Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОЙ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТОНКИХ ПОЛОС НА МНОГОКЛЕТЕВОМ СТАНЕ

Изобретение относится к технологии прокатного производства, конкретно к технологии непрерывной прокатки тонких полос, и может быть использовано на четырехклетевых широкополосных станах холодной прокатки.

Известен способ непрерывной прокатки тонких полос на многоклетевом стане, включающий обжатие полосы в несколько проходов с сопутствующим контролем путем измерения и/или расчета по математическим моделям ряда параметров прокатки: относительных обжатий по клетям, геометрических параметров подката и готового раската, натяжений полосы между клетями, определение для каждой i-клети с помощью математической модели очага деформации длины пластического участка Х_пл, длины зоны отставания Х_{пл.отст} на этом участке и их отношения характеризующего положение нейтрального сечения в очаге деформации, корректировку на основе и по результатам этих действий относительных обжатий в клетях и натяжений полосы между клетями до достижения, прежде всего, в последней клети максимально возможного приближения к значению X_i=1 (патент РФ №2238809, МПК⁷ В21В 1/28, 2004 г.) [1].

Этот способ является ближайшим аналогом изобретения.

Известный способ, в какой-то степени решая задачу повышения качества (чистоты поверхности) получаемых полос, вместе с тем имеет и свои недостатки.

В известном способе показано, что, чем больше в клети с номером «i» значение X_i, тем большую часть очага деформации занимает зона отставания, в которой касательные силы, приложенные к полосе со стороны валков, направлены вперед по ходу прокатки, в результате чего эти силы эффективно выносят из очага деформации механические и жировые загрязнения. При этом чем меньше длина зоны опережения, в которой касательные силы направлены в противоположную сторону, тем меньше препятствий встречают на своем пути эти загрязнения и тем эффективнее происходит самоочистка очага деформации от грязи. При предельном значении величины X_i=1, когда весь очаг деформации состоит только из зоны отставания, загрязнения выносятся из такого очага беспрепятственно, и поверхность полосы оказывается наиболее чистой.

На величину X_i, согласно [1], воздействуют путем перераспределения между клетями относительных обжатий и межклетевых натяжений, однако, возможности этого перераспределения ограничены технологическими и эксплуатационными факторами (предельно допустимым усилием прокатки и предельно допустимыми максимальным и минимальным значениями межклетевых натяжений), поэтому на практике редко удается достичь в клетях максимального значения Х_i=1, в первую очередь стремятся максимально увеличить X_i в последней клети, откуда выходит со стана готовая полоса.

Исследованиями установлено, что увеличение Х_i, улучшая чистоту поверхности полосы, одновременно увеличивает расход энергии, затрачиваемой на процесс прокатки, так как эта энергия расходуется только в зоне отставания, а в зоне опережения полоса возвращает валкам часть затраченной энергии. Следовательно, задача экономии энергии вступает в противоречие с задачей улучшения чистоты поверхности полос (Гарбер Э.А. Станы холодной прокатки (теория, оборудование, технология). М.: Черметинформация. Череповец: ГОУ ВПО ЧГУ, 2004 г., с.92-103; 200-208) [2].

Чтобы преодолеть это противоречие, в [2] рекомендуется в промежуточных клетях многоклетевого стана (на пятиклетевом стане - это клети №2 и №3), где расход энергии обычно больше, чем в других клетях, уменьшать показатель Х_i, обеспечивая тем самым экономию энергии, а в последних клетях, где расход энергии обычно меньше (на пятиклетевом стане - это клети №4 и №5), увеличивать показатель Х, тем самым улучшая чистоту поверхности полосы непосредственно на выходе из непрерывного многоклетевого стана. Такой метод при числе рабочих клетей 5 и более обеспечивает положительный результат: экономия энергии в промежуточных клетях перекрывает ее несколько повышенный расход в последних клетях, приводя в целом по стану к экономии энергии от 4 до 8%, при этом некоторое ухудшение чистоты поверхности полосы на выходе из промежуточных клетей компенсируется ее улучшением в последних клетях, в результате готовая полоса имеет чистоту поверхности, отвечающую требованиям стандартов [2, с.205-208]. Понятно, что интерес представляет качество (чистота) поверхности именно готовой полосы: чистота поверхности, получаемая на выходе из промежуточных клетей стана, является лишь одним из факторов, определяющих именно эту, конечную чистоту поверхности полосы, выходящей из последней клети стана.

