CC BY
256
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 621.783.245:519.233.4:519.872
Девятченко Л.Д., Маяченко Е.П., Корнилов В.Л., Буданов А.П
ОЦЕНКА РЕСУРСОВ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ РУЛОНОВ ХОЛОДНОКАТАНОГО МЕТАЛЛА
Для отжига широкополосного металла после холодной прокатки в ЛПЦ-5 ОАО «ММК» используют печи с азотно-водородной защитной атмосферой (отечественного производства) и печи с водородной защитной атмосферой (фирма-производитель «Эбнер», Австрия). Печи с водородной защитной атмосферой применяют для отжига металла ответственного назначения, к которому предъявляют более высокие требования по качеству отделки поверхности, - металла первой группы отделки поверхности. В основном эти требования предъявляются к стали марок 08пс, 10, 15, 20, 08ю, 00б/Ш, 08ЮР, 09Г2. При отжиге этих марок стали в печах с азотно-водородной защитной атмосферой на поверхности холоднокатаных полос могут образовываться окислы кремния и марганца, выявляемые при контроле как цвета побежалости, что приводит к дополнительной отбраковке металла. Печи с водородной защитной атмосферой являются более перспективными по сравнению с печами с азотно-водородной защитной атмосферой, т.к. существенно улучшается качество поверхности полос, увеличивается коэффициент теплового отражения на 10-12%, а время термообработки сокращается с 125-130 до 50-65 ч [б].
Основные технико-экономические показатели отжига рулонов в колпаковых печах фирмы «Эбнер» (для условий: отжигаемая сталь 81-12, поперечное сечение полосы 0,5x1032 мм, число рулонов 5 шт., вес садки 110 т) приведены в табл. 1.
В таблице расжд энергетических и сырьевых ресурсов приведен для работы печи с номинальной загрузкой для определенной марки стали и геометрических параметров полосы.
В реальных условиях эксплуатации печей фирмы «Эбнер» в ОАО «ММК» при большом ассортименте марок стали и значительных вариациях геометрических параметров полос не всегда выдерживаются параметры номинальной загрузки, возможно изменение эффективности работы печи и, естественно, возникают вариации по технико-экономическим показателям, приведенным в табл. 1.
В ЛПЦ-5 ОАО «ММК» вес рулонов, отжигаемых в колпаковых печах, колеблется в пределах от 85 до 115 т, ширина рулона - от 1000 до 1930 мм. При этом 80°% металла для отжига в печах фирмы «Эбнер» поступает с реверсивного стана 1750 с шириной полосы
менее 1630 мм, а 20°% - с широкополосного стана 2500 с шириной 1680-1780 мм.
Следовательно, возникает необходимость в оценке ресурсов и разработке рекомендаций для более рационального использования этих печей в сложившихся условиях эксплуатации, тем более, что не всегда представляется возможность загрузить металл с температурой 120-130°С непосредственно после холодной прокатки. Вследствие чего металл успевает остыть и нужны дополнительные затраты топливных ресурсов для его нагрева.
Печь «Эбнер» [5] используется в двух режимах -нагрев и охлаждение, для каждого из режимов исполь-
Таблица1
Технико-экономические показатели отжига металла в печи фирмы «Эбнер»
№ п/п Энергоносители и сырье Общий расход Удельный расход Стоимость
1 Природный газ 1700 м3 15,48 м3/т 1728 руб./1000 м3
2 Г аз для «очист -ки» печи (азот) 193 м3 1,76 м3/т 987 руб./1000 м3
3 Защитный газ (водород) 305 м3 2,78 м3/т 12,54 руб./1000 м3
4 Электроэнергия, используемая двигателем стенда 1276 кВт 11,6 кВт/г 771 руб./1000 кВт
5 Электроэнергия, используемая двигателем для подачи воздуха к горелкам 510 кВт 4,63 кВт/г 771 руб./1000 кВт
6 Электроэнергия, используемая двигателями для подачи воздуха при охлаждении муфеля 180 кВт 1,64 кВт/г 771 руб./1000 кВт
7 Промышленная вода, используемая для охлаждения муфеля 35 м3 0,318 м3/т 401 руб./1000 м3
зуют соответствующие колпаки. Для 36 установленных стендов в цехе предусмотрено 24 нагревательных и 12 охлаждающих колпаков (так как время нагрева, выдержки и охлаждения под нагревательным колпаком в два раза может превышать время охлаждения садки рулонов под охлаждающим колпаком). Наиболее важным режимом с точки зрения расхода энергетических и сырьевых ресурсов является режим нагрева, поэтому на рис. 1 представлен поперечный разрез стенда только с нагревательным колпаком типа НЮО1\Г/Н2 [4]. При зональной температуре около 850°С обеспечивается температура отжигаемого металла до 650° С.
