CC BY
15В.Ю.Рубцов, В.В.Тютерев, О.В.Килишевский, Д.Е.Кавун
АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат»
УСЛОВИЯ ПРОКАТКИ В ОБЖИМНОЙ КЛЕТИ С ИНДИВИДУАЛЬНЫМИ ПРИВОДАМИ ВАЛКОВ
Аннотация. В цехе прокатки широкополочных балок обжимная клеть оснащена индивидуальными приводами на каждый валок. Данная особенность представляет собой преимущество при освоении новых профилей с изменением контактного давления от верхнего или нижнего валка и смещением нейтральной линии, без проведения перекалибровки. Однако при появлении проходов, сопровождающихся повышенными нагрузками, которые превышают допустимый ток двигателя, происходит рассогласование скоростей верхнего и нижнего валков. Рассмотрены характеристики рассогласования скоростей при прокатке на обжимной клети шпунта Ларсена.
Ключевые слова: цех прокатки широкополочных балок, валок, обжимная клеть, шпунт Ларсена, синхронизация скоростей, ЭДС, ток якоря, ток первичной обмотки.
Цех прокатки широкополочных балок (ЦПШБ) АО «ЕВРАЗ НТМК», который был запущен в эксплуатацию в 1978 году имеет множество уникальных особенностей, которые существенного отличают его от прочих прокатных цехов в том числе от ведущих мировых лидеров в производстве двутавров. Первоначально цех предполагалось возводить с целью массового производства горячекатаных двутавров, которые в силу своих качественных характеристик в большей степени заменят железобетонные и охватят всю строительную сферу экономики СССР в области производства двутавров [1]. Кроме прямых выгод, связанных с выпуском экономичных двутавровых балок, себестоимость которых в отличие от сварных снизилась примерно на 60%. [2, 3].
Одной из особенностей запущенного в эксплуатацию стана было использование индивидуальных приводов на валки обжимной реверсивной клети дуо 1300. Максимальный диаметр валков данной клети составляет 1700 мм, длина бочки валка 2800 мм. Мощность электродвигателя привода валка по паспорту составляет 5250 кВт [1, 4]. Первоначально подразумевалось использование на данной клети открытых калибров, с нейтральной линией прокатки по центру разъема каждого калибра, что давало возможность получения приблизительно одинаковых условий нагрузки как верхнего, так и нижнего валка, однако данная технология прокатки и калибровки валков в реальных условиях эксплуатации не прижилась [5, 6]. Преимущество использования закрытых балочных калибров были выявлены и доказаны специалистами НТМК. Однако переход на закрытые калибры подразумевал разницу как по моментам, создаваемым на валки так и по точечным скоростям на поверхности ручья верхнего и нижнего валка. Парадокс в том, что использование индивидуальных приводов на каждый валок превратился в преимущество. Рассогласование скоростей верхнего и нижнего валков поспособствовало получению эффекта «лыжеобразования» и «антилыжеобразования» для регулирования выхода полосы из валков обжимной клети. Другими словами, в процессе освоения нового профиля, при изменении контактного давления от верхнего или нижнего валка, для получения необходимого эффекта можно было не производить перекалибровку валков со смещением нейтральной линии, а поменять скоростной режим работы валков с установкой опережения скоростей. Применение данной технологии позволило ускорить процесс освоения профилей, в отношении проведения корректировок на обжимной клети, связанных со смещением нейтральной линии калибров, в связи с чем на стане ежегодно происходит освоение до 20 профилеразмеров двутавров по различным стандартам [7].
