CC BY
37
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006р. Вип. №16
УДК 681.5.08
Зайцев B.C.1, Тютюник E.H.2
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ НЕПРЕРЫВНЫХ СТАНОВ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ
Рассмотрены причины обрывов полос металла по сварным соединениям на непрерывных станах холодной прокатки и способы стабилизации процесса прокатки участков таких полос.
На непрерывных станах холодной прокатки (НСХП) холоднокатаный металл получают главным образом прокаткой полос в рулонах, которые, в свою очередь, состоят из полос меньшей массы, соединенных между собой сваркой на непрерывно-травильных агрегатах. При поступлении сварного стыка в очаг деформации в прокатываемой полосе возникают динамические рывки натяжения, вызванные разнотолщинностью и разноширинностью стыкуемых полос, различием механических свойств полос и собственно сварного шва, которые могут привести к обрыву полосы по шву. Обрывы полосы приводят к увеличению расхода валков, количества и продолжительности простоев станов, ухудшению качества продукции.
Анализ работы НСХП 1700 показал, что текущие простои стана достигают 20 % номинального времени, 15 % из которых связаны с неплановой перевалкой рабочих валков и с аварийными простоями, обусловленными обрывами полосы металла по шву. На некоторых предприятиях простои станов, связанные с обрывом полосы металла по шву, достигают 40 % текущих простоев [1]. При этом следует заметить, что скрытые простои стана за продолжительный промежуток времени достигают величины фиксируемых простоев, что значительно увеличивают вышеуказанный процент [2].
В настоящее время участки полос со сварными соединениями для уменьшения вероятности обрыва полосы по сварному шву прокатывают на пониженной скорости, что приводит к снижению производительности НСХП. Так, снижение скорости прокатки полос толщиной 1,0 мм на участках сварных швов с 12 до 2 м/с на четырехклетевом стане 1700 приводит к потере производительности на 10 — 12 %.. При прокатке более толстых полос снижение производительности еще более значительное [3].
Целью настоящей статьи является решение проблемы повышения стабильности процесса прокатки полос со сварными соединениями. Уменьшение количества обрывов полос по шву и увеличение производительности НСХП определяется выбором рациональных скоростных режимов и режимов обжатий и натяжений при прокатке состыкованных полос.
При выборе распределения обжатий по клетям непрерывного стана необходимо учитывать следующие обстоятельства. Во-первых, с увеличением относительного обжатия в клети динамические рывки натяжения полосы при прокатке сварного шва уменьшаются. В этой связи целесообразно применять повышенные обжатия (более 25 — 30 %) в последних клетях стана, где динамические нагрузки в полосе максимальные. Во-вторых, при прокатке полос со сварными швами низкого качества либо имеющими пониженное по сравнению с основным металлом сопротивление деформации, представляется целесообразным в 1-й клети стана применять повышенные обжатия (30 — 40 %). При таком обжатии металла и высоком коэффициенте трения, характерном для 1-й клети стана, в сварном стыке возникают значительные сдвиговые деформации. При недостаточной прочности сварного соединения это приведет к разрушению шва в первом межклетевом промежутке. Последствия порыва сварного шва после 1-й клети из-за малой скорости прокатки не столь тяжелы, как последствия порывов в последних межклетевых промежутках, где из-за относительно высокой скорости прокатки
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ОАО «ММК им. Ильича», инж.
возможно повреждение валков, а полоса менее устойчива при заправке в клеть, что, в конечном итоге, увеличивает продолжительность простоев и снижает производительность стана.
При прокатке сварных стыков обжатие металла на участке шва часто уменьшается по сравнению с деформацией основного металла, что обусловлено тем, что при поступлении в очаг деформации утолщенного и упрочненного металла шва возрастает усилие прокатки. Как известно, толщина полосы на выходе из очага деформации определяется предварительно установленным раствором валков усилием прокатки Р и модулем жесткости клети с:
При постоянной жесткости клети возрастает толщина полос на выходе из очага деформации. Зависимость изменения раствора валков от усилия прокатки Р называют уравнением упругой деформации клети, которое в общем виде записывают в виде Р = с ( Б — Б о), где — текущий раствор валков. Чтобы компенсировать увеличение раствора валков, и, как следствие, уменьшение обжатия и рост толщины металла на выходе шва из очага деформации, необходимо перед входом шва в клеть принудительно уменьшать раствор валков на величину А51, пропорциональную возрастанию усилия прокатки. Стабилизация обжатия устраняет падение скорости полосы в момент прокатки шва, предотвращает рывок натяжения между данной и последующей по ходу прокатки клетями. При этом устраняются существенные предпосылки для разрыва полосы по шву.
Нажимные винты клети, в которую входит сварной шов, следует опускать на такую величину А51, чтобы выполнялось условие \Л' = АРш/с, где АРш — приращение усилия прокатки в момент прохождения сварного шва через очаг деформации. В этом случае раствор валков клети при прохождении через нее сварного шва равняется
где к 1 — толщина полосы, выходящей из валков, мм;
Рш — давление металла на валки (усилие прокатки) при прокатке шва, кН.
Скачкообразное приращение усилия при прокатке сварных стыков может быть уменьшено, если синхронно с входом шва в очаг деформации на время его обжатия в клети осуществлять рассогласование окружных скоростей рабочих валков последовательно во всех клетях, начиная с 1-й. При этом величину рассогласования скоростей рабочих валков первой клети целесообразно изменять обратно пропорционально исходной толщине полосы перед прокаткой, а величины рассогласования скоростей рабочих валков каждой последующей клети следует уменьшать на величину, пропорциональную обжатию в предыдущей клети.
При рассогласовании окружных скоростей верхнего и нижнего рабочих валков в момент прохождения сварного шва через очаг деформации процесс прокатки становится несимметричным. Несимметричный процесс прокатки, как известно, характеризуется более высоким коэффициентом полезного действия по сравнению с симметричным. Вследствие различия скоростей верхнего и нижнего валков контактные силы трения имеют противоположные направления, и их влияние на напряженное состояние металла в зоне деформации изменяется. Выше указывалось, что чем тоньше полоса, тем больше скачок давления при прокатке шва. Поэтому величину рассогласования скоростей следует принимать, обратно пропорциональной толщине полосы перед прокаткой.
С увеличением обжатия уменьшается различие в механических свойствах металла шва и полосы, а при прокатке на современных станах с жесткими клетями уменьшается также разнотолщинность шва и основной части полосы. В связи со снижением влияния данных факторов технологии на условия прокатки шва относительная величина скачка давления уменьшается с увеличением обжатия металла шва в предыдущих клетях. Следовательно, уровень рассогласования скоростей рабочих валков каждой последующей клети необходимо уменьшать на величину, пропорциональную обжатию в предыдущей клети.
Усилие прокатки снижается в зависимости от величины рассогласования скоростей рабочих валков, т.е. отношения V/ К? где V/ — окружная скорость верхнего валка, а У2 — нижнего. Диапазон изменения величины ограничен условием
к = 80 + (Р/с)
(1)
А51 = к 1~(Рш/с),
(2)
К >Х,
(3)
где X И,, И/ — вытяжка полосы,
ка ~ толщина полосы перед входом в клеть;
Л; — толщина полосы на выходе из клети.
При выполнении левой части неравенства достигается собственно процесс рассогласования скоростей валков. При выполнении правой части неравенства исключается буксование ведущего валка VI по металлу.
Важнейшим фактором, влияющим на стабильность процесса непрерывной прокатки, является величина межклетевого натяжения полосы. Холодная прокатка полос на непрерывных станах становится устойчивой при удельных межклетевых натяжениях, равных 15 % — 20 % предела текучести прокатываемого металла. Чем выше межклетевые натяжения, тем более устойчив в динамическом отношении процесс прокатки. Однако при увеличении натяжения до 30 % — 40 % предела текучести прокатываемого металла растягивающие напряжения в сварном шве могут достичь предельных значений, что приведет к его порыву. В этой связи прокатку сваренных встык полос целесообразно осуществлять при нижнем уровне межклетевых натяжений.
Выбор скорости прокатки полос на участках сварных швов необходимо осуществлять с учетом следующих особенностей. Во-первых, при прокатке сварных швов со скоростью не ниже 8 — 10 м/с уменьшаются отклонения параметров процесса прокатки, в том числе и натяжения полосы, связанные с влиянием скорости на коэффициент трения в очаге деформации. Снижение скорости прокатки сварных швов до заправочной приводит к увеличению натяжения полосы в межклетевом промежутке в 1,5 — 2,0 раза и росту числа порывов сварных швов [3]. Во-вторых, наибольшие рывки натяжения полосы при прохождении сварного стыка по клетям стана происходят в диапазоне скоростей 4—10 м/с. При этом возникают резонансные явления колебательного процесса в электромеханической системе привод — клеть — полоса, вызванные тем, что время нагружения прокатной клети становится соизмеримым с полупериодом собственных колебаний валкового узла. Амплитуда колебаний параметров процесса прокатки в таких условиях резко возрастает [1].
В системе управления скоростными режимами прокатки рекомендуется использовать метод определения текущего значения скорости проката, основанный на определении текущего значения радиуса рулона [ 6].
