Расчет скоростного режима и производительности блюминга

Блюминги являются реверсивными станами. В течение каждого прохода частота вращения валков изменяется: происходит разгон валков до момента захвата полосы, затем идет прокатка с ускорением, при этом частота вращения валков может достигать максимально возможных значений по технической характеристике электропривода, затем происходит уменьшение частоты вращения валков, вплоть до остановки. Последовательность изменения скорости вращения валков повторяется при изменении направления вращения на противоположное. На рисунке 2.5 представлены основные схемы изменения частоты вращения валков за проход: треугольные (I, II) и трапецеидальные (III, IV). В треугольной схеме I можно выделить следующие отрезки времени: t_р - время разгона валков без раската, в течение которого частота вращения валков изменяется от 0 до n_з, при которой происходит захват полосы валками; t_у – время ускорения валков вместе с раскатом при изменении частоты вращения от n_з до n_м – максимальной скорости вращения; t_з – время прокатки с замедлением частоты вращения валков от n_м до n_в, при которой происходит выброс полосы из валков; t₀ – время остановки валков с уменьшением частоты вращения от n_в до 0. Машинное время прокатки в этом случае складывается из времени прокатки с ускорением и времени прокатки с замедлением валков:

t_маш = t_у + t_з. (2.52)

Возможно, что выброс полосы из валков будет происходить при максимальной частоте вращения валков:

n_в = n_м.

В этом случае t_з = 0 и машинное время будет равно только времени прокатки с ускорением (схема II).

Трапецеидальная схема III отличается тем, что в процессе прокатки с ускорением достигается максимальная по техническим возможностям электродвигателя или по технологическим соображениям частота вращения валков, и дальнейшая прокатка происходит при постоянной максимальной частоте вращения валков в течение отрезка времени t_п, а затем происходит снижение частоты вращения валков так же, как и при треугольной схеме. Машинное время прокатки будет равно:

t_маш = t_у + t_п + t_з. (2.53)

При n_в=n_м будет иметь место трапецеидальная схема IV, при которой

t_маш = t_у + t_п. (2.54)

Рисунок 2.5 – Схема изменения частоты вращения валков за проход: I, II – треугольные; III, IV – трапецеидальные.

Возможность практической реализации той или иной схемы изменения частоты вращения валков в течение прохода зависит от длины раската. При коротком раскате в первых проходах может быть реализована только треугольная схема (часто при n_в < n_м), так как короткий отрезок времени t_у не позволяет достигнуть значения n_м. При длинном раскате увеличение времени t_у позволяет достигнуть максимально допустимой частоты вращения валков и вести прокатку в течение некоторого отрезка t_п на максимальной скорости и далее с замедлением в течение t_з. Практически такая возможность появляется после первых двух проходов. При расчете скоростного режима прокатки на блюминге на выбор конкретной схемы изменения частоты вращения валков в каждом проходе оказывают влияние следующие соображения.

При коротком раскате возможна одна из треугольных схем - I или II. Схема I позволяет снизить скорость раската к концу прокатки, раскат недалеко отходит от валков, сокращается время на возврат раската к валкам при реверсе стана. В тех случаях, когда короткий раскат после прохода необходимо кантовать, применяют II треугольную схему. Выход раската из валков при максимальной скорости в данном проходе позволяет подать раскат к кантовальным крюкам на линейках манипулятора, которые находятся на значительном расстоянии от валков. При длинном раскате применяют трапецеидальную схему III типа. В последнем проходе, когда раскат направляют к МОЗ и далее к ножницам, применяется схема IV типа. Расчет скоростного режима прокатки должен определить такие скорости, которые позволяют прокатать слиток за минимальное время и, соответственно, получить максимальную часовую производительность стана.

Определим составляющие машинного времени прокатки. Время прокатки с ускорением равно:

(2.55)

где а – угловое ускорение вращения валков со слитком. Для новых двигателей величина а составляет 30 об/мин/с.

Время прокатки с замедлением равно:

(2.56)

где b – угловое замедление вращения валков со слитком (b= 60 об/мин/с).

Для определения времени прокатки с постоянной скоростью необходимо сначала определить длину прокатанных участков за каждый из отрезков машинного времени t_у ,t_з и t_п – l_у , l_з и l_п. Длина всего раската равна в каждом проходе:

(2.57)

где V – объем металла;

b и h – размеры сечения раската на выходе из валков;

0,97 – коэффициент, учитывающий закругления углов сечения.

Объем металла равен V = G/g, где G – масса слитка; g – плотность горячего металла.

Плотность металла в первых проходах увеличивается. Для кипящей стали в первом проходе можно принять g = 6,4¸6,5, во втором – 7,2, в третьем и всех последующих проходах – 7,5 т/м³. Для слитка спокойной стали плотность в первом проходе g = 7,0¸7,1, во втором – 7,4, в остальных проходах – 7,8¸7,85 т/м³.

