Точность при прокатке на непрерывных станах

На непрерывном стане полоса находится сразу во многих клетях, поэтому необходимо поддерживать постоянство секундного объема металла:

F_iV_j = const.

Произведение F_jV_j называется константой стана. При современном состоянии средств управления главными приводами константу точно выдержать невозможно по разным причинам: влияет износ калибров, неизбежны отклонения от средних значений по размерам заготовки, температуре металла, скорости прокатки, режимам натяжения и т. д. Все это приводит к тому, что прокатка полосы на непрерывном стане осуществляется в одном из трех возможных режимов: с подпором, с петлей или с натяжением. Каждый из режимов имеет свои преимущества и недостатки. Режимом прокатки определяются технология прокатки, состав оборудования, технико-экономические показатели, а также средства управления непрерывным станом. В связи с этим на стане заранее определяют, какой из режимов будет использован при прокатке, и при другом режиме этот стан уже работать не может.

Прокатка с петлей или подпором возникает тогда, когда скорость каждой последующей клети меньше, чем требуется по условию постоянства объема. Прокатка с подпором возможна только на крупных станах или в черновых клетях средне- и мелкосортных станов, когда раскат имеет большую площадь поперечного сечения. По мере уменьшения сечения подпор приводит к образованию петли.

Подпор вреден по многим причинам. Поскольку каждая последующая клеть вращается медленнее, чем необходимо по константе, то предыдущая клеть через полосу заставляет ее вращаться с требуемой скоростью. При этом предыдущая клеть работает с удвоенным моментом, а нагрузка на двигатель последующей клети падает практически до 0. Кроме того, работать с подпором, как и с петлей, практически не удобно. Когда в валки задается вторая заготовка вслед за первой, то просвет между заготовками после каждой клети сокращается. Чтобы в какой-то клети в одном калибре не встретились две заготовки, необходимо первоначальный просвет между ними делать достаточно большим. При этом теряется производительность стана. Без автоматического прибора, задающего ритм выдачи заготовок из печи, прокатка становится невозможной.

В черновой группе клетей предпочитают работать с небольшим натяжением полосы между клетями. В этом случае неопасна и удобна задача в первую клеть заготовок встык одна за другой. Расстояние между ними в последующих клетях будет только увеличиваться. Производительность стана максимальна, легко налаживается стабильная, ритмичная работа. Привода всех клетей работают в нормальном режиме. При возможном внезапном нарушении константы стана оператор вручную легко корректирует скорости стана, предотвращая появление подпора и набегание последующей полосы на предыдущую.

В чистовой группе клетей возможны режимы прокатки с натяжением и петлей. Выбор режима теснейшим образом связан со способом управления процессом и оборудованием стана. При прокатке с натяжением значение натяжения не постоянно по длине полосы. При прохождении переднего конца заготовки через клети натяжение с передней стороны отсутствует, затем в середине полосы переднее и заднее натяжения стабилизируются, а задний конец вновь прокатывается без натяжения. Непостоянство натяжения оказывает влияние на размеры профиля: средняя часть полосы имеет меньшую высоту и ширину, чем концевые участки. Чем больше натяжение, тем больше разница в размерах концов и середины. Это самый существенный недостаток прокатки с натяжением. Протяженность концевых участков зависит от расстояния между клетями и обжатий в них.

Например, на мелкосортном стане 250 (см. рис. 13.3) рассогласование скоростей соседних клетей на 2 % приводит к разнице площадей поперечного сечения в середине и на концах круглого профиля на 1,5 %. При прокатке круга диаметром 16—25 мм допустимое рассогласование скоростей составляет 1,0—2,5 %. При рассогласовании скоростей на 2,5 % размеры полосы на концах будут находиться на пределе плюсовых, а в средней части на пределе минусовых допусков. На стане 250 средняя часть составляет 90—96 % всей длины, а остальные 4—10% приходятся на утолщенные концы, которые необходимо продавать другому потребителю.

Кроме того, при захвате валками очередной заготовки возникают динамические нагрузки на привод клети. В переходном процессе происходит мгновенное уменьшение, а затем резкое увеличение скорости главного привода. Затем в течение 0,5—1,0 с процесс успокаивается по затухающей синусоиде. Таким же образом меняется межклетевое натяжение, а через него по обратной синусоиде меняется сила прокатки. По этой причине часть полосы получает дополнительную продольную разнотолщинносгь (см. формулу Головина—Симса (13.2)). А если прокатка ведется в несколько ниток, то динамические нагрузки при захвате одной заготовки отразятся на размерах другой прокатываемой заготовки.

