Глава 2 Оборудование участка термоупрочнения арматуры в потоке литейно-прокатного комплекса стана 280.

Ускоренное охлаждение проката при термоупрочнении осуществляется в различных охлаждающих устройствах: закалочных баках с системой активации воды, спрейерных установках, расположенных на рольгангах прокатного стана, установках водовоздушного охлаждения и др. Конструкция этих устройств предусматривает прерывание охлаждения через заданный промежуток времени. Если охлаждение проводят до комнатной температуры, то предусматривается отпуск стали.

Термоупрочнение в потоке стана с использованием тепла прокатно­го нагрева наиболее рационально и экономически выгодно в условиях современного производства. Однако в ряде случаев целесообразно термоупрочнение со специального повторного нагрева горячекатаной стали (например электросварные трубы большого диаметра).

Эффективным решением проблемы сокращения расхода дорогостоящих легирующих элементов при производстве арматурной стали и повышения ее прочностных характеристик признана технология термомеханического упрочнения стержневого профиля в потоке прокатного стана.

На Ярцевском литейно-прокатном заводе (ГУП ЛПЗ) пущен в эксплуатацию литейно-прокатный комплекс, а для производства арматуры № 12 – 32 классов прочности Ат500 – Ат1000. В потоке стана 280 организован участок термоупрочнения.

В составе комплекса оборудования участка термоупрочнения арматуры (рис. 4) входят устройство термоупрочнения арматуры (УТА), автономная система водоснабжения и автоматизированные системы управления. Устройство термоупрочнения арматуры установлено за клетью 18 стана 280 (рис. 4 и 5) и имеет секции охлаждения с защитными кожухами и крышками; рольганг для транспортирования проката, не подвергаемого термоупрочнению; подвижные рамы, на которых размещены оборудование секций охлаждения и транспортный рольганг; неподвижные рамы и приводы их перемещения; распределительный узел систем водо- и воздухоснабжения; тянущие ролики (трайб-аппарат) и лотки для сбора и отвода отработанной воды.

Рис. 4. Планировка оборудования участка термоупрочнения арматуры: 1 – устройство термоупрочнения арматуры; 2 – распределительный узел водои воздухоснабжения; 3трубопроводы подвода и отвода воды; 4 – тянущие ролики;; 5 – бак; 6 – насосная станция.

Рис.5. Устройство термоупрочнения арматуры: 1 – секция транспортного рольганга; 2 – секция охлаждения; 3 – тянущие ролики; 4 – лоток для сбора отработанной воды; 5 – трубопровод подвода воды к секциям; 6 – датчик давления; 7 – дисковый запорный затвор с электроприводом; 8 – расходомер; 9дисковый регулирующий затвор с электроприводом.

Устройство термоупрочнения построено по блочному типу и состоит из четырех блоков. На подвижной раме каждого блока последовательно устанавливают три секции охлаждения, монтируя их одну за другой в защитный кожух с крышками, стационарно укрепленными на подвижные рамы. На этих рамах параллельно секциям охлаждения смонтирован и рольганг с межроликовыми проводками. Привод роликов индивидуальный, безредукторный. Управление электроприводом групповое. Одна секция рольганга, установленная на подвижной раме, управляется одним частотно-регулируемым преобразователем.

Подвижная рама посредством электромеханического привода передвигается по неподвижной раме поперек движения проката. В зависимости от технологии в линию прокатки устанавливают или секции охлаждения, или транспортный рольганг. Прокат передается либо через устройство термоупрочнения для ускоренного охлаждения, либо по рольгангу для естественного охлаждения на воздухе.

Для обеспечения стабильной скорости транспортирования (после выхода заднего конца арматуры из выпускной клети) за устройством располагают тянущие ролики (трайб-аппарат). Пневматический привод сведения верхних и нижних роликов срабатывает в момент выхода заднего конца заготовки из головной клети последней работающей группы. Электропривод тянущих роликов индивидуальный, частотно-регулируемый.

Конструктивные и режимные параметры системы охлаждения устройства термоупрочнения были определены на основании расчетного моделирования динамики изменения температуры арматуры по ее сечению при высокоинтенсивном охлаждении. В качестве граничных условий выбрали экспериментальные данные о теплообмене, полученные на промышленных устройствах термоупрочнения. Техническая характеристика линии термоупрочнения приведена в таблице 1.

Техническая характеристика линии термоупрочнения.

Таблица 1

В зависимости от диаметра (№) арматуры возможно применение трех типоразмеров охлаждающих секций: Ду 30 для № 12 – 14, Ду 40 для № 16 – 22 и Ду 50 для № 25 – 32. Их устанавливают в линию стана перед началом прокатки арматуры, предназначенной для термоупрочнения. Секции охлаждения подсоединяют к трубопроводам подачи воды и воздуха от распределительного узла систем водовоздухоснабжения посредством быстроразъемных соединений.

