НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ В ТЕХНОЛОГИИ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ

Введение

В настоящее время к современным станам холодной прокатки предъявляются особые требования: способность прокатывать широкий штрипс небольшой толщины; получение больших обжатий; минимальные отклонения толщины по ширине и длине штрипса; прокатка штрипса с хорошей планшетностью; сокращенное время прокатки; высокая удельная масса рулона; уменьшение диаметра рабочих валков; использование различного материала валков; управление формой зева валка; управление планшетностью; улучшение систем смазки и охлаждения и очистки хладагента; автоматизация; оптимизация режима обжатий.

Количество широкого штрипса небольшой толщины увеличивается. Благодаря увеличению ширины штрипса увеличивается производительность стана, уменьшаются отходы и снижается сопротивление деформации. Кроме того, современные станы холодной прокатки должны обеспечить большее обжатие без промежуточного отжига. Стоимость ..обработки можно существенно уменьшить, устранив промежуточный отжиг. Возрастающие требования предъявляют также к допускам по толщине прокатанного моталки. штрипса как по длине, так и по ширине при улучшенной планшетности. Для уменьшения времени прокатки и соответственно для увеличения производительности прокатного стана необходимо свести к минимуму количество проходов, увеличить скорость прокатки и снизить время простоев стана. Сократить простои можно при дальнейшем увеличении плотности пропитываемого рулона. Кроме того, при прокатке рулонов бблыпей массы снижается сопротивление деформации.

Уменьшение диаметров рабочих валков

Для экономичной прокатки штрипса небольшой толщины с большими обжатиями следует применять рабочие валки малого диаметра. Поэтому при проектировании станов холодной прокатки обращают внимание на возможность уменьшения диаметров рабочих валков.

Для прокатных станов с приводными рабочими валками минимально возможный диаметр рабочего валка определяется требованиями компоновки привода. Применение рабочих валков мецынего диаметра возможно, если приводным является опорный валок или в случае шестивалкового стана промежуточный валок (рис. 1). Когда применяют такой привод, горизонтальные силы вызывают изгиб рабочего валка ш сторону, противоположную направлению движения полосы; эта тенденция растет с уменьшением диаметра валка. С таким приводом уменьшение диаметра рабочего валка возможно лишь в ограниченных пределах.

Для уменьшения влияния изгиба рабочих валков применяют так называемый метод горизонтальной стабилизации, чтобы сдвинуть оба рабочих валка в направлении движения полосы. Величина сдвига зависит от усилия на валке, момента прокатки и от натяжения полосы на входе и выходе. Величину сдвига выбирают таким образом, чтобы скомпоновать горизонтальные составляющие усилия прокатки и поверхностные силы, действующие на валок.

Диаметр рабочего валка можно еще больше уменьшить, применяя боковой подпор валка по всей его длине (рис. 2). Для этого разработано несколько вариантов опорных валков, включая систему подпора с одной и с. двух сторон. На рис. 2 в качестве примера опорных валков для подпора рабочего валка с двух сторон показана Zобразная клеть стана САНДВИГЗендцимир. Система опорных валков Zобразная клеть стана может работать и как четырех и как шестивалковый станы.

Клеть стана расположена на входной секции линии отжига и травления для прокатки штрипса с большими обжатиями и прокатывает неотожженный пггрипс из нержавеющей стали с обжатием до 35%. Клеть стана оснащена современными системами контроля размеров и планшетности, что делает возможным на одной единственной линии выпускать пользующийся спросом готовый материал. На рис. 3 покзано расположение валков двадцативалковой клети. Четыре ряда опорных подшипников (2 по 4) подпирают узел валков по всей длине бочки. Число опорных подшипников и поддерживающих подушек, использованных при этой компоновке клети стана, определяет ширину клети. Предельные размеры по ширине ограничены величиной крутящего момента на приводные наружные промежуточные валки.

Клеть стана (см. рис. 3) можно пропорционально уменьшить или увеличить, исходя из диаметра опорных подшипников чдц от диаметра рабочих валков. Диаметры рабочих валков, которые можно применить для описанного типа клети стана, приведены в таблице.

