Расчет производительности стана

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«Саратовский  государственный технический университет

имени Гагарина Ю. А.»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Промышленные технологии и инновации»

на тему «Расчет производительности стана»

Выполнил студент группы ИНВТ - 41 д/о

Шичанин А.В.

(Microsoft Office Word 2003)

Руководитель

Родионов И.В.

Саратов 2012

Оглавление

Введение 4

1 Теоретические основы  и сущность прокатного производства  и производительности прокатного  стана 5

1.1 Характеристика прокатного производства 5

1.2 Классификация прокатных станов по назначению 9

1.3 Технологические процессы прокатки 18

1.4 Производительность прокатного стана 26

2 Расчет производительности стана 35

2.1 Методика расчета производительности стана 35

2.2 Пример расчета производительности стана 37

Заключение 40

Список используемой литературы 41

Лист замечаний

Введение

Прокатное производство в большинстве  случаев является завершающим звеном производственного цикла на металлургическом предприятии. Прокат составляет основную часть металлургической продукции. Более 90 % выплавляемой стали проходит через прокатные цеха. На заводах цветной металлургии широко применяется прессование, но процесс прокатки все же занимает основное место.

Потребителями прокатной продукции  являются практически все отрасли  народного хозяйства: машиностроение, строительство, транспорт, энергетика, космическая техника и др.

Сортамент прокатной продукции  чрезвычайно многообразен. Это -круглые, квадратные и угловые профили, швеллеры, двутавровые балки, рельсы, толстые и тонкие листы, полосы и ленты, бесшовные и сварные трубы, железнодорожные колеса и множество других; всего выпускается несколько тысяч профилей проката.

Для того, чтобы машина была современна продолжительный срок, она должна обладать более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с теми, которые достигнуты на машинах этого назначении в мировой практике.

Современные прокатные и трубопрокатные станы представляют собой полностью  механизированные и автоматизированные линии, и поэтому по сравнению  с другими видами металлургических агрегатов они при изготовлении более трудоёмки и в то же время  металлоёмки.

В данном курсовом проекте будет  дано обоснование методам расчета  производительности прокатного стана  и показан пример её расчета.

1 Теоретические основы и сущность прокатного производства и производительности прокатного стана

1.  Характеристика прокатного производства

 Прокатка – обжатие металла между вращающимися валками с изменением формы поперечного сечения или соотношения геометрических размеров сечения. Слиток или заготовка благодаря действию сил трения втягивается валками в зазор между ними, обжимается по высоте и вытягивается по длине и ширине. При этом заготовка принимает форму зазора между валками, называемого калибром.

По характеру протекания деформации различают продольную, поперечную и поперечно-винтовую прокатку. При продольной прокатке валки вращаются в разные стороны, при поперечной – в одну. В обоих этих случаях оси валков параллельны. При поперечно-винтовой (косой) прокатке заготовка получает вращательное движение от валков, вращающихся в одну сторону и имеющих скрещенные оси. Кроме того, заготовка получает поступательное движение в направлении своей оси, т.е. каждая точка заготовки движется по винтовой линии. При косой прокатке валки имеют бочкообразную или грибовидную форму или форму диска. Косой прокаткой получают пустотелые трубные заготовки.

По форме прокатываемого изделия прокатка делится на листовую и сортовую. В первом случае прокатка проводится на гладких валках, во втором – на валках, имеющих калибры. Продольной прокаткой получают сортовой и листовой прокат. Поперечной прокаткой производят специальные периодические профили, изделия представляющие тела вращения – шары, оси, шестерни.

Прокатным станом называют комплекс машин и агрегатов, предназначенных для пластической деформации металла в валках (собственно прокатки), дальнейшей его обработки (правки, резки и пр.) и транспортирования. Кроме того, в прокатных цехах установлены нагревательные печи и колодцы, печи для отжига и нормализации, устройства для очистки поверхности, лужения и оцинкования полосы, станки для шлифования и нарезки калибров валков и т. д. Все это, а также подъемные краны и другое оборудование не входят в понятие «прокатный стан», однако они необходимы для обеспечения работы прокатного цеха и выпуска готовой продукции требуемого качества.

