Технологические схемы прокатки толстых горячекатаных листов

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития Украина стремиться занять достойное  место на международном  рынке среди других стран. Одним из основных товаров, которые могут вывести Украину на международный рынок, являются товары прокатного производства. Для того, чтобы продукция была конкурентоспособной, необходимо постоянное развитие и усовершенствование самого технологического процесса, внедрение новых разработок.

 Внедрение новых машин в  производственный процесс, совершенствование  технологических линий позволяют повысить производительность, коэффициент полезного действия оборудования, повысить качество выпускаемой продукции, сократить простои на ремонт и техобслуживание. В связи с этим растет и экономическая эффективность производственного процесса, повышается рентабельность производства, увеличивается прибыль.

Для точного анализа вышеперечисленных  показателей необходимо давать строгую  экономическую оценку эффективности  нововведений (оборудования или модернизации действующего). Реализации этого можно  добиться путем исчисления величины экономического эффекта нововведения.

Экономический анализ предполагает сравнительную  оценку показателей в сфере изготовления машины и в сфере ее эксплуатации в базовом и новом вариантах на основе чего производится расчет капиталовложений, себестоимости и другие, что в конечном итоге позволяет с достаточной точностью оценить величину экономического эффекта.

Перспективы развития черной металлургии  Украины неразрывно связаны с  увеличением объемов производства горячекатаных полос на толстолистовых и широкополосных станах при условии снижении энергоемкости процесса и соблюдении требований качества выполнения соответствующих технологических операций на существующих и вновь проектируемых агрегатах поточных технологических линий. Обозначенные задачи необходимо и возможно решать только с учетом специфики соответствующего оборудования и условий реализации процесса, что свидетельствует о целесообразности проведения большого спектра разнообразных исследований, с целью повышения научного обоснования принимаемых конструкторских и технологических решений.

Применительно к промышленному  производству, с точки зрения снижения энергоемкости процесса и обеспечения максимальной пропускной способности участка резки на толстолистовых станах, наиболее эффективным является использование дисковых ножниц в совокупности с внедрением процессов горячей резки, что позволяет повысить технологические возможности существующего оборудования, за счет расширения сортамента разрезаемых листов.

 Горячая резка на дисковых  ножницах способствует высокой скорости процесса и качеству реза. Исходя из допущения симметричного внедрения ножей в металл, к недостаткам горячей резки относится прикромочное утонение листа, которое ограничивает по толщине допускаемые к резке листы, так как не удовлетворяются требования минусового допуска по толщине готового листа. Поэтому, с целью уменьшения прикромочного утонения листа, было предложено ассиметричное вращение ножей.

Технологические схемы  прокатки толстых горячекатаных  листов

           Технология прокатки толстых листов определяется составом рабочих клетей стана, размерами слябов и готовых листов, а также предъявляемыми к ним требованиями.

Оборудование толстолистовых прокатных  станов включает разнообразные агрегаты и устройства, предназначенные для нагрева заготовок, прокатки и термообработки толстых листов, отделки и контроля качества продукции.

Станы, предназначенные для прокатки толстолистовой стали, классифицируют по следующим признакам:

Число клетей и их конструкции;

Типу нагревательных устройств;

Длине бочки валков (сортаменту листовой стали);

Составу вспомогательного оборудования.

По числу клетей станы бывают одно-, двух-, трех- и четырехклетевые. По конструкции в состав одноклетевых станов входят двух-, трех- и четырехвалковые клети .

При прокатке универсальных листов малой толщины, поставляемых в рулонах (возможен и рез раскатов на мерные длины), на одноклетевом стане устанавливается универсальная двух- или четырехвалковая клеть. Все одноклетевые станы работают в реверсивном режиме.

