Низкотемпературная прокатка

Сущность процесса низкотемпературной прокатки (также встречается термин низкотемпературный нагрев) заключается в значительном, на 100…400 °С, уменьшении температуры начала прокатки. Такое снижение температуры нагрева приводит к существенному уменьшению расхода топлива на нагрев заготовок и времени нагрева. Последнее увеличивает производительность печи и снижает окалинообразование.

Низкотемпературная прокатка относительно давно и успешно применяется на тонколистовых широкополосных станах, а также на проволочных и сортовых станах. Проведенные исследования показали, что благодаря снижению температуры начала прокатки можно достигнуть сокращения расхода энергии до 120 МДж/т на среднесортном стане и 195 МДж/т — на мелкосортном.

С одной стороны снижение температуры нагрева на каждые 10° С сокращает расход топлива на 0,3…1,0 кг у.т./т и угар металла на 0,4…1,2 кт/т. С другой стороны, увеличивает расход электроэнергии на прокатку и износ валков на 1…2%, что обусловлено возрастанием сопротивления металла деформации и, соответственно, силы прокатки. Однако в денежном эквиваленте экономия расходов на топливо больше в 4 раза, чем дополнительные затраты на электроэнергию.

Одним из примеров реализации технологии низкотемпературной прокатки на сортовом стане является завод фирмы Fagerstad AB Osterbyverken (Швеция). На этом заводе технология низкотемпературной прокатки была применена при производстве мелкосортного проката квадратного сечения 10,5×10,5 мм из заготовок диаметром 70 мм из углеродистой стали. На стане снизили температуру начала прокатки с 1150 до 750 °С, то есть на 400 °С. А для прокатки заготовок из пружинной, подшипниковой, инструментальной и нержавеющей сталей допустимо снижать температуру начала прокатки до 800…950 °С. Снижение затрат энергии составляет от 306 до 468 Мдж/т.

Следует отметить, что при прокатке среднеуглеродистых сталей ~80% энергии тратится на нагрев металла до 1150°С. При снижении этой температуры до 750°С качество продукции остается соответствующим стандартам Швеции, а затраты энергии, невзирая на увеличение нагрузки двигателей стана, уменьшаются. При снижении температуры прокатки нержавеющих сталей до 800…950 °С затраты энергии уменьшаются на 13…20 %.

Еще одним из положительных эффектов от использования технологии низкотемпературной прокатки является снижение потерь тепла раскатом во время прокатки и транспортировки. В связи с тем, что теплоотдача от раската в окружающую среду зависит от 4-й степени абсолютной температуры (закон Стефана-Больцмана), снижение температуры нагрева приводит и к уменьшению потерь тепла во время прокатки и транспортировки раската.

Установлено, что потери тепла излучением при низкотемпературной прокатке уменьшаются до 70%. В то же время, зависимость потерь тепла в связи с контактом прокатываемого металла с валками от перепада температур носят линейный характер и уменьшаются при снижении температуры метала в меньшей степени.

С другой стороны приход энергии от разогрева металла в условиях пластической деформации, если прокатка ведется в одинаковых энергосиловых условиях, зависит только от числа проходов. Уменьшение температуры нагрева влечет за собой уменьшение разовых абсолютных обжатий, что приводит к увеличению числа проходов. Например, если при обычном режиме нагрева сляба в черновой клети ТЛС совершается 5…7 проходов, а в чистовой 9…11, то увеличение числа проходов до 9…15 в случае использовании технологии низкотемпературной прокатки вполне допустимо. Таким образом за счет увеличения количества проходов приход тепла только за счет тепла деформации может увеличится в 1,5 раза.

Несмотря на все преимущества, применение технологии низкотемпературной прокатки во многих случаях может ограничиваться допустимыми нагрузками на прокатное оборудование (в связи с возрастанием силы прокатки), а также требованиям к получению необходимой микроструктуры металла.

При разработке технологии низкотемпературной прокатки необходимо решить следующие задачи:

  • определить допустимую минимальную температуру нагрева металла с точки зрения обеспечения образования необходимой структуры;
  • рассчитать силу прокатки и произвести проверочные расчеты оборудования на прочность;
  • рассчитать расход топлива на нагрев и электроэнергии на прокатку при разных температурах нагрева;
  • оптимизировать температурный режим по минимуму энергозатрат (или по минимуму денежных затрат).