Вместе с тем для стана с числом клетей меньше пяти, в частности для четырехклетевого стана, этот способ прокатки, как установлено, не дает должного эффекта, т.к. клеть №3 этого стана, с одной стороны, является промежуточной, следовательно, в ней, согласно этому способу, надо уменьшать показатель X_i для экономии энергии, а с другой стороны, эта клеть является предчистовой и в ней для улучшения чистоты поверхности полосы, согласно тому же способу, надо увеличивать показатель X_i.

Поэтому, чтобы на четырехклетевом стане одновременно экономить энергию и прокатывать полосу с отвечающей требованиям чистоты поверхностью, нужен иной подход: с помощью рекомендаций, данных в известных источниках [1, 2], эту задачу решить не представляется возможным.

Способ [1] оставляет и некоторые другие возможности его совершенствования, в том числе применительно конкретно к четырехклетевому стану холодной прокатки полос.

Во-первых, в известном способе не рассмотрены возможности экономии энергии за счет более полной загрузки первой клети непрерывного стана, для которой на многих станах задают относительное обжатие в тех же пределах, что и в последующих клетях (от 20 до 32%), не учитывая при этом, что сопротивление деформации металла, не успевшего получить наклеп, в первой клети на 30-50% меньше, чем в последующих клетях.

Во-вторых, в нем не указаны конкретные для каждого межклетевого промежутка диапазоны удельных межклетевых натяжений, позволяющие не только уменьшить вероятность обрывов полос, но и экономить энергию при получении надлежащей чистоты поверхности полос. В [2, с.142] дана рекомендация относительно используемого диапазона удельных межклетевых натяжений:

где σ_i - удельное натяжение на выходе из i-клети;

σ_0,2i - сопротивление деформации полосы на выходе из i-клети (в качестве меры сопротивления деформации при холодной прокатке используют величину σ_0,2i - условного предела текучести).

Однако эта рекомендация носит общий характер и не привязана к конкретным межклетевым промежуткам, хотя опыт работы станов и расчеты по математическим моделям показали, что для экономии энергозатрат и улучшения чистоты поверхности полос в первом межклетевом промежутке целесообразно устанавливать натяжение, близкое к нижней границе выражения (1), а в последних - близкое к верхней границе выражения (1).

Техническим результатом изобретения является снижение энергозатрат при холодной прокатке полос на четырехклетевом непрерывном стане, при одновременном обеспечении надлежащей чистоты поверхности полос и уменьшении вероятности их обрывов.

Технический результат достигается тем, что в способе непрерывной холодной прокатки тонких полос на многоклетевом стане, включающем обжатие полосы в несколько проходов с сопутствующим контролем путем измерения и/или расчета по математическим моделям ряда параметров прокатки: относительных обжатий по клетям, геометрических параметров подката и готового раската, натяжений полосы между клетями, сопротивления деформации полосы на входе в стан и выходе из каждой клети, определение для каждой i-клети с помощью математической модели очага деформации длины пластического участка Х_пл, длины зоны отставания Х_{пл.отст} на этом участке и их отношения характеризующего положение нейтрального сечения в очаге деформации, корректировку на основе и по результатам этих действий относительных обжатий в клетях и натяжений полосы между клетями до достижения, прежде всего, в последней клети максимально возможного приближения к значению Х_i=1, согласно изобретению при прокатке на четырехклетевом стане дополнительно контролируют путем измерения и/или расчета фактическую рабочую мощность электродвигателя главного привода первой клети, и относительное обжатие в этой клети устанавливают, исходя из условия загрузки этого электродвигателя в диапазоне 80-95% от максимального паспортного значения его мощности, дифференцируют это обжатие в зависимости от диапазонов толщин и суммарных относительных обжатий прокатываемых полос, относительное обжатие в четвертой клети устанавливают в пределах 5-15%, а оставшуюся часть суммарного относительного обжатия распределяют между второй и третьей клетями поровну, допуская для третьей клети отклонение от этого условия в сторону увеличения в ней относительного обжатия не более чем на 15% от суммарного обжатия во второй и третьей клетях.