Участок l_у, прокатанный за время t_у, со средней скоростью вращения валков n_ср.у = (n_з + n_м)/2, будет иметь длину:

, (2.58)

Аналогично получим выражение для определения длины участка, прокатанного за время замедления валков:

. (2.59)

Длина участка, прокатанного с постоянной скоростью, будет равна:

, (2.60)

Время прокатки этого участка равно:

, (2.61)

Машинное время прохода равно:

(2.62)

(2.63)

Если частота вращения валков изменяется по треугольной схеме I (t_п = 0), машинное время будет равно:

(2.64)

при схеме II:

(2.65)

Для расчета машинного времени прокатки по схемам I-IV при использовании формул (2.62) - (2.65) необходимо сначала определить максимально достигаемую частоту вращения валков при определенной длине раската l и заданной частоте вращения валков n_з и n_в.

Для схемы I:

(2.66)

откуда

(2.67)

При а = 30 об/мин/с, b = 60 об/мин/с получаем:

(2.68)

Для схемы II:

(2.69)

При а = 30 об/мин/с будем иметь:

(2.70)

Таким образом, при определении машинного времени прокатки в каждом проходе t_маш сначала необходимо по формулам (2.68) или (2.70) определить максимально достигаемую частоту вращения валков n_м при заданной длине раската l и частоте вращения валков при захвате n_з и выбросе n_в. Если полученное значение n_м не превышает ограничений по техническим возможностям привода или по технологическим соображениям, то прокатка ведется по выбранной треугольной схеме I и II, а машинное время рассчитывается по формулам (2.64) или (2.65).

Если расчетное значение максимальной частоты вращения валков превышает допустимую n_доп, то прокатка ведется по трапецеидальной схеме III или IV, а машинное время рассчитывается по формулам (2.62) или (2.63) при
n = n_доп.

При выборе значений n_з и n_в рекомендуется принимать: в I калибре в проходах без кантовки n_з = 10 – 15 об/мин, n_в = 15 – 20 об/мин, в проходах с кантовкой n_з = 10 – 15 об/мин, n_в=n_м , n_доп = 50 об/мин; во II и III калибрах в проходах без кантовки n_з = 15 - 30 об/мин, n_в = 20 - 40 об/мин, в проходах с кантовкой n_з = 15 - 30 об/мин, n_в=n_м , но не выше 50 об/мин, n_доп = 60 - 70 об/мин; в IV, V калибрах (выпускных) n_з = 30 - 40 об/мин, n_в=n_м,, n_доп = 80– 100 об/мин.

Для определения полного времени прокатки одного слитка Т (такта прокатки) необходимо выполнить расчет вспомогательного времени пауз между проходами (таблица 2.11).

Таблица 2.11 – Паузы при прокатке на блюмах (I – IV калибры).

В проходах без кантовки время паузы, необходимой для остановки и реверса валков и рольгангов, работы нажимного устройства, можно определить по следующей эмпирической формуле, полученной путем статистической обработки практических данных вспомогательного времени на различных блюмингах:

(2.71)

где v_ср=l/t_м,, м/с – средняя скорость прокатки в проходе перед паузой.

В проходах без кантовки время паузы обычно составляет 1,5 – 2,5 с.

Время паузы в проходах с кантовкой определяется по следующей формуле:

(2.72)

Паузы в проходах с кантовкой обычно находятся в пределах 2,5 – 3,5с.

Пауза после последнего прохода перед задачей следующего слитка обычно больше остальных пауз, так как необходимо выполнить значительный подъем верхнего валка для установки требуемого раствора валков в I калибре. Время подъема верхнего валка определяется расчетом по формуле:

(2.73)

где DH – разность показаний циферблата при прокатке в первом и последнем калибрах, мм;

v_наж – скорость перемещения верхнего валка при работе нажимного устройства, мм/с; u - ускорение при перемещении верхнего валка

(u= 100 – 150 мм/с²).

Такт прокатки одного слитка определяется как сумма машинного времени и времени вспомогательных операций по всем проходам:

(2.74)

Таблица 2.12 – Режимы скоростей прокатки на блюмингах.