В целях минимизации расхода воды и оптимизации технологии термоупрочнения устройство разделено на две зоны — интенсивного охлаждения с высоким расходом воды (секции 1 – 4) и пониженной интенсивности (секции 5 – 12). Это позволяет реализовать благоприятные условия охлаждения арматуры разной массивности на каждом этапе процесса прерванной закалки с самоотпуском.

Расход воды и ее давление на секции охлаждения регулируется распределительным узлом систем водовоздухоснабжения (см. рис. 5). На каждом подводе воды к форсункам установлены регулирующие дисковые затворы с электроприводом и электромагнитные расходомеры ЭРСВ-310, в отсечных камерах — запорные дисковые затворы с электроприводом и датчики давления типа “Метран-100”.

Автономная система водоснабжения УТА состоит из насосной станции высокого давления (НВД), бака вместимостью 70 м3 и системы трубопроводов. Вода с давлением P1 = 1,6 МПа подается на секции УТА. В состав оборудования насосной станции входят шесть центробежных насосных агрегатов ЦН400 210б, оснащенных системами “мягкого пуска” (два из них — резервные) и два дренажных насосных агрегата ПРВП 63/22,5.

Отработанная вода от трех головных секций, как наиболее горячая и загрязненная окалиной, сбрасывается в подстановый туннель гидросмыва. От остальных секций вода собирается в лоток (см. рис. 5), по которому самотеком возвращается в бак автономной системы водоснабжения, для его подпитки охлажденная и очищенная вода поступает из системы водоснабжения цеха. При производстве проката, не подвергаемого термоупрочнению, поступающая на подпитку вода через перелив направляется в подстановый туннель гидросмыва. Применение подобной схемы водоснабжения дает значительную экономию капитальных и энергозатрат, так как вода, возвращаемая в бак от устройства, не нуждается в очистке и охлаждении (после непрерывной эксплуатации в течение года чистка бака не потребовалась), нет необходимости в создании отдельной системы подачи воды в подстановый туннель на гидропобуждение окалины. Кроме того, оптимизируются мощности и минимизируются затраты цеха внешнего водоснабжения.

Автоматизированная система управления комплекса для термоупрочнения арматуры стана 280 состоит из трех связанных между собой локальных систем управления (рис. 6): устройства термоупрочнения; автономной системы водоснабжения; электроприводов рольганга и трайб-аппарата.

Рис. 6 Структурная схема АСУ комплекса УТА

АСУ устройства термоупрочнения включает контроллер SA2, панель управления (PL1) типа PC-677 с клавиатурой и цветным дисплеем и инженерную станцию (SE1) в виде промышленного персонального компьютера. Контроллер SA2 осуществляет сбор информации от пирометров, датчиков наличия металла, установленных до и после УТА, а также от расходомеров и датчиков давления распределительного узла устройства и управление электроприводами затворов распредузла. Подача воды и воздуха и регулирование расхода воды на каждую секцию осуществляются индивидуально. Панель управления обеспечивает контроль оператора за работой оборудования линии УТА и операторный (ручной) режим управления процессом термоупрочнения. Инженерная станция реализует функционирование управляющей программы, включая математическую модель, заполнение и хранение баз данных технологических режимов и режимов термической обработки каждого прутка.

АСУ насосной станции высокого давления включает контроллер SA3 и устройства плавного пуска ATS48 двигателей насосов ЦН400 210б. Приводы дренажных насосов и затворов трубопроводов НВД также управляются контроллером SA3. АСУ рольгангов и трайб-аппарата включает контроллер SA1 и преобразователи частоты. Скорость рольгангов поддерживается в соответствии с линейной скоростью прокатки в выпускающей клети, скорость тянущих роликов — на 1 – 2 % больше скорости прокатки.

Для управления рольгангами секций и роликами трайб-аппарата применены преобразователи частоты типа CIMR-F7Z. К каждому преобразователю подключено по шесть двигателей рольганга или двигатель ролика трайб-аппарата. Всего применяется десять преобразователей — четыре для секций рольганга, четыре для роликов трайб-аппарата и два резервных. Преобразователи управляются контроллером SA1. Система регулирования рольгангов скалярная, без обратной связи по скорости, система регулирования роликов трайб-аппарата векторная, с обратной связью по скорости.

Приводы перемещения секций управляются только в ручном режиме с местного пульта, установленного на стыке первого и второго блоков УТА.

Технологический процесс термоупрочнения контролируется по температуре раската перед клетью 13 стана (до УТА) и после летучих ножниц № 3 (после УТА), перед выходом проката на холодильник. Примененные пирометры обеспечивают высокую точность измерения температуры для всего сортамента и необходимое быстродействие. Среднемассовая температура прутка в зоне пирометра, расположенного перед холодильником, служащая контрольным параметром процесса термоупрочнения, рассчитывается специальной программой по измеренной температуре поверхности исходя из параметров процесса ускоренного охлаждения.

