Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Тинигин Анатолий Николаевич

Повышение эффективности производства горячекатаных полос на непрерывных станах за счет совершенствования условий прокатки в черновой группе и теплообмена на промежуточном рольганге.

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2012 г.

Работа выполнена в Национальном исследовательском технологическом университете московском институте стали и сплавов (НИТУ МИСиС) на кафедре пластической деформации специальных сплавов (ПДСС).

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор Хлопонин Виктор Николаевич

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Шаталов Роман Львович;

Кандидат технических наук Гуров Александр Сергеевич.

Ведущая организация

ОАО АХК Всероссийский научно-исследовательский институт металлургического машиностроения имени академика А.И. Целикова

Защита состоится 11 апреля 2012 г. на заседании диссертационного совета Д.212.132.09 при Национальном исследовательском технологическом университете Московском институте стали и сплавов по адресу 119049, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИТУ МИСиС.

Автореферат разослан 6 марта 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета                               Ионов С.М.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Широкополосовые станы горячей прокатки (ШПС горячей прокатки) продолжают сохранять лидерство в мировом производстве горячеполосового проката. Последнее предопределяет необходимость исследований по дальнейшему повышению эффективности их работы. Начиная с появления в 1926 г., развитие ШПС горячей прокатки шло по пути увеличения массы прокатываемых слябов, что влекло за собой удлинение технологической линии, применение более мощного оборудования, увеличение скоростей прокатки, реализацию прокатки с ускорением в чистовых клетях, созданию систем интенсивного охлаждения на отводящем рольганге, автоматизации процесса производства.

Непрерывные (3/4 непрерывные) ШПС горячей прокатки занимают особое место в большой группе действующих станов благодаря их высокой производительности. Часовая производительность этих станов определяется работой чистовой группы клетей и временем паузы между штуками подкатов, поступающих в эту группу клетей. Паузы в свою очередь формируются взаимосвязанной работой черновой, чистовой групп клетей и печей.

Сохраняется актуальность устранения образования на промежуточном рольганге в момент входа в первую клеть чистовой группы (F1) температурного клина по длине подката и его негативного влияния на качество прокатываемых полос. Для поддержания постоянной температуры конца прокатки по длине готовой полосы на непрерывных ШПС наряду с прокаткой с ускорением в чистовых клетях, широкое распространение получило применение систем теплового экранирования подката на промежуточном рольганге.

Прокатка с ускорением привела в каждой из чистовых клетей к переменным по длине полосы температурно-скоростным и деформационным параметрам, к охлаждению полосы, движущейся с переменной скоростью, на отводящем рольганге. При этом размерные показатели качества готовой полосы и температуры конца прокатки могут быть однозначно проконтролированы только после прохождения чистовой группы клетей, а температуры смотки - после прохождения полосой системы охлаждения, т.е. в обоих случаях с существенным транспортным запаздыванием. Компьютерное управление процессом прокатки в чистовой группе клетей и процессом охлаждения на отводящем рольганге в значительной степени решило отмеченную совокупность этих задач. Однако можно считать, что при постоянной скорости прокатки в клетях чистовой группы и сохранении накопленного опыта по их компьютерному управлению задача обеспечения минимального колебания hпрод., hпоп., tкп и tсм по длине полосы существенно облегчается.

Таким образом, технические характеристики современных непрерывных ШПС горячей прокатки и особенно организация на них технологического процесса существенно исчерпали возможности повышения производительности станов и улучшения качества производимых на них полос, повышения эффективности их производства.

Назрела необходимость реконструкции непрерывных ШПС горячей прокатки, позволяющая уменьшить паузы прокатки и на этой основе повысить производительность станов, снизить расход энергии и потери металла с обрезью на летучих ножницах. Совокупное решение этих технических задач является актуальным.

В связи с этим целью диссертационной работы является повышение эффективности производства г/к полос на непрерывных станах за счет совершенствования условий прокатки в черновой группе и теплообмена на промежуточном рольганге, позволяющих повысить производительность стана, уменьшить энергозатраты производства и потери металла с обрезью на летучих ножницах, а так же стабилизировать температурно-скоростные и деформационные параметры прокатки в чистовой группе клетей (и на этой основе улучшить качество прокатываемых полос).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

  1. Разработать и исследовать реконструкцию непрерывного ШПС горячей прокатки, обеспечивающую возможность прокатки слябов в черновой группе стана группами и существенное повышение на этой основе производительности стана;
  2. На основе экспериментальных исследований разработать принципиально новую теплосохраняющую установку (ТСУ) для промежуточного рольганга, основу которой составляет применение кассет, экранирующие элементы которых нагревают до температуры поверхности экранируемого металла;
  3. Методами компьютерного моделирования выполнить сопоставительный анализ температурного поля подката в технологической линии стана, а также тепловой и энергетической эффективности применения секциях ТСУ кассет пассивного, активного и псевдоактивного принципов работы;
  4. Проанализировать влияние ускорения и заправочной скорости прокатки в чистовой группе клетей, а так же паузы прокатки, на производительность непрерывного ШПС с новой компоновкой черновой группы клетей;
  5. Методами компьютерного моделирования провести анализ течения металла в очаге деформации при неустоявшейся стадии прокатки. Оценить влияние одновременной прокатки (группами) высоких горячих полос, подаваемых встык в очаг деформации, на снижение величины обрези переднего и заднего концов подката на летучих ножницах.