На рис. 29 в качестве примера представлены результаты расчетов расхода энергоносителей в зависимости от температуры нагрева для прокатки полосы толщиной 5 мм.

Изменение удельного расхода электроэнергии
Рис. 29. Изменение удельного расхода электроэнергии на прокатку (1), топлива на нагрев (2) и суммарного расхода энергии(3) при низкотемпературной прокатке полосы толщиной 5 мм

Из рисунка видно, что оптимальной температурой нагрева с точки зрения минимума энергозатрат в этом случае является температура 1000 °С.

Следует отметить, что для разных прокатных станов и типоразмеров проката оптимальная температура начала прокатки будет существенно отличаться.

Технология «сухой» прокатки

Еще одной перспективной технологией, которая позволяет сократить потери тепла является «сухая» прокатка. Данная технология заключается в препятствовании попаданию воды из системы охлаждения валков на прокат благодаря применению замкнутых систем охлаждения.

Это позволяет избегать дополнительных потерь тепла раскатом от контакта с охлаждающей водой. Для избегания этих потерь необходима тщательная изоляция раскатов от охлаждающей жидкости, потому как вода забирает наибольшее количество тепла при контакте с поверхностью полосы. Поэтому при разработке замкнутых систем охлаждения важнейшим моментом является создание надежных уплотнений между валками и самой системой.

Предупреждение попадания воды на поверхность раската уменьшает скорость его охлаждения, что приводит к уменьшению силы прокатки или позволяет нагревать металл до меньшей температуры, тем самым экономя энергоносители.

Охлаждение поверхности валков делается более эффективным, что увеличивает срок их службы за счет уменьшения поверхностных напряжений, которые ведут к образованию трещин, и износа. Для осуществления «сухой» прокатки разработано устройство, изображенное на рис. 30.

Устройство для осуществления процесса «сухой» прокатки
Рис. 30. Устройство для осуществления процесса «сухой» прокатки: 1 – корпус защитного кожуха; 2 – бурты кожуха; 3 – подушки валка; 4 – рабочий валок; 5 – кронштейн; 6 – обтирочный брус; 7 – пружинная основа; 8 – боковые уплотнения; 9 – планка; 10 – антифирикционный материал; 11 – эластичная прокладка; 12 – тросик; 13 – сливной патрубок

Устройство устанавливается на рабочих валках клети кварто и состоит из двух ограждающих кожухов, каждый из которых имеет корпус и боковые бурты. Обтирочный брус, который обеспечивает отжим воды с поверхности валка изготавливается из нескольких независимых между собой частей для лучшего прилегания к поверхности валка. Боковые уплотнения выполнены как набор брусков из эластичного и антифрикционного материалов.

Во время перевалки оба кожуха прикрепляются к валковому комплекту вне прокатной клети и заводятся в клеть вместе с валками. Уплотнение прижимается к бочке валка под собственным весом кожухов и обеспечивает отжим охлаждающей жидкости с поверхности валка и не попадание ее на раскат. Охлаждающая жидкость после отжима с поверхности валка сливается через отверстия с патрубками.

Также благодаря использованию этого устройства жидкость из систем охлаждения валков не вымывает смазку из подшипниковых узлов нижних валков, что увеличивает срок их службы.

Оптимизация режима обжатия полос на ШСГП

Оптимизация режима обжатия полос на ШСГП сводится к распределению суммарного обжатия между чистовой и черновой подгруппой и, соответственно, выбору толщины раската на промежуточном рольганге.

Снижение толщины подката перед чистовой группой клетей ШСГП за счет большего суммарного обжатия в черновых клетях позволяет снизить затраты электроэнергии на 2…4%, так как большая часть деформации происходит при высокой температуре и более низком сопротивлении деформации. Но при этом возникают дополнительные затраты топлива на нагрев слябов до более высоких температур, так как на промежуточном рольганге более тонкая полоса остывает более интенсивно.

При относительно большой толщине подката на промежуточном рольганге увеличивается расход электроэнергии на прокатку в чистовой группе клетей.

