Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
*** THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI
NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
LÒ NUNG PHÔI NHÀ MÁY CÁN THÉP

Học viên : Đỗ Đức Mạnh
Lớp : K12 - TĐH
Chuyên nghành : Tự động hoá
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : TS. Trần Xuân Minh
Ngày giao đề tài : tháng 11 năm 2010
Ngày hoàn thành đề tài : tháng 9 năm 2011

Đỗ Đức Mạnh
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
3
LỜI NÓI ĐẦU
Công nghiệp hoá - hiện đại hoá nói chung, cán thép nói riêng đang chiếm vị trí
quan trọng trong đời sống xã hội. Tự động hoá cao song song với việc sử dụng một
cách có hiệu quả nhất nguồn năng lƣợng, tăng năng suất lao động, nâng cao chất
lƣợng sản phẩm, cải thiện môi trƣờng làm việc…
Với ý nghĩa nâng cao chất lƣợng điều khiển nhiệt độ, sử dụng hiệu quả nguồn
năng lƣợng, nâng cao năng suất - chất lƣợng sản phẩm… đƣợc sự đồng ý của cán
bộ hƣớng dẫn khoa học, tác giả đã lựa chọn đề tài " Nâng cao chất lƣợng hệ điều
khiển nhiệt độ lò nung phôi Nhà máy cán thép ".
Sau một thời gian nghiên cứu nghiêm túc, đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của thầy
giáo hƣớng dẫn và các thầy cô trong khoa, sự giúp đỡ của các học viên trong lớp,
đến nay bản thuyết minh đề tài đã hoàn thành, gồm các nội dung nhƣ sau :
Chƣơng I : Tổng quan chung về công nghệ cán thép
Chƣơng II : Công nghệ lò nung phôi trong dây truyền cán thép
Chƣơng III : Thiết kế hệ điều khiển nâng cao chất lƣợng hệ điều khiển
nhiệt độ lò nung phôi nhà máy cán thép
Chƣơng IV : Kêt luận và kiến nghị
Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Điện

1.3.3. Đặc điểm động cơ điện trong truyền động chính 19
1.3.4. Đặc điểm của máy cán truyền động riêng rẽ 20
1.4. MÁY CÁN NÓNG LIÊN TỤC 20
1.4.1. Đặc điểm công nghệ 20
1.4.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ trong máy cán nóng liên tục 22
1.5. MÁY CÁN NGUỘI 22
1.5.1. Đặc điểm công nghệ 22
1.5.2. Yêu cầu trang bị cho máy nguội 24
1.6. MÁY CÁN DÂY 25
1.6.1. Khái niệm 25
1.6.2. Động cơ cho máy cán dây 26
1.7. CÁC THIẾT BỊ PHỤ KHÁC 27
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
5
CHƢƠNG II : CÔNG NGHỆ LÕ NUNG PHÔI TRONG DÂY TRUYỀN CÁN
THÉP LIÊN TỤC 28
2.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY CÁN THÉP LƢU XÁ 28
2.2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY CÁN THÉP LƢU XÁ 29
2.2.1. Công nghệ lò nung cán thép liên tục 29
2.2.1.1. Sơ lƣợc về lò nung 29
2.2.1.2. Khái niệm chung về nung kim loại 30
2.2.1.3. Khái niệm chung về lò nung kim loại 33
2.2.2. Cấu tạo lò nung 34
2.2.3. Thiết bị của lò nung 36
2.2.3.1. Hệ thống khí nén 36
2.2.3.2. Hệ thống đƣờng dầu 38
2.2.3.3. Hệ thống các mỏ đốt của lò 40
2.2.3.4. Nƣớc làm nguội 41
2.2.3.5. Thiết bị trao đổi nhiệt 41