Новизна диссертационной работы заключается в следующем:

  • разработан (патент РФ № 2386492 В21В 1/26) и исследован способ прокатки на непрерывном ШПС горячей прокатки, позволяющий повысить производительность стана, уменьшить энергозатраты и потери металла с обрезью, а так же стабилизировать температурно-скоростной и деформационный режимы прокатки в чистовой группе клетей (и на этой основе повысить качество продукции);
  • путем лабораторных исследований получены данные, необходимые для создания новой теплосохраняющей установки (ТСУ) с кассетами псевдоактивных экранов (ПАТАЭ), нагрев экранирующей поверхности которых осуществлен пропусканием электрического тока по тонкому листу - экрану из жаростойкого сплава до температуры поверхности экранируемого металла;
  • осуществлено сопоставление эффективности известных теплосохраняющих установок (ТСУ), обеспечивающих снижение охлаждения подката на промежуточном рольганге ШПС горячей прокатки. Установлено, что энергетическая эффективность работы ТСУаПАТАЭ многократно превышает эффективность ТСУ АТЭ (проходная туннельная печь Techint);
  • проведено моделирование1 процесса одновременной прокатки высоких горячих полос, подаваемых встык в очаг деформации и формирование при этом очертания (в плане)  переднего и заднего концов раскатов. Показано существенное снижение потерь металла с обрезью на летучих ножницах.

Практическая ценность работы заключается:

  • в повышении эффективности процесса широкополосовой горячей прокатки на непрерывных станах: увеличение производительности стана, уменьшение энергозатрат производства и потери металла с обрезью на летучих ножницах, стабилизации температурно-скоростных и деформационных параметров прокатки в чистовой группе клетей (и на этой основе улучшение качества прокатываемых полос);
  • в оценке тепловой и энергетической эффективности работы различных ТСУ, в частности применяемых и рекомендуемых к применению на промежуточном рольганге ПАТАЭ и АТЭ (проходная туннельная печь Techint); разработке практических рекомендаций по работе ТСУ данных типов;
  • в получении практических данных о скорости нагрева секции ПАТАЭ, электросопротивление сплава ХН45Ю, электрических и энергетических характеристиках нагревателей (экранов) из сплава ХН45Ю и особенностях работы ТСУ с кассетами ПАТАЭ;
  • в разработке чертежей и изготовлении опытно-промышленного модуля ТСУ с кассетами ПАТАЭ для стана 560 Серп и Молот; проектировании системы электроснабжения и автоматического управления нагревом кассет ПАТАЭ.

Основные положения, которые выносятся на защиту:

  1. Новый способ горячей прокатки слябов в черновой группе клетей  и компоновка черновой группы ШПС горячей прокатки, позволяющие значительно повысить эффективность этих станов;
  2. Результаты анализа производительности ШПС горячей прокатки  с новой компоновкой черновой группы клетей с учетом изменения заправочной скорости и ускорения прокатки в чистовой группе клетей, а так же уменьшения паузы прокатки на входе в чистовую группу клетей;
  3. Результаты лабораторных испытаний, необходимые и достаточные для промышленного изготовления кассет ПАТАЭ. Оценка тепловой и энергетической эффективности ТСУ с пассивными, активными и псевдоактивными кассетами;
  4. Влияние прокатки высоких горячих полос в черновых клетях, подаваемых встык в очаг деформации, на особенности формообразования передних и задних концов подката, и снижение на этой основе потерь металла с обрезью на летучих ножницах.

Достоверность результатов. Основные научные и практические положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретически, базируются на известных и впервые полученных в диссертации экспериментальных данных; при этом использовали современные теоретические и экспериментальные методы исследований, вычислительной и измерительной техники.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на ежегодной конференции дни науки МИСиС в 2010 году (2 доклада); на IX международной научно-технической конференции Современные металлические материалы и технологии в 2011 г., организуемой СПб ГПУ в Санкт-Петербурге; на сайте инжиниринговой компании APTEX, официального дистрибьютора Deform-3D.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 8 печатных работ.

