Температурный режим прокатки

Известны два направления решения температурной задачи при прокатке металла. Одно из них базируется на теоретических зависимостях процесса теплопередачи (теплоотдачи), а другое – на статистическом анализе результатов экспериментальных исследований изменения температуры прокатываемых полос в технологической линии стана горячей прокатки.

Сложность использования математических моделей, составленных на базе дифференциальных уравнений теплового баланса прокатываемой полосы (потери тепла излучением, конвекцией, теплопередачей валкам и привалковой арматуре, охлаждением водой и повышение температуры за счёт выделения энергии пластической деформации), безотносительно к конкретному прокатному стану.

Модель, созданная только в результате теоретического анализа, хотя и является универсальным средством прогнозирования температуры прокатываемых полос, всегда требует экспериментального подтверждения.

И не случайно, практически все существующие модели температурных условий прокатки металла содержат корректирующие коэффициенты, величина которых не всегда чётко аргументирована.

В этой связи, представляет научно-практический интерес описание процессов теплопередачи статистическими зависимостями. Статистическую модель температурных условий процесса прокатки строят на основе данных экспериментального (как правило, в производственных условиях) изменения температуры полос на различных технологических участках прокатного стана. При этом, общая структура модели должна вытекать из физической природы изучаемого явления и содержать, в качестве аргумента, основные параметры технологического процесса, легко контролируемые (измеряемые) и регулируемые в необходимых пределах.

В настоящее время нет оснований говорить об абсолютном преимуществе того или иного способа построения математической модели реального физического процесса.

Расчёт температурных режимов прокатки на эксплуатируемых станах, а тем более алгоритмы управления и контроля температурного режима, целесообразно выполнять с использованием экспериментально – статистических моделей или математических зависимостей, аппроксимирующих теоретические модели.

На современных высокоскоростных непрерывных сортопрокатных станах, в отличие от листопрокатных различной специализации, не всегда удаётся обеспечить требуемый уровень температуры окончания прокатки металла (для низкоуглеродистой стали – не ниже 860⁰С) и поэтому в их технологических линиях установлены устройства для ускоренного водяного или паровоздушного охлаждения прокатываемого металла (а на крупносортных станах используются регламентируемые по времени остановки раскатов (как правило, на передаточных шлепперах) или уменьшения скоростей промежуточных транспортных устройств. Высокий уровень температуры окончания прокатки металла на непрерывных сортопрокатных станах обеспечил реализацию энергосберегающей технологии за счёт внедрения термомеханического упрочнения прокатанного металла в потоке стана (ускоренное охлаждение горячего проката), получения высоких физико-механических свойств проката, что исключает необходимость проведения его внепоточной термической обработки.

Автор проекта и изготовитель технологического оборудования мелкосортно – среднесортного стана 350 ОЭМК – машиностроительная фирма Скэт –Хандель ГМбХ (г.Магдебург, ФРГ) выполнила расчёт температурного режима прокатки металла в рабочих клетях технологических линий стана (позиции 2,4 и 6 рисунка 1.2), используя собственные математические модели. Графики приводятся в [1], книга III, стр. 159, рис.84. При прокатке стали марок 60С2, ШХ 15, 18Х1Н4ВА и Ст3 в мелкосортной линии стана температура металла увеличивается до 1000⁰С (труднодеформируемая сталь, готовый профиль - круг диаметром 12мм, скорость прокатки – 18м/с), а в среднесортной линии стана – увеличивается более чем на 100⁰С (соответственно32мм, 8м/с).

На графиках чётко прослеживается повышение температуры прокатываемого металла за счёт выделения энергии его пластической деформации (особенно при сравнительно низких температурах нагрева металла перед его прокаткой).

Вопросы, касающиеся методики расчёта температурного режима горячей прокатки стали, наиболее полно освещаются в [13 и 15] и поэтому ниже приводятся расчётные формулы, необходимые для выполнения расчетных заданий и дипломных проектов.

Для стана 700 ОАО «ОЭМК» общий принцип расчета температурного режима прокатки сводится к следующим операциям.

По технологической инструкции СПЦ-1 [8], в зависимости от марки стали, указанной в задании на выполнение курсового проекта, устанавливается температура выдачи металла из нагревательной печи №3, т.е. температура начала прокатки металла на стане исходных заготовок, выданных из других нагревательных печей, будет несколько выше, что не исказит результат расчёта величин энергосиловых параметров прокатки металла на стане.

Уменьшение температуры поверхности исходной заготовки (300х360х120000мм, 10т) за счёт теплоизлучения вычисляется по формуле В.А.Тягунова:

,⁰С. (4.1)

где τ – время охлаждения заготовки (раската) на рольганге (шлеппере), с;

, с. (4.2)

где L – путь транспортировки заготовки (раската), м

V_Р – скорость транспортировки заготовки (раската) по рольгангу (шлепперу), м/с.

h – толщина заготовки (раската), мм;

Т₀ – температура начала периода охлаждения заготовок (раската), К.

