Содержание к диссертации
Введение
1 Технологии термообработки валков прокатных станов 10
1.1 История развития термообработки валков прокатных станов 10
1.2 Роль индукционной технологии в производстве прокатных валков 20
1.3 Проблемы проектирования и управления автоматизированными установками индукционной закалки 29
1.4 Выводы по главе 32
2 Модели индукционной термообработки валков прокатных станов 33
2.1 Методы моделирования электромагнитных полей в индукционных системах 33
2.2 Модель индукционной закалки с расчетом электромагнитных и температурных полей 37
2.3 Модель индукционной закалки с учетом характеристик источников питания 51
2.4 Модель базы данных свойств материалов валков .55
2.5 Выводы по главе 58
3 Исследования электромагнитных систем индукционной закалки валков 59
3.1 Принципы проектирования индукторов для закалки валков прокатных станов 59
3.2. Исследования галетных индукторов для закалки 62
3.3. Экологические аспекты работы мощных индукторов для закалки 75
3.4. Выводы по главе 78
4 Технология нагрева и охлаждения валков прокатных станов 79
4.1 Разработка методики окончательной термообработки валков прокатных станов 79
4.2 Предварительный нагрев валка в газовой печи 87
4.3 Индукционный подогрев валка перед закалкой 89
4.4 Нагрев под закалку 94
4.5 Выводы по главе 106
5 Система управления закалочной установкой 107
5.1 Принципы управления в индукционных установках 107
5.2 Алгоритм управления индукционной закалкой крупногабаритных валков 109
5.3. Макет закалочной установки валков прокатных станов .115
5.4. Выводы по главе .119
Заключение .120
Список литературы 121
- Роль индукционной технологии в производстве прокатных валков
- Исследования галетных индукторов для закалки
- Индукционный подогрев валка перед закалкой
- Алгоритм управления индукционной закалкой крупногабаритных валков
Введение к работе
Актуальность темы
Бесперебойная работа мощного прокатного стана и получение высокосортной продукции в значительной степени определяется качеством валков. Поэтому актуальной проблемой металлургического машиностроения является изготовление крупногабаритных опорных и рабочих прокатных валков с диаметром до двух и длиной до пяти метров, отвечающих мировому уровню.
Чем выше стойкость валков, тем меньше простоев из-за перевалки валков
и выше производительность стана, лучше технико-экономические
характеристики производства.
Прокатные валки испытывают воздействие очень высоких контактных давлений, которые, как правило, в несколько раз превышают величину предела текучести деформируемого металла при комнатной температуре. В связи с этим валки должны обладать соответствующей прочностью и твердостью.
Особые требования по твердости и прочности предъявляются в особенности к поверхностным слоям валков, по которым происходит контактирование. В связи с этим в качестве окончательной термообработки применяют поверхностную индукционную закалку. Важной проблемой при изготовлении прокатных валков является выбор рациональных режимов термической обработки. При неправильном выборе режимов термообработки в валке возникают остаточные термонапряжения недопустимо высокого уровня, которые могут привести к зарождению и росту трещин, и как следствие, к разрушению валка, иногда даже до начала эксплуатации.
Несмотря на значительные успехи отечественных и зарубежных ученых в
этом направлении, данная проблема, в силу своей сложности, еще не
является в настоящее время до конца исследованной, особенно в
электротехнической части. Решение задачи в значительной степени
осложняется протеканием структурных превращений, оказывающих большое
влияние на физико-механические и теплофизические характеристики, а
также приводящие к выделению скрытой теплоты структурных
превращений.
Экспериментальные методы исследования режимов термической
обработки валков малоэффективны, так как разрушающие методы предусматривают повреждение валка, представляющего собой уникальную дорогостоящую деталь, а неразрушающие методы обладают, как правило, высокой погрешностью. Поэтому в настоящее время решение этой задачи возможно только при помощи компьютерного моделирования, которое позволит с достаточной точностью описать процессы, происходящие при термообработке прокатных валков.