ичный вклад: Содержание диссертации отражает личный вклад автора в опубликованные работы. Комплекс исследований, результаты которых приведены в настоящей диссертационной работе, выполнен в рамках научно-исследовательских работ при непосредственном участии автора. Результаты других авторов, которые использованы при изложении, содержат ссылки на соответствующие источники.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложения. Работа содержит 198 страниц машинописного текста, 96 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 207 наименований.

Содержание работы

В первой главе проведен анализ современного состояния и научных работ по вопросам влияния температурного режима прокатки на энергетические затраты при производстве г/к полосы на ШПС горячей прокатки. Отмечено, что понижение температуры полосы существенно сказывается на мощности главного привода; (так, к примеру, снижение температуры полосы стали 08кп на 40К приводит к росту мощности главного привода черновой группы клетей на 6,5%, а чистовой группы - на 9,5%). При этом понижение температуры нагрева слябов в методической печи на 10К снижает расход топлива на 1,8 % для печей с малыми потерями тепла и на 1,4% для печей с повышенными тепловыми потерями. Для печей, оборудованных системой автоматизированного контроля нагревом и поддержанием температуры, величина снижения расхода топлива составляет 2,02% (что составляет порядка 26,75 МДж/т). Принимая во внимание, что до 25% от суммарного падения температуры в линии стана приходится на промрольганг где, к тому же, формируется разность температур переднего и заднего концов подката на входе в чистовую группу клетей (лтемпературный клин), приведено описание способов пассивного теплового экранирования (ТОЭ, ТАЭ, энкопанели), активного (АТЭ - проходная туннельная печь фирмы Techint) и псевдоактивного (ПАТАЭ)2.

Известен анализ влияния температурного режима прокатки на качество горячекатаной полосы при том, что 90-95% производимого на ШПС горячей прокатки металла не подвергается термообработке с отдельного нагрева. На основе анализа известных литературных данных, подтверждено заключение, что температурный режим прокатки является одним из основных факторов, определяющих микроструктуру и, как следствие, механические свойства горячекатаных полос. При этом для большинства сталей температура конца прокатки должна заканчиваться не ниже точки Ar3, температура смотки - не выше Ar1, т.е. прокатка должна заканчиваться в области температур однородной аустенитной структуры. Отмечено, что в целом оценка показателей качества горячекатаных полос на ШПС горячей прокатки по данным о температуре прокатки организовано с существенным транспортным запаздыванием: после последнего прохода в черновой группе клетей судят о качестве нагрева, после прокатки во всех клетях чистовой группы (контроль hпрод., hпоп. и tкп), после работы системы охлаждения (контроль tсм). Последнее в совокупности с прокаткой с ускорением (т.е. переменными по длине подката температурно-скоростными и деформационными условиями прокатки в каждой клети чистовой группы) существенно усложняет задачу снижения колебания hпрод., hпоп. и tкп по длине полосы на выходе ее из последней клети чистовой группы, tсм - на входе полосы в моталку.

Показано, что, не смотря на значительные успехи в изучении течения металла в очаге деформации (А.И. Целиков, И.М. Павлов, И.Г. Астахов и др.), остается малоизученным процесс пластической деформации при неустоявшейся стадии процесса прокатки (большинство работ посвящены лишь общим закономерностям формообразования концов подката при их деформации). Современные теоретические исследования процессов обработки металлов давлением в значительной степени базируются на численных методах анализа и обобщения, в последние годы для анализа широко используют метод конечных элементов (МКЭ).

Рассмотрено развитие ШПС горячей прокатки с года появления первого непрерывного ШПС горячей прокатки, приведены основные конфигурации расположения оборудования ШПС горячей прокатки разных поколений. Отмечен ряд недостатков известных способов прокатки на непрерывных (3/4 непрерывных) ШПС горячей прокатки Технические характеристики современных непрерывных ШПС горячей прокатки (3/4 НШПС) и особенно организация на них технологического процесса существенно исчерпаны на этих станах в части возможности повышения их производительности и улучшения качества прокатываемых полос.

На основании отмеченного обзора сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматривается концепция технологии прокатки на участке технологической линии МНЛЗ - вход в чистовую группу непрерывного ШПС горячей прокатки, позволяющая нивелировать недостатки известного способа прокатки на ШПС: нестабильность температурно-скоростных и деформационных условий прокатки в чистовой группе клетей; существенные тепловые потери подкатом на промежуточном рольганге; образование температурного клина на входе в чистовую группу клетей; существенные потери времени на паузы прокатки в чистовой группе клетей.