Формула Г.П.Иванцова – М.М.Сафьяна (для углеродистой стали):

,⁰С. (4.3)

Формула В.М. Луговского :

,⁰С. (4.4)

Снижение температуры заготовки (раската) под гидросбивом окалины (по эмпирической формуле И.М.Мееровича, полученной для стана 2000 НЛМК):

,⁰С. (4.5)

где n – количество коллекторов в гидросбиве окалины.

V – скорость транспортировки заготовки (раската) в зоне работы гидросбива, м/с.

Снижение температуры раската за время прокатки в одной клети (в каждом пропуске раската в клети 1000) вычисляется по формуле В.А.Тягунова:

,⁰С. (4.6)

Для прокатки металла в непрерывных группах рабочих клетей стана, уменьшение температуры переднего конца раската за время его прокатки в калибре рабочей клети и перемещения к калибру следующей рабочей клети вычисляется по формуле Г.П.Иванцова, использовавшего метод А.И. Целикова (в формуле учитываются только основные составляющие температурного баланса прокатываемого раската : потеря тепла излучением и разогрев металла за счёт выделения энергии пластической деформации металла):

, (4.7)

где - периметр поперечного сечения раската после прохода;

- площадь поперечного сечения раската после прохода;

- увеличение температуры металла за счет выделения тепла пластической деформации;

- время движения раската от -ой клети до следующей.

Величина определяется по формуле:

(4.8)

где – вытяжка раската в проходе;

– сопротивление металла деформации или среднее давление металла на валки в проходе.

Обращается особое внимание студентов на последовательность математических операций при выполнении вычислений по формуле (8.7):

- принимается значение [ ] и вычисляется величина температуры металла, выходящего из i-ой клети;

- по методу термомеханических коэффициентов В.И. Зюзина или методу М.Я. Бровмана [1,4, 6, 11 или 13] вычисляется значение сопротивления металла деформации [ ];

- по формуле (8.8) вычисляется значение [ ] , подставляется в формулу (8.7) и корректируется величина снижения температуры металла в клети, с учётом разогрева металла выделяющейся энергией пластической деформации.

Сопротивление металла деформации, как способность метала воспринимать внешнюю нагрузку, зависит от трех параметров: величины обжатия , скорости деформации и температуры прокатки . Поэтому для нахождения берется значение температуры раската, входящего металла в i-ую клеть.

Методики определения величин сопротивления металла деформации и других энергосиловых параметров рассмотрены в [1,2,4,6,11 и 13], а также в разделе 10 методического пособия. Рекомендуется пользоваться учебным пособием [13], составленным авторами данного методического пособия.

Как указывалось выше, температурный режим прокатки рассчитывается для «головной» части раската. В качестве проверки, можно произвести расчет по «хвостовой» части раската, так как температура по длине заготовки может существенно отличаться. Расчет ведется аналогично, с учетом того, что задний конец раската (его «хвост») прокатывается в любой клети непрерывного стана в течение машинного времени прокатки металла в непрерывной группе рабочих клетей стана (в формулу 8.7 необходимо вводить значение [ ], величина которого находится делением длины полосы, выходящей из последней клети непрерывной группы на скорость прокатки металла в этой клети.

При прокатке металла в мелкосортной линии стана 350, в которой установлена проходная подогревательная печь–термостат (позиция 3 рисунка 1.2), в рабочем пространстве которой постоянно поддерживается температура порядка 900⁰ С, выполнение такого проверочного расчёта не требуется.

Для стана 350 ОАО «ОЭМК» в расчёте используются те же формулы, кроме формулы 8.6. Температура конца прокатки металла не должна быть ниже 860⁰С для обеспечения условий формирования комплекса физико-механических свойств проката за счёт деформационно-термического упрочнения металла в технологическом потоке стана (в его мелкосортной и среднесортной линиях). При достижении чрезмерно высоких температур окончания прокатки металла в мелкосортной стане (выше 900⁰С), за клетью 18В включается система ускоренного охлаждения раскатов водой высокого давления – 16МПа. Система способна понизить температуру прокатываемого раската на (50…75)⁰С.

Результатом выполнения расчёта температурного режима прокатки металла на стане будет итоговая таблица. Значения температуры металла в клетях прокатного стана необходимы для выполнения расчёта величин энергосиловых параметров прокатки (раздел 10 методического пособия), методика выполнения которого достаточно полно и подробно описана в [13].

Изменение температуры металла определяется по методу А.И. Целикова. (формула 8.7)

Методики определения сопротивления металла деформации и другие энергосиловые параметры рассмотрены в следующем параграфе.

Температурный режим рассчитывается по «головной» части раската. В качестве проверки можно произвести расчет по «хвостовой» части раската, так как температура по длине заготовки может существенно отличаться. Расчет ведется аналогично с учетом лишь того, что «хвост» отстает от «головы» на время, равное машинному времени прокатки.

Уменьшение температуры заготовки в зоне гидросбива окалины определяется по эмпирической формуле 4.5.