Большое распространение для прокатки толстолистовой стали получили двухклетевые станы. При этом сочетание клетей по конструкции разнообразное, для получения листа необходимого качества – используют девять типов станов. Трехклетевые станы получили свое развитие в 50-х годах. В их составе принята стабильная схема расположения клетей: первая – двухвалковый окалиноломатель, но может работать и для обжатия раската в поперечном направлении; вторая - черновая реверсивная двухвалковая; третья - четырехвалковая реверсивная универсальная.

Четырехклетевые станы, в составе  которых первая клеть – двухвалковая окалиноломатель, вторая – двухвалковая с вертикальными валками, окалиноломатель, две последующие  – черновая и  чистовая четырехвалковые реверсивные.

Развитие прокатки листовой стали в отечественной металлургии определило три типа листовых станов, характеризующихся следующими длинами бочки прокатных валков, мм: 2000-2300; 3000-3500; 5000-5500.

Наибольшее разнообразие в длинах бочек валков и типах клетей наблюдается у одноклетевых толстолистовых станов, что связано с широким сортаментом толстолистовой стали. Одноклетевые толстолистовые станы имеют большое преимущество по сравнению с другими, так как не требуют особой перестройки при переходе на прокатку листа любых размеров в пределах возможной ширины, определяемой длиной бочки валков. Кроме того в процессе работы возможно изменение любого температурно-скоростного режима и обжатий, что очень важно при прокатке листов из высокоуглеродистых и легированных сталей, тем более если легированные стали имеют переходные температурные фазовые превращения. В настоящее время распространенными являются одноклетевые станы с четырехвалковыми клетями, которые имеют установки гидравлического противоизгиба валков и за счет упругой деформации обеспечивают получение листа с одинаковым размерами толщины в любом направлении раската. Это важно не только с точки зрения экономии металла, но и технологического использования готового листа при изготовлении различных конструкций.

Универсальные клети, применяемые на одноклетевых толстолистовых станах, имеют преимущество перед обычными в том, что с помощью вертикальных валков осуществляют обжатие в поперечном направлении раската, тем самым обеспечивая прокатку с катаными кромками, что исключает операцию их обрезки, значительно уменьшает расходный коэффициент металла и повышает качественные показатели готовой продукции. Однако универсальные клети ограничивают сортамент толстолистовой стали по ширине. Их применение эффективно при прокатке листа определенной ширины, диапазон изменения связан с конструктивными пределами изменения установки в рабочее положение вертикальных валков. Этим положением и объясняется строгая специализация станов, где установлены универсальные клети.

Общее развитие станов определялось стремлением к повышению их производительности, улучшению качества поверхности и высокой точности толщины толстолистовой стали, изменению сортамента листовой стали с освоением профилей минимальной толщины (нижний предел размеров толстолистовой стали) и др. В процессе эксплуатации толстолистовых станов решались вопросы совершенствования технологии, конструктивного оформления прокатных клетей и вспомогательного оборудования .

В настоящее время можно считать  определившимися двуклетевые станы  предназначенные для прокатки толстых листов следующих двух типов

1. Обе клети – черновые реверсивные;
2. Черновая – четырехвалковая реверсивная, чистовая четырехвалковая универсальная реверсивная.

Разновидностями этих типов двуклетевых  станов с достаточно высокими технико-экономическими показателями следует считать толстолистовые станы, у которых в качестве черновых клетей установлены двухвалковые реверсивные клети. Такой вариант стана приемлем для сортамента листовой стали сравнительно малой ширины и повышенной толщины в расчете, что при прокатке слитков и слябов сохраняются высокие температура раската и пластичность металла, упругий прогиб валков незначителен, точность раската по толщине вполне удовлетворительна и возможные отклонения размеров раската, выдавливаемого двухвалковой черновой клетью, будут компенсированы дальнейшей прокаткой в четырехвалковой чистовой клети

Наиболее постоянно расположение оборудования трехклетевых толстолистовых станов. Как правило, первая клеть стана – с вертикальными валками (окалиноломатель), вторая – двухвалковая черновая реверсивная, третья – четырехвалковая чистовая универсальная реверсивная. С технологической точки зрения трехклетевые станы вполне соответствуют условиям прокатки качественных толстых листов высокой точности. Сочетание работы двух клетей: первой - с вертикальными валками и чистовой – универсальной обеспечивает получение листа с заданными размерами по ширине и катанной кромкой.

