
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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

Hồ Thị Ngọc Huyền 
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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


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

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

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
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

2.9
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


10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

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

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

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

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn


thép cacbon (a), thép không gỉ (b)và thép hợp kim (c).

18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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. 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


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


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

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

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

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

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

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)

(1.6)

Trích đoạn Nhiệt độ kim loạ NHIỆT LUYỆN VÀ TINH CHỈNH THÉP TẤM ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM BẰNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN Mô hình toán học Cấu trúc bộ điều khiển

---