Конструкция данной печи позволяет использовать ее при производстве жшоднокатаного металла в ОАО ММК, где геометрические параметры рулонов соответствуют параметрам загрузки печи, а именно: внутренний диаметр рулона 610 мм, наружный диаметр рулона не более 2200 мм, причем высота стопы не должна превышать 6 м, включая конвекторные кольца с толщиной 60 мм. Объем печи позволяет загрузить в нее от трех до пяти рулонов жшоднокатаного металла с шириной полосы 1000-2350 мм, толщиной полосы 0,35-3,5 мм и массой рулона от 5 т до 35 т.
Термообработка металла в печах «Эбнер» предусматривает следующие технологические операции:
1. Нагрев и выдержка при максимальной температуре (около 650°С).
2. Охлаждение металла под колпаком с потушенными горелками (от 2 до 10 ч).
3. Снятие колпака нагрева и установка колпака охлаждения для охлаждения сначала возду -хом до 360-380° С, затем водой до 110-120° С.
В данном исследовании не ставилась задача корректировки режимов термообработки, такие режимы были разработаны (с учетом марки стали, веса садки и толщины полос) и успешно применяются для отжига металла в ЛПЦ-5 [5, 6]. Целью данной работы явилась
4*
& 10
Рис. 1. Схема стенда с нагревательным колпаком:
1 - корпус колпака; 2 - футеровка; 3 - муфель;
4 - садка; 5 - направляющая колонна; 6 - конвекторное кольцо; 7 - трубопроводы печи; 8 - стенд;
9 - вентилятор стенда; 10 - конвектор основания;
11 - рекуператор
статистическая оценка энергетических и сырьевых ресурсов, которые определяют рабочий цикл печи и, следовательно, выявляются при максимальном использовании возможностей печей. Эффективность использования всякой системы обычно выявляется с помощью учетной статистики, которая не может быть стабильной, всегда изменчива для стохастической системы, особенно в первые годы ее эксплуатации.
Статистика данных эксплуатации печей за 20072009 гг. представлена в табл. 2.
Сравнивая, например, вес садки, приведенный в технико-экономических показателях печей фирмы «Эбнер» (110 т), с реальными статистическими данными из табл. 2, видим «недозагрузку» около 10 тв каждом цикле отжига с продолжительностью около 50 ч, что, естественно, приводит к увеличению количества циклов (садок). Следовательно, «не до загрузка» печи по весу садки на 9% может лишь привести к увеличению на эту же долю (%) общих расходных показателей эффективности работы печи по сравнению с показателями при «номинальной» загрузке печи (см. табл. 1). Кроме того, имеются значительные резервы энергетических ресурсов при загрузке еще не остывшего металла сразу после жшодной прокатки. Однако нужно заметить, что нестабильность начальной температуры садки рулонного металла усложняет поиск оценки эффективности процесса отжига металла из-за нестабильности расхода природного газа в каждом цикле нагрева.