Цели и задачи исследования
Целью настоящей диссертации является разработка компьютерных моделей индукционной термообработки валков, на основе которых проектируются и разрабатываются современные автоматизированные установки для закалки валков прокатных станов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Анализ действующих установок закалки валков и разработка концепции поличастотной индукционной закалки
Разработка комплексных моделей индукционной закалки с расчетом электромагнитных и температурных полей, с учетом характеристик источников питания и согласующих устройств
Выбор базовой частоты тока для подогрева и закалки валков по критериям энергоэффективности, минимизации стоимости и габаритов электрооборудования
Разработка конструкции галетных индукторов для закалки
Разработка технологических карт и алгоритмов управления процессом закалки
Научная новизна работы
Получены новые знания в технологии индукционной закалки крупногабаритных валков прокатных станов
Разработана комплексная модель индукционной закалки с расчетом электромагнитных и температурных полей с учетом характеристик источников питания и согласующих устройств
Обоснована и разработана новая конструкция галетных индукторов для закалки валов прокатных станов
Разработаны алгоритмы управления системой закалки крупногабаритных валков прокатных станов
Теоретическая значимость работы
Разработана комплексная модель индукционной термообработки валков прокатных станов с расчетом электромагнитных и температурных полей с учетом характеристик источников питания и согласующих устройств
Разработана методика выбора базовой частоты тока индукционной закалочной установки по критериям энергоэффективности, минимизации стоимости и габаритов электрооборудования
Разработаны модели электромагнитных процессов в галетных индукторах для закалки валков прокатных станов
Разработан алгоритм управления автоматизированной закалочной
установкой, обеспечивающий высокое качество продукции.
Практическая значимость:
Реализованы в виде программ численные модели, позволяющие выполнить расчет электромагнитных и тепловых полей в индукционной системе термообработки валков прокатных станов.
Разработана конструкция галетного индуктора для закалки и методика его расчета.
Сделан выбор диапазона частот тока, на котором будет работать оборудование по критерию обеспечения качества термообработки и минимизации стоимости индукционного оборудования
Разработана технология поличастотной индукционной термообработки валков прокатных станов.
Разработана модель управления автоматизированной закалочной установкой.
Методы исследования
Исследования электромагнитных и температурных полей, интегральных параметров индукционных систем проводились методами математической физики и вычислительной математики. Достоверность научных положений, представленных в диссертационной работе, подтверждаются результатами моделирования и использования апробированных программных средств и внедрением в производство, разработанных с их помощью индукционных установок.
Основные положения, выносимые на защиту:
Условия обеспечения высокого качества закалки крупногабаритных валков прокатных станов
Комплексная модель индукционной закалки валков прокатных станов с расчетом электромагнитных и температурных полей с учетом характеристик источников питания и согласующих устройств
Модель электрических потерь в многослойных галетных закалочных индукторах
Разработка модели и технологических карт для автоматического программного управления процессом закалки
Технология поличастотной индукционной термообработки валков прокатных станов
Методика выбора базовой частоты тока индукционной закалочной установки по критериям энергоэффективности, минимизации стоимости и габаритов электрооборудования
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы обсуждались на научных конференциях и
семинарах МОЛ СЭТ СПбГЭТУ, на 18-ом Международном конгрессе UIE – 2017, июнь 2017 (Ганновер, Германия), на 15-ой Международной конференции огнеупорщиков и металлургов, апрель 2017 (Москва, Россия), на XIV International Conferenceon Computational Plasticity. Fundamentals and Applications COMPLAS 2017, сентябрь 2017 (Барселона, Испания), на II Международной научной конференции по проблемам управления в технических системах (ПУТС-2017), октябрь 2017 (Санкт-Петербург, Россия).
Внедрение результатов. Научные и практические результаты,
полученные в диссертации используются при проектировании двух новых установок для закалки валков прокатных станов в ПАО «Уралмашзавод».
Публикации по диссертации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 работах, из них в 9 работах в журналах, входящих в перечень ВАК, и 2 патентах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 5 глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 68 наименований. Работа изложена на 127 листах машинописного текста и содержит 89 рисунков и 14 таблиц.
Роль индукционной технологии в производстве прокатных валков
Стойкость стального кованого валка в во многом зависит от того, какую термообработку прошел сам валок, а так же какую термообработку прошла поковка, из которой он был изготовлен. Особое значение имеет окончательная термообработка валка – индукционная закалка. В том случае, если режимы окончательной термообработки были довольно слабыми и на рабочей поверхности валка (закаленная область) не сформировалась необходимая структура, отвечающая всем требованиям по твердости и глубине, валок быстро истирается и выкрашивается, а так же его срок службы может быть существенно сокращен. С другой стороны, если режимы окончательной термообработки были крайне сильными, то валке валке могут зародиться значительные остаточные напряжения, близкие к предельным, в результате чего валок быстро разрушается за счет интенсивно протекающих усталостных явлений при эксплуатации [23].
Известны работы в которых представлены результаты исследований термонапряжений, возникающих при закалке валков прокатных станов [20]. В качестве примера на рисунках 3, 4 представлено распределение температуры в продольном сечении валка и распределение временных осевых напряжений при закалке на частоте 50Гц.
Из изложенных выше графиков видно, что самые опасные напряжения – осевые.