Анализ совместного влияния перечисленных факторов приводит к выводу о том, что участки полос со сварными швами целесообразно прокатывать со скоростью, превышающей 10 м/с. При этом, выбирая оптимальную скорость прокатки участков полос со сварными стыками, необходимо учитывать качество сварных швов. Если сварные швы характеризуются большим коэффициентом дефектности, прокатка их с указанными высокими скоростями нецелесообразна, так как порывы полос со сварными швами будут вести к авариям и значительным простоям стана. Прокатка сварных стыков при рабочих скоростях целесообразна для того сортамента полос, для которого при обычной технологии прокатки (с замедлением скорости на участках сварных швов) достигнут уровень нормальной прокатки полос не менее 98 %.
Для исключения скачка натяжения при прокатке полос с замедлением скорости на участках сварных стыков предлагается торможение осуществлять до входа шва в прокатную клеть, а шов пропускать через очаг деформации в процессе разгона стана до установившейся скорости [4, 5]. В этом случае в момент прохождения шва через клеть валкам придается ускорение импульсным увеличением тока двигателей. При этом необходимо соблюдать условие
г
\(У1 + 1 -У0Л=0, (4)
0
где t - время прохождения сварного стыка через очаг деформации, с;
У)+1~ скорость входа металла в следующую по ходу прокатки клеть, м/с;
Vi = V (1+ Sj) - скорость выхода металла из данной клети, м/с (i - номер клети, в которую входит шов; s, - опережение в i-й клети; V— окружная скорость валков i-й клети, м/с).
Чтобы натяжение полосы во всех предыдущих по ходу прокатки межклетевых промежутках не изменялось при прокатке на непрерывных станах, скорости соответствующих клетей можно синхронно повысить на одну и ту же относительную величину, т.е. при входе шва, например, во 2-ю клеть ускорение можно сообщать валкам 2-й и 1-й клети, при входе шва в 3-ю клеть - валкам 3-й, 2-й и 1-й клетей и т.д.
Результаты исследований, которые были проведены в Институте черной металлургии, на Карагандинском и Магнитогорском металлургических комбинатах, показывают, что при принятии вышеуказанных мероприятий, можно существенно стабилизировать процесс прокатки участков полос со сварными швами.
Естественно, устранить текущие простои, связанные с обрывом полосы по сварному шву, полностью невозможно, однако именно здесь имеются наибольшие резервы повышения производительности, реализация которых не требует значительных капитальных вложений. Так, на НСХП 1700 увеличение проходимости швов на 1 %, снижает простои стана на 4 %, что дополнительно приносит предприятию прибыль около 2 млн. грн. в год (по данным за 2004 г.). К тому же повышение скорости прокатки участков полос со сварными швами позволит существенно увеличить часовую производительность прокатного стана.
Перспектива дальнейших исследований связана с разработкой автоматизированной системы прокатки сварных соединений, позволяющей реализовать рассмотренные способы стабилизации процесса прокатки участков полос со сварными соединениями.
Выводы
Для повышения стабильности процесса прокатки участков полос со сварными соединениями, уменьшения количества обрывов полосы по шву и снижения их последствий необходимо:
1) применять повышенные обжатия в последней либо в первой клети НСХП, в зависимости от качества сварного соединения;
2) при входе шва в очаг деформации увеличивать обжатие в клети, а также осуществлять рассогласование окружных скоростей рабочих валков последовательно во всех клетях;
3) вести прокатку сварных соединений на рабочей скорости для того сортамента полос, для которого при прокатке с замедлением достигнут уровень проходимости швов не менее 98 %;
4) для полос, прокатываемых с замедлением, шов пропускать через очаг деформации в процессе разгона клети.
Перечень ссылок
1. Прокатка металла со сварными соединениями / В..Л.Мазур, В.И.Мелешко, Д.П. Галкин и dp . - М.: Металлургия, 1985. - 112 с.
2. Сеец В.Е. Пути сокращения простоев прокатных станов / В.Е Сеец., А.И.Попов . - К.: Техшка , 1969. - 162 с.
3. Кабанов П. С. Прокатка полос, сваренных встык оплавлением без снижения скорости / Н.С Кабанов, В.А.Павлютин, В.В.Кашинцев II Сталь. - 1969. - №11. - С. 1009.
4. Влияние перепада скорости прокатки на динамику изменения параметров процесса при пропуске сварных соединений / П.П. Калашников, П.И. Полухин, B.C. Поляшов и dp. II Известия вузов. Черная металлургия. - 1970. - №9. - С. 104 - 108.
5. A.c. 667263 (СССР), МКИ В 21 С 47 / 00 . Способ прокатки полос
6. Пат. Украши № 7475, МКИ В 21 В38 / 00. Cnoci6 ви\пру швидкосп руху штаби металу, яка намотуеться у рулон (розмотуеться з рулону).
Статья поступила 09.02.2006