Оборудование прокатного стана  делят на две группы: основное оборудование, входящее в линии рабочих клетей, и прочее оборудование для транспортировки  и отделки металла. Линию, на которой  располагается основное оборудование, называют главной линией прокатного стана. Основными элементами главной линии являются рабочие клети (с индивидуальным или групповым приводом), передаточные механизмы и двигатель. Валки каждой рабочей клети могут иметь общий или индивидуальный приводы.

Прокатный стан - это машина для  обработки давлением металла  и др. материалов между вращающимися валками, т.е. для осуществления процесса прокатки, в более широком значении - автоматическая система или линия  машин (агрегат), выполняющая не только прокатку, но и вспомогательные операции: транспортирование исходной заготовки  со склада к нагревательным печам  и к валкам стана, передачу прокатываемого материала от одного калибра к  другому, кантовку, транспортирование металла после прокатки, резку на части, маркировку или клеймение, правку, упаковку, передачу на склад готовой продукции и др.

Время и место появления первого  прокатного стана неизвестны. Бесспорно, что раньше прокатчики железа применяли  прокатку цветных металлов - свинца, олова, меди, монетных сплавов и др. Наиболее ранний документ, характеризующий  устройство для прокатки олова, оставлен Леонардо да Винчи (1495). Примерно до конца 17 века привод прокатного стана был  ручным, в 18 веке, - водяным. Промышленная прокатка железа началась примерно с 18 века. В России она особенно широко развивалась на Урале. Прокатные  станы применялись для производства кровельного железа, плющения кричной заготовки в полосу или лист, разделения откованной полосы по длине на более мелкие профили квадратного или прямоугольного сечения (т. н. "резные" станы).

В конце 18 веке для привода прокатный  стан начали применять паровые машины; прокатка становится одним из трёх основных звеньев производственного  цикла металлургических заводов, постепенно вытесняя менее производительный способ ковки. К этому периоду относится  промышленное применение прокатного стана  с калиброванными валками, сконструированного в 1783 Г. Кортом (Великобритания); прокатные  станы постепенно дифференцируются на обжимные, листовые и сортовые. В 30-40-х гг. 19 века в связи с бурным развитием железных дорог в разных странах начинают прокатывать рельсы. В 1856-57 годах в Сааре (Германия) был установлен первый прокатный стан, предназначенный для прокатки крупных балок. Развитие конструкций и специализация этих станов привели к появлению в США в конце 19 века. блюмингов и слябингов. В 1867 году Г. Бедсон (Великобритания) построил непрерывный проволочный стан. В 1885 братья М. и Р. Маннесман (Германия) изобрели способ винтовой прокатки бесшовных труб в Прокатном стане с косо расположенными валками. В 1886 В. Эденборн и Ч. Морган (США) применили быстроходную проволочную моталку с осевой подачей. Первые летучие ножницы (конструкции В. Эдвардса) установлены в 1892 в США. В 1897 для привода прокатного стана с успехом применен электродвигатель (Германия). В 1906 г. Тршинец (ныне Словакия) пущен прокатный стан с реверсивным электродвигателем. Принцип непрерывной горячей прокатки листов нашёл практическое применение в 1892 в г. Теплице (ныне Чехия), где был установлен полунепрерывный стан. Первый непрерывный широкополосный (листовой) стан построен в 1923 в США. Начало холодной прокатки листов относится к 80-м гг. 19 века.; холодная прокатка труб освоена в 1930 в США.