Кроме того, при прокатке с суммарным относительным обжатием 70-79% полос толщиной до 0,6 мм относительное обжатие в первой клети устанавливают в пределах 36-38%.

Кроме того, при прокатке с суммарным относительным обжатием 60-69% полос толщиной от 0,6 до 1,4 мм относительное обжатие в первой клети устанавливают в пределах 26-28%.

Кроме того, при прокатке с суммарным относительным обжатием 50-59% полос толщиной свыше 1,4 мм относительное обжатие в первой клети устанавливают в пределах 18-20%.

Кроме того, удельные натяжения полосы на выходе из первой клети устанавливают в диапазоне где - условный предел текучести полосы после первой клети.

Кроме того, удельные натяжения полосы на выходе из второй и третьей клетей устанавливают в диапазоне σ_i=(0,21-0,22)σ_0,2i.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Указанные в нем количественные значения относительных обжатий и межклетевых натяжений полосы получены с использованием новой математической модели процесса холодной прокатки, изложенной и обоснованной в [2, с.30-115]. Ее преимущество состоит в определении усилий и мощности прокатки с погрешностью 5-7%, в 4-6 раз меньшей, чем с помощью большинства других известных, в том числе - классических моделей.

Столь высокая точность указанной модели достигнута за счет следующих особенностей, отличающих ее от большинства других моделей:

1. Контактные напряжения в очаге деформации определяются с учетом не только пластических, но и упругих участков очага деформации, в которых вместо уравнения пластичности использовано уравнение упругости.

2. Расход энергии и мощность процесса прокатки определяются с учетом работы как нормальных, так и касательных сил, противоположно направленных в зонах отставания и опережения.

3. Коэффициент трения в очаге деформации более достоверно определяется с учетом реальных свойств смазочно-охлаждающей жидкости уровня контактных напряжений, шероховатости валков и скорости прокатки.

Высокая точность указанной модели, доказанная надежными статистическими методами, позволяет с ее помощью более достоверно определять показатель Х_i, характеризующий положение нейтрального сечения в очаге деформации каждой рабочей клети, и благодаря этому, варьируя между клетями обжатия и натяжения, воздействовать на этот показатель таким образом, чтобы в четвертой клети он был максимально возможно приближен к значению Х_i=1; в третьей клети подбирать такое его значение, чтобы, с одной стороны, он был сравнительно высоким и обеспечивал поступление в четвертую клеть достаточно чистой полосы, с другой стороны, чтобы в третьей клети этот показатель не достигал максимально возможной величины, что вызвало бы расход в этой клети излишней энергии; во второй клети - устанавливать показатель X_i возможно меньшим, так как эта клеть весьма энергоемкая и сокращение в ней затрат энергии с лихвой скомпенсирует некоторое увеличение этих затрат в других клетях, а некоторое ухудшение степени очистки в ней поверхности полосы будет устранено в третьей и четвертой клетях.

Еще одно преимущество используемой в изобретении новой модели процесса холодной прокатки состоит в более точном по сравнению с другими моделями учете влияния на мощность прокатки межклетевых натяжений. Установленные общие диапазоны удельных межклетевых натяжений, не превышающие 22% от величин сопротивления деформации полосы, гарантируют отсутствие обрывов (за счет не менее, чем пятикратного запаса растягивающих напряжений относительно их предела прочности на разрыв). В то же время в изобретении дифференцированы диапазоны натяжений по клетям: после первой клети (0,18-0,20)σ_0,2i после второй и третьей клетей (0,21-0,22)σ_0,2i, что позволяет воздействовать на показатели X_i, этих клетей, достигая указанных выше оптимальных значений этих показателей.