В период 90-х годов, когда спрос на двутавры существенно снизился, в качестве выхода из кризисной ситуации пришлось расширять сортамент производимых профилей. Основным сортаментом цеха стал полуфабрикат в виде круглой и квадратной заготовки, однако данный продукт имеет низкий маржинальный доход, поэтому ЦПШБ решил взять на себя обязательство освоения такого профиля, как шпунт Ларсена Л5-УМ. Особенностью освоения данного
профиля послужило то, что в отличие от аналогов, в том числе и мирового производителя Шпунта компании Агсе1огМШа1 в условиях ЦПШБ, особенность компоновки клетей с применением 2-х валковых калибров не позволяет прокатывать его более чем в 9 калибрах за 12 пропусков [4]. Кроме высоких степеней обжатия длина бочки валков обжимной клети не позволяет использовать, схему калибров с развернутыми полками и перегибом в стенке (рис. 1а), это также усугубляет процесс прокатки, создавая защемление вдоль стенки шпунта (рис. 1б), что приводит к появлению высоких тангенциальных нагрузок при обжатии полок и как следствие к росту усилия прокатки. Уклоны полок по представленной калибровке в черновых калибрах 27%, что представляет собой малый угол защемления [8].
Рис. 1. Схема прокатки: а) Лгее1огМта1; б) АО «ЕВРАЗ НТМК»
При освоении двутавровых профилей применение закрытых калибров существенно не повлияло на моментные характеристики стана 1300, но при прокатке шпунта Ларсена Л5УМ возникают моменты, превышающие номинальные характеристики двигателя. В данном случае использование индивидуальных приводов создаёт ряд дополнительных проблем. Для определения оптимальных решений рассмотрим детально процесс прокатки шпунта в клети 1300. Технологическая схема прокатки изображена на рис. 2. Прокатка производится за 7 проходов с использованием 4-х фасонных калибров. Нагрузки, в виде тока якоря, снятые с прокатки 3 -х заготовок изображены на рис 3.
Исходя из рис. 3, учитывая, что момент прямо пропорционален току, возникающему на якоре электродвигателя, можно судить, что нагрузки от нижнего валка при малых значениях идентичны нагрузкам от верхнего валка. При максимальных значениях моментов нагрузки на нижнем валке существенно превышают нагрузки верхнего вала, особенно в проходах 2-го калибра (3-5 проходы), из-за разницы тангенциальных усилий, создаваемых со стороны полок. Мощность электродвигателя постоянного тока по паспорту составляет Р = 5250 кВт.
Рис. 2. Схема прокатки шпунта Л5УМ в обжимной клети 1300
При этом с возбуждающим ЭДС £макс = 750 В при частоте вращения пмакс = 100 об/мин, ток составляет I = 7470 А, соответственно теоретическая мощность двигателя составит:
Ррач = I-е = 5602,5 кВт. (1)
Согласно вольтамперной характеристике (ВАХ) превышение номинальных значений тока приведёт к просадке напряжения. Зависимость падения напряжения от превышения тока (нагрузки) имеет линейный характер. При просадке ЭДС происходит падение угловой скорости вращения якоря двигателя, соответственно снижение частоты вращения валка, что может привести к пробуксовке полосы в процессе прокатки. В связи с этим применяется пониженная частота вращения валков при работе стана. Для расчета коэффициента синхронизации @ необходимо определить коэффициент перегрузки к. Коэффициент перегрузки определим из разницы пиковых токов 1факт, снятых с осциллограмм (рис. 3) и допустимого тока двигателя
Iрасч для каждого прохода и каждого валка. Также из разницы коэффициентов перегрузки
определим коэффициенты синхронизации для каждого прохода.
Р = Кы/Кы .
1расч Ррасч !^расч '
(2) (3)
Результаты представлены в табл. 1. Частота вращения валков была взята из существующей технологической схемы прокатки.
Рис. 3. Ток якоря при прокатке 3-х заготовок по 7 пропусков в клети 1300: 1М, кА (синим цветом) - ток двигателя нижнего валка; 2М, кА (красным цветом) - ток двигателя верхнего валка
Таблица 1
Параметры синхронизации
Номер прохода I II III IV V VI VII
Нижний вал 1М Пфакт , об/мин 30 75 30 40 30 75 75
£ , В расч ' 225 562,5 225 300 225 562,5 562,5
1 расч , кА 15,0 9,96 15,0 15,0 15,0 9,96 9,96
^факт , кА 11,0 7,0 15,5 14,0 13,0 11,0 6,0
к 1,0 1,0 1,033 1,0 1,0 1,104 1,0
Верхний вал 2М Пфат , об/мин 30 70 40 50 40 60 75
£ , В расч ' 225 525 300 375 300 450 562,5
1 расч , кА 15,0 10,67 15,0 14,94 15,0 12,45 9,96
^факт , кА 12,0 5,0 12,5 8,0 7,0 11,0 9,0
к 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
Р 1,0 1,0 1,033 1,0 1,0 1,104 1,0
По условиям эксплуатации электродвигателя и силовой линии I не должно превышать 15 кА, превышение данного значения тока, из-за сопротивления первичной обмотки также приведет к просадке напряжения и падению скорости не зависимо от расчетного значения.