Развитием конструкции трехклетевых толстолистовых станов в отечественной металлургии следует считать разработанные и успешно работающие четырехклетевые станы. Они отличаются не только числом клетей, их расположением и назначением, но и технологией прокатки толстолистовой стали, вообще включая в поточную технологическую линию термическую обработку готового листа.

В составе четырехклетевого стана  последовательно на одной линии  установлены следующие клети:

1. с горизонтальными валками (окалиноломатель);
2. с вертикальным расположением валков (окалиноломатель);
3. черновая четырехвалковая реверсивная;
4. чистовая четырехвалковая реверсивная.

Однако черновая четырехвалковая  клеть может работать как чистовая, когда осуществляется прокатка листов с большой толщиной (с выше 40-50мм). Технологическим процессом также предусматривается использование клети с вертикальными валками для осуществления периодического обжатия (в нескольких проходах) раската в поперечном направлении, что улучшает качество готовой толстолистовой стали.

В отечественной и зарубежной практики производства толстолистовой стали  нет других станов строго предназначенных  только для прокатки сортамента толстых листов. Обычно к ним добавляют обжимную типа слябинга клеть или ряд клетей, или же после толстолистового стана располагают непрерывную группу клетей.[3]

Широкое строительство толстолистовых станов во всех странах мира было вызвано потребностью различных отраслей промышленности в толстых листах для изготовления стальных конструкций, резервуаров, корпусов морских судов, труб и других сварных соединений. Увеличение  производства толстого листа и плит толщиной 4-380 и шириной 500-5000 мм и более обеспечивалось в 60-х годах прежде всего строительством новых высокопроизводительных специализированных толстолистовых станов.

Практикой судостроительного  и энергетического машиностроения установлены целесообразность изготовления на толстолистовых станах листов шириной более 2000 мм. Длину бочки валков обычно выбирают в зависимости от ширины готового листа и принимают больше на 300 мм (при прокатке из сляба) и на 400 мм (при прокатке из слитка без обжатия в вертикальных валках).

Для современных толстолистовых станах характерны широкий сортамент, повышенная точность прокатки и высокая производительность. Как правило толстолистовые станы, состоящие из одной, двух (реже трех) клетей кварто, работает со скоростью прокатки до 4-5 м/с при массе слитков или слябов до 20-30 т и производительности от 0,5-0,6 до 1,0-1,2 млн. т в год в США эксплуатируются непрерывные толстолистовые станы с четырьмя-шестью клетями производительностью до 2,0 млн. т в год.

Для развития современных толстолистовых станов, построенных в нашей стране в послевоенные годы, характерен переход на создание трехклетевых станов, в состав которых входит вертикальная клеть (окалиноломатель), черновая и чистовая клети кварто. Эти станы, работающие по новой технологии, предусматривают прокатку толстых листов из слябов, предварительно нагретых в методических печах с торцевой выдачей, их отделку на механизированных поточных линиях и термическую обработку в специальных печах с роликовым подом.

Состав и конструктивные особенности толстолистовых станов

Перед прокаткой слитки и слябы  поступают на склад заготовок, ширина пролета которого 36 м, длина 252 м, площадь 9070 м². Склад оборудован восемью 46-т электромостовыми кранами с вращающейся тележкой и гибким подвесом траверсы.

Размеры и масса слябов: толщина 130-350 мм, ширина 1100-1900 мм, длина 2100-3400 мм, масса 2,2-16,0 т. Размеры и масса слитков: толщина 450-940 мм, ширина 1300-2000 мм, высота 2000-3000 мм, масса 10,0-30,0 т.