В общем случае термообработка крупногабаритных валков прокатных станов производится в два этапа. На первом этапе осуществляется термическая обработка поковки, из которой впоследствии будет изготовлен валок. Целью первого этапа термообработки - сформировать необходимые свойства центральной части валка («сырого» металла), а так же создать все необходимые условия для механической обработки (на токарном станке) поверхностных слоев. После первого этапа термообработки и механической обработки производится окончательная термообработка, при которой формируется рабочий слой, во многом определяющий качество готового валка.
Можно выделить закалку токами промышленной частоты (ТПЧ), как одну из видов индукционной закалки [20]. Закалку ТПЧ часто выделяют отдельно, поскольку осуществлять закалку токами промышленной частоты часто применяют на крупных производствах. На данный момент именно закалка токами промышленной частоты чаще всего применяется при производстве валков. После закалки обычно следует отпуск, цель которого снижение хрупкости закаленного слоя валка.
В настоящее время при индукционной термообработке валков прокатных станов используют непрерывно - последовательный метод закалки. Деталь устанавливают в станок и зажимают в центрах, для обеспечения равномерности нагрева валок вращают с постоянной скоростью. Закалка происходит при перемещении валка со скоростью от 0,3 до 3 см/с. При таком способе движения в индуктор последовательно попадают один элемент валка за другим. Под индуктором расположен спрейер, который жестко связан с индуктором. Таким образом, нагревается и охлаждается вся поверхность бочки валка. Преимуществами указанного способа закалки являются:
Небольшая мощность источника питания
Малая деформация закаливаемых деталей (одновременно нагреваются лишь отдельные небольшие участки детали)
Возможность закаливать определенную область валка (закаливается только бочка валка).
Возможность очень точно контролировать температуру нагретого металла, а так же его охлаждение.
К основному недостатку способа можно отнести трудности достижения большой глубины закаленного слоя. Для того чтобы попытаться увеличить глубину закаленного слоя, необходимо увеличивать время нахождения рабочей точки под индуктором, чтобы за счет теплопроводности увеличить температуру на глубине, это возможно сделать либо за счет снижения скорости перемещения детали или за счет увеличения длины индуктор, при этом необходимо помнить что нельзя допустить перегрева поверхности валка. Замедление перемещения до некоторого предела, зависящего от устойчивости переохлажденного аустенита применяемой стали, вызывает недопустимое подстуживание стали в период перехода нагретой зоны в охлаждающее устройство, что приводит к частичному распаду аустенита и появлению в структуре закаленной доэвтектоидной стали участков феррита. Это ухудшает износостойкость и усталостную прочность деталей.
Одна из таких установок индукционной закалки токами промышленной частоты (ТПЧ).разработана и внедрена на заводе «ММК-МЕТИЗ», общий вид установке приведен на рисунке 10.
В приведенной выше установке применяется один источник питания с частотой 50 Гц, блок индуктор-спрейер движется снизу вверх при закалке, а валок в свою очередь вращается и остается неподвижным в вертикальном положении. Индуктор является одновитковой, охлаждаемой катушкой.
Исследования галетных индукторов для закалки
На рисунке 32 схематично изображен галетный двухслойный индуктор. Галетный индуктор подразумевает, что он набирается из галет. Каждая галета представляет из себя двухслойную, двухвитковую катушку. Пример выполнения галеты представлен на рисунке 33, сечение А-А указана нумерация витков в галете – первый и второй витки находятся на одном уровне (в первой спирали), третий и четвертый витки находятся на втором уровне (во второй спирали), а на виде Б показаны клеммы галеты для подвода тока и штуцеры для охлаждающей жидкости. Все витки в галете соединены последовательно и ток в каждом витке направлен в одну и туже сторону. Выводы каждой галеты выполнены таким образом, что можно легко соединить несколько галет последовательно и тем самым создать индуктор.
Преимущество галетного индуктора заключается в следующем:
как минимум в два раза сокращается (высота) длина индуктора индукторы набираются из галет, что обеспечивает высокую ремонтопригодность можно выбирать поперечное сечение медных трубок для минимизации электрических потерь в индукторах изменяя количество галет в индукторе возможно согласовать нагрузку с источником питания.
На рисунке 34 представлено активное сопротивление индуктора, выполненного из медной трубки 30х30х5, внутренний диаметр индуктора равен 1430мм, частота источника питания 100 Гц, а так же график зависимости активного сопротивления данного индуктора от частоты источника питания. На рисунке 35 изображено распределение плотности тока в индукторе на частоте 100 Гц. Можно заметить, что максимальная плотность тока находится на крайних внутренних витках индуктора и эти же витки обладают максимальным сопротивлением. Из рисунка 36 видно, что активное сопротивление индуктора будет расти вместе с частотой источника питания, это обусловлено тем, что ток в индукторе начинает несколько перераспределяться и вытесняться на поверхность трубки, в результате и плотность тока так же увеличивается.