е_. = е„_ п, п
!Пмакс . (4)
— О 11л. III
расч макс факт / макс
к ^факт I^расч . (5)
Исходя из табл. 1 видно, что просадка скоростей, при текущей схеме прокатки возможна в 3-м проходе с коэффициентом синхронизации ( = 1,033 - это означает, что нижний вал при превышении максимально-допустимого тока 15 А, начнет замедляться из-за сопротивления первичной обмотки, которая ограничена данной пропускной способностью тока. В случае уменьшения частоты оборотов вращения валка и соответственно падения ЭДС, произойдет еще более интенсивный рост тока в первичной обмотке - это означает, что в данном проходе стан работает на пределе мощности двигателя нижнего валка. Однако рассинхрониза-ция, в данном конкретном случае в 3,3% нижнего валка, относительно верхнего не даст существенной просадки в скорости, поэтому данную технологию возможно оставить без изменений. В 6-м проходе наблюдается наиболее высокое рассогласование скоростей в 10,4%, данное рассогласование уже может привести к существенному нарушению скоростного режима и пробуксовке верхнего валка, где будет происходить просадка. В данном случае решение проблемы возможно путем снижения скорости вращения валков, что приведет к повышению допустимого тока на якоре I и как следствие отсутствию просадки по ЭДС и исключению замедления валка.
Для подробного изучения коэффициента пульсаций скоростей Апп, который возникает при динамических нагрузках, рассмотрим детально зависимость Пфакт от ^акт (тока якоря обмотки) на верхнем и нижнем валке на примере 5-го прохода (рис. 4), где наблюдается максимальная разница в ^акт .
Судя по рис. 4 разница в силовых характеристиках при прокатке заготовки для шпунта Л5УМ в 5-м проходе клети 1300 от верхнего и нижнего вала существенно различаются, причем на 43-й секунде максимальное различие между токами составляет 8 кА, где для нижнего валка ^акт = 12 кА, а для верхнего валка ^акт = 4 кА. Также, как и по табл. 1, рассогласование скоростей не наблюдается, т.к. при используемой частоте вращения допустимый ток на обоих валках составляет I =15 кА. Скорость на нижнем валке ниже чем на верхнем,
площадь контакта верхнего валка с металлом больше, чем площадь контакта нижнего валка, но при этом усилие на нем значительно выше за счет защемления в ручье, как было описано ранее (рис. 1). Динамические пульсации, наблюдаемые при достижении максимальной скорости вращения валков в диапазоне времени между 44-й и 46-й секундой, происходят на обоих валках, при этом их значения выше на нижнем валке, как по скоростным ( Ап ) так и по силовым (А!факт ) характеристикам. Строгая симметричность данных пульсаций доказывает,
что коэффициент пульсации Апп существенно зависит от , но при этом не дает рассо-
гласования по скоростям между валками, сохраняя тот-же коэффициент синхронизации ( .
Рис. 4. Скоростная характеристика при прокатке заготовки в 5-м проходе клети 1300
Выводы
1. Обжимная клеть с использованием индивидуальных приводов валков на примере обжимной клети 1300 ЦПШБ АО «ЕВРАЗ НТМК», позволяет за счет изменения скоростного режима определять направление выхода полосы из валков обжимной клети («лыжеобразова-ние» и «антилыжеобразование») с изменением контактного давления от верхнего или нижнего валка и смещением нейтральной линии, без проведения перекалибровки валков, что существенно ускоряет процесс освоения новых профилей.
2. При прокатке шпунта Ларсена Л5УМ в условиях ЦПШБ за счет применяемой калибровки, ограниченной возможностью стана, происходит защемление металла в нижнем валке, что даже при меньшей площади контакта и меньшей скорости создает большие моменты прокатки на нижнем валке, что приводит к максимально-возможному току якоря двигателя.
3. При превышении максимально-допустимого тока якоря двигателя происходит просадка напряжения, согласно ВАХ, что приводит к рассогласованию скоростей верхнего и нижнего валков. В некоторых случаях для недопущения данного эффекта достаточно снизить частоту вращения обоих валков, но иногда при достижении тока возбуждения первичной обмотки (для стана ЦПШБ составляет 15 кА) уже невозможно снижение скорости вращения, что приводит к неизбежному рассогласованию скоростей. В схеме, используемой в ЦПШБ такая ситуация возникает в 3 -м проходе, однако превышение максимально-допустимой величины тока составляет 3,3%, что не существенно влияет на падение скорости и на процесс прокатки.
4. Современные станы оснащены электродвигателями высокой мощности с высоким запасом по токам возбуждения в первичной обмотке. Также современные станы имеют более технологичную схему расположения клетей с большим числом калибров различной конструкции, обеспечивающие большее количество проходов, что позволяет существенно уменьшить обжатия в каждом проходе. Поэтому, исходя из вышесказанного, при проектировании новых станов актуально использовать обжимные клети с индивидуальными приводами, что существенно ускорит процесс освоения новых профилей.
Библиографический список
1. Свириденко В.В. К 40-летию начала производства широкополочных балок / В.В.Свириденко, В.В.Бородин, Д.Е.Кавун // Черные металлы. 2018. №1. С. 33-41.
2. Киричков А.А. Универсальный балочный стан / А.А.Киричков, К.С.Дроздецкая, В.А.Быков // Сталь. 1983. №2. С. 45-47.
3. Паршин В.А. Новый комплекс по производству широкополочных двутавров / В.А.Паршин, Н.П.Скрябин, А.И.Капустин, В.Г.Баранов, В.С.Губерт // Сталь. 1980. №11. С. 981-984.
4. Тютерев В.В. Производство шпунтовой сваи типа Ларсен в условиях рельсобалочного цеха АО «ЕВРАЗ-НТМК» / В.В.Тютерев, В.Ю.Рубцов // Калибровочное бюро. 2020. №16. С. 5-9.
5. Грицук Н.Ф, Антонов С.П. Производство широкополочных двутавров / М.: Металлургия, 1973. 304 с.
6. Жадан В.Т., Фейгин Г.Д. Производство двутавровых балок / под науч. ред. П.И.Полухина. М.: Металлургия, 1972. 192 с.
7. Kavun D.E. Production of New Types of Rolled Products - Customer Focus / D.E.Kavun, V.V.Sviridenko, V.Yu.Rubtsov // Metallurgist. 2020. Vol. 64. №s.5-6. PP. 514-521.
8. Способ изготовления крупногабаритного шпунтововго профиля типа Ларсен: пат RU 2064350 C1: МПК6 В21 В1/08/В Комратов Ю.С. и др.; заявитель и патентообладатель ЗАО «Пульсар», №95120065/02, заявл. 04.12.1995, опубл. 27.07.1996. 11с.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH -•
V.Yu.Rubtsov, V.V.Tjuterev, O.V.Kilishevskiy, D.E.Kavun
EVRAZ Nizhny Tagil Metallurgical Plant
ROLLING CONDITIONS IN THE ROUGH STAND WITH INDIVIDUAL ROLLER DRIVES
Abstract. Reduction mill is equipped with individual drives for each roll at the wide-shelf beams rolling shop. This is advantage when mastering new sections with a change in contact pressure from upper or lower roll and displacement of neutral line, without remastering roll pass design. Speed mismatch occurs on upper and lower rolls, when passages appear, accompanied by increased loads that exceed permissible current on motor. The characteristics of speed mismatch during rolling on reduction mill of the Larsen sheet piling are considered.
Keywords: wide-shelf beams rolling shop, roll, reduction mill, sheet piling of Larsen, synchronization of speeds, armature electric current, primary electric current.