Основу этой концепции составляет создание условий на непрерывных ШПС для размещения на промежуточном рольганге двух подкатов максимальной длины; оснащение промежуточного рольганга теплосохраняющей установкой, оборудованной кассетами ПАТАЭ (как вариант - активной проходной печью Techint), обеспечивающей постоянство температуры по длине подкатов в момент входа в первую клеть чистовой группы и, к тому же, существенно снижающую охлаждение подкатов в целом. Прокатка в чистовой группе клетей осуществляется на постоянной скорости, равной, по меньшей мере, средней скорости в процессе прокатки этих же полос на этом непрерывном ШПС горячей прокатки с ускорением. В совокупности отмеченное существенно упрощает получение и контроль минимальных значений hпрод., hпоп., tпоп, tкп, tсм без потери производительности ШПС горячей прокатки Показано, что для большинства толщин прокатываемых полос возможно увеличение заправочной скорости прокатки в чистовой группе клетей до отмеченного среднего значения, при условии перехода на прокатку без ускорения. Приведены таблицы с существующими и предполагаемыми скоростными режимами прокатки в черновой и чистовой группах клетей. Повышение температуры подката на входе в первую клеть чистовой группы (за счет использования высокоэффективных ТСУ и увеличения заправочной скорости чистовой группы клетей) предлагается использовать для понижения температуры нагрева слябов в печи, экономии энергоресурсов и повышения температуры конца прокатки.

Показано, что для непрерывных ШПС горячей прокатки с последовательным расположением клетей в черновой группе клетей (например, ШПС горячей прокатки 2000 ОАО НЛМК) создаются условия для размещения двух подкатов максимальной длины на промежуточном рольганге путем перемещения последней черновой клети к предпоследней и создания непрерывной подгруппы из двух последних клетей. Для ШПС горячей прокатки, имеющих в составе черновой группы клетей непрерывную подгруппу, например, непрерывный ШПС горячей прокатки 2000 ОАО Северсталь, возможно размещение двух подкатов на промежуточном рольганге создаются за счет наличия на промежуточном рольганге установки койлбокс и подачи в него первого из двух подкатов. Для описанного способа прокатки приводятся графики и схемы движения подкатов в технологической линии стана и на их основе обосновывается уменьшение времени пауз между поступлением подкатов в чистовую группу клетей. Предложено два варианта реализации описанной технологии прокатки (с подачей группы слябов, по меньшей мере из 2 шт):

  1. Временной интервал (τ) между слябами в группе создается до начала прокатки в черновой группе клетей (или между 3-ей и 4-ой клетями черновой группы), и сохраняется вплоть до прокатки в чистовой группе клетей. Временной разрыв (τпауз) между группами слябов в процессе прокатки обеспечивают из условий обычно существующих на стане при подаче слябов в черновую группу (в среднем до 10 Е 20 с по году);
  2. Подачу группы слябов осуществляют вплотную друг к другу, т.е. реализуют прохождение очагов деформации черновой группы клетей подкатами встык. Отмеченный прием существенно изменяет условия формирования (в плане) переднего и заднего концов подкатов в месте их стыка: уменьшает различия в вытяжках по ширине концевых частей слябов. Тем самым снижаются потери металла в обрезь на летучих ножницах. Временной интервал между подкатами в группе (τ) перед входом в чистовые клети в этом случае окончательно формируется на промрольганге;

Наряду с описанной технологией прокатки реализация предложенной реконструкции черновой группы непрерывного ШПС горячей прокатки (3/4 НШПС горячей прокатки) позволяет сохранить поштучную прокатку слябов. При этом существенно уменьшается временной разрыв между каждым слябов в процессе прокатки (τпауз) в сравнении с поштучной прокаткой согласно действующей технологии.

Для реализации предложенных способов прокатки обоснована необходимость применения на промежуточном рольганге высокоэффективных ТСУ с кассетами ПАТАЭ (возможно АТЭ), позволяющих поддерживать равномерное распределение температуры по длине подкатов на входе в первую клеть чистовой группы, в результате осуществлять прокатку в чистовых клетях на постоянной скорости. Новая концепция технологии предполагает возможность управления скоростью прокатки в клетях черновой группы, для реализации управления скоростью прокатки в черновой группе предлагается к существующим двигателям добавить преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Показано (со ссылкой на иностранный и отечественный опыт), что все реконструктивные мероприятия, в том числе перемещение клети, возможно провести во время плановых остановок стана и без ограничений по сортаменту стана.

В третьей главе детально рассматривается эффективность реализации предлагаемой технологии прокатки слябов группами в черновой группе клетей, анализируется увеличение заправочной скорости прокатки и переход на постоянную скорость прокатки в чистовой группе клетей при уменьшении времени паузы прокатки. Эти факторы напрямую влияют на производительность стана и на качество прокатываемых полос.