Для четырех и шестивалковых станов диаметр валков независимо от типа клети стана увеличивается почти прямо пропорционально длине бочки, так что для этих величин справедливо практически постоянное соотношение. Для многовалкового стана зависимость другая: диаметр рабочих валков зависит от диаметра опорных подшипников и остается неизменным для любой длины бочки.

Различный диаметр рабочих валков для разных типов клетей в зависимости от минимальной толщины прокатываемого штрипса показан на рис. 4. Из данных рис. 4 ясно, что толщину штрипса, который может быть прокатан в четырех и шестивалковых клетях, можно существенно уменьшить путем двустороннего подпора (Zобразная клеть стана рабочих валков). Однако становится также очевидным, что особотонкий и широкий штрипс можно прокатать только на двадцативалковом стане. Именно поэтому для прокатки штрипса небольшой толщины с высоким сопротивлением деформации применяют почти только двадцативалковый стан.

Однако и двадцативалковые станы имеют ограниченные возможности прокатки, особенно фольг с высоким сопротивлением деформации, таких как фольга нержавеющей стали. В настоящее время этот предел можно сместить в сторону штрипсов меньшей толщины за счет применения рабочих валков с бблыпим модулем упругости. Применение валков из высокопрочного металла с модулем упругости в 3 раза бблыпим, чем другие материалы, позволяет значительно уменьшить смятие рабочих валков и вместе с этим снизить давление на валки и минимальную толщину прокатываемой полосы.

Производительность

Производительность станов холодной прокатки зависит не только от параметров оборудования, таких как усилие на валках, крутящий момент и мощность привода, но и от средств регулировки формы зева валков, высушивания и охлаждения штрипса. Важно также оборудование, влияющее на простои стана (например, устройство для замены валков). Для увеличения производительности прокатных станов были разработаны новые системы для управления названными параметрами.

Устройство изменения формы зева валков по форме штрипсов

Для процесса холодной прокатки форма зева валков под нагрузкой должна точно соответствовать форме штрипсов, входящего в клеть стана. Изменить форму зева валков по форме штрипса чрезвычайно трудно для широкополосных станов, так как значительно увеличиваются деформации валков.

При прокатке штрипса небольшой толщины регулировка формы зева валков должна быть очень точной, поскольку даже небольшие отклонения могут привести к значительному изменению удлинений по отдельным участкам штрипса, к большей разнице наклепа по ширине полосы и к ее обрыву. Фирма разработала много исполнительных механизмов для регулирования формы зева валков особенно для широкополосных станов. На рис. 5 показан исполнительный механизм современного двадцативалкового стана СУНДВИКе с четырехстоечной конструкцией станины.

При четырехстоечной конструкции наклон оси валков получают воздействием нажимных винтов со стороны оператора и со стороны привода, как на четырехвалковом стане. Перемещение валков в противоположных цаправлениях приводит к наклону всей верхней половины клети.

Возможный диапазон наклона в зависимости от размеров клети стана составляет ±2 мм. Наклон валка линейно меняет профиль зева валка и, следовательно, линейно изменит распределение растягивающих напряжений или распределение удлинений по ширине штрипса (рис. 6). Изгиб валка получают путем регулировки поддерживающих подушек по ширине наружных опорных валков. Регулировку выполняют при помощи клиньев, расположенных позади поддерживающих подушек, которые перемещаются гидравлическими цилиндрами вмонтированными в них датчиками позиционирования.

Примененное для изгиба валка устройство характеризуется следующими особенностями: положительный и отрицательный изгиб, которые обеспечивают эффективную коррекцию профиля зева валка; кривизна до 2 мм в зависимости от размеров клети стана; система изгиба валков расположена в клети стана и позволяет применять простую конструкцию узла опорных валков (в шейках подшипников опорных валков нет необходимости применять игольчатые подшипники; минимальные ремонт и техническое обслуживание; удлиненные прямоугольные подшипники валков, благодаря которым имеют место сравнительно низкие нагрузки и деформации подшипников.

За счет изгиба валков, изменения формы зева валков и, следовательно, распределения растягивающих напряжений и удлинений по ширине полосы можно воздействовать на полосу до самой ее оси (см. рис. 6). Изгиб валков особенно эффективен против коробления полосы или волнистости ее кромок.