Для выявления «неиспользуемых» ресурсов и оценки их значимости был спланирован эксперимент в реальных производственных условиях с варьированием фактора «пустотности» (на трехуровнях расстояние от верхней плоскости стопы до ограничительной плоскости муфеля: 100, менее 300 и более 600 мм), фактора исходной температуры садки (на двух уровнях 10-40 и более 100°С) и фактора толщины полос отжигаемого металла (на двух уровнях 0,6-1,6 и 1,67-3,0 мм). Такой план полного факторного эксперимента предполагает 12 ячеек. Было проведено 36 опытов, т.е. по 3 опыта в каждой ячейке плана для оценки ошибки воспроизводимости. В каждом из опытов садка состояла из 4 рулонов жшоднокатаного металла соответствующих ширин и толщин, обеспечивающих построение плана трехфакторного эксперимента на перечисленных выше уровнях При проведении эксперимента использовался металл марки 08ю [7] по причине того, что его доля составляет
Таблица 2
Статистика данныхэксплуатации печей
за 2007-2009 гг.
Отжигаемый металл Годовое производство, т
2007 2008 2009
08пс, 10, 15, 20 222102 265737 243210
08ю, 006/1Р, 08ЮР 304756 228494 238679
09Г2 313 258 286
Всего 527171 494489 482175
Средний вес садки 100,9 100,4 100,8
Всего циклов 5220 4896 4789
более половины в металле, отжигаемом в водородной защитной среде. В качестве результативного признака в данном эксперименте было целесообразным использовать У - время (ч) нагрева и выдержки садки при максимальной температуре, а также дополнительный отклик X - время (ч) охлаждения.
План трехфакторного эксперимента (по нагреву -У, ч, по охлаждению - X, ч) с повторением откликов представлен в табл. 3.
Результаты эксперимента по откликам У и X обработаны в системе 8ТЛТ18Т1СЛ [2] и для отклика У приведены в табл. 4. Следует при этом отметить, что обработка данных эксперимента по отклику X не привела к каким-либо значимым результатам из-за большой ошибки данного отклика ех = 5,56, поэтому одномерный отклик X по охлаждению рулона не выявляет значимости интересующих нас факторов. Однако эксперимент с откликом X все же выявляет единственный линейный эффект - фактор толщины. При этом доля фактора толщины в эксперименте по охлаждению составляет 26,4% в общей сумме квадратов отклонений по всем линейным эффектам и эффектам взаимодействия. Здесь уместно заметить, что фактор толщины полос проявляется еще с большей силой в другом одномерном эксперименте (по нагреву) с откликом У.
В табл. 3 и 4: В - исждная температура садки, Е -фактор «пустотности», Т- фактор толщины полос, В*Е, Е*Т- соответствующие парные эффекты взаи-модействия, В*Е*Т- эффект взаимодействия второго порядка; эффект взаимодействия В*Т- статистически незначим и в таблице не представлен.
Суммарная доля статистически значимых эффектов, выявленных в результате эксперимента по нагреву (см. табл. 4), составляет 440,89 из общей суммы 502,89, т.е. 87,67%, в том числе 12,33% - доля неучтенных в эксперименте случайных возмущений (ошибка равна еУ = 2,58). Высокая степень детерминации процесса позволяет использовать результаты данного эксперимента для оценки эффективности работы печи в процессе отжига металла.
Примем за максимальную эффективность работы печи (минимальное время нагрева У1) при условии максимального уровня загрузки (минимальный уровень фактора «пустотности») и максимальной температуры загружаемого металла (до 120°С - сразу после жлод-ной прокатки) для усредненной толщины отжигаемого металла 1,67 мм. Тогда минимальная эффективность (максимальное время нагрева У2) будет получена при условии наибольшего значения «пустотности» и минимальной (10-40°С) температуры садки при той же толщине металла. Результаты эксперимента для указанных условий составляют в среднем У1=28,33 ч при ошибке
среднего Б(У1) = 0,42 и У2=32,33 ч при £^У21,60
соответственно.