3.2.5. Hệ điều khiển mờ lai F - PID 70
3.3. ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÕ NUNG PHÔI 74
3.3.1. Tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống 74
3.3.1.1. Hàm truyền bộ biến đổi 76
3.3.1.2. Hàm truyền động cơ 76
3.3.1.3. Hàm truyền van dầu 77
3.3.1.4. Hàm truyền senso vị trí 77
3.3.1.5. Hàm truyền senso nhiệt độ 77
3.3.1.6. Hàm truyền của nhiệt độ lò 77
3.3.1.7. Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí 78
3.3.1.8. Tổng hợp bộ điều chỉnh nhiệt độ 79
3.3.2. Mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển PID 79
3.3.3. Thiết kế bộ điều khiển PID mờ 82
3.3.3.1. Luật điều khiển mờ và hợp thành 84
3.3.3.2. Giải mờ 84
3.3.4. Mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển PID mờ 85
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
7
CHƢƠNG IV 88
4.1. Kết luận 88
4.2. Kiến nghị 88
TÓM TẮT 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

4
Hình 1.4
Đồ thị tốc độ cán của máy cán nóng quay thuận nghịch
5
Hình 1.5
Tiết diện phôi trƣớc và sau hộp cán
6
Hình 1.6a
Sơ đồ máy cán nguội liên tục
7
Hình 1.6b
Sơ đồ máy cán quay thuận nghịch
8
Hình 2.1
Sơ đồ cung cấp khí nén vào lò
9
Hình 2.2
Sơ đồ cấp dầu FO vào lò
10
Hình 2.3
Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt
11
Hình 3.1
Cấu trúc hệ thống điều khiển
12
Hình 3.2
Thể hiện đặc tính của sai số xác lập
13
Hình 3.3
Thể hiện đặc tính của lƣợng quá điều chỉnh

24
Hình 3.14
Các vùng tác động của FLC và PID
25
Hình 3.15
Vùng tác động của các bộ điều chỉnh PID
26
Hình 3.16
Sơ đồ điều khiển nhiệt độ lò
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
9
27
Hình 3.17
Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển vị trí
28
Hình 3.18
Sơ đồ rút gọn hệ thống điều khiển nhiệt độ lò
29
Hình 3.19
Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển nhiệt độ lò bằng bộ điều
khiển PID
30
Hình 3.20
Đặc tính quá độ của lò
31
Hình 3.21
Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển nhiệt độ lò bằng bộ điều
khiển PID (khi thay đổi tham số)
32


Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
10
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Công nghiệp luyện kim - cán thép có vai trò hết sức quan trọng trong công
cuộc xây dựng phát triển nền kinh tế quốc dân, góp phần rất lớn vào việc ổn định
phát triển của xã hội, an ninh, quốc phòng Cùng với sự phát triển kinh tế của đất
nƣớc, hiện nay nƣớc ta đã và đang xây dựng nhiều nhà máy cán thép với dây truyền
công nghệ hiện đại để phục vụ cho nhu cầu xây dựng, phát triển của xã hội và quá
trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nƣớc. Có rất nhiều nhà máy cán thép đã và
đang đƣợc xây dựng nhƣ Khu công nghiệp gang thép Thái Nguyên, Nhà máy cán
thép Thăng Long, Nhà máy cán thép Thái Hƣng, Nhà máy cán thép Việt - Ý
Trong dây chuyền cán thép, trƣớc khi đƣa phôi ra cán, phôi phải đƣợc nung
trong lò nung. Quá trình nung phôi có ý nghĩa rất quan trọng đối với công nghệ cán
thép. Nó quyết định phần lớn chất lƣợng của thép và nếu có chế độ nung hợp lý sẽ
tiết kiệm đƣợc nhiên liệu và tăng năng suất sản xuất. Tuy nhiên hệ thống điều khiển
trong các lò nung phôi cho dây truyền cán hiện nay vẫn sử dụng các bộ điều khiển
kinh điển nên mức độ tự động hoá chƣa cao và vẫn chịu nhiều tác động từ các yếu
tố bên ngoài.
Xuất phát từ thực tiễn đó, việc nghiên cứu nâng cao chất lƣợng điều khiển hệ
thống lò nung, điều khiển nhiệt độ lò nung trong dây truyền cán thép sẽ tiết kiệm
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
12
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP

1.1. KHÁI NIỆM CHUNG
Kim loại đƣợc gia công bằng áp lực rất phổ biến (cán, ép, dập, đột, cắt, kéo ).
Dƣới tác dụng của ngoại lực, kim loại sẽ biến dạng hoặc đứt gãy. Sự thay đổi kích
thƣớc và hình dạng ban đầu của vật thể kim loại khi bị ngoại lực tác dụng gọi là sự
biến dạng kim loại.
* Sự biến dạng của kim loại gồm : biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo
- Biến dạng đàn hồi là biến dạng sau khi thôi tác dụng của ngoại lực kim loại
trở về hình dạng và kích thƣớc ban đầu, vật chỉ biến dạng khi nó đang chịu tác dụng
của ngoại lực.
- Biến dạng dẻo là biến dạng sau khi thôi tác dụng của ngoại lực kim loại có
hình dạng và kích thƣớc khác ban đầu.
- Biến dạng đàn hồi luôn xảy ra trƣớc mọi biến dạng dẻo. Biến dạng dẻo của
kim loại phụ thuộc thành phần cấu tạo kim loại, nhiệt độ và phƣơng pháp gia công
bằng áp lực.
* Cán là một hình thức gia công bằng áp lực để làm thay đổi hình dạng và kích
thƣớc của vật thể kim loại dựa vào biến dạng dẻo của nó.
- Yêu cầu quan trọng trong quá trình cán là ứng suất nội biến dạng dẻo không
đƣợc lớn, đồng thời kim loại vẫn giữ đƣợc độ bền cao.
- Căn cứ theo nhiệt độ trong quá trình tái kết tinh để phân chia cán nguội và
cán nóng.
* Cán thép ở nhiệt độ dƣới 400
0

Trong đó :
1 - Đế máy
2 - Thân máy
3 - Thiết bị kẹp trục
4 - Trục cán
5 - Khớp cầu
6 - Trục chính
7 - Hộp bánh răng
8 - Khớp nối
9 - Động cơ điện
* Giá cán :
Gồm hai trục cán (4) hay nhiều trục cán, mà gối trục đặt trên thân máy (2).
Trục cán có thể dịch chuyển theo phƣơng thẳng đứng và đƣợc định vị bởi thiết bị
kẹp trục (3), còn trục dƣới thƣờng đặt cố định.
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
14
* Cơ cấu và thiết bị truyền động :
Có thể khác nhau tuỳ theo nhiệm vụ và cấu tạo máy cán. Ở các máy cán lớn
(cán thô, cán thép lá dày) cũng nhƣ ở các máy cán tốc độ lớn thì các trục cán đƣợc
truyền động riêng rẽ từ hai động cơ điện riêng (mỗi động cơ kéo một trục cán), còn
các máy cán khác thông dụng hơn thì truyền động các trục cán do một động cơ điện
đảm nhận thông qua khớp nối (8), hộp bánh răng (7), trục chính (6) dùng để dẫn
động từ động cơ điện tới các trục cán. Do trục cán trên có thể dịch chuyển lên
xuống để thay đổi độ dày cán nên khoảng cách giữa hai trục chính cũng thay đổi
đƣợc. Do vậy hai đầu của các trục chính đều có khớp nối cầu và có thể thụt ra vào
đƣợc. Ngoài ra ở các máy cán đòi hỏi tốc độ ổn định thì giữa động cơ điện (9) và hộ
bánh răng (7) còn có bánh đà.
* Động cơ điện :
Thƣờng dùng động cơ chuyên dùng có thổi gió làm mát. Ở máy cán có tốc độ

c)
b)
d)
e)
f)

Hình 1.2 a, b, c, d, e, f : Các kiểu máy cán theo số trục
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
16
Một hộp cán có thể đƣợc dẫn động từ 1 hay 2 động cơ hoặc 1 động cơ có thể
dẫn động đƣợc nhiều hộp cán (hình 1.3a). Phƣơng thức sau hay dùng cho máy cán
phân loại. Nó có khuyết điểm là phôi cán phải di chuyển ngang từ hộp này sang hộp
cán khác và do tốc độ các hộp cán nhƣ nhau nên không có khả năng tăng tốc khi
phôi cán dài hơn.
Phƣơng thức đặt các hộp cán nối tiếp nhau (hình 1.3b). Phôi đƣợc cán vài lần ở
hộp cán trƣớc rồi mới chuyển sang hộp cán sau. Phƣơng thức này thƣờng dùng để
cán thô, cán tấm dày.
Phƣơng thức đặt các hộp cán nối tiếp nhau liên tục. Phôi cán từ hộp này sang
thẳng hộp kia, khoảng cách giữa hai hộp cán nhỏ hơn chiều dài phôi. Máy cán loại
này cho năng suất cao nhƣng đòi hỏi sự đồng đều giữa các hộp cán để tránh phế
phẩm do phôi cán bị võng quá hoặc căng quá giữa hai hộp cán. Loại này dùng để
cán nóng phôi.
a)
§éng c¬
hép tèc
gi¸ c¸n hép c¸n
b)
c)