Для нагрева слябов служат четыре нагревательные печи. Все печи методические, рекуперативные пятизонные, двухрядные с двухсторонним нагревом, торцевым посадом и выдачей. Отапливаются природным газом. Воздух подогревается в металлических рекуператорах до 400 °С. Охлаждение подовых труб испарительное. Предусмотрено резервное охлаждение химически очищенной водой из аварийного запаса.

Для каждой зоны отопления предусмотрен автоматический контроль и регулирование основных параметров: температуры в каждой зоне, давления в томильной зоне, соотношения "газ-воздух" в каждой зоне, температура металла по всей длине печи, температуры подины в томильной зоне, температуры трубок рекуператора и защиты их от перегрева, гидравлического и температурного режимов дымового тракта, отсечки газа в каждую зону при падении давления газа или воздуха. Активная площадь пода печи 211 м2. Длина зон, мм: томильной 8630, монолитной части подины 7854, первой сварочной 7524, второй сварочной 9280, методической 5238. Напряженность активного пода 180-610 кг/(м3·ч). Рекуператор металлический петлевой. Поверхность нагрева рекуператора 1126 м2. Температура продуктов горения перед рекуператором 900 °С, после рекуператора 580 °С. Горелки двухпроводные труба в трубе, ДВ-250/40. Всего в печи 34 горелки, в том числе в томильной зоне семь первой сварочной верхней - шесть, второй сварочной верхней - семь, первой сварочной нижней - семь, второй сварочной нижней - семь. Максимальный распад газа 2,6 м3/с Производительность печи 38-129 т/ч.

Для подачи металла  к печам установлен подъемный  стол для слябов грузоподъемностью 64 т и толкатель загрузочного устройства, усилие толкания - 98,1 кН, максимальный ход штанги - 4400 мм, скорость перемещения - 0,53 м/с.

Слябы загружаются  в печь печным толкателем с усилием  толкания 2,45 МН, максимальным ходом 5,1 м и скоростью 0,06 м/с.

Печи оборудованы устройством  для безударной выдачи слябов: максимальная сила тяги 529 кН путь перемещения 4040 мм, скорость перемещения 0,48 м/с, длительность поднятия сляба 4,0 с.

Для регулирования процесса горения  газа принята схема регулирования  соотношения расхода газа и инжектирующего воздуха.

Для контроля температуры подогрева  инжектирующего воздуха, температуры  продуктов горения после керамического  и металлического рекуператоров, а также температуры стенки трубки первого ряда металлического рекуператора, установлен шеститочечный самопишущий потенциометр типа КСП-4. Скорость подъема температуры в колодце не ограничивается. Продолжительность томления должна составлять 30 % общего времени нагрева.

Подготовка металла к прокатке на толстолистовом стане

Поступающие на склад слябы при  необходимости разрезают на мерные длины и зачищают на них дефекты. Для посадки в печь слябы перевозят 46-т клещевыми кранами и укладывают на тележку загрузочного устройства грузоподъемностью 64 т. Максимальная высота пакета слябов 1,400 м.

Перед посадкой в печь слябы взвешивают на весах, встроенных в секцию загрузочного рольганга. Показания весов фиксируются  на бумажной ленте с указанием даты, порядкового номера, стали, номера плавки, массы партии, общей массы слябов за смену. Точность взвешивания партии ± 20 кг.

Слябы перед прокаткой нагревают  в семизонных методических печах  с шагающим подом, рекуперативных, двухрядных, с двухсторонним нагревом, с торцевым посадом и выдачей.

Длина печи 48700 мм, ширина 6610 мм; производительность до 210 т/ч. Топливо - природный газ теплотой сгорания 8200 кДж/м³ и мазут.

Нагревательные печи работают на автоматическом режиме. Температура для каждой зоны измеряется двумя платинородиевыми/платиновыми термопарами. После выдачи из печи слябы передают по рольгангу к черновой клети с максимальной скоростью 2,5 м/с.