Таким образом, зависимость удельных затрат энергии от толщины подката носит экстремальный характер (рис. 31) минимум которого соответствует какому-то среднему значению толщины подката.

Расход энергоносителей в зависимости от толщины полосы на промежуточном рольганге
Рис. 31. Расход энергоносителей в зависимости от толщины полосы на промежуточном рольганге

Понятия «толстая» и «тонкая» величина подката могут колебаться в зависимости от конструктивных параметров стана. Применительно к ШСГП эффективным средством экономии электроэнергии является установка мощной дополнительной клети «М» перед чистовой подгруппой. Ее использование позволяет увеличить толщину подката на промежуточном рольганге примерно в два раза и, соответственно, уменьшить потери тепла на нем, одновременно уменьшив толщину подката для чистовой группы.

Установка такой клети на одном из японских станов позволила увеличить толщину подката с 27…32 мм до 46…60 мм, уменьшить потери тепла раскатом на 50%, снизить температуру нагрева слябов на 100 °С, и за счет этого уменьшить расход топлива на 5,8 кг у.т./т. Также это дало возможность увеличить массу слябов за счет меньшей длины раската на промежуточном рольганге и, соответственно, уменьшить отходы в обрезь.

Оптимизация режимов обжатий на ТЛС

Из анализа существующих режимов обжатий на ТЛС известно, что для обеспечения одной и той же производительности стана может использоваться большое число вариантов схем прокатки. Поэтому оптимальными должны быть такие варианты, которые обеспечивают минимальный удельный расход энергии при заданной производительности стана.

При прокатке листов на ТЛС оптимальное соотношение суммарных обжатий составляет 75% в черновой и 25% в чистовой клетях.

Что касается распределений обжатий по проходам, то проведенные ДонНИИчерметом расчеты показали, что при одинаковом числе проходов и производительности толстолистового стана в большинстве случаев возможно снизить удельный расход энергии путем увеличения обжатий при параметре формы очага деформации формула и снижения обжатий в пропусках, в которых формула

Экспериментальные исследования, проведенные на стане 3000 металлургического комбината им. Ильича показали, что удельный расход энергии зависит от распределения обжатий в чистовой клети, гдеформула

Как видно из таблицы 6, суммарный удельный расход энергии на прокатку листов из углеродистой стали в чистовой клети при прокатке листа 9×1640 мм при одинаково температурно-скоростных режимах для вариантов I (обычный режим прокатки) и II (усовершенствованный режим) составил соответственно 67 и 58 МДж/т. Таким образом, по варианту II за счет существенного снижения обжатия в последнем пропуске экономия энергии в чистовой клети достигает 15%.

Относительные обжатия и удельный расход энергии по проходам в чистовой клети стана 3000
Таблица 6
Относительные обжатия и удельный расход энергии по проходам в чистовой клети стана 3000

Известно так же, что при прокатке на ТЛС только около 50% энергии тратится на саму деформацию, а остальная часть тратится на преодоление сил трения, реверс двигателя и т.д.

Учитывая это, необходимо уменьшать общее число проходов до технологического минимума или сокращать количество проходов с малыми обжатиями.

Асимметричная прокатка

Одним из наиболее перспективных методов воздействия на металл является асимметричная прокатка (АП). Ее смысл заключается в ассиметричном воздействии на прокатываемый металл со стороны верхнего и нижнего валка за счет разной скорости их вращения или их диаметров. АП применяется в основном на станах холодной прокатки, ШСГП и ТЛС.

Возможность осуществления ассиметричной прокатки появилась после появления конструкций рабочих клетей с индивидуальным приводом валков (а не через шестеренную клеть как в «классическом» варианте).

Ассиметричная прокатка позволяет управлять практически всем спектром параметров прокатки и служебных свойств листов и полос, таких как: энергосиловые параметры, условия трения между валком и полосой, геометрические параметры листов, шероховатость поверхности, механические и физические свойства, текстура и структура металла.

Наиболее управляемый и эффективный параметр АП соотношение линейных скоростей ведущего V1 и ведомого V2 валков, характеризуемое коэффициентом асимметрии

аV = V1 / V2 .

Аналогичную зависимость можно получить, если добиваться асимметрии путем применения валков разного диаметра.

