi hoặc của slab gọi là cán ngang(CN).
Nếu phôi là thỏi thì quá trình cán thƣờng gồm các bƣớc theo trình tự sau:
1. Cán mất độ côn (vát) và các gờ sống của thỏi theo sơ đồ CD, qua 3- 4 lần
cán.
2. Cán phá bề rộng theo sơ đồ CN với số lần cán theo chế độ ép đã định. Bƣớc
này rất cần thiết vì chiều rộng của tấm thép sau khi cán lớn hơn nhiều so với