Перспективы совершенствования  толстолистовых станов горячекатаных  станов

         1. Разработка математической модели технологического процесса горячей прокатки с учетом технических характеристик толстолистового стана, которая позволяет осуществлять расчет энергосиловых параметров, расхода электроэнергии, скоростного режима производственного процесса.

2. По результатам аналитических исследований разработка методики по определению коэффициента контактного трения при установившемся процессе горячей прокатки стали, учитывающей следующие факторы: коэффициент влияния состояния поверхности, коэффициент влияния химического состава прокатываемой стали, угол захвата, скорость прокатки, температуру деформации, коэффициент влияния вида смазки и толщину смазочной пленки.

3. Разработка методики по определению  контактного трения по сравнению  с другими подобными методиками  являющейся более универсальной и точной. Учет влияния состояния рабочей поверхности валков должен осуществляется на основе учета их шероховатости, что ранее не делалось. Учет влияния химического состава стали на трение должен быть основан на углеродном эквиваленте. Это позволяет фиксировать влияние химического состава на коэффициент трения не только по маркам стали, но и по колебаниям химического состава в пределах одной марки.

4. Разработка алгоритма и методики  определения  температурного  режима прокатки, учитывающего особенности технологического процесса на стане, в том числе и следующие факторы: снижение температуры раската за счет потерь тепла излучением; снижение температуры раската за счет потерь тепла конвекцией; снижение температуры металла при контакте с валками; снижение температуры металла вследствие потерь тепла при гидросбиве окалины; повышение температуры раската за счет энергии деформации.

НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ  НОЖНИЦ

В цехах непрерывной разливки стали, прокатных, кузнечных, а также на базах и скрапных дворах переработки металлолома для разделения скрапа, заготовок и товарного проката применяют ножницы, осуществляющие резание сдвигом частей металла между двумя ножами, сближающимися по заданной механизмом резания траектории.

По назначению ножницы подразделяют на две группы - ножницы поперечной резки и ножницы продольной резки. Ножницы первой группы, у которых плоскость резания перпендикулярна к направлению подачи металла, отличаются большим конструктивным разнообразием и предназначены для разрезки металла в неподвижном состоянии (стационарные ножницы), а также в процессе его движения (летучие ножницы). Продольную резку, в основном листового и полосового проката в процессе его движения, осуществляют на дисковых ножницах, плоскость резания которых совпадает с направлением подачи металла. Стационарные ножницы для продольной и поперечной резки неподвижного проката мало отличаются по конструкции.

Классификация ножниц металлургических цехов

Стационарные ножницы  поперечной резки. Для разрезки блумов, слябов и заготовок квадратного и прямоугольного сечения, а также скрапа применяют ножницы с параллельными кромками ножей и прямолинейным движением режущих суппортов. Процесс резания осуществляется в результате движения либо верхнего, либо нижнего ножа.

Для стационарной разрезки сутунок, листов и пачек сортового проката  в горячем и холодном состоянии  применяют ножницы с наклонными ножами, при угле наклона которых 0,5-5° можно снизить силу резания.

При прямолинейной траектории движения верхнего или нижнего ножа толстые  листы подвергаются изгибу, при котором  значение остаточной кривизны превышает  допустимое по плоскостности. Поэтому  для качественной разрезки толстолистового  проката применяют ножницы с криволинейным плоским движением дугообразного ножа по плоскому ножу, получивших название ножниц с катящимся резом. В этих ножницах резание осуществляется между неподвижным нижним прямым ножом и движущимся по сложной траектории верхним ножом, режущая кромка которого выполнена по дуге большого радиуса или близкой к окружности кривой. Кинематика движения режущего суппорта обеспечивает снижение силы резания в результате сокращения длины участка контакта ножей с металлом и отсутствия изгиба отрезаемой части листа.