Таким образом, изобретение реализует принципиально новую наукоемкую технологию холодной прокатки полос на непрерывном четырехклетевом стане, которая была бы невозможна без использования новой математической модели процесса прокатки. Способ согласно изобретению позволяет реализовать такие преимущества в части экономии энергии, очистки поверхности полос и уменьшения вероятности их обрывов, которые другими способами прокатки реализовать было бы невозможно.

Указанные преимущества поясняются на конкретном примере реализации способа непрерывной холодной прокатки на четырехклетевом стане «1700» полосы из стали марки 08кп шириной 1000 мм, толщиной 0,6 мм из подката толщиной 2,0 мм.

Общие диапазоны относительных обжатий в первой клети этого стана, рекомендуемые в формуле изобретения, сведены в таблицу 1.

Относительное обжатие в первой клети, установленное в пределах, указанных в таблице 1, позволяет обеспечить загрузку электродвигателей главной линии привода этой клети на 80-95%.

В таблице 2 приведен конкретный пример режима прокатки, реализующий все признаки изобретения: относительное обжатие в первой клети ε₁=38% соответствует диапазону 36-38%, относительное обжатие в четвертой клети ε₄=5% находится в диапазоне 5-15%, оставшаяся часть суммарного обжатия распределена примерно поровну между клетями №2 и №3: ε₂=28,23%, ε₃=28,99%, некоторое превышение обжатия в третьей клети не выходит за границу 15% от суммарного обжатиям этих двух клетях; удельное натяжение на выходе из первой клети удельное натяжение на выходе из второй клети удельное натяжение на выходе из третьей клети составляет

В таблице 2 обозначены: V_i - скорость прокатки, h_i-1 и h_i - толщины полосы на входе и выходе из i-й клети, ε_i - частное относительное обжатие в i-й клети, ε_Σi - суммарное относительное обжатие в i-й клети, Р_i - усилие прокатки в i-й клети, σ_0,2i - сопротивление деформации (условный предел текучести) полосы на выходе из i-й клети, N_{дв.расчi} - расчетная мощность двигателя главного привода i-й клети.

Все расчетные величины, приведенные в таблице 2 и во всех последующих таблицах (σ_i-1, σ_i, σ_0,2i, X_i, P_i, N_{дв.расчi}), получены по новой модели процесса прокатки, и поскольку эта модель учитывает дополнительно ранее не учитывавшиеся факторы, эти величины являются более близкими к реальным.

При обжатии в первой клети ε₁=38% загрузка двигателя ее главного привода составляет 4554 кВт, то есть около 95% от паспортной мощности, равной 4800 кВт, а суммарная мощность всех двигателей N_двΣ=10106 кВт.

Любые отклонения от диапазонов обжатий и натяжений, указанных в отличительных признаках изобретения, уменьшают эффективность режима прокатки, приведенного в таблице 2.

Так, если относительное обжатие в первой клети установить больше, чем 38%, например, 39%, то загрузка двигателя клети превысит 95% от паспортной мощности, что не позволит компенсировать колебания обжатий, натяжений и скоростей при прокатке, составляющие на большинстве станов 5-10% от заданных при настройке значений. В результате в случаях таких колебаний может произойти перегрузка двигателей, что недопустимо.

Если относительное обжатие в первой клети установить меньше, чем 36%, например, 35,5%, то потребуется увеличить обжатия во второй и третьей клетях (вариант такого режима представлен в таблице 3). Это приведет к увеличению в клетях №2 и №3 мощности двигателей, в результате чего суммарная потребляемая станом мощность возрастет на 84 кВт или на 0,82%, что экономически невыгодно.

Если установить относительное обжатие в четвертой клети больше 15%, например, 16%, то получим снижение показателей X_i во второй, третьей, четвертой клетях, что приведет к увеличению загрязненности поверхности полосы (такой вариант режима прокатки показан в таблице 4).

Если установить в 4-й клети относительное обжатие меньше 5%, например, 4%, то потребуется увеличить обжатия во второй и третьей клетях, что приведет к увеличению в них мощности, в результате суммарная потребляемая станом мощность и расход энергии в целом по стану возрастут по сравнению с оптимальным режимом (таблица 2) на 0,8-1%, что экономически невыгодно.