Заметим, что снижению эффективности работы колпаковых печей при «неблагоприятных» уровнях исследуемых факторов сопутствует рост ошибки средних (почти в четыре раза) для соответствующих условных
откликов У\ и У2. Следовательно, как излишняя «пус-тотность», так и чрезмерное охлаждение рулонов после жлодной прокатки существенно влияет на устойчивость временных параметров отжига металла в колпаковых печах Особо следует обратить внимание на фактор толщины полос рулэнного металла. Его линейное влияние на параметры отжига превалирует над всеми другими линейными эффектами и их взаимодействиями. Это значит, что «корректирующее» влияние фактора толщины является весьма существенным при оценке влияния фактора «пустотности» печи и начальной температуры садки рулонов на эффективность использования колпа-ковой печи. Насколько усложняется оценка эффективности процесса отжига металла в зависимости от его толщины из-за возникающих эффектов взаимодействия, включая взаимодействие второго порядка (тройное взаимодействие факторов), можно представить, анализируя соответствующие графики. Например, на рис. 2 дана графическая интерпретация наиболее сложного -тройного взаимодействия B*E*T. При этом напомним, что парное взаимодействие факторов имеет классическую интерпретацию: эффект одного фактора зависит от уровня, на котором находится другой фактор.
На рис. 2 обозначено: результативный признак - нагрев (Heat); факторные признаки - толщина (Thicklev), начальная температура (Begin), «пустотность» (Empty).
Таблица 3
План трехфакторного эксперимента с откликами в ячейках плана Y, ч, и (X), ч
Уровни факторов E1 E2 E3
T1 T2 T1 T2 T1 T2
B1 36 (23) 30 (20) 38 (27) 34 (24) 37 (22) 27 (19)
36 (26) 30 (21) 35 (21) 28 (23) 36 (27) 30 (21)
34 (27) 30 (24) 34 (24) 29 (18) 34 (26) 30 (21)
B2 29 (20) 27 (19) 32 (27) 26 (18) 37 (24) 27 (23)
28 (19) 28 (25) 36 (25) 29 (20) 37 (22) 27 (20)
30 (25) 28 (22) 35 (23) 27 (21) 36 (21) 29 (21)
Таблица 4
Трехфакторный дисперсионный анализ (одномерный) по Y
Обозна- чение эффекта Сумма квадэагов отклонена Число степеней свободы Средне- квадра- тическое отклоне- ние Кригерж Фишера Уровень значимо- сти
B 44,44 1 44,44 17,20 0,000362
E 20,72 2 10,36 4,01 0,031422
T 300,44 1 300,44 116,30 0,000000
B*E 26,06 2 13,03 5,04 0,014846
E*T 31,06 2 15,53 6,01 0,007652
B*E*T 18,17 2 9,08 3,52 0,045790
Error 62,00 24 2,58 - -
Total 502,89 34 - - -
Очевидно, что время нагрева больше, когда загружен холодный металл (В1). Время нагрева толстого металла существенно меньше, чем тонкого. Заметим, что большой уровень «пустотности» (Е3) сглаживает действие эффекта начальной температуры, который заметно проявляется для тонкого металла.
На завершающей стадии исследования было выполнено моделирование процесса отжига металла на основе теории массового обслуживания [1]. Моделирование выполнено в предположение простейшего потока событий с параметром интенсивности процесса на вж-де Х = 0,3014 и несколькими выходными параметрами д обоснования которых приведено ниже.
Параметр X соответствует среднестатистическим данным за 2007-2008 гг. и эксперименту по отжигу стали 08Ю, объем которой за наблюдаемый период составлял 52,2% в среднегодовом объеме отжигаемой стали особого назначения за наблюдаемый период.
Тогда Х = 2640,3 = 0,3014 садок/ч , где 2640,3 -365•24
среднее число циклов (садок) печи для стали 08Ю, определяемое как доля (0,522) от среднегодового количества циклов (5058) для металла особого назначения отжигаемого в колпаковых печах типа Н1СОК/Н2 (см. табл. 2). Очевидно, что для годовой реализации числа садок 2640 для отжига стали 08Ю необходимо около 19 стендов из имеющихся 36. Тогда среднегодовая интенсивность процесса на выходе системы термообработки стали 08Ю будет определено как
ц = г-; =(54 )_1 = 0,0185,
где гц - время обработки одной садки (время цикла), определяемое по статистическим данным трехфакторного эксперимента (см. табл. 3).
гц = у + X = 31,55 + 22,46 « 54 ч,
где У и X - соответственно среднее время нагрева и охлаждения садки.