Анализ изменения производительности стана осуществлен для полос толщиной 1,510 мм и 3 длин слябов (5200, 7800 и 10400 мм), соотношение рассматриваемых полос в сортаменте стана принималось согласно технологическому отчету по непрерывному ШПС горячей прокатки 2000 ОАО НЛМК за 2007 г. На основе анализа производства более 40 тыс. полос произведенных за период 2007-2010 годов на этом стане определено среднее значение времени пауз прокатки в первой клети чистовой группы, которое составило 16.5 сек. Средневзвешенное изменение производительности стана по его сортаменту рассчитывалось по формуле:

где        ki - доля полос данного типоразмера в общем объеме производства;

       qi - изменение производительности для полос данного типоразмера;

       aj - доля подкатов данной длины после последней черновой клети в общем объеме.

Средняя продолжительность времени пауз при прокатке слябов группами (τср) определяется по формуле:

.

где        n - число слябов в группе;

       пауз - время пауз (временной разрыв между подкатами на входе в первую чистовую клеть при поштучной прокатке или между группами слябов при прокатке слябов группами в черновой группе клетей);

        - временной разрыв на входе в первую чистовую клеть между подкатами в группе при прокатке слябов группами в черновой группе клетей.

Основные полученные результаты, изложенные в главе:

  • время паузы прокатки является существенной потерей календарного машинного времени работы стана и соответственно значительно влияет на производительность ШПСагорячей прокатки.  Например, среднегодовое снижение производительности стана при увеличении среднегодовой паузы прокатки на 10 с (с 10 до 20 с) составляет 10,12%. Ниже относительно пауз=(10) и [20]с рассмотрены эффекты реализации предложенных способов прокатки;
  • при прокатке слябов группами, с временным интервалом между слябами в группе, равным 5 сек, за счет увеличения машинного времени следует ожидать повышения производительности стана на (5) - [9,5]%. При времени пауз между слябами, равной 2 с, увеличение производительности составит (6,6) - [10,9]%. В этом случае для нормальной работы моталок необходимо смотку полос осуществлять с ускорением после выхода заднего конца полосы из чистовой группы клетей;
  • при поштучной прокатке слябов на ШПС горячей прокатки с новой компоновкой и реализацией времени пауз между штуками, равной 5 с, следует ожидать повышение производительности стана на (7,5) - [16]%. При реализации времени пауз между слябами, равной 2 сек., увеличение производительности стана составит соответственно (10,7) - [19,2]%;
  • переход на постоянную скорость прокатки в чистовой группе с увеличением заправочной скорости прокатки до равной средней скорости в процессе прокатки этих же полос на этом непрерывном ШПС горячей прокатки с ускорением приводит к повышению производительности процесса на 2%;

В четвертой главе приведены результаты лабораторного исследования теплосохраняющей установки (ТСУ) с кассетами ПАТАЭ. Приведены практические данные о скоростях нагрева рабочей поверхности экранов и окалины (нижнего экранирования), электрических характеристиках установки (потребляемая мощность, удельное электросопротивление сплава ХН45Ю, КПД и т.д.), особенностях работы и эксплуатации установки. При этом размеры экранирующей поверхности кассеты, толщина экранов и их материал приняты одинаковыми с промышленной установкой.

Обработка данных, полученных на лабораторной установке, потребовало решения линейной задачи теплопроводности методом конечной разности, с дальнейшей реализацией схемы Кранко-Николсона. Построение разностной схемы осуществляли методом баланса в граничных условиях II рода. Полученная система разностных уравнений решалась методом прогонки. Сведние трехмерной задачи теплопроводности к совокупности одномерных выполнялось методом расщепления. Получены формулы, учитывающие возможность вариативности теплофизических свойств и шагов по координатам внутри рассматриваемого тела. Полученный алгоритм реализован в интегрированной среде С++ visual и адаптирован с помощью данных, полученных на лабораторной установке.

Выполнено сопоставление эффективности известных теплосохраняющих установок, обеспечивающих снижение охлаждения подката на промежуточном рольганге ШПС горячей прокатки. При этом ТСУ разделены на пассивные (энкопанели, теплоаккумулирующие и теплоотражательные экраны), псевдоактивные и активные (к последним отнесена проходная тоннельная печь фирмы Techint).

На основе полученной расчетной программы выполнен сопоставительный анализ работы указанных ТСУ (рассмотрено различное экранирование нижней поверхности подката: экранирование снизу кассетами ТАЭ (Энкопанели) и воздушной окалиной). Анализ проведен для условий непрерывного ШПС горячей прокатки 2000 ОАО НЛМК и для этого же стана с указанной во второй главе новой компоновкой оборудования черновой группы стана.

Анализ тепловой работы различных ТСУ для действующих условий ШПС горячей прокатки 2000:

  1. Показана более высокая эффективность нижнего экранирования окалиной по сравнению с кассетами ТАЭ (Энкопанелями). Показана эффективность нижнего экранирования воздушной окалиной вне участка промежуточного рольганга с верхним экранированием (т.е. до и после ТСУ).