Датчики наличия металла системы слежения за положением раската обеспечивают контроль за прохождением металла в зоне визирования пирометров. На основании их показаний и данных об измерении температуры АСУТП обеспечивает формирование и архивирование распределения температуры по длине заготовки перед УТА и по каждому прутку после летучих ножниц № 3.

Требуемые температура окончания и скорость охлаждения обеспечиваются регулированием расходов воды по секциям и длительности охлаждения (числом и номером используемых секций охлаждения). Предварительная настройка расходов выполняется перед началом обработки партии. В случае отклонения фактической температуры окончания охлаждения от требуемой по технологии корректируются расходы воды на две последние работающие секции.

Глава 3 Методология расчета количества подаваемой воды для охлаждения изделия на примере линии термоупрочнения в потоке листового стана 1450.

Методология расчета была взята из патента РФ 2078834 «Устройства для быстрого охлаждения» за авторством Шварцман З.М., Черкасский Р.И., Черятьев А.П., Радюкевич А.Л., Липай Е.С., Григорьев В.П.

Способ заключается в регулировании интенсивности охлаждения путем изменения количества подаваемой воды, причем последнее изменяют согласно зависимости:

Q=Q_o+K*ΔV

где Q и Q₀ - соответственно текущее и начальное количество подаваемой воды, м³/с; 

ΔV - изменение скорости полосы на моталке, м/с;

K - коэффициент пропорциональности

Как известно, после прокатки полос из малоуглеродистой кипящей и полуспокойной стали на стане горячей прокатки ее поверхность подвергают охлаждению для получения необходимых механических свойств металла путем подачи воды через душирующие устройства.

Для обоснования способа провели измерения скоростей выхода из последней клети стана горячей прокатки 1450 переднего и заднего концов полос и скоростей их на моталке, а также провели сравнение микроструктуры полос при существующих и предлагаемых режимах охлаждения на моталке из стали марки 08кп. В процессе экспериментов скорости выхода переднего и заднего концов полос из стана и скорость переднего конца полосы на моталке оказались одинаковыми и отличными от скорости заднего конца полосы на моталке (обозначено соответственно V₁ и V₂).

Разница в величинах V₁ и V₂ объясняется увеличением скорости моталки после выхода заднего конца полос из стана вследствии исчезновения заднего натяжения полосы.

Из таблицы видно, что при охлаждении по существующему режиму (по прототипу) имеет место разнобальность как зерен феррита, так и зерен цементита по длине полосы, в то время как при охлаждении по предлагаемому режиму такая разнобальность отсутствует.

Данные экспериментов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Обозначено: П.к. и З.к. – соотвественно передний и задний конец полосы;

ф. и ц. - соответственно феррит и цементит.

Горячекатаная полоса из стали марки 08кп с размерами после прокатки 2,5х1000 мм выходит из стана горячей прокатки со скоростью 6,5 м/с. Количество подаваемой на полосу воды в душирующем устройстве составляет Q₀ 0,5 м³/с. Участок полосы, приходящий на моталку со скоростью до 7,2 м/с, равен расстоянию от последней клети до моталки, т.е. для стана 1450 ММК 70 м.

Для определения момента, с которого увеличивается подача воды в душирующем устройстве, примем следующий режим прокатки в чистовой группе клетей 5-10: 21,0 12,7 7,6 5,0 3,6 2,9 -2,5 мм. Расстояние между клетями равно 5,5 м. Приведенная длина раската в чистовой группе клетей составляет:

Промежуток

9 – 10 -

8 – 10 -

7 -10 -

6 -10 -

5 – 10 -

Таким образом, момент ускорения полосы на моталке соответствует моменту нахождения заднего ее конца в 5-й клети, так как приведенная длина раската равна расстоянию от последней клети до моталки.

Для осуществления способа в момент выхода заднего конца полосы из 5-й клети подачу воды в душирующем устройстве плавно увеличивают до величины, определяемой по формуле:

, м³/с

Коэффициент K для стана 1450 равен 0,3 м² из условия получения одинаковой температуры смотки по длине полосы (по опытным данным), т.е.

, м³/с

Для душирования с величиной Q₀ 0,2 м³/с (полуспокная сталь)

_, м³/с

Для полос, прокатанных со скоростью V₁ 4,8 м/с; V₂ 5,2 м/с и Q₀ 0,7 м³/с (толщина полосы 4,0 мм, сталь 08кп)

_, м³/с

Преимущество изобретения перед прототипом заключается в более равномерном формировании микроструктуры по длине горячекатаной полосы.

Экономический эффект применения предлагаемого способа состоит в повышении отпускной цены проката за счет улучшения его качества.