Чтобы поддерживать необходимое рассогласование скоростей в заданных пределах, на стане необходима система автоматического регулирования натяжения (САРН). Для ее работы используют датчики, с помощью которых вырабатывается сигнал о величине натяжения. Их размещают между клетями на роликах, которые в момент начала прокатки должны всплывать из-под настила и создавать определенный перегиб натянутой полосы. По усилию, действующему на ролик, можно вычислить силу натяжения. После прокатки полосы ролики вновь убираются под настил, чтобы не мешать следующей полосе. Как видно, режим работы регулятора натяжения сложен и не очень надежен. По мере совершенствования САРН надежность его работы увеличивается. Также сокращается ноле допусков на прокат, уменьшается длина концевых участков.

Более надежны САРН, в которых в качестве первичного сигнала используется нагрузка на привод клетей. Здесь перегибные ролики отсутствуют. При изменении натяжения между клетями нагрузка на привод перераспределяется, что служит основанием для корректировки скоростей стана. Но изменение нагрузки на привод может быть вызвано не только изменением натяжения, поэтому такая система регулирования натяжения также имеет свои недостатки.

Важным преимуществом прокатки с натяжением является возможность длительного рассогласования скоростей смежных клетей. При изменении технологических условий прокатки натяжение между клетями может измениться. Это приводит к тому, что соотношение между зонами опережения и отставания в очаге деформации клети также изменится. Если, например, увеличится переднее натяжение, то увеличится зона опережения и уменьшится зона отставания. Силы трения в зоне опережения, направленные против хода прокатки, возрастут, а противоположно направленные силы трения в зоне отставания уменьшатся. Их равнодействующая увеличится в направлении против хода прокатки и уравновесит возрастание силы переднего натяжения. Очаг деформации вновь окажется в состоянии равновесия, процесс прокатки стабилизируется автоматически. Таким образом, прокатка с натяжением способна к саморегулированию, автоматически поддерживая в равновесии систему полоса—валок.

Возможности саморегулирования процесса прокатки с натяжением ограничены. При переднем натяжении нейтральное сечение в очаге деформации смещается в сторону входа металла в валки, зона опережения растет. В предельном случае она займет всю длину дуги захвата и двигатель клети будет работать в генераторном режиме, а подвод всей энергии для деформации будет осуществляться через полосу от следующей клети. В другом предельном случае заднее натяжение достигает значений, когда зона отставания простирается на весь очаг деформации, и происходит пробуксовка полосы относительно валков.

При прокатке с петлей отсутствует силовое воздействие клетей на полосу, поэтому исключается одна из причин продольной разнотолщинности. Отклонение размеров профиля от номинала может быть доведено до ±0,2 мм. Причем можно прокатывать полосу в минусовом допуске по всей длине. Это позволяет использовать такой прокат на метизных заводах для производства крепежных изделий на станках-автоматах, а также при волочении для производства калиброванного проката и проволоки.

Однако процесс прокатки с петлей проходит очень неустойчиво. Малейшие изменения условий прокатки приводит к быстрому увеличению или уменьшению петли. Главный недостаток состоит в том, что при прохождении через клети двух соседних заготовок расстояние между ними сокращается и возникает опасность набегания одной полосы на другую. Необходимо обеспечить достаточную паузу между заготовками, чтобы этого не произошло. Кроме того, при прохождении заднего конца полосы через клеть требуется дополнительное время для того, чтобы петля целиком прошла через клеть. И чем больше петля, тем больше пауза между раскатами. При ручном управлении устанавливают максимальную паузу, значительно теряя в производительности. При наличии надежных средств автоматического регулирования петли с высоким быстродействием системы величины петли и паузы между заготовками могут быть значительно сокращены. Однако по надежности работы петлерегуляторы уступают регуляторам натяжения. Получаемая выгода от увеличения точности проката не окупается из-за низкой производительности и невысокой надежности прокатки.

Таким образом, рациональными признаны следующие режимы прокатки. При ручном управлении станом в черновой и чистовой группах клетей прокатку ведут с натяжением, прокат занимает все поле допусков на обычный прокат по группе В ГОСТ 2590—88. При автоматическом управлении в черновой группе прокатывают в режиме натяжения полосы, а в чистовой — с петлей при строгом регулировании петли в узких пределах. Прокат выпускается по категории повышенной точности.