При одинаковых условиях прокатки на ШПС горячей прокатки к моменту входа подката в первую чистовую клеть (отметим, что в разработанных ТСУ ТОЭ, ТАЭ и ПАТАЭ в отличие от ТСУ АТЭ и Энкопанелей, реализовано применение нижнего экранирования воздушной окалиной до и после участка верхнего экранирования):

ТСУ ТАЭ (ТОЭ), в 1,6 раз эффективнее снижает охлаждение подката в сравнении с Энкопанелями;

ТСУ ПАТАЭ в 1,3 раза эффективнее ТСУ ТАЭ (ТОЭ) при одинаковом нижнем экранировании и более чем в 2 раза эффективнее Энкопанелей;

Проходная тоннельная печь фирмы Techint в 1,3 раза эффективнее снижает охлаждение подката в сравнении с ТСУ ПАТАЭ, в 1,7 раза - в сравнении с ТСУ ТАЭ (ТОЭ) экранами и в 2,7 раз - в сравнении с Энкопанелями.

Использование пассивных экранов практически не требует расхода энергии. Использование ТСУ ПАТАЭ и АТЭ требует расхода энергии (электрической, природного газа соответственно). Существенно, что при одинаковых условиях прокатки расход энергии при применении проходной роликовой печи фирмы Techint на выполнение годового заказа в 7,5 раз превышает расход энергии в сравнении с использованием ТСУ ПАТАЭ.

Введен коэффициент , [МДж/(тК)], показывающий удельные затраты энергии в ТСУ АТЭ и ПАТАЭ. ТСУ АТЭ по меньшей мере в 4,5 раза требует большего расхода энергии на повышение температуры подката на 1К на входе в чистовую группу клетей в сравнении с ТСУ ПАТАЭ;

  1. Прохождение подкатом тоннельной печи заканчивается формированием существенного перепада температуры по толщине подката со значениями на верхней поверхности подката (температура поверхности более чем на 50К превышает температуру центра подката), нежелательными для ряда прокатываемых сталей; к тому же вызывающее интенсивное окисление металла (возможно увеличение потери металла с окалиной на 0,02%). Использование проходной роликовой печи приводит к дополнительному выбросу 13,2 л/т CO2.

ТСУ АТЭ и ПАТАЭ обеспечивают ко входу в очаг деформации первой чистовой клети практически полную стабилизацию температуры по толщине подката с примерно одинаковым превышением температуры в центре подката в сравнении с его поверхностями (температурный перепад по толщине порядка 40К);

  1. ТСУ с пассивным воздействием на температуру подката имеет достаточно простое конструктивное исполнение. Их применение технически и экономически оправдано на промежуточных рольгангах ШПС горячей прокатки с семью чистовыми клетями, прокатка в которых осуществляется с ускорением.

ТСУ АТЭ (тоннельная печь) и ПАТАЭ обоснованно эксплуатировать на рольгангах, после прохождения которых прокатку в чистовой группе клетей  осуществляют на постоянной скорости.

Анализ тепловой работы различных ТСУ для условий ШПС горячей прокатки 2000 в условиях новой компоновкой:

  1. Эффективность ТСУ ТАЭ при новой компоновке стана существенно возрастает благодаря значительному увеличению отношения . Например для секции ТСУ ближней к первой чистовой клети, увеличивается с 2-х до 25-ти. В результате при стабильном цикле работы стана достаточна эксплуатация 25-ти (из 60-ти) секций ПАТАЭ, ближних к чистовой группе в качестве теплоаккумулирующих;
  2. Энергопотребление ТСУ ПАТАЭ (из 60-ти секций) на стане с указанной выше новой компоновкой черновых клетей, необходимое для достижения температур подката, аналогичных для действующей компоновки стана, при использовании ТСУ ПАТАЭ (32 секции) снижается на 35%;
  3. При одинаковых условиях прокатки на непрерывном ШПС горячей прокатки 2000 с новой компоновкой к моменту входа подката в первую чистовую клеть:

ТСУ АТЭ в 1,4 раза эффективнее снижает охлаждение подката в сравнении с ТСУ ПАТАЭ. Однако энергопотребление ТСУ АТЭ при этом в 21 раз выше. В результате коэффициент , показывающий удельные затраты энергии, у ТСУ АТЭ в 12,7 раз выше по сравнению с ПАТАЭ.

На основе выполненных работ по заказу руководства ОАО Серп и Молот разработан, изготовлен и поставлен для стана горячей прокатки 560 завода Серп и Молот опытно-промышленный модуль. К сожалению, неустойчивое юридическое и финансовое положение завода в остановило развитие работ по промышленному использованию ТСУ с кассетами ПАТАЭ. Приведены результаты проектирования системы электроснабжения и автоматического управления нагревом ТСУ ПАТАЭ.