Для качественной разрезки фланцевых  профилей типа швеллера, тавра и  двутавра на крупносортных станах применяют  ножницы с ножами, выполненными в  виде разъемных калибров, охватывающих разрезаемый профиль по контуру  и движущихся при резе под углом, близким к 45° по отношению к стенкам и полкам профиля. Кинематика механизма резания, работающего от одного привода, позволяет вначале закрыть ножевые калибры движением, параллельным полкам профиля, а затем повернуть траекторию на 45° при разделении проката.

Для разрезки немерного разнородного металлолома в шихту используют ножницы с криволинейным движением ножей, имеющих прямолинейные режущие кромки. Такие ножницы называют аллигаторными.

Математическое моделирование  процесса горячей резки толстых  листов на дисковых ножницах

Дисковые ножницы применяют  для обрезки кромок у широких  полос и резки этих полос вдоль  на несколько узких. Режущим инструментом дисковых ножниц являются дисковые ножи. В зависимости от выполняемых  операций ножницы могут иметь  две пары ножей или более. Для обрезки кромок применяют двухпарные дисковые ножницы, а для роспуска широкой полосы – многопарные. Основными параметрами дисковых ножниц являются: диаметр ножей , толщина дисковых ножей , допустимый угол захвата и толщина разрезаемого металла (рис.1).

Рисунок 1 .- Схема резания на дисковых ножницах

Дисковые ножницы устанавливают  в различных подготовительных или  отделочных агрегатах и предназначаются для обрезки кромок полос или для роспуска широких полос на узкие ленты.

Устанавливаемые в тонколистовых  цехах дисковые ножницы, как правило, имеют верхние и нижние ножи одинакового  диаметра, расположенные друг над  другом на одной вертикальной оси. В ножницах, предназначенных для роспуска полос, устанавливается до 10—16 пар одновременно работающих ножей, насаженных на два общих ножевых вала-оправки. Ножницы, применяемые для обрезки кромок, имеют ножи, консольно насаженные на валы режущих головок.

Для получения качественного реза (прямого без заусенцев ) дисковые ножи устанавливают с радиальным перекрытием  (чем толще полоса, тем меньше перекрытие ножей); при применяют отрицательное перекрытие и с небольшим боковым (горизонтальным) зазором (при резании полосы толщиной < 0,2 мм ножи устанавливают плотно, без зазора).

При установке дисковых ножей в вертикальной плоскости (рис.2 ,а) полоса на выходе из ножей будет изгибаться вверх (хотя и незначительно), а обрезанная боковая кромка пойдет сначала горизонтально, а потом вниз (под собственной тяжестью).

Рисунок 2 – Схема положения дисковых иножей

Для создания условий, при которых  полоса после резания выходила бы прямо, а обрезанная кромка направлялась под большим углом вниз (кромкокрошитель и кромкомоталки устанавливают ниже уровня ножниц), верхний нож смещают по направлению её движения относительно нижнего ножа (рис.2,6).

Максимальная толщина полос, разрезаемых  на дисковых ножницах, ограничена 25 мм. Для разрезания полос большей толщины экономически более целесообразно продольную резку производить на ножницах гильотинных или ножницах с катящим резом.

Выводы

 Применительно к промышленному  производству, внедрение процессов  горячей резки листов на дисковых ножницах способствует интенсификации технологического процесса производства толстых листов, за счет повышения пропускной способности участка резки, а также снижению энергозатрат технологического процесса, в том числе и за счет осуществления процессов термообработки готовых листов с прокатного нагрева.

 Многообразие конструктивных  исполнений механического оборудования процессов резки толстых листов делает необходимым повышение степени научной обоснованности принимаемых в каждом конкретном случае технических решений. В свою очередь, удовлетворение данного требования, может быть возможным при условии дополнительных экспериментальных исследований, в том числе и при использовании современных численных методов расчета, как в отношении напряженно-деформированного состояния и основных показателей качества готовой металлопродукции, так и в отношении конструктивных параметров основных узлов и механизмов соответствующих ножниц.