Аналитические исследования нагрузок рабочих клетей стана 320 руп «Бмз» при прокатке арматурных профилей из заготовки увеличенного сечения с использованием системы минимального натяжения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

9плi к ittt^ г: гсгзгшттгс

4U4; 3(57),2010-

( ' ^

Analytical investigations of workloads of the RUP

«BMZ» mill 320 working stands at rolling of fittings of slugs with section 140x140 mm using the system of minimum tension are carried out.

v_j

В. Н. КуВАЕВ, Национальный горный университет,

П. В. ТОКМАКОВ, К. Ю. ключников, П. А. Киселев, ичМНАН Украины, о. м. кириленко, а. в. русаленко, в. в. гордиенко, руп «бмз»

УДК 621.771

аналитические исследования нагрузок рабочих клетей стана 320 руп «бмз» при прокатке арматурных профилей из заготовки увеличенного сечения с использованием системы минимального натяжения

Стан 320 РУП «Белорусский металлургический завод» использует процесс многоручьевой прокатки разделения (МПР) с применением неприводных деформационно-делительных устройств (НДДУ) в две, три, четыре и пять ниток, что обеспечивает значительный рост производительности стана без увеличения количества задействованных в процессе прокатки рабочих клетей.

В настоящее время стан 320 РУП «БМЗ» производит арматурный прокат периодического профиля: № 22-32 - в одну нитку; № 18 и 20 - МПР в две нитки; № 14, 16 - МПР в три нитки; № 12 -МПР в четыре нитки и № 10 - МПР в пять ниток.

Дальнейший рост производительности стана и снижение расхода металла на производство 1 т арматурного проката достигнуто за счет перехода на исходную заготовку увеличенного сечения без увеличения установленной мощности стана. Так, переход на производство основного сортамента арматурных профилей № 10-32 из исходных заготовок сечением 140x140 мм позволил снизить значения расходных коэффициентов и выход немерной длины готового проката.

Обеспечивая полную загрузку существующих производственных мощностей на РУП «БМЗ», особое внимание уделено повышению производства арматурного проката, пользующегося повышенным спросом на мировом рынке. До недавнего времени производство основного сортамента на непрерывном мелкосортном стане 320 РУП «БМЗ» осуществлялось из исходных заготовок квадрата сечением 125x125 мм.

В середине 2006 г. была начата и в марте 2007 г. успешно завершена работа по переходу на производство арматурных профилей № 10-32 из не-прерывнолитых заготовок сечением 140x140 мм марок стали 3сп, 3Гсп (№ 10-32) и 25Г2С (№ 10, 12, 14). Опробованная технология на опытных про-катках периодических профилей основного сортамента, производимого станом 320, по вновь разработанным таблицам калибровок позволила с минимальными потерями по отношению к производству арматурного проката из исходной заготовки сечением 125x125 мм повысить производительность стана на 17% с одновременным снижением расходных коэффициентов без изменения качества готового проката.

Преимуществом производства арматурного проката из исходных заготовок сечением 140x140 мм является увеличение суммарной вытяжки (1£) по каждому профилю в среднем в 1,26 раза по сравнению с производством из заготовок сечением 125x125 мм. Это способствует большей прораба-тываемости структуры металла при прокатке. Положительным моментом при освоении технологии производства арматурного проката из заготовок сечением 140x140 мм явилась разработка универсальных таблиц калибровок (ТК) без изменения калибров черновой группы клетей по отношению к ТК для прокатки из заготовок сечением 125x125 мм. Данное решение позволило в дальнейшем без простоя оборудования, связанного с перевалкой валков, использовать при производстве арматурного проката два размера исходных заготовок - сечени-

ями 125x125 мм (МНЛЗ-2) и 140x140 мм (МНЛЗ-1). За счет перераспределения относительного обжатия в черновой группе клетей при прокатке заготовок сечением 140x140 мм нагрузки на клетях данной группы не превышают предельно допустимых.