cách tƣơng tự, các lần cán chẵn, phôi lại ở phía trƣớc hộp cán và đƣợc lật đi 90
0

bằng máy lật.
Số lần cán phụ thuộc kích thƣớc thỏi thép trƣớc khi cán và phôi phẩm sau khi
cán xong.
Trong quá trình cán phôi dài dần ra. Nếu các lần cán sau máy giữ nguyên tốc
độ cán thì sẽ làm tăng thời gian cán, giảm năng suất máy nên ở những lần cán sau
tốc độ máy tăng.
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
18
Sau những lần cán đầu, độ dài phôi chƣa lớn, tốc độ chƣa cần đạt tới trị số
định mức và đồ thị có dạng tam giác.
Những lần cán tiếp theo, phôi dài hơn, tốc độ cán tăng và cuối cùng đạt giá trị định
mức 
đm
. Đồ thị có dạng hình thang (hình 1.4)
Ở những lần cán cuối cùng, phôi dài hơn nhiều thì máy đƣợc tăng tốc nhờ
giảm từ thông. Lúc này trị số gia tốc và giảm tốc cũng giảm. Đồ thị có dạng nhƣ
hình OABCD.
Lần cán cuối cùng, tốc độ ra của phôi thƣờng lớn vì phôi không cản phải quay
lại hộp cán.

0 D
A
B
C
t
max

* Yêu cầu của máy cán nóng quay thuận nghịch :
- Tăng công suất truyền động chính.
- Nâng cao trị số gia tốc, giảm tốc.
- Tăng lực ép khi cán.
- Giảm thời gian cán.
- Tăng khối lƣợng phôi nhằm nâng cao năng suất cán.
Để đáp ứng yêu cầu trên, ngƣời ta thƣờng dùng trong truyền động chính các
động cơ một chiều có công suất giới hạn. Đó là các công suất có thể giới hạn bởi
điện áp cho phép giữa các thanh góp kề nhau (10  20)V ở cổ góp, sự đốt nóng cho
phép của phần ứng, tốc độ dài cho phép tối đa của phần ứng (~ 70 m/s).
Chỉ số kỹ thuật chính α của động cơ kéo trục cán là :
J
MP
dmdm
.



Trong đó :
+ P
đm
: công suất định mức (KW)
+ M
đm
: mômen định mức (KNm)
+ J : mômen quán tính phần ứng (Tấn.m
2
)
α càng lớn thì năng suât máy càng lớn với cùng một công suất.
Luận văn thạc sỹ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
21
có thể gồm nhiều hộp cán với các đƣờng kính trục khác nhau. Tốc độ cán (5  6)
m/s.
- Máy cán tấm (cán lá) dùng cán các phôi dẹt thành băng thép rộng từ (500 
2300)mm, dày (0,8  20)mm. Phôi có thể nặng tới 5 tấn, tốc độ cán 30 m/s và năng
suất có thể đạt 600000 tấn/năm. Có hai nhóm hộp cán : nhóm cán thô và cán tinh.
- Máy cán lá có thể là liên tục (phôi đi lần lƣợt từ hộp cán này sang hộp cán
khác một cách liên tục) hoặc nửa liên tục (phôi đƣợc cán đi cán lại ở hộp cán này
rồi mới qua hộp cán khác).
- Máy cán phân loại : đa dạng về thể loại, hình dáng, kích thƣớc.
- Máy cán dây : sản phâm thép dây (5  10)mm.
- Máy cán ống : cán nhẵn (đảm bảo kích thƣớc ngoài ống), cán dát (khử sự
không đồng đều đƣờng kính, làm nhẵn mặt trong và ngoài ống), cán tóp hay chuốt
(thu nhỏ đƣờng kính ống).
* Đặc điểm của máy cán nóng liên tục :
- Tốc độ cán cao nên năng suất cao.
- Qua các lần cán, kim loại chƣa nguội nhiều nên chất lƣợng sản phẩm tốt, tuổi
thọ trục cán cao hơn, giảm đƣợc năng suất tiêu hao năng lƣợng.
- Máy làm việc với tốc độ cao nên hay xuất hiện phụ tải xung.
- Kim loại cán trên nhiều hộp cán cùng một lúc.
* Điều kiện đặc trƣng cho cán liên tục :
- Khối lƣợng phôi qua các hộp cán trong một đơn vị thời gian là không đổi

F
1
.V
1
= F
2

giữa các hộp cán.
- Có đặc tính quá độ tốt lúc ngoạm phôi nghĩa là lúc đó có độ sụt tốc độ nhỏ,
thời gian phục hồi tốc độ ngắn.
- Máy cán nóng liên tục có nhiều hộp cán, việc cấp điện cho từng phần ứng và
mạch kích từ động cơ ở các hộp cán có thể từ một nguồn chung hay từ nhiều nguồn
riêng cho mỗi hộp cán.
Hiện nay thƣờng dùng phƣơng pháp cung cấp riêng vì :
+ Đảm bảo thời gian phục hồi tốc độ nhanh hơn khi có xung phụ tải (khi có
phụ tải xung n
đ
bị giảm mạnh).
+ Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng vì cho phép điều chỉnh hai vùng theo hai
cách : điều chỉnh độc lập (giữ nguyên điện áp phần ứng mà điều chỉnh tốc độ qua
thay đổi từ thông và điều chỉnh tốc độ qua thay đổi từ thông tuỳ theo điện áp phần
ứng).
1.5. MÁY CÁN NGUỘI
1.5.1. Đặc điểm công nghệ
Các máy cán nóng không thể cho ra các sản phẩm thép lá mỏng chất lƣợng cao
nhằm thoả mãn các công nghệ gò, dập vì cán nóng sẽ tạo ra các lớp vảy nên
không đáp ứng đƣợc độ mỏng lá thép mong muốn và ở nhiệt độ cao, cấu trúc kim
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
23
loại cũng không thoả mãn đƣợc các yêu cầu về cơ học của thép. Do vậy phải tiến
hành cán nguội thép mỏng.
* Quy trình công nghệ cán nguội gồm các bƣớc :
- Đánh sạch bề mặt phôi (đánh vảy, tảy rỉ).
- Cán nguội, gia công nhiệt (ủ) để xấp lại cấu trúc kim loại.
- Cán bổ xung sau khi ủ với lực ép nhỏ (cán luyện).
- Các công nghệ kết thúc : cắt ba via, mạ thiếc

4
5
7
4
5
7
6
1
5
4
a)
b)

Hình 1.6 : Sơ đồ máy cán nguội liên tục (a) và quay thuận nghịch (b)
Trong đó :
1 - Trục tháo ; 2 - Hộp cán ; 3 - Thiết bị đo chiều dày
4 - Thiết bị kéo căng ; 5 - Thiết bị đo sức căng
6 - Thiết bị ép trục ; 7 - Trục quấn
1.5.2. Yêu cầu trang bị cho máy nguội
* Duy trì sức căng cố định của băng thép giữa các hộp cán, giữa hộp cán với các
trục tháo hoặc trục quấn ở mọi chế độ làm việc (ổn định và quá độ).
* Phạm vi điều chỉnh tốc độ tƣơng đối rộng :
- Đối với máy cán nguội liên tục tốc độ cao, yêu cầu điều chỉnh trơn trong một
dải rộng (50  100) : 1 từ tốc độ bò (0,5  1)m/s đến tốc độ cực đại lớn hơn 100 m/s.
- Đối với máy cán nguội quay thuận nghịch cần điều chỉnh tốc độ trong phạm
vi (1  1,5)m/s.
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
25
- Có thể điều chỉnh đồng thời hoặc riêng rẽ các hộp cán.