На непрерывных станах на точность проката оказывает влияние число прокатываемых ниток. На проволочных станах в черновых клетях ведут прокатку в четыре нитки, на мелкосортных — в две. Многониточность позволяет увеличить производительность стана, но отрицательно отражается на точности проката. Когда в клети находится одновременно п заготовок, то по формуле Головина-Симса (13.2) упругая деформация клети должна соответствовать силе прокатки пР. Кроме того, изгиб валков будет определяться распределением п сил по длине бочки валка. Но когда заготовки поступают в клети с некоторым разрывом, возможны случаи прокатки (п — 1) и меньшего количества заготовок. При этом упругие деформации клети уменьшаются, сила прокатки снижается и высота всех прокатываемых полос также уменьшается. Кроме того, динамические нагрузки, возникающие при захвате одной заготовки, отражаются на точности остальных прокатываемых полос. Возникающая при этом продольная разнотолщинность будет повторяться во всех последующих клетях, так как на утолщенных участках обжатие и сила прокатки будут выше, чем на остальной полосе. Разнотолщинность до конца прокатки не исправляется и сохраняется на конечном профиле, несмотря на то что прокатка в чистовой группе клетей проводится в одну нитку.

Следует заметить, что наихудшие условия возникают при прокатке в две нитки. В этом случае нагрузка изменяется от Рдо 2Р, т. е. в два раза. Если число ниток увеличить, например, до четырех, то с большой вероятностью скачок усилия будет только в пределах 3Р—4Р. В процентном соотношении продольная разнотолщинность будет меньше.

Чтобы устранить разнотолщинность, вызываемую многониточносгью, увеличить производительность стана, а также исключить динамические нагрузки при захвате полосы валками, строят станы бесконечной прокатки. Один из таких станов, построенный на Западно-Сибирском металлургическом комбинате (рис. 13.20), при скорости прокатки 20 м/с производит круглые, квадратные и угловые профили № 2—4. Заготовка 80x80, выдаваемая из печи, с помощью трайбаппарата транспортируется к стыкосварочной машине. Перед сваркой с торцов заготовки сбивается окалина. Сварка осуществляется за счет частичного оплавления металла на торцах заготовок и сжатия их под большим давлением. Образующийся при этом наплыв (грат) снимается гратоснимателем. После сварки процесс прокатки становится “бесконечным”. Так как сварочная машина стационарна, то после сварки установлен отапливаемый петлевой колодец с определенным запасом металла, который расходуется на стане в тог момент, когда осуществляется сварка. Секционная тоннельная индукционная печь служит для компенсации потерь тепла перед прокаткой.

В черновой и промежуточной клетях прокатка ведется в две нитки с натяжением, в чистовой — в одну нитку с петлей. Отличительной особенностью стана является наличие в чистовой группе комбинированных рабочих клетей, т. е. таких клетей, которые могут иметь вертикальное или горизонтальное расположение валков в зависимости от схемы прокатки профиля. Готовая продукция выпускатся либо в прутках, либо в бунтах. Прутки после охлаждения на реечном холодильнике охлаждаются и правятся и затем разрезаются на мерные длины. Бунтовой прокат после смотки охлаждается сначала на пластинчатом, затем на крюковом конвейерах и поступает на склад готовой продукции.

Как видно, технология прокатки на станах бесконечной прокатки сложна и осуществима только тогда, когда процесс прокатки стационарен, когда прокатывается один профилеразмер, ничто не ломается и не перенастраивается. Бесконечная прокатка позволяет решить одни проблемы, но создает множество других, особенно организационных. При любых остановках стана прихо-

Рис. 13.20. Мелкосортный двухниточный стан 250 бесконечной прокатки:

I — загрузочные решетки; 2 — нагревательная печь; 3, 8, 10, 12— трайбаппараты для транспортировки металла; 4 — окалиноломатель; 5— сварочная машина; 6— гратосниматель; 7— корректирующее устройство; 9— петлевой колодец; 11— индукционная печь; 13— делительные ножницы; 14— черновая группа клетей; 15, 17— аварийные ножницы; 16— промежуточная группа клетей; 18, 19— чистовые группы клетей; 20— летучие ножницы; 21— реечный холодильник; 22— ножницы холодной резки; 23— карманы; 24— пакетовя- зательные машины; 25— роликоправильная машина; 26— моталки; 27— пластинчатый

конвейер; 28— крюковой конвейер дится освобождать клети от металла, разрезая его на мелкие части, которые затем отправляются в шихту. Достоинства стана полностью нивелируются. Качество сварки также оказалось невысоким, а место сварки на готовом прокате проконтролировать не удается. В связи с этим рассматриваемый прокатный стан 250 в настоящее время работает как обычный стан на поштучной заготовке без участия сварочной машины.

За 1966-1972 гг. на металлургических предприятиях страны введено в эксплуатацию пять мелкосортных и четыре проволочных бесконечных станов. На мелкосортном стане 350-2 МакМК сварка встык заготовки 100x100 мм осуществляется на ходу, на стане 250 ЗСМК сваривают заготовку 80x80 мм на стационарной установке с использованием петлевого колодца. Исследования показали, что эффективность бесконечной прокатки повышается с уменьшением сечения заготовки, а при использовании заготовки выше 120x120 мм эффективнее поштучная прокатка. Поэтому на новых станах (250-6 Криворожстали при заготовке 150x150 мм и скорости до 25 м/с и на Белорецком МК, использующем заготовку 200x200 мм, прокатывающем на скорости до 50 м/с) использован поштучный вариант прокатки.