Аналитические исследования параметров прокатки предпочтительных арматурных профилей (№ 10-20) сортамента стана 320, а также анализ проектной калибровки валков для прокатки арматурных профилей [1] позволили выявить недостатки технологии, в том числе причины повышенного износа калибров валков, поломки муфт и другие сбои в работе стана. Это позволило оценить загрузку главных приводов на основании экспериментальных исследований, выполненных в заводских условиях.

При установившемся режиме прокатки на посту управления (ПУ-2) снимали индикаторные показания нагрузок (отношения фактического к номинальному значению силы тока якоря электродвигателя) и линейной скорости прохождения металла по задействованным рабочим клетям стана. При прокатке фиксировали скорость прокатки по клетям, температуру раската по клетям, фактические размеры раската и катающий диаметр валков.

Осциллографирование крутящих моментов на моторных валах привода клетей позволило определить характер и величины перегрузок, обусловленные динамическими процессами в переходных фазах прокатки - при захвате, выбросе, захвате полосы последующей за наблюдаемой клетью и др.

Для анализа изменения нагрузок в линиях главных приводов клетей стана были выполнены расчеты параметров деформации и энергосиловых параметров прокатки по действующим таблицам калибровки.

Расчеты проводили с использованием программного средства, разработанного специалистами прокатного отдела Института черной металлургии НАН Украины.

Отличительной особенностью этого программного средства, описывающего процесс непрерывной сортовой прокатки, является более строгий учет параметра, в значительной степени определяющего изменение напряжения текучести металла в клетях стана и в его межклетьевых промежутках, а также температурного поля раската по длине стана.

При непрерывной прокатке процессы упрочнения и разупрочнения, определяющие величину напряжения текучести металла, протекают в условиях изменяющейся температуры прокатываемого металла, поэтому строгий учет температурного поля раската по длине стана весьма важен [2].

агггг^ г: гсщ^гргтт /опч

-3 (57), 2010 / 41111

Структурная схема разработанного программного средства информационно-аналитической системы непрерывной сортовой прокатки показана на рисунке.

Информационно-аналитическую систему непрерывной сортовой прокатки составляют два основных блока: информационный и аналитический.

Информационный блок содержит основные сведения о технологических параметрах прокатки сортовых профилей в условиях конкретного непрерывного мелкосортного стана и включает в себя блок исходных данных и расчетный блок.

В блок исходных данных введены сведения о калибровке валков для прокатки профилей фактического сортамента стана. Представлены схемы расположения основного технологического оборудования и его технические параметры, а также сведения о размерном и марочном сортаменте прокатываемых профилей.

Алгоритм расчета обеспечивает последовательный расчет параметров каждой последующей рабочей клети с учетом параметров прокатки в предыдущей клети. Это особенно важно при расчете температуры прокатываемого металла, которая определяется с учетом разогрева металла в очаге деформации предыдущей клети и последующего охлаждения в межклетьевом промежутке перед каждой рассматриваемой клетью. Аналогичным образом рассчитываются скоростные параметры непрерывной прокатки [3].

Анализ результатов расчетов, выполненных с использованием разработанного программного средства, и сравнение их с фактическими данными показали, что разработанное средство достаточно точно и качественно верно описывает параметры процесса прокатки сортовых профилей в условиях непрерывного мелкосортного стана 320 РУП «БМЗ». Погрешность результатов расчета составляет 8-12% [4-6].

В приводных линиях клетей черновой группы стана 320 нагрузки при прокатке арматурных профилей носят статический характер.

На клетях, за которыми установлены кантующие проводки, кратковременный подъем крутящего момента на 25-30% вызван «утыканием» раската в кантующую проводку в начальный период кантовки.

Рассчитано, что при минимальной температуре начала прокатки 1050 °С максимальная нагрузка линий главных приводов клетей при прокатке арматурных профилей наблюдается в черновой группе стана и достигает 100-120% от номинального момента для редукторов в первой, второй и третьей рабочих клетей стана, 100-115% - в пя-

9пв i г^гг г: ктпглрууя

&ии/ 3(57),2010-

ИНФОРМАЦИОННЫЙ БЛОК

_^_

РАСЧЕТНЫЙ БЛОК

Параметры разупрочнения и деформационного упрочнения.

Степень деформации.

Скорость деформации.

Напряжение текучести прокатываемого металла.

Среднее напряжение текучести прокатываемого металла.

Температура металла вдоль линии стана.

Скорость прокатки. Коэффициент вытяжки. Усилие, момент, мощность прокатки.

Структурная схема разработанного программного средства информационно-аналитической системы непрерывной сортовой

прокатки

_^_

БЛОК ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Таблицы калибровок валков.

Схемы расположения основного технологического оборудования.

Техническая характеристика основного технологического оборудования.

Размерный и марочный сортамент прокатываемых профилей.

той рабочей клети. В остальных клетях черновой группы эта величина не превышает 60-90% от допустимых значений. При рабочей температуре начала прокатки 1175-1185 °С нагрузка на первой -пятой клетях не превышает 55-65%, что подтверждается фактическими результатами при работе стана 320 РУП «БМЗ».

Загрузка приводов клетей промежуточной и чистовой групп соответственно не превышает 85 и 35% допускаемого момента. При этом вытяжная способность калибров арматурных профилей используется максимально.

Проведя анализ фактических нагрузок в линии рабочих клетей стана 320 РУП «БМЗ», прокатка предпочтительных профилей сортамента стана с использованием системы минимального натяжения происходит с большой неравномерностью

продольных напряжений в раскате. Неравномерность продольных межклетьевых усилий приводит к неравномерной загрузке клетей, поэтому целесообразно разработать методику для расчета натяжений между клетями.

Основное уравнение связи между клетями непрерывной группы на основании закона постоянства секундных объемов записывается в следующем виде:

= ^2 = ... = УЛ = С, (1)

где У и Л - скорость и площадь поперечного сечения полосы на выходе из /-й клети; С - константа калибровки при непрерывной прокатке.

Уравнение постоянства секундных объемов (1) можно записать в виде

АЛ1(1 + ¿1^2 = ^2(1 + й) = ... = Ап(1 + 5,.). (2)

5, -1 - 5ог-1 + Кц^_1 с,

-1

с -

1 + 5п

К,,

Д п,

К

5,

1

(6)

Д-1 п,_1 1 + 5 о, _1 Ц о

'о,_\ Ц о, Д-1 'Ч_1 1 1 5о,_1 Г о,

Выражение (6) для определения натяжения между двумя клетями при установившемся процессе прокатки можно получить решая уравнение натяжения, точная запись которого приведена в работе [12]:

лгттгг; г: г/^штггта /9п7

-3 (57), 2010 I ЛАМ Я

Здесь Бъ О2,..., О7 - катающие диаметры валков; 51, $2, ..., 5 - опережение относительно диаметров валков; пь п2,..., п7 - частота вращения валков клетей 1, 2, ..., 7.

В случае, когда непрерывная группа состоит из нескольких клетей, для упрощения решения можно рассматривать последовательно каждые две клети, начиная с первой, и в дальнейшем определять межклетьевое натяжение во всех межклетье-вых промежутках. Так, для черновой группы стана 320 БМЗ, содержащей восемь клетей, система для расчета натяжений между клетями будет содержать семь уравнений, которые решаются совместно. Такой метод был применен для расчета параметров прокатки в чистовых блоках проволочных станов [7].

В работах А. П. Чекмарева, М. Д. Куцыгина и др. [8-11] показано, что при прокатке с натяжениями, не превышающими предела текучести полосы в межклетьевом промежутке, зависимости параметров прокатки от удельного натяжения практически линейны либо без особых погрешностей могут быть приведены к линейным.

Поэтому для двух клетей непрерывной группы можно записать такие общие зависимости, как:

(3)

2 Е

йс/Ж -(Г2_Г1)( 1 -в)2 —

1

(7)

где У2 - скорость входа полосы во вторую клеть; Е - модуль упругости; 10 - расстояние между клетями; е - упругое относительное удлинение полосы между клетями.

Интегрируя выражение (7), получаем выражение для расчета натяжения между клетями 7 - 1 и 7 в виде:

Д

1 + 5,

о,

1

С - -

Д-1 '-1 1 + 5,

_ 1

о,-1

Ц о

К 5,- + К 5, + К

(8)

Ц,

5, - 5о, + с, (4)

Цг =Цо,- +КЩ<5. (5)

Здесь 50i-1, 50i, ц0i - значения параметров при свободной прокатке; K5i-1, K5i, КЦ - технологические коэффициенты влияния натяжения на соответствующие параметры прокатки; с - удельное натяжение между клетями 7 - 1 и 7.

Согласно выражениям (3)-(5), коэффициенты К5-1, К5,, Кц7 отражают количественную меру влияния натяжения на изменение параметров процесса прокатки. Чем меньше значения технологических коэффициентов, тем слабее влияние натяжения на соответствующие параметры процесса.

Подставляя выражения (3)-(5) в уравнение (2) и решая его относительно с, после преобразований получаем:

Д п, 1 + 5о1

Д,-1 п,-1 1 + 5о,-! Ц о,

Формула (8) для расчета натяжения по структуре проста, а точность расчета по ней достаточно высока. Из нее видна еще одна важная роль технологических коэффициентов. Находясь в знаменателе, они выражают компенсирующее влияние технологических параметров прокатки на величину удельного натяжения при рассогласовании скоростного режима. При одном и том же кинематическом рассогласовании натяжение будет выше в тех случаях, когда технологические коэффициенты меньше по абсолютной величине.

Скоростной режим прокатки характеризуется соотношением частот вращения валков П2/П1 и для двух клетей непрерывного стана связь кинематического натяжения с силовым является однозначной при постоянных технологических параметрах.

Режим прокатки считается согласованным, когда расчетное межклетьевое натяжение равно нулю и отсутствует петля. Этому режиму соответствует определенное согласованное соотношение частот вращения валков смежных клетей, которое определяется из выражения (8). Приравняв с нулю, получим

Г ..

«1-1

А-1 1 + ^м

А

1 + 5ог

(9)

Тогда формулу (8) можно привести к виду

или

Д 1 + 5 о, 1 п, ( п, Л

Д-1 1 + 5 о,-1 Ц о, _ п,-1 У п,-1 ) с _

К 5,- + К 5, + К Ц,

Д 1 + 5 о, 1

Д-11 + ~5о,-1 Ц о,

К 5,- + К 5, + К

(10)

(11)

ц ,

где е - кинематическое рассогласование.

Анализ уравнения (11) показывает, что при условии постоянства кинематического рассогласования натяжение может изменяться в определенных

Ш//;ггтт^ г гл^гпллтггггг

/ 3 (57), 2010-

пределах, которые зависят от колебания технологических параметров в каждой паре клетей непрерывной группы , ц 0 . По аналогии с выражениями (3)-(5) можно записать формулу для расчета ширины раската на выходе из каждой пары клетей:

Ь, = Ь0г - Кьр, (12)

где Ь0. - ширина полосы при свободной прокатке; Кь ,, - технологический коэффициент влияния заднего натяжения на ширину полосы, выходящей из выделенной пары клетей.

Из формулы (11) видно, что для определения межклетьевого натяжения необходимо иметь технологические коэффициенты по натяжению К,. р К,. и Кщ,, а также значения параметров опережения и вытяжки при нулевом натяжении, т. е. в условиях свободной прокатки. Для сортовой прокатки такие параметры целесообразно получать экспериментально, что на непрерывном стане затруднительно. Фактически это сводится к получению зависимостей типа (3)-(5) в условиях конкретного стана и конкретной калибровки валков, при этом требуется экспериментальное измерение продольных межклетьевых усилий, размеров сечения раската, опережения и вытяжки, что в условиях действующего стана затруднительно и связано с потерей производства.

Поэтому для расчета натяжений между клетями черновой групы стана 320 были использованы экспериментальные данные, полученные на других непрерывных сортовых станах, имеющие подобную калибровку валков, режимы обжатий и скорость прокатки [8-12]. Опережение при свободной прокатке рассчитывали по формуле Дрездена с учетом ширины полосы [13], а коэффициент вытяжки принимали по таблице калибровки. Технологические коэффициенты по опережению и вытяжке приняты по экспериментальным данным, полученным А. П. Чекмаревым и В. П. Гречко [10] на мелкосортном стане предприятия «АрселорМит-тал Кривой Рог».

Расчеты выполнены по уравнению (8) для черновой группы стана 320 БМЗ при прокатке арматурного профиля № 10 способом МПР на пять ниток по заводской таблице калибровки.

В таблице приведены расчетные значения меж-клетьевых напряжений в черновой группе стана 320 РУП «БМЗ».

Номер межклетьевого промежутка 1 2 3 4 5 6 7

Межклетьевое напряжение, Н/мм2 -22,1 -0,7 +4,3 +6,9 -12,4 -31,5 -7,3

П р и м е ч а н и е. Плюс - натяжение; минус - подпор.

Согласно расчетным данным, при прокатке в черновой группе стана 320 имеется большая неравномерность в распределении межклетьевых напряжений - от натяжения величиной 6,9 Н/мм2 до подпора величиной 31,5 Н/мм2. В большинстве межклетьевых промежутков прокатка происходит с подпором, который может достигать значительной величины. Наибольшая величина подпора имеет место в первом и предпоследнем промежутках, достигая соответственно 22,1 и 31,5 Н/мм2. Учитывая возможные изменения в процессе работы стана параметров прокатки (температуры, диаметров валков, регулировку межвалковых зазоров и др.), значения этих напряжений могут достигать величины предела текучести металла. В третьем и четвертом межклетьевых промежутках прокатка происходит с натяжением, а во втором промежутке наблюдается практически согласованный режим прокатки (а2_3 = - 0,7 Н/мм2).

Влияние усилий подпора и натяжения на энергосиловые и деформационные параметры непрерывной прокатки описано многими авторами, проведено большое количество экспериментальных исследований (работы А. И. Целикова, А. П. Чек-марева, В. Н. Выдрина и др.). Передний подпор (клети № 1 и 6 стана 320) приводит к некоторому возрастанию давления прокатки и в большей мере -к увеличению момента. Задний подпор и переднее натяжение уменьшают момент прокатки как вследствие смещения равнодействующей сил в очаге деформации к плоскости входа металла в валки и ее наклона, приводящего к уменьшению плеча момента. При заднем натяжении или переднем подпоре точка равнодействующей смещается в направлении прокатки, увеличивается плечо равнодействующей, поэтому, несмотря на уменьшение давления прокатки, в результате заднего натяжения момент прокатки возрастает. Задний подпор в клетях № 2 и 7 черновой группы снижает момент прокатки. В клети № 5 прокатка происходит с передним подпором и задним натяжением, что увеличивает момент прокатки.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что прокатка в черновой группе стана 320 РУП «БМЗ» происходит с большой неравномерностью продольных напряжений в раскате, имеются напряжения подпора и натяжения. Неравномерность продольных межклетьевых усилий приводит к неравномерной загрузке клетей черновой группы стана. Поэтому целесообразно установить на стане цифровую систему автоматического управления электроприводами клетей и скоростным режимом прокатки, обеспечивающую прокатку с минимальными продольными напряжениями, что по-

зволит повысить надежность и точность управления, т. е. обеспечить работу в согласованном режиме. В этом случае неравномерность нагрузок в клетях группы будет определяться только условиями деформации в овальных и круглых калибрах.

Выводы

1. В настоящее время стан 320 РУП «БМЗ» производит в основном только арматурный прокат периодического профиля: № 32-22- в одну нитку; № 20 и 18 - МПР в две нитки; № 16, 14 - МПР в три нитки; № 12 - МПР в четыре нитки и № 10 -МПР в пять ниток, исключение составляет незначительный объем производства горячекатаных кругов диаметрами 19, 21, 28 мм. Уровень технических решений современного прокатного производства и износ значительной части оборудования требуют модернизации стана, что позволит заводу и впредь производить продукцию высокого качества, соответствующую требованиям рынка металлопроката.

2. В Институте черной металлургии им. З. И. Некрасова НАН Украины разработано программное средство, позволяющее моделировать процесс прокатки сортовых профилей с учетом влияния межклетьевых сил в условиях непрерывных мелкосортных станов.

Отличительной особенностью разработанного программного средства, описывающего процесс непрерывной сортовой прокатки, является более строгий учет параметра, в значительной степени определяющего изменение напряжения текучести металла в клетях стана и в его межклетьевых промежутках, -температурного поля раската по длине стана.

агггг^ г: г/^штптг /опп

-3 (57),2010 /

3. Проверка адекватности математической модели выполнена путем сравнения расчетных и экспериментальных данных о параметрах прокатки арматурных профилей предпочтительного сортамента (№ 10, 12, 14, 16, 20) в условиях мелкосортного стана 320 РУП «БМЗ».

Анализ результатов расчетов, выполненных с использованием разработанной математической модели, и сравнение их с практическими данными показали, что разработанная математическая модель достаточно точно и качественно верно описывает параметры процесса прокатки сортовых профилей в условиях непрерывного мелкосортного стана 320 РУП «БМЗ». Погрешность результатов расчета составляет 8-12%.

4. Прокатка в черновой группе стана 320 РУП «БМЗ» происходит с большой неравномерностью продольных напряжений в раскате, имеются напряжения подпора и натяжения. Неравномерность продольных межклетьевых усилий приводит к неравномерной загрузке клетей черновой группы стана. Поэтому целесообразно установить на стане цифровую систему автоматического управления электроприводами клетей и скоростным режимом прокатки, обеспечивающую прокатку с минимальными продольными напряжениями, что позволит повысить надежность и точность управления, т. е. обеспечить работу в согласованном режиме. В этом случае неравномерность нагрузок в клетях группы будет определяться только условиями деформации в овальных и круглых калибрах. При этом повысится также точность раската на выходе из черновой группы стана.

Литература

1. Совершенствование калибровок валков и оценка загрузки линий главных приводов на непрерывном мелкосортно-прово-лочном стане 320/150 БМЗ / С. М. Жучков, Е. Я. Подковырин, В. А. Токмаков и др. // Ин-т «Черметинформация». М., 1991. (Обзорная информация. Сер. Прокатное производство). Вып. 3.

2. Ц е л и к о в А. И., З ю з и н В. И. Теория прокатки: Справ. М.: Металлургия, 1982.

3. Х е н з е л ь А., Ш п и т е л ь Т. Расчет энергосиловых параметров в процессах обработки металлов давлением: Справ. М.: Металлургия, 1982.

4. Автоматизированной расчет технологических параметров прокатки на непрерывном сортовом стане / С. М. Жучков, Л. В. Кулаков, К. Ю. Ключников, А. П. Иванов // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2003. № 6. С. 40-44.

5. Особенности математической модели и программы расчета параметров непрерывной сортовой прокатки / С. М. Жучков, Л. В. Кулаков, К. Ю. Ключников, А. П. Иванов // Литье и металлургия. 2003. № 3. С.157-164.

6. Совершенствование калибровки валков для прокатки круглых и арматурных профилей / В. Н. Асанов, А. Б. Стеблов, О. Н. Тулупов и др. // Сталь. 2008. № 11. С. 90-91.

7. И в о д и т о в А. Н., Г о р б а н е в А. А. Разработка и освоение технологии производства высококачественной катанки. М.: Металлургия, 1989.

8. Ч е к м а р е в А. П., Л е в ч е н к о Л. Н. // Обработка металлов давлением. М.: Металлургиздат, 1962. Т. ЦУШ.

9. Ч е к м а р е в А. П. и др. // Прокатное производство. М.: Металлургия, 1965. Т. XXI. С. 237.

10. Ч е к м а р е в А. П., Г р е ч к о В. П. // Прокатное производство. Киев: Изд-во АН УССР. 1961. Т. XV. С. 137.

11. М у т ь е в М. С. и др. // Обработка металлов давлением. Металлургия, 1965. Т. XIX, С. 73.

12. Ч е к м а р е в А. П., Т о п о р о в с к и й М. П. // Прокатное производство. Киев: Изд-во АН УССР. 1962. Т. XVII. С. 3.

13. С п и р и д о н о в Н. П., К у ц ы г и н М. Д. // Прокатное производство. М.: Металлургия, 1969. Т. 29. С. 83-89.