В пятой главе обобщены результаты моделирования процесса одновременной прокатки высоких горячих полос, подаваемых встык в очаг деформации, в системе имитации технологического процесса, основанной на методе конечных элементов (программный пакет Deform-3D3).

Проведенный в Deform-3D эксперимент включал имитацию следующих стадий технологии горячей прокатки на широкополосовом стане: нагрев сляба из холодного состояния в методических печах, передача сляба от печей до вертикального окалиноломателя, последовательная прокатка в 5-ти универсальных черновых клетях. Тем самым, проведенный эксперимент учитывал особенности формирования температурного поля металла на участке от методических печей до промежуточного рольганга. Программные возможности Deform-3D позволили имитировать многие факторы, влияющие на конечную форму подката: прогиб валков, деформационный разогрев и теплоотдачу при контакте металла с валками.

Сформулированы основные положения и закономерности неустоявшейся стадии течения металла при его деформации в универсальных клетях ШПС горячей прокатки; показано формообразования передних и задних концов подкатов в процессе прохождения очага деформации при поштучной прокатке и при прохождении очага деформации двумя подкатами встык. Получены данные о распределении скоростей течения участков подката, продольной и поперечной, при неустоявшейся стадии прокатки.

Проведено сравнение формообразования подкатов в универсальных клетях, полученного в МКЭ-комплексе Deform-3D, и посчитанного по известным эмпирическим формулам. Различия значений не превышают 10%. Полученные в Deform-3D формы передних и задних концов подкатов, а так же масса обрези сравнивались с формами и весом концов подкатов, полученными на непрерывном ШПС горячей прокатки 2000 ОАО НЛМК. Получено хорошее совпадение (различие менее 8%), как размеров и форм подкатов, так и массы обрези.

Оценено влияние совместной прокатки слябов (встык) в очаге деформации на снижение искажения концевых частей (в плане) слябов и, соответственно, на потери металла с обрезью на летучих ножницах.

Показаны устойчивые данные о сокращении обрези за счет технологии прокатки встык. Полученные результаты позволяют считать, что при применении технологии прокатки встык следует ожидать снижение обрези на летучих ножницах в среднем по годовому сортаменту на 21%. Получены зависимости количества обрези от исходной толщины сляба (а, следовательно, и количества проходов в черновой группе клетей) и обжатия по ширине вертикальными валками в черновой группе клетей.

Основные результаты и выводы

  1. Предложено производительность полностью непрерывных ШПС горячей прокатки повысить путем изменения условий прокатки в черновой группе клетей и минимизации на этой основе временного разрыва между подкатами на входе в первую клеть чистовой группы. Необходимый при этом временной разрыв в работе моталок создавать ускорением задней части полосы после ее выхода из последней чистовой клети. Качество полос предложено повысить благодаря прокатке в клетях чистовой группы на постоянной скорости, стабилизирующей температурно-скоростные и деформационные условия прокатки в каждой клети этой группы. Для сокращения обрези концов подката на летучих ножницах предложена прокатка слябов вплотную друг к другу в очаг деформации универсальных клетей черновой группы.
  2. Для реализации совокупности этих предложений рекомендовано последнюю черновую клеть непрерывного ШПС горячей прокатки переместить к предпоследней черновой клети с образованием непрерывной подгруппы, за счет чего увеличить протяженность промежуточного рольганга для одновременного размещения на нем двух подкатов максимальной длины, рекомендовано при этом промежуточный рольганг оборудовать теплосохраняющей установкой с псевдоактивными теплоаккумулирующими экранами (ПАТАЭ), обеспечивающими постоянство температуры по длине подкатов на входе в первую клеть чистовой группы.
  3. На основе анализа производительности ШПС горячей прокатки показано, что применение предлагаемых технических решений на непрерывном ШПС горячей прокатки 2000 приведет к повышение производительности стана за счет понижения средней паузы прокатки по меньшей мере, на 7%.
  4. Методами компьютерного анализа показано, что при применении технологии прокатки в черновой группе клетей стана слябов встык следует ожидать снижения обрези на летучих ножницах в среднем по году на 21%.
  5. Разработана лабораторная установка кассеты ПАТАЭ, в которой использованы промышленные размеры нагревателей. Проведенный эксперимент позволил получить практические данные об электрических и тепловых характеристиках установки, послужил основой для разработки опытно-промышленного модуля ПАТАЭ.

На основании этих исследований по заказу ОАО Серп и Молот разработан, изготовлен и поставлен для стана горячей прокатки 560 завода Серп и Молот опытно-промышленный модуль.