В СССР первым достижением станостроения  явилось сооружение Ижорским заводом  двух блюмингов, которые в 1933году введены  в эксплуатацию на Макеевском и Днепродзержинском металлургических заводах. В 1940-60-х гг. Всесоюзным научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом металлургического машиностроения (ВНИИМЕТМАШ) создан ряд прокатных станов для новых технологических процессов, обеспечивающих производство прокаткой многих изделий, которые ранее изготовлялись другими, менее эффективными способами (тонкостенные безрисочные трубы, листы переменной толщины по длине, профили круглого периодического сечения, шары, втулки, винты с крупным шагом, ребристые трубы и др.). В 1959-62 ВНИИМЕТМАШем и Электростальским заводом тяжёлого машиностроения созданы принципиально новые трубные станы с бесконечным редуцированием труб (как при печной сварке, так и при радиочастотной), а также станы для непрерывной прокатки бесшовных труб (стан 30-102) производительностью на порядок выше по сравнению с действующими (около 550 тыс. т/год). В эти же годы пущены разработанные ВНИИМЕТМАШем, Научно-исследовательским институтом автомобильной промышленности и Горьковским автомобильным заводом первые станы для прокатки цилиндрических и конических колёс.

В 60-е гг. в СССР, США, ФРГ и  Италии начато создание литейно-прокатных  агрегатов, в которых совмещены  процессы непрерывного литья и прокатки в едином неразрывном потоке. Такие  агрегаты уже получили широкое применение для производства катанки из алюминиевых  и медных сплавов, листов из алюминиевых  сплавов и заготовок из стали.

2.  Классификация прокатных станов по назначению

Обжимные станы

На большинстве металлургических заводов головным прокатным станом является обжимной стан – слябинг  или блюминг, предназначенный для  обжатия крупных слитков в  черновые заготовки – полупродукт, из которого на последующих прокатных  станах получают готовую продукцию (листовой и сортовой прокат). Блюминг – обжимной стан для переработки стальных слитков сечением более 125x125 мм. Слябинг – обжимной универсальный стан для переработки крупных стальных слитков в слябы шириной более 700 мм и толщиной более 75 мм. Блюминг-слябинг – обжимной универсальный стан для переработки стальных слитков в блюмы и слябы, отличающийся высоким подъемом верхнего валка (до 1200 мм) с целью осуществления ребрового прохода при обжатии боковых кромок слябов.

Заготовочные  станы

Заготовочными называют станы, снабжают заготовками сортовые, проволочные  и трубопрокатные станы.

Непрерывный заготовочный стан, характеризуемый последовательным расположением клетей, предназначен для непрерывной прокатки из блюмов заготовок квадратного и прямоугольного сечений от 50x50 мм до 150 х 150 мм.

Трубозаготовочный стан предназначен для прокатки из блюмов заготовок сплошного круглого сечения диаметром 70…350 мм, необходимых для производства бесшовных труб, а также квадратных заготовок толщиной 75…125 мм.

Сортовые станы

Рельсобалочный (сортовой) стан с валками диаметром 500…950 мм предназначен для производства круглого профиля диаметром 80…300 мм, двутавровых балок до № 60, швеллеров до № 40, рельсов до № 18, а также других тяжелых профилей.

Крупносортный стан с валками диаметром 500…750 мм для производства квадратных и круглых профилей размером 80…200 мм, двутавровых балок и швеллеров до № 30 и др.

Среднесортный стан с валками диаметром 300…500 мм для производства квадратных и круглых профилей 30…100 мм, швеллеров до № 12; используют также для прокатки профилей простого сечения.

Мелкосортный стан с валками диаметром 250…350 мм для производства круглых профилей диаметром до 20 мм, квадратных профилей со стороной до 18 мм, полос толщиной до 25 мм и уголков до № 5. Проволочный стан для прокатки катанки диаметром от 5 до 10 мм.

Полосовой (штрипсовый) стан для производства полосовой стали толщиной до 1,5…12 мм и шириной до 400 мм.

Универсальный балочный стан – стан с одной парой горизонтальных и одной парой вертикальных валков, расположенных в одной плоскости. Толстолистовой стан для производства листов толщиной до 40…50 мм и шириной до 3000…4000 мм.