Симметричное смещение двух средних наружных промежуточных валков, а также раздельное осевое, смещение любого из четырех внутренних промежуточных валков, можно получить за счет новой системы горизонтального смещения промежуточных валков. В дополнение к наклону и изгибу валков она обеспечивает еще пять независимых управляющих воздействий на форму зева валков.

Средние наружные промежуточные валки спроектированы как валки с изменяемой привязкой. Профилированная форма, полученная шлифованием, позволяет при помощи осевого перемещения верхних и нижних валков в противоположных направлениях менять замкнутый контур валков применительно к соответствующему режиму прокатки.

Влияние переменного замкнутого контура пространства валков на распределение растягивающих напряжений в полосе или на план шетность полосы можно сравнить с влиянием изгиба валка (см. рис. 6). Смещение замкнутого контура валков расширяет диапазон регулировки изгиба валков. Это важно для двадцативалкового стана, в котором применяют валки с большим отношением диаметра к длине.

Четыре внутренних промежуточных валка скошены с одного конца. Скошенные концы верхних валков могут находиться со стороны оператора, а нижние со стороны привода. Чтобы достичь дифференцированного воздействия на обе половины полосы, верхние и нижние валки следует перемещать раздельно. Это важно, например, при прокатке разрезных рулонов.

Опыт работы на станах, использующих системы управления формой, показывает, что только одной скошенной формы валка недостаточно, чтобы приспособить форму зева валка к профилю толщины полосы. По этой причине правые и левые скосы валков, примененные на новом двадцативалковом стане СУНДВИГ, имеют разные формы скоса, влияя таким образом в разных зонах на профиль толщины полосы по ее ширине. Правые скосы валков, например, влияют примерно на 1/4 ширины полосы, поэтому эти валки, называемые Qвалками, особенно удобны для устранения коробления на этой четверти, которое может поститься при работе на обычном двадцативалковом стане.

Зона влияния левых скосов валков ограничена кромкой полосы и охватывает ~1/8 ширины штрипсов. Эти валки, названные Евалками, вначале служили для исправления волнистости кромки.

Фирма СУНДВИГ разработала устройство для осевой регулировки смешения обоих (наружных и внутренних) промежуточных валков. Это устройство позволяет устанавливать положение промежуточных валков даже при максимальном усилии на валки и при минимальной скорости прокатки. Система позволяет также гораздо быстрее перемещать валки, чем другие устройства.

Система управления формой полосы

Влияние, оказываемое регулировкой исполнительного механизма изменением формы зева валка во время прокатки, как было описано ранее, оператор не замечает, поскольку оно вначале проявляется как изменение распределения растягивающих напряжений в полосе.

Для того чтрбы осуществить специальную настройку исполнительного механизма, стан должен быть оснащен системой управления формой полосы. Без такой системы стан не может работать экономично при прокатке широких штрипсов. Основой системы измерения СУНДРИГ—BFI является измерительный валок, который занимает место отводящего валка между клетью и моталкой (рис. 7).

Измерительный валок СУНДВИГ—BFI нового поколения состоит из сплошного корпуса валка с воспринимающим нагрузку профилем по наружному диаметру (рис. 8). Радиальные усилия натянутой полосы, действуя на измерительный валок, передаются на датчики усилия, расположенные в круглых углублениях и закрытые круглыми крышками с предварительным натягом.

Зазор между корпусом измерительного валка и крышками датчиков составляет всего ~20 мкм. Этот минимальный зазор помогает избежать контакта с корпусом измерительного валка, который может создать посторонние усилия и моменты при разведении валков.

Силоизмерительные датчики расположены по периметру валка для измерения формы так, что каждый датчик устанавливают под определенным углом к соседнему (рис. 9).

Поскольку все датчики, расположенные в шахматном порядке, не подвергаются действию нагрузки со стороны штрипса одновременно, некоторые из них могут быть соединены параллельно и последовательно в общую электронную схему. Так, например, возможно соединение максимум восьми датчиков с одним только усилителем и одним преобразователем. Это сводил: к минимуму техническое обслуживание и вероятность отказов.