Скоростная асимметрия наряду с улучшением служебных характеристик готового проката существенно изменяет степень загрузки трансмиссий ведущего (имеющего большую скорость) и ведомого валков. Нагрузка на трансмиссию и привод ведущего валка возрастает, а ведомый валок и его привод разгружаются вплоть до перехода в генераторный режим.

Зависимость силы прокатки от коэффициента асимметрии, полученная с помощью промышленного эксперимента, в условиях чистовой клети ТЛС 3000 Мариупольского металлургического комбината им. Ильича приведена на рис. 32. Из зависимости можно сделать вывод о снижении силы прокатки на 10%.

Зависимость силы прокатки от коэффициента асимметрии
Рис. 32. Зависимость силы прокатки от коэффициента асимметрии, аv

Металлосберегающие технологии при производстве листов

С целью уменьшения неравномерности распределения температуры по сечению сляба при прокатке толстых листов или полос предложено наносить тонкий слой покрытия газотермическим методом. Данное покрытие должно обладать низкими значениями теплопроводности и коэффициента черноты. Наиболее часто для этого использовался алюминий. Покрытие наносилось тонкими полосами шириной до 300 мм по кромкам на широкие и иногда на смежные узкие грани сляба. Данное мероприятие позволяет устранить или уменьшить появление и развитие боковых трещин, а также выровнять распределение механических свойств на готовом прокате, что приведет к уменьшению боковой и концевой обрези.

Также большую роль играет уменьшение количества обрези при производстве листов поскольку, например, при прокатке листов из слябов расходный коэффициент металла составляет в среднем около 1,15…1,2.

Основную часть потерь металла образует концевая и боковая обрезь, которая, в свою очередь, зависит от правильности формы листа в плане. Обычно после прокатки полученный раскат имеет форму, показанную на рис. 33 из которого уже и вырезается прямоугольный лист.

Форма раската в плане и форма готового листа
Рис. 33. Форма раската в плане и форма готового листа

Существуют следующие способы влияния на форму раската в плане, которые позволяют приблизить его форму к прямоугольной и соответственно уменьшить отходы в обрезь:

  • изменение формы слябов (отливка слябов в кристаллизаторе определенной формы, обжатие на прессах);
  • обеспечение равенства коэффициентов вытяжки металла при протяжке и разбивке ширины;
  • прокатка в вертикальных валках;
  • прокатка с переменным по длине сляба обжатием в первом проходе в вертикальных или в горизонтальных валках.

Хорошую экономию металла обеспечивает управление формой раската в плане путем профилирования широких граней раската (т.н. МАС-процесс). Он обеспечивает выход годного на ТЛС вплоть до 96% и позволяет получать листы разнообразной формы: круглой, овальной, клиновидной и т.д.

Сущность МАС-процесса заключается в переменном по лине раската обжатии в последнем пропуске при протяжке (для управления выпуклостью по ширине) или (и) в последнем пропуске при разбивке ширины (для уменьшения длины неровных торцов). Обжатие осуществляется путем перемещения валков в процессе деформации. При прохождении концевых участков раската валки разводятся на определенную величину, а при прокатке средней части — сближаются. В результате раскат приобретает форму, приведенную на рис. 34.

Схема формирования боковых (а) и торцовых (б) кромок раската при MAC – процессе
Рис. 34. Схема формирования боковых (а) и торцовых (б) кромок раската при MAC – процессе

За счет такой формы раската в последующих проходах в чистовой клети компенсируется искажение формы при продольной схеме прокатки. Для использование МАС-процесса необходимо: наличие компьютерных моделей, которые рассчитывают форму листов и параметры прокатки для осуществления переменного по длине обжатия, оборудование клети гидравлическими нажимными устройствами и полная автоматизации прокатной клети. После освоения МАС-процесса на ТЛС 5500 завода в Мидзусиме потери металла в обрезь (на первом этапе освоения системы) снизились с 5,5% до 1,1%, а выход годного составил 93,8%, в дальнейшем выход годного на стане 5500 достиг 96%.

Источник: Скляр В. О. Инновационные и ресурсосберегающие технологии в металлургии. Учебное пособие. – Донецк.: ДонНТУ, 2014. – 224 с.