Листопрокатные станы

Листовые станы горячей  прокатки для производства листов толщиной 1,5…12 мм и шириной 1000…2350 мм (масса рулона до 10 т).

Листовые станы  холодной прокатки для производства листов толщиной 0,5…2,5 мм.

Трубопрокатные станы

Трубопрокатный стан для выполнения всех основных технологических операций при производстве цельнокатаных (бесшовных) труб.

Прошивной (трубопрокатный) стан для производства гильз из сплошных заготовок или слитков.

Пилигримовый (трубопрокатный) стан для горячей прокатки на цилиндрической оправке толстостенной гильзы в тонкостенную трубу в валках с периодическим калибром.

Редукционный (трубопрокатный) стан для уменьшения диаметра труб (обычно в горячем состоянии) вследствие увеличения длины без изменения толщины стенки труб. Расширительный (трубопрокатный) стан для увеличения диаметра трубы с уменьшением толщины ее стенки.

Раскатной (трубопрокатный) стан для уменьшения разностенности труб, устранения местных утолщений и сглаживания наружной и внутренней поверхностей.

Калибровочный (трубопрокатный) стан для окончательной калибровки труб по наружному диаметру (без оправки) и устранения эллипсности, получающейся на раскатном стане.

Станы специального назначения

Лентопрокатный  стан для холодной прокатки полос шириной до 250 мм.

Фольгопрокатный стан для холодной прокатки фольги толщиной до нескольких микрон (из стали и цветных металлов).

Плющильный стан для холодной прокатки специальной узкой ленты из круглой проволоки.

Дрессировочный стан для холодной прокатки листов и полос в рулоны с малыми обжатиями с целью упрочнения поверхности проката.

Колесопрокатный стан для производства цельнокатаных железнодорожных колес и дисков.

Кольцепрокатный стан для – горячей прокатки колец подшипников качения и других заготовок в форме кольца.

Шаропрокатный стан для поперечной прокатки шаров и других коротких тел вращения в винтовых калибрах.

Стан поперечно-винтовой прокатки – трехвалковый стан для поперечной прокатки периодических профилей.

Стан для прокатки зубчатых колес – специальный стан для горячей прокатки прямозубых, шевронных цилиндрических и конических шестерен с модулем 4…10.

Размер прокатного стана, предназначенного для прокатки листов или полос, характеризуется  длиной бочки валков, для заготовки  или сортового металла - диаметром  валков, а трубопрокатного стана - наружным диаметром прокатываемых  труб.

Оборудование прокатного стана, служащее для деформации металла между  вращающимися валками, называют основным, а для выполнения прочих операций - вспомогательным.

Основное оборудование состоит  из одной или нескольких главных  линий, в каждой из которых располагается 3 вида устройств (рис.1): рабочие клети (одна или несколько) - к ним относятся прокатные валки с подшипниками, станины, установочные механизмы, плитовины, проводки; электродвигатели для вращения валков; передаточные устройства от электродвигателей к прокатным валкам, состоящие большей частью из шестерённой клети, шпинделей и муфт.

Рис.1. Главная линия четырехвалкового стана для прокатки листов: 1 - рабочая клеть; 2 - электродвигатель; 3 - шестеренная клеть; 4 - шпиндель; 5 - муфта.

Между шестерённой клетью и электродвигателем  часто устанавливают ещё редуктор. Если каждый валок имеет свой электродвигатель, передаточные устройства состоят лишь из шпинделей. Наибольшее распространение  получили станы с горизонтальными  валками: двухвалковые (дуо), трёхвалковые (трио), четырёхвалковые (кварто) и многовалковые (рис.3). Для обжатия металла по боковым поверхностям используют клети с вертикальными валками, называемые эджерами. Станы, у которых вблизи горизонтальных валков расположены вертикальные, называются универсальными. Они служат для прокатки широких полос и двутавровых балок с широкими полками. В станах винтовой прокатки валки располагаются в рабочей клети косо - под углом подачи. Такие станы применяют для прокатки труб, осей, шаров и т.д.