Для того Чтобы обеспечить бепрепятствен ную передачу выходных сигналов датчиков от валкаизмерителя к системе управления формой, сигналы вначале усиливают, а затем преобразуют в цифровые.

Передача. сигналов от вращающегося измерительного валка в систему управления формой выполняется инфракрасным излучением. С этой целью сигналы вначале кодируют (импульсная кодовая модуляция), а после передачи декодируют и хранят в одном или двух буферных запоминающих устройствах системы управления формой. Усилитель, кодирующее и передающее устройства спроектированы в виде компактных модулей и смонтированы на шейке измерительного валка.

Опыт показал, что можно достичь повышения производительности стана от 20 до 50 % особенно при прокатке щщнчИГг штрипсов небольшой тшшшШ. Сйстему управления формой СУНДВШ *БИ можно применять и для увеличения производительности существующих прокатных станов.

Охлаждение полосы

Стремление повысить производительность стана за счет увеличения обжатия за каждый проход или .увеличения скорости прокатки приводит к возрастанию энергии деформации полосы в единицу времени. В частности, прокатка с высокой мощностью деформации может Зыть чревата чрезмерным возрастанием температуры штрипса, недостаточной хйазкой в зоне зева валков и разогревом штрипса.

Во избежание разогрева штрипса надо уменьшить либо величину обжатия за один прохОд, либо скорость прокатки. В этих случаях производительность стана ограничивается недостаточным охлаждением полосы. В связи с этим была разработана новая система охлаждения штрипса. Вместо плоскоструйных сопел использовали новую систему с примене 290 нием сопел с круглой струей, установленных в вертикальном положении. На рис. 10 показаны измеренные величины теплоотвода с применением системы плоскоструйных сопел и новой системы организации исправленной струи.

Хотя плоскоструиная система дает отвод теплоты в некоторых местах более высокий, чем система направленной струи, средние значения отвода теплоты по всей зоне охлаждения значительно ниже. Система организации направленной струи позволяет отводить теплоту на 30% более эффективно, чем это делается в плоскоструйной системе.

Высушивание полосы

Удаление хладагента с полосы на ее выходе из клети существенно влияет на скорость прокатки и, следовательно, на производительность стана. При прокатке штрипса небольшой толщины в настоящее время применяют очистители типа автомобильных щеток в сочетании с вакуумным отсасыванием и релаксационные валки. Однако, чтобы избежать следов на поверхности штрипса, очистители щеточного типа нужно часто менять, а поверхность штрипса тщательно проверять. Эти недостатки можно преодолеть, если применить новую систему СУНДВИГ для высушивания полосы (рис. 11). Система состоит из двух релаксационных валков, одного бесконтактного воздушного очистителя и вакуумного отсасы вателя.

Конструкция цривода моталки

По существующей технологии на современных реверсивных прокатных станах в качестве главного привода клети стана и моталки применяют электродвигатель постоянного тока. Необходимую высокую мощность обычно распре деляют на 2—3 объединенных двигателя. Это решение ймеет один существенный недостаток: несколько электродвигателей, муфт, валов, шестерен и шпинделей моталки образуют "меткую" систему с низкой жесткостью крутящего момента, мешающей быстрому управлению колебаниями натяжения полосы, которые непосредственно сказываются на колебаниях толщины проката, управляют недостаточно хорошо.

Этих недостатков можно избежать с помощью конструкции моталки фирмы СУНДВИГ— СИМЕНС, которая отличается от обычного решения двумя главными чертами. Вопервых, для главного привода применяют не электродвигатель постоянного тока, а синхронный двигатель переменного тока с прямым преобразователем переменного тока в качестве источника питания. Вовторых, была предложена новая конструкция привода моталки (рис. 12).

Вал моталки одновременно .является валом ротора электродвигателя привода, а подшипники моталки установлены внутри двигателя.

Увеличение диаметра оправки реверсивной моталки осуществляется экспандирующим цилиндром, расположенным вне электродвигателя, который управляет изменением диаметра оправки через полый вал электродвигателя.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 3, Москва 1994