В последние годы за рубежом вновь возвращаются к идее бесконечной прокатки. Разработано несколько установок для стыковой сварки круглых заготовок (система EBROS) для Финляндии, Китая и других стран.

Итальянская компания Danieli Morgardshammar возродила бесконечную прокатку со сваркой встык квадратных заготовок после выхода их из печи. При этом был полностью заменен сварочный узел, сконструирована новая система центровки заготовок перед сваркой, улучшено качество реза заготовки перед сваркой и разработан ряд других усовершенствований. Показано, что все имеющиеся на существующих станах бесконечной прокатки недостатки устраняются за счет конструктивных решений. С 2000 г. три бесконечных стана конструкции этой фирмы работали на предприятиях Китая, Кореи и США и строились еще четыре стана.

Решая проблему бесконечной прокатки, фирма Danieli (Италия) разработала также новый литейно-прокатный комплекс (Л ПА) для прокатки сортового металла. Первый такой комплекс (названный в России лунным станом от слов Luna Endless Casting and Rolling) на производство 500 гыс. т сортового проката по кругу 15—100 мм из заготовки 200x160 мм был построен в Италии в 2000 г. После НЛМЗ в линии установлена проходная туннельная печь и далее непрерывный прокатный стан и либо редукционно-калибровочный стан — для специальных сталей, либо проволочная группа — для катанки из углеродистых сталей. Особенностью стана является сверхвысокая скорость литья (до 6,5 м/мин), минимальные простои при перевалках, которые осуществляются в автоматическом режиме за 5 мин, широкое использование различных термических операций в линии стана (отжиг, закалка, замедленное охлаждение, контролируемая прокатка), высокий уровень автоматизации управления. Стан обладает высокой гибкостью, и малотоннажные заказы для него выгодны (по традиционной технологии заказы менее 30—40 т невыгодны).

При значительных достижениях в области автоматического управления приводами за счет совершенствования конструкции основных узлов стана стало возможным переходить на однониточную прокатку. На новых однониточных проволочных станах скорости прокатки увеличены до 100—120 м/с и выше, поэтому почти туже производительность, что и на четырехниточном стане (до 300—400 тыс. т/год), достигают за счет высокой надежности работы автоматики при сверхвысоких скоростях прокатки в одну нитку.

Фирмы-изготовители рекламируют новое оборудование с новой компоновкой. Рекомендуется температура конца прокатки 750 °С, что достигнуть при высоких скоростях трудно. Обычно она в чистовой группе клетей возрастает и находится в районе 1050 °С. На современных непрерывных проволочных и мелкосортно-проволочных станах скорости прокатки достигают 90—100 м/с, новые станы проектируются на скорости 120—150 м/с, имеются намерения увеличить скорости до 160—180 м/с. При таких скоростях очень велики силы инерции и межклетевые динамические силы, которые нарушают равновесие очага деформации, и стабильность прокатки снижается.

На новых строящихся мелко-, среднесортных и проволочных станах значительные успехи достигнуты по точности проката. Сужения поля допусков добились за счет:

уменьшения частных обжатий в последних проходах до 4—16%;

применения компактных блоков клетей высокой жесткости в 2-, 3- и 4- валковом исполнении, допускающих настройку под нагрузкой;

применения устройств для быстрой перевалки.

Широко применяются предчистовые и чистовые блоки из четырех-восьми 3-валковых клетей фирмы Kocks, которыми оснащено уже более 40 станов. Блоки позволяют прокатывать круглый прокат с допуском ±0,1 мм. На автоматическую настройку валков уходит не более 1 мин, перевалка (замена) блока занимает 5 мин.

Одним из резервов повышения точности и качества проката в последнее время становится математическое моделирование технологии прокатки на стане. Так, в Институте обработки давлением технического университета Фрайбергской горной академии (Германия) разработана комплексная математическая модель прокатки прутков и катанки в широком диапазоне технологических параметров и по различным системам калибровки. Аналогичные модели разрабатываются в Горном университете в Леобене (Австрия). Здесь на основе метода конечных элементов созданы модели регулирования размеров подката для получения катанки с допусками, укладывающимися в заданное поле. Математические модели создаются для процессов нагрева, горячей прокатки и охлаждения, что позволяет выбирать в ходе технологического процесса оптимальные параметры, обеспечивающие получение требуемых свойств и качества проката.