Рис.2. Схема расположения валков в рабочей клети прокатного стана: а - двухвалкового; б - трехвалкового; в - четырехвалкового; г - шестивалкового; д - двенадцативалкового; е - двадцативалкового; ж - универсального.

В зависимости от расположения рабочих клетей прокатные станы разделяются на следующие группы: одноклетеевые линейные многоклетевые, последовательные, полунепрерывные, непрерывные.

Наиболее простыми являются одноклетевые станы. К этой группе относятся блюминги, слябинги, толстолистовые двухвалковые, трехвалковые и четырехвалковые станы, универсальные станы.

Многие профилеразмеры по ряду причин невозможно получить в  валках одной клети. Поэтому гораздо  чаще применяются многоклетевые станы, которые строят главным образом с последовательным, а иногда и с линейным расположением клетей.

Рабочие клети линейных станов располагают в одну, две, три и более линий, каждая из которых обычно приводится от отдельного электродвигателя. Линейные станы нереверсивные, их применяют как заготовочные, рельсо-балочные, сортовые и проволочные. Существенным недостатком этих станов является одинаковая частота вращения валков во всех клетях отдельной линии, что препятствует увеличению скорости прокатки по мере роста длины раскатов. Это приводит к потере температуры металла, ограничивает массу заготовки и производительность станов.

Значительного увеличения производительности прокатных станов можно достичь  при последовательном расположении клетей, число которых равно числу  проходов при обжатии заготовки  с доведением ее до готового профиля. С целью сокращения длины цеха и лучшего использования его  площади клети располагают в  несколько параллельных линий. На станах с последовательным расположением  клетей раскат одновременно находится  только в одной клети. В связи  с этим расстояние между клетями  увеличивается от первой к последней, так как длина раската увеличивается. Соответственно увеличивается и частота вращения валков. Станы данной группы широко применяют для прокатки сортовых профилей.

Полунепрерывные станы состоят из двух групп клетей: непрерывной и линейной. Полунепрерывные станы применяют для: прокатки мелкосортной стали и катанки (черновая группа клетей — непрерывная, чистовая — линейного типа и прокатка в ней может осуществляться только при наличии петли между клетями); прокатки широких полос (черновая клеть — реверсивная, чистовая группа клетей —непрерывная).

Непрерывные станы являются Дальнейшим развитием полунепрерывных станов и отличаются высокими технико-экономическими показателями. На этих станах клети расположены последовательно, в каждой клети осуществляется один проход и раскат одновременно находится в нескольких клетях. Непрерывные станы применяют как заготовочные, листовые (горячей и холодной прокатки), сортовые и проволочные. Привод валков непрерывных станов может быть групповым или индивидуальным, что значительно лучше.

Общие схемы производства в современных прокатных цехах  предусматривают прокатку слитков  в полупродукт, а затем полупродукта в готовые профили. Там, где нет  разливки слитков по изложницам, полупродукт  получают на машинах непрерывного литья  заготовок (МНЛЗ).

Число и расположение рабочих клетей прокатных станах определяются его  назначением, требуемым числом проходов металла между валками для  получения данного профиля и  заданной производительностью. По этому  признаку прокатные станы подразделяются на 8 типов (рис.4). К одноклетевым станам относится большинство блюмингов, слябинги, шаропрокатные станы, станы для холодной прокатки листов, ленты и труб.

Рис.3. Схема расположения рабочих клетей прокатного стана: 1 - одноклетьевого; 2 - линейного; 3 - сдвоенного; 4 - ступенчатого; 5 - непрерывного (а - с групповым приводом, б - с индивидуальным); 6 - полунепрерывного; 7 - последовательного ("кросс-коунтри"); 8 - шахматного.