  1. Проведен математический анализ температурного поля подката в технологической линии стана и эффективности тепловой работы различных ТСУ с кассетами пассивных (ТАЭ, ТОЭ, Энкопанели), активных (АТЭ) и псевдоактивных (ПАТАЭ) панелей для условий существующей компоновки непрерывного ШПС горячей прокатки 2000 ОАО НЛМК и после реализации предложений по новой компоновки черновой группы клетей. Показана высокая эффективность использования ТСУ ПАТАЭ. Обосновано применение нижнего экранирования окалиной вне участка верхнего экранирования (до и после ТСУ).
  2. Для существующей компоновки непрерывного ШПС горячей прокатки 2000 ОАО НЛМК:

- ТСУ ТАЭ (ТОЭ) в 1,6 раз эффективнее снижает охлаждение подката в сравнении с Энкопанелями;

- ТСУ ПАТАЭ в 1,3 раза эффективнее ТСУ ТАЭ (ТОЭ) и более чем в 2 раза эффективнее Энкопанелей;

- проходная тоннельная печь фирмы Techint в 1,3 раза эффективнее снижает охлаждение подката в сравнении с ПАТАЭ, в 1,7 раза - в сравнении с ТАЭ (ТОЭ) экранами и в 2,7 раз - в сравнении с Энкопанелями.

Однако, при одинаковых условиях прокатки расход энергии при применении проходной роликовой печи фирмы Techint на выполнение годового заказа в 7,5 раз превышает расход энергии в сравнении с использованием ПАТАЭ.

  1. Введен коэффициент , [МДж/(тК)], показывающий удельный расход энергии в ТСУ АТЭ и ПАТАЭ. ТСУ АТЭ по меньшей мере в 4,5 раза требует большего расхода энергии на повышение температуры подката на 1К на входе в чистовую группу клетей в сравнении с применением ТСУ ПАТАЭ;
  2. При одинаковых условиях прокатки на непрерывном ШПС горячей прокатки 2000 с новой компоновкой к моменту входа подката в первую чистовую клеть ТСУ АТЭ в 1,4 раза эффективнее снижает охлаждение подката в сравнении с ТСУ ПАТАЭ. Однако энергопотребление ТСУ АТЭ при этом в 21 раз выше; в результате коэффициент , показывающий удельный расход энергии, в 12,7 раз выше.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

  1. Хлопонин В.Н., Тинигин А.Н., Афанасьев С.А. Способ горячей прокатки непрерывнолитых слябов на непрерывном широкополосовом стане и непрерывный стан для его осуществления. Патент на изобретение РФ № 2386492 В21В 1/26, 23.04.2008.
  2. Хлопонин В.Н., Афанасьев С.А., Тинигин А.Н. Концепция увеличения производительности полностью непрерывных широкополосовых станов горячей прокатки и улучшения качества полос. Сталь, М., 2009, №4, с.39-42.
  3. Khloponin V.N., AfanasТev S.A., Tinigin A.N. Increasing the productivity of continuous broad-strip hot-rolling mills and improving strip quality. УSteel in TranslationФ, 2009, vol. 39, No 4, pp. 341-344.
  4. Тинигин А.Н., Михеев В.В. Анализ изменения производительности непрерывного ШПСГП при использовании новой концепции прокатки слябов. Сталь, М., 2010, №4, с.56-58.
  5. Тинигин А.Н., Бодров Д.В. Способ расчета температурных полей и термических напряжений в процессах обработки металлов давлением. Производство проката, М., 2011, № 10.
  6. Хлопонин В.Н., Тинигин А.Н. Эффективность активного и псевдоактивного способов снижения охлаждения подката в условиях ШПС горячей прокатки Металлург, М., 2011, №10.
  7. Тинигин А.Н. Новое поколение теплосохраняющих установок (ТСУ) для широкополосовых станов горячей прокатки (ШПС горячей прокатки). Современные металлические материалы и технологии (СММТТ2011): труды международной научно-технической конференции. - СПб.: Изд-во Политех. Ун-та., 2011. 472 с.
  8. Хлопонин В.Н., Тинигин А.Н. Способы снижения охлаждения подката на промежуточном рольганге ШПС горячей прокатки, их тепловая и энергетическая эффективность. Наука и образование: электронное научно-техническое издание, М., № 08, август 2011.

1 совместно с официальным дистрибьютором программного комплекса Deform-3D компанией ООО Инжиниринговая компания АРТЕХ

2 Здесь и далее, для упрощения формы записи названия видов ТСУ, опускаются слова с кассетами. Т.е. вместо ТСУ с кассетами ПАТАЭ - ТСУ ПАТАЭ.

3 Моделирование проводилось совместно с компанией ООО Инжиниринговая компания АРТЕХ, официальным дистрибьютором программного комплекса Deform-3D.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям