nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống cán thép tấm bằng bộ điều khiển thích nghi bền vững


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


NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
THÍCH NGHI BỀN VỮNG


BAN GIÁM HIỆU


KHOA SAU ĐẠI HỌC



NGƢỜI HD KHOA HỌC

T.S BÙI CHÍNH MINH
HỌC VIÊN



HỒ THỊ NGỌC HUYỀN



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

Hồ Thị Ngọc Huyền


















3



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

LỜI CẢM ƠN

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 đƣợc đánh giá là vật tƣ
chiến lƣợc và có vai trò hết sức quan trọng trong sự nghiệp CNH-HĐH đất nƣớc.
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 ngƣời ta sản xuất
thép ống, thép hình uốn, các loại kết cấu hàn và các sản phẩm dập rất đa dạng.
Ở nƣớc ta, trong định hƣớng 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. Nhƣ vậy khối lƣợng thép tấm, lá chiếm gần 55%
tổng sản phẩm thép cán.
Hệ thống cán thép tấm đƣợc nghiên cứu và sử dụng rộng rãi tại các cơ sở
nghiên cứu và thực nghiệm nhƣng hầu hết các công trình này đều không xét đến ảnh
hƣởng phi tuyến của hệ thống thủy lực do vậy các mô hình này tƣơng 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 “ Nghiên cứu nâng cao
chất lượng điều khiển hệ thống cán thép tấm bằng bộ điều khiển thích nghi bền
vững”
Luận văn gồm các chƣơng sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ cán thép tấm
Chƣơng 2: Điều khiển hệ thống trục cán thép tấm bằng các bộ điều khiển cơ
bản.
Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển nâng cao chất lƣợng điều khiển hệ thống
cán thép tấm
Trong quá trình làm luận văn, dƣới sự hƣớng dẫn nhiệt tình của cán bộ
hƣớng dẫn cùng sự nỗ lực của bản thân trong việc tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu và

4




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

tìm hiểu thực tế nhƣng do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn không
tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp, những
lời nhận xét quí báu của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn
thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 9 năm 2010
HỌC VIÊN



Hồ Thị Ngọc Huyền


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 HÌNH VẼ
8
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP TẤM
10
1.1. Phôi cho sản xuất thép tấm và thép băng cán nóng
11

1.2. Đặc điểm, thành phần và cách bố trí thiết bị ở các nhà máy cán tấm
12
1.3. Kỹ thuật cán thép ở các nhà máy cán tấm
17
1.3.1. Cán phôi slab trong giá trục đứng
21
1.3.2. Cán trong giá thô
22
1.3.3. Cán trong giá cán tinh
28
1.4. Đặc điểm biến dạng của thép khi cán ở các nhà máy cán tấm
29
1.5. Các thông số năng lƣợng của quá trình cán tấm
31
1.6. Tính toán chế độ ép cho máy cán tấm
33
1.6.1. Điều kiện ăn thép
33
1.6.2. Độ bền của trục cán
34
1.6.3. Công suất của động cơ truyền động
34
1.6.4. Nhiệt độ kim loại
35
1.7. Nhiệt luyện và tinh chỉnh thép tấm
36
1.8. Kết luận
38
Chương 2. ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM BẰNG
CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN

39
2.1. Bộ điều khiển tuyến tính PI
40
2.1.1. Mô hình toán học
40
2.1.2. Cấu trúc bộ điều khiển
42
2.1.3. Kết quả
43

6



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

2.2. Bộ điều khiển đa biến
44
2.2.1. Mô hình toán học
44
2.2.1.1. Hệ thống thủy lực
46
2.2.1.2. Giá cán
47
2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển
49
2.2.2.1. Tuyến tính hóa phản hồi
49
2.2.2.2. Thiết kế không gian riêng
50

2.2.2.3. Cấu trúc bộ điều khiển
52
2.2.3. Kết quả
53
2.3. Bộ điều khiển H


54
2.3.1. Ký hiệu
54
2.3.2. Phƣơng pháp tiêu chuẩn cho bài toán thiết kế H
54
2.3.3. Thiết kế bộ điều khiển
56
2.3.3.1. Mẫu máy cán
57
2.3.3.2. Quá trình thiết kế
58
2.3.4. Kết quả
59
2.4. Kết luận
63
Chương 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN
VỮNG CHO HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM
64
3.1 Giới thiệu chung
64
3. 2. Mô hình toán học của hệ thống cán
65
3.2.1 Hệ thống thuỷ lực

67
3.2.2. Lực F
68
3. 3. Thiết kế các bộ điều khiển
72
3.3.1 Phƣơng pháp thiết kế
72
3.3.1.1 Mục tiêu điều khiển
73
3.3.1.2 Trình tự thiết kế
74
3.3.2 Các bƣớc thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ
thống cán thép tấm
79
3.4. Mô phỏng và đánh giá kết quả
81

7



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

3.4.1. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ
thống cán thép tấm
82
3.4.2.Kết quả và nhận xét
82
3.5. Kết luận
83

KẾT LUẬN CHUNG VÀ MỘT SỐ ĐỀ XUẤT
84
TÀI LIỆU THAM KHẢO
85
PHỤ LỤC
87
Phụ lục A
87
Phụ lục B
93


8



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




DANH MỤC HÌNH VẼ

Số hiệu
hình vẽ
Tên hình vẽ
Trang
1.1
Sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm 1 giá đảo chiều
kvarto 4300
14
1.2
Sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm 2 giá 2800
16
1.3
Đặc điểm quá trình cán trong các giá trục
19
1.4.
Sơ đồ biến dạng của phôi slab trong giá cán trục đứng

21
1.5
Các sơ đồ cán tấm từ Slab
23
1.6
Sơ đồ cán góc
25
1.7
Sự phân bố và kích thước ô rãnh trên bề mặt trục cán
27
1.8
Trục cán có ô gờ
27
1.9
Sơ đồ bố trí hệ thống đánh gỉ thủy lực
28
1.10
Sơ biến dạng của đầu trước phôi thép khi cán trong trục
đứng
29
1.11
Sơ đồ cán trong giá trục đứng và trục ngang
30
1.12
Sơ đồ nắn phẳng thép tấm với hai giàn con lăn bố trí
song song
37
2.1
Mô hình hệ thống cán tấm
40

2.2
Cấu trúc của hệ thống cán với bộ điều khiển PI
42
2.3
Phản hồi trạng thái vòng kín của hệ điều khiển PI
43
2.4
Quá trình cán nhìn từ hướng vuông góc với hướng
chuyển động của phôi
44
2.5
Máy cán nhìn từ góc song song với chuyển động của
phôi
45
2.6
Sơ đồ khối cho hệ thống cán
45

9



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

2.7
Cấu trúc của hệ thống cán với bộ điều khiển đa biến
49
2.8
Phản hồi với thay đổi đầu vào tại một cạnh
53

2.9
Sơ đồ khối hệ thống
55
2.10
Giá cán 4 tầng
56
2.11
Mô hình máy cán nguội một giá
57
2.12
Máy cán nguội biểu diễn trên biểu đồ khối tiêu chuẩn
59
2.13
Đáp tuyến tần số của máy cán và nhiễu
60
2.14
Đáp tuyến tần số của bộ điều khiển vòng trong K
i
60
2.15
Đáp tuyến tần số chức năng vòng của vòng trong L
i
61
2.16
Độ nhạy vòng trong S
i
61
2.17
Các đáp tuyến tần số
62

3.1
Sơ đồ khối của hệ thống cán
65
3.2
Hệ tương đương
66
3.3
Phân bổ áp suất
67
3.4
Sơ đồ mô phỏng bô điều khiển thích nghi bền vững
68
3.5
Kết quả mô phỏng trạng thái x
1
của bộ điều khiển thích
nghi bền vững
82
3.6
Kết quả mô phỏng trạng thái x
2
của bộ điều khiển thích
nghi bền vững
82
3.7
Kết quả mô phỏng trạng thái x
3
của bộ điều khiển thích
nghi bền vững
83


10



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





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].






11



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

12



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

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.
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

13



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

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).
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.

14



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

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
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

15



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

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
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.

16



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

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.
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 đĩa 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.

17



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

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 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).

18



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

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
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.


19



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
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
Nắn thẳng thép không
gỉ không giảm nhiệt

20



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

a)
b)
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

Tôi ram

Làm nguội đến 200ºC

Làm nguội đến 200ºC

Nhiệt luyện

Slab

Hình 1.3

21



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;
b
v
/2
h
0
h
ph
b
ph
b
ph
b
1
b
0
l
tv
Xuất xƣởng

Hình 1.3 c)

22



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

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)
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.

23



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

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
bề rộng của thỏi. Cán phá bề rộng tiến hành sau khi xoay phôi 90
0

trong mặt
phẳng ngang.
3. Cán phá chiều dày và chiều dài tiến hành theo sơ đồ CD theo chế độ ép định
trƣớc, sau khi xoay thép trở lại 90
0
.
Trong trƣờng hợp cán từ phôi slab, ta có thể áp dụng các sơ đồ sau:
Nếu chiều rộng phôi b
p
bằng hoặc lớn hơn chiều rộng của tấm chƣa cắt mép
b
t
quá trình cán tiến hành theo sơ đồ CD cho đến khi đạt đƣợc độ dày cần thiết.

24



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


Hình 1.5. Các sơ đồ cán tấm từ Slab
I, II, III là các bước của quá trình cán (X90- xoay 90

trong mặt phẳng ngang);
a) cán dọc (CD), b
p
≥ b
t
;b) cán ngang, l

p
≥ b
t

c ) cán dọc(CD), l
p
< b
t
, b
p
<bd) cán ngang (CN), l
p
<b
t
,b
p
< b
t
Nếu chiều dài của phôi I
p
bằng hoặc lớn hơn chiều rộng của tấm chƣa cắt
mép, b
t
ta có thể áp dụng sơ đồ CN. Theo sơ đồ này, chiều dài của phôi sẽ là chiều
rộng của tấm và bề ngang của phôi sẽ đƣợc cán thành chiều dài của tấm (hình 1-
5b).
Đại đa số các trƣờng hợp, thép tấm đƣợc cán từ phôi có chiều rộng và chiều dài
nhỏ hơn chiều rộng của tấm (b
p
< b

t
, l
p
< b
t
)(hình 1-5 c,d). Trong những trƣờng
hợp này, quá trình cán có thể tiến hành hoặc theo sơ đồ CD hoặc theo sơ đồ CN.
Nếu áp dụng sơ đồ CD, quá trình cán gồm ba giai đoạn ( hình 1-5c):
1. Cán dọc đến khi đạt đƣợc chiều dài gần bằng chiều dài thân trục sau 24
lần cán. Giai đoạn này gọi là bƣớc cán giãn dài đầu tiên. Ngoài mục đích
trên, giai đoạn này còn có tác dụng san bằng chiều dày và giảm độ co ở

25



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

hai đầu tấm. Hệ số giãn dài của bƣớc cán giãn dài đầu tiên 
1
thƣờng nằm
trong khoảng 1,11,4.
2. Thép đƣợc cán theo sơ đồ CN, sau khi xoay 90
0
, cho đến khi đạt kích
thƣớc bằng chiều rộng của tấm chƣa cắt mép. Giai đoạn này gọi là bƣớc
cán phá bề rộng. Để giảm độ không đồng đều của chiều rộng ở hai đầu
tấm thép, hệ số giãn dài của giai đoạn này 
2
, phải nhỏ nhất có thể. Trong

thực tế: 
2
= 1,7  2,1;
3. Thép đƣợc xoay 90
0
về vị trí dọc (CD) và đƣợc cán cho đến khi đạt đƣợc
độ dày cần thiết. Giai đoạn này gọi là bƣớc cán giãn dài thứ hai:
Theo sơ đồ CN, quá trình cán gồm hai giai đoạn ( hình 1-5d):
1. Bƣớc cán giãn dài, tiến hành theo sơ đồ CD cho đến khi đạt chiều dài bằng
chiều rộng của tấm chƣa cắt mép sau 2 4 lần cán, với 
1
= 1,1  1,4;
2. Thép đƣợc cán theo sơ đồ CN, sau khi xoay 90
0
, cho đến khi đạt đƣợc độ dày
cần thiết[1].
Chiều dày của tấm thép sau khi cán phá bề rộng h
2
, có thể xác định theo công
thức:

11
1
2
,
hb
h mm
b

(1.4)

Trong đó: b
1
, h
1
– tƣơng ứng chiều rộng và chiều dày của tấm thép sau khi cán
giãn dài đầu tiên.
b
2
– chiều rộng cần thiết của tấm thép sau khi cán phá bề rộng.
Lƣợng ép tuyệt đối- h và tƣơng đối- , cần thiết cho bƣớc cán phá bề rộng
có thể tính theo các công thức:

1 1 1
1 2 1 1
22
(1 ),
bh b
h h h h h mm
bb
      
(1.5)

1 2 2 1
12
.100% .100%
h h b b
hb




(1.6)