В случае, когда в одной рабочей  клети не удаётся расположить  необходимое число калибров или  когда требуется высокая производительность, применяют станы с несколькими  рабочими клетями. Наиболее совершенный  многоклетьевой стан - непрерывный, в  котором металл одновременно прокатывается  в нескольких клетях. Непрерывные  станы служат для горячей прокатки заготовки, полос, сортового металла, проволоки, труб, а также для холодной прокатки листов, жести, ленты и др. профилей.

Характерной особенностью развития прокатного производства в последние годы, в  том числе и холодной прокатки металла, является значительное развитие механизации и автоматизации  технологических процессов.

Использование механизации и автоматизации  в прокатном производстве направлено на увеличение производства прокатной  продукции, снижение ее себестоимости, улучшение качества, повышение надежности работы прокатного оборудования, устранение вредных для человека условий  труда и повышение его безопасности, а также осуществление таких  процессов, управление которыми человеку недоступно. Переход к полностью  механизированному и автоматизированному  прокатному производству осуществляется через ряд последовательных этапов развития, каждый из которых обеспечивает более высоких уровень производительности труда, улучшение качества продукции  и ликвидацию тяжелого физического  труда рабочих.

К первому этапу относится частичная  механизация отдельных операций, при которой часть работы выполняется  машинами, а часть — вручную.

На втором этапе осуществляется комплексная механизация всего  процесса труда, в результате которой рабочий только управляет машинами и механизмами прокатного стана.

На третьем этапе осуществляется автоматизация контрольных и  простейших операций управления технологическим  процессом производства.

Четвертый этап это комплексная  автоматизация, которая характеризуется  тем, что функции управления производственными  процессами выполняет комплекс машин  и механизмов, а функции рабочего сводятся к наладке машин и  контролю за их работой.

В настоящее время в прокатном  производстве применяют многомашинные  системы, решающие комплексы задач  как по управлению производством (планирование и контроль оптимальной загрузки всего цеха, участков, отдельных  его агрегатов; сопровождение продукции; сбор и хранение производственно-экономической  информации и т. п.), так и технологическим  процессом (расчет оптимальных технологических  режимов, их обработка, регулирование  технологических параметров в в процессе работы, диагностика состояния оборудования и т. п.). Основой управления любым технологическим процессом является использование данных об отдельных физических величинах и технологических параметрах процесса. Этими величинами являются сила и напряжение тока, мощность, скорость, температура, давление, расход жидкости и газа и ряд других. Для измерения этих величин необходимы специальные приборы и устройства, без которых невозможно создание механизированных и автоматизированных производственных процессов, а также создание автоматизированных систем.

3. Технологические процессы прокатки

По режиму работы прокатные  станы классифицируют на реверсивные (движение полосы изменяется после каждого прохода металла через валки) и нереверсивные (полоса движется по линии прокатки только в одном направлении).

Обжимные станы (блюминги, блюминги-слябинги и слябинги) во многом предопределяют успех в работе остальных цехов металлургического завода, поскольку через эти агрегаты проходит весь или почти весь выплавляемый на заводе металл. Назначение обжимных станов – бесперебойно снабжать сортовые и листовые прокатные станы обжатой (катаной) заготовкой требуемого качества. Нагрев слитков перед прокаткой должен обеспечивать высокую пластичность металла и уменьшить сопротивление деформации. Поэтому нагрев металла до высоких температур уменьшает расход энергии и позволяет вести прокатку с большими обжатиями, сокращаются случаи поломки прокатных валков и деталей стана. Особенно важно обеспечить равномерный нагрев металла с тем, чтобы его температура по сечениям была по возможности одинаковой.

Основной характеристикой  современных крупных блюмингов  и слябингов, имеющих в большинстве случаев индивидуальный привод каждого валка, является диаметр рабочих валков. Станы с приводом рабочих валков от шестеренной клети характеризуются диаметром начальной окружности шестеренных валков.