Заметим, что общая интенсивность выхода данной системы
/и0 = ц-п = 0,0185 -19 = 0,3515 >А = 0,3014,
следовательно, система обслуживания будет функционировать устойчиво (выполнено условие X < ^0). В среднем будет около 4 заявок в очереди на обслуживание, а для занятой системы около 8, загруженность системы 88,55%, т.е. это реальные среднегодовые характеристики эксплуатируемой системы для стали 08 Ю.
Для выявления эффективности функционирования данной системы массового обслуживания (СМО) при условиях «благоприятных» в точке плана (82,Е1) и «неблагоприятных» в (В 1,Е3) были определены соответствующие интенсивности выхода на основе данных трехфакгорного плана (см. табл. 3), исходя из средней продолжительности процесса термообработки для названных условий плана.
Для максимальной эффективности системы интенсивность
д =У + X1 =(28,33 + 21,67)_1 =
= ( 50)^ = 0,02.
Для минимальной эффективности системы интенсивность
¡и2 ={у 2 + X 2 = (32,33 + 22,66)-1 *
« ( 55)-1 « 0,0182.
Результаты моделирования системы термообработки металла при заданных параметрах вжда X и выждов /л, /и1, /л2 приведены в табл. 5.
В табл. 5 характеристики СМО обозначены:
V- полная загруженность системы;
Ь - среднее число заявок в системе;
Lq - среднее число заявок в очереди;
ЬЬ - среднее число заявок в очереди для занятой системы;
№ - среднее время пребывания заявки в системе;
Begin*EmptÿThickley LS Means Current effect: F(2, 24)=3,5161, p=,04579 Effective hypothesis decompostion Vertical bars denote 0,95 confidence intervas
Thicklev: T1 Thicklev: T2
Рис. 2. Эффект взаимодействия факгоратолщины металла Тсо взаимодействием факторов B*E
Таблица 5
Расчетные характеристики работы СМО для максимальной и минимальной эффективности процесса
Интенсивность д садки/ч
0,0182 0,0185 0,0200
V 90,01% 88,55% 83,15%
L 23,78 22,37 19,05
Lq 4,88 3,78 1,59
Lb 9,01 7,73 4,94
W 69,13 ч 65,04 ч 55,39 ч
Wq 14,18 ч 10,99 ч 4,62 ч
Wb 26,18 ч 22,47 ч 14,35 ч
Po 0% 0% 0%
Pb 54,18% 48,88% 32,25%
Wq - среднее время ожидания в очереди;
№Ь - среднее время ожидания в очереди для занятой системы;
Ро - вероятность того, что все каналы свободны;
РЬ - вероятность того, что все каналы заняты.
Анализ характеристик СМО, представленных в табл. 5 подтверждает полученные ранее выводы по трехфакгорному эксперименту, что факторы «пустот-ности» печи и начальной температуры рулонов являются резервными факторами, с помощью которых можно повысить эффективность работы колпаковыхпечей.
При заданной интенсивности поступления металла на термообработку (А = 0,3014) формирование стопы рулонов с максимальной после прокатки начальной температурой (120°С), максимально заполняющих по высоте пространство муфеля (минимальная «пустот-ность» до 100 мм), снижает загруженность системы с 88,55% в реальном среднегодовом режиме до 83,15% в благоприятном режиме, т.е. создается ресурс для повышения эффективности работы колпаковой печи на 5,4%. Кроме того, улучшаются все характеристики СМО: система работает практически без очередей (Lq = 1,59) и даже в экстремальных условиях, когда все каналы (стенды) заняты (вероятность этого события (РЬ) снижается с 48,88 до 32,25%), среднее число заявок в системе не может превышать 5.
Для неблагоприятного режима (стопа охлажденных после прокатки рулонов с минимальной температурой и максимальной до 600 мм «пустотностью» по высоте) загруженность системы возрастает с 88,55 до 90,01% и ухудшаются все эксплуатационные характеристики СМО.
Список литературы
1. Андросенко О.С., Девягченко Л.Д., Маяченко Е.П. Постановка и решение задач систем массового обслуживания в программе ШтОБВ: метод. указ. Магнитогорск: ГОУВПО «МГТУ», 2010. 51 с.