Если, вместо того, чтобы относительные обжатия между второй и третьей клетями распределить поровну, как это предусмотрено в оптимальном режиме (таблица 2), увеличить обжатие во второй клети за счет снижения обжатия в третьей клети (вариант такого режима представлен в таблице 5), то получим существенное уменьшение показателя X_i в предчистовой третьей клети, что приведет к поступлению в четвертую клеть полосы с более грязной поверхностью и - как следствие - к ухудшению чистоты поверхности полосы на выходе из стана. При этом суммарная потребляемая станом мощность также несколько увеличится (на 0,3%).

Если увеличить обжатие в третьей клети более чем на 15% от суммарного обжатия во второй и третьей клетях за счет снижения обжатия во второй клети (вариант такого режима представлен в таблице 6), то суммарная потребляемая двигателями стана мощность возрастет на 19 кВт (или на 0,2%), что экономически невыгодно. При этом некоторое увеличение показателя X_i в третьей клети скомпенсируется соответствующим уменьшением показателя X_i во 2-й клети, и в целом чистота поверхности полосы на выходе из стана практически не изменится.

Таким образом, вариант распределения обжатий, представленный в таблице 2, соответствующий признакам изобретения, является наиболее выгодным, поскольку он обеспечивает минимум затрат энергии и надлежащую чистоту поверхности полосы.

Рассмотрим далее варианты режимов прокатки, в которых относительные обжатия распределены оптимально, согласно таблице 2, а межклетевые натяжения заданы с отступлениями от диапазонов, указанных в признаках изобретения и в таблице 2.

Если после первой клети удельное натяжение установить меньшим, чем например, 90 МПа, вместо 94 МПа, это будет иметь два негативных последствия. Во-первых, как показывает опыт многих станов, при удельных натяжениях, меньших 18% от сопротивления деформации полосы, полоса теряет осевую устойчивость: возможны ее отклонения влево или вправо от оси прокатки, что может приводить к аварийным ситуациям на стане (порезам валков, обрывам полосы и так далее). Во-вторых, чем меньше переднее натяжение полосы, тем больше расход энергии двигателя главного привода i-й клети, который, как показано выше, загружен до 95% паспортной мощности, и еще большая загрузка его недопустима.

Если после первой клети установить удельное натяжение полосы больше, чем 20% от величины то в этой клети мощность двигателя снизится с 4554 кВт до 4487 кВт, но во второй клети мощность возрастет с 2166 кВт до 2323 кВт (так как переднее натяжение в первой клети для второй клети является задним натяжением, рост которого существенно увеличивает энергозатраты). В результате суммарная мощность, потребляемая станом, увеличится на 90 кВт, или на 0,9%, что экономически невыгодно.

Если удельные натяжения полосы во втором и третьем межклетевых промежутках (после второй и третьей клетей) установить больше предельных значений указанных в отличительных признаках изобретения, то возрастет вероятность порывов полос (22% от сопротивления деформации полосы - предельно допустимое значение удельного натяжения, установленное технологическим регламентом многих современных станов).

Если удельные натяжения полосы после второй и/или третьей клетей установить меньше минимальных значений указанных в отличительных признаках изобретения, то показатель X_i в последней клети существенно снизится, то есть со стана будет выходить менее чистая полоса, кроме того, несколько возрастет суммарная мощность, потребляемая станом.

Вариант такого режима представлен в таблице 7. В ней удельные натяжения на выходе из второй и третьей клетей заданы величинами, составляющими 20% от соответствующих пределов текучести: σ₂=135 МПа, σ₃=147 МПа. В результате показатель X_i в четвертой клети снизился с 0,7988 до 0,7841, а суммарная мощность увеличилась с 10106 кВт до 10115 кВт.

Таким образом, показано, что технический результат изобретения (снижение энергозатрат при получении надлежащей чистоты поверхности прокатанной полосы) достигается при использовании технологических параметров прокатки в рекомендованных диапазонах, и только в этих диапазонах.