Металлургический комбинат, стан	I	II	II, IV	Харакреристики двигателя
												Мощность кВт	п, об/ мин
ММК БЛ – 1180	130-50		30-35	30, 55-60*	130-70		35-35	30, 55-60*	120-90	955-985		30, 55-60*		65-90
Нижнетагильский БЛ – 1150	115-60		<30	<30, 60*	120-70		30-50	30, 60*	125-75	980-995		30, 60*		65-90
Макеевский завод БЛ – 1200	125-45		15-20	20-30, 50*	135-70		15-20	20-30, 50*	115-110		15-20	20-30, 50*		50-80
Заподносибирский БЛ – 1300	150-80		30-34	20-25, 50-60*	150-80		30-34	20-25, 50-60*	150-130		30-34	20-25, 50-60*	2х6800	60-90
Криворожсталь: БЛ – 1300 БЛ - 1250	120-60		25-30	30-35, 60*	130-70		25-30	30-35, 60*	120-90	1080-1110	25-30	30-35, 60-75	2х6800	60-90
115-65		15-25	20-25,	120-70		20-30	20-25, 60*	125-90		25-30	25-30, 60*	2х8000	50-120

* для схем прокатки II, IV (рисунок 2.5)

Производительность блюминга в горячий час по слиткам будет равна:

(т/ч) (2.75)

где G – масса слитка;

3600/Т– число прокатанных слитков за один час.

Динамический режим прокатки

Процесс прокатки не является статическим и нагрузка на привод меняется в течении цикла. Поэтому позволительны некоторые кратковременные перегрузки, при условии дополнительной проверки: расчета динамического режима прокатки. Суть этого расчета заключается в определении квадратичного момента за проход и суммарного квадратичного момента за время такта прокатки.

Крутящий момент на валу двигателя складывается из момента прокатки, момента холостого хода и динамического момента:

(2.76)

Момент прокатки развивается за счет давления металла на валки и трения на поверхности контакта «металл-валок», а также за счет трения в узлах главной линии:

, (2.77)

где - собственно момент прокатки, берется из расчетов энергосилового режима;

- момент трения в подшипниках валка, зависит от усилия прокатки и определяется по формуле:

, (2.78)

где - коэффициент трения,

- диаметр шейки валка;

-механический к.п.д. при передаче крутящего момента от электродвигателя к рабочим валкам.

Момент холостого хода необходимо развивать для поддержания вращения валков в паузах между прокаткой.

Динамический момент двигателя возникает при разгоне (торможении) за счет инерции тяжелых вращающихся частей.

Момент двигателя не зависит от частоты вращения, если частота вращения вала меньше или равна номинальной. Иначе момент уменьшается с ростом частоты вращения по обратно пропорциональной зависимости. Выражение (2.77) можно переписать в виде:

, (2.79)

где - функция понижения момента двигателя вследствие ослабления магнитного потока

Рисунок 2.6. - Изменение момента на валу двигателя, в зависимости от частоты вращения вала

Зная скоростной режим прокатки, можно построить эпюру моментов по правой части уравнения (2.76).

Для треугольной схемы характерны участки:

разгона: ,

ускорения: ,

замедления: ,

остановки: .

Для трапецеидальной схемы помимо вышеперечисленных присущ участок прокатки с постоянной скоростью: .

Максимальное значение момента не должно превышать номинального значения более чем в раз (формула 2.13). В обратном случае имеет место кратковременная перегрузка, поэтому рассчитываются квадратичный момент за проход и суммарный квадратичного момент за время такта прокатки. Они не должны превышать номинального момента.

Квадратичный момент за проход определяется по формуле:

. (2.80)

Знаменатель дроби в этом выражении представляет собой машинное время одного прохода .

Ниже рассмотрим различные частные случаи диаграмм. Введем обозначения: , , .

1.Треугольная схема, причем: , , (рисунок 2.7). Определим на отрезке времени . Опуская вычисления интеграла, окончательно получим:

, (2.81)

. (2.82)

Аналогично на отрезке : . (2.83)

(2.84)

2.Треугольная схема (рисунок 2.8): , ,

Рисунок 2.7. – Эпюра моментов при треугольной схеме при

, , .

Рисунок 2.8 – Эпюра моментов при треугольной схеме при

, , .

. Определим на отрезке времени :

. (2.89)

Определим на отрезке времени :

, (2.90)

. (2.100)

Аналогично на отрезке времени :

, (2.101)

. (2.102)

(2.103)

3.Треугольная схема, причем: , , (рисунок 2.9). Определим на отрезке времени : , (2.104)

. (2.105)

На отрезке времени : , (2.106)

. (2.107)

На участке замедления : . (2.108)

На отрезке времени определяется по формулам 2.101, 7.102.

(2.109)

4.Трапецеидальная схема, причем: , , (рисунок 2.10).

Рисунок 2.9 – Эпюра моментов при треугольной схеме при

, , .

Рисунок 2.10 – эпюра моментов при трапецеидальной схеме, при , , .

(2.110)

5.Трапецеидальная схема, причем: , , (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 – эпюра моментов при трапецеидальной схеме, при , , .

(2.111)

6.Трапецеидальная схема, причем: , , (рисунок 2.12).

(2.112)

Рисунок 2.12 – эпюра моментов при трапецеидальной схеме, при , , .

Аналогично определяется суммарный квадратичный момент:

, (2.113)