2. Боровиков В.П. БТАИБИОД. Искусство анализа данных на ком -пьюгере. Для профессионалов. 2 изд. СПб.: Питер, 2003. 688 с.
3. Джонсон Н., ЛионФ. Статистика и планирование эксперимента в науке и технике. Методы планирования эксперимента / пер. с англ. под род. Э.КЛецкого, Е.В.Марковой. М.: Мир, 1981. 516 с.
4. Кузнецов Н.А. Отжигательная печь коппакового типа HICON // Новости черной металлургии за рубежом / Ин-т «Черметинформация». 2008. Вып. 4. С. 71.
5. МаловаН.И. и др. Опыт освоения коппаковых водородных печей в ОАО «ММК»// Совершенсгвованиетехнспоти в ОАО «ММК»: сб. тр. Центральной лаборатории контроля ОАО «ММК». Магни-тогорск 2006. Вып. 10. С. 303-306.
6. СимененкоО.В. Улучшение качества отжига холоднокатаного рулонного проката в среде сухого водорода // Сталь. 2008. № 10. С. 47-49.
7. Тахаутдинов Р.С. и др. Опробование отжига широкополосной стали 08Ю в водородной колпаковой печи (ОАО «ММК») // Сталь. 2006. № 3. С .77-78.
Bibliography
1. Androsenko O.S., Devjatchenko L.D., Majachenko E.P. Statement and the decision of tasks of systems of mass service in program WinQSB // Methodical instructions. Magnitogorsk: State Educational instition of Higher Professional Education «MSTU», 2010. 51 p.
2. Borovikov V.P. STFTISTICA. Art of the analysis of data on a computer. For professionals. The 2-th edition. SPb.: Peter, 2003. 688 p.
3. Johnson N, Lyons F. Statistiks and planning of experiment in a science and technics. Methods of planning of experiment. Translation from English edited by E.K.Letski, E.V.Markova. M.: the World, 1981, 516 p.
4. Kuznecov N.A. Single-steck furnace type HICON // News of ferrous metallurgy / Publication «Chrmetinfopmation». 2008. Part 4. P. 71.
5. Malova N.I., etc. Experience of development dri-hydrogen furnaces in Open Society « Magnitogorsk Iron & Steel Works» // Perfection of technology in Open Society « Magnitogorsk Iron & Steel Works» Publication the central laboratory of the control of Open Society «Magnitogorsk Iron & Steel Works». Magnitogorsk, 2006. Part 10. P. 303-306.
6. Simenenko O.V. Improvement of quality annealing cold-rolled rolls hire in the environment dry-hydrogen / Steel, 2008. № 10. P. 47-49.
7. Tahautdinov R.S., etc. Approbation отжита broadband steel 08YU in dri-hydrogen single-steck furnaces (Open Society « Magnitogorsk Iron & Steel Works») // Steel. 2006. № 3. P. 77-78.
УДК 621.785.52
Романенко Д.Н., Гадалов В.Н., Рагулина Л.Г., Трепаков A.B., Ляхов A.B.
НИТРОЦЕМЕНГАЦИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ В ПАСТООБРАЗНОМ
КАРБЮРИЗАТОРЕ С НАГРЕВОМ В ВАННАХ
В по еле дние год^і в м ашино стр о ении з ам етно возрос интерес к использованию соляных ванн при р азлич ны х о пер ациях тер м ич ес ко й и хим ико -термической обработки металлов, так как они обладают целым рядом положительных качеств. Преимущество соляных ванн перед всеми другими нагревательными устройствами проявляется в быстрой и равномерной передаче тепла нагреваемому изделию, в возможности точного регулирования температуры и
НЕЙТРАЛЬНЫХ СОЛЯНЫХ
высокой экономичности. Кроме того, расплавленные соли хорошо защищают стальные поверхности от окисления и других вредных воздействий. Особый интерес представляет использование соляных ванн для совместного насыщения поверхностей деталей азотом и углеродом. За рубежом этот процесс широко используется в автомобилестроении, судостроении и других отраслях техники под названием Тенифер-процесс (ТешГег-Т^йпёе) [1].