Ниже представлены результаты исследований для данного индуктора, при внесении валка. На рисунках 37 и 38 представлено активное сопротивление индуктора с магнитной и немагнитной загрузкой соответственно, заметно как сильно изменилось сопротивление каждого отдельного витка в тот момент, когда нагрузка становится немагнитной (переходит точку Кюри). На рисунке 39 изображена плотность тока для случая с магнитным и не магнитным валком, параметры индукционной системы аналогичны, сразу можно отметить, что в случае с немагнитной загрузкой плотность тока переходит на внутренний слой первого слоя индуктора, что в свою очередь увеличивает сопротивление отдельных витков, однако распределение тока становится более равномерным. На рисунке 40 представлен график зависимости сопротивления индуктора, в зависимости от радиуса валка, который помещен внутрь, индуктор имеет внутренний диаметр 1430мм, частота источника питания 100 Гц, валок магнитный.
Были проведены исследования аналогичного галетного индуктора, выполненного из трубки 30х30х5 и трубки 24х24х3 с внутренним диаметром 1250мм (для закалки валка диаметром 1200мм), 2 слоя по 10 витков. На рисунках 41 и 42 представлено активное сопротивление индуктора с магнитной и немагнитной загрузкой соответственно. Сопротивление каждого витка меняется так же как и в индукторе рассмотренным выше – при немагнитной загрузке сопротивление витков индуктора выравнивается относительно друг друга. На рисунках 42 и 43 изображена зависимость сопротивления галетного индуктора из разных трубок в зависимости от частоты источника питания. Заметно, что сопротивление индуктора растет с увеличением частоты, так же видно, что сопротивление пустого индуктора и индуктора с немагнитной (горячей) загрузкой принимают более близкие значения, чем сопротивление индуктора с холодной загрузкой.
На рисунке 45 представлено сравнение сопротивления индуктора сделанного из трубки 30х30х5 и из трубки 24х24х3. Сопротивление индуктора из трубки 30х30х5 заметно меньше, чем сопротивление индуктора из трубки 24х24х3, сечение у трубки 24х24х3 меньше, а плотность тока выше, поэтому сопротивление увеличивается, причем с увеличением частоты плотность тока и сопротивление увеличивается.
Принципиальное значение в этой работе имеет отсутствие громоздких закалочных трансформаторов. Индукторы должны быть многовитковыми, чтобы их можно было согласовывать с выходным напряжением преобразователей в 700 В. При этом ток в короткой сети (водоохлаждаемые кабели от конденсаторной батареи до индукторов) не будет превышать 4000 А. На рисунках 46 и 47 представлен общий вид разработанного блока индуктор-спрейера и более подробный его вид. Как видно из этих рисунков – блок индуктор-спрейер крепится на основание, галетный индуктор закреплен на самом верху, под индукторм на расстоянии 50…150мм крепится спрейер. Расстояние между индуктором и спрейером возможно менять. Индуктор снабжен футеровкой.
Разработан патент на полезную модель: «Индуктор для закалки валков прокатных станов», заявка № 2017123655 от 04.07.17
Нагрев перед закалкой практически всей номенклатуры валков осуществляется в две стадии: предварительный подогрев за несколько проходов индукторов на одной частоте и последний проход индукторов непосредственно перед закалкой. Наиболее важен для достижения требуемого распределения температуры по радиусу последний проход. Обеспечить необходимое распределение температуры по радиусу можно за счет выбора соответствующей частоты тока и режимов нагрева (мощность, скорость движения). Рекомендуется выбирать такую частоту тока, чтобы глубина проникновения тока в “горячую” сталь была равна или больше глубины закалки. Из таблицы 5 и рисунка 48 видно, что при глубинной закалке целесообразно выбирать частоты для закалки в диапазоне 50 – 175Гц.
Индукционный подогрев валка перед закалкой
Подогрев валка осуществляется следующим образом. При прямом проходе на индуктор подается напряжение, и он начинает движение вдоль валка от его левого торца, когда индуктор полностью проходит валок, то напряжение отключается и индуктор начинает движение в обратном направлении к начальному положению, за это время происходит выравнивание температуры по радиусу валка [53]. На рисунках 62 и 63 показано распределение температуры по радиусу в среднем сечении валка после каждого прямого и обратного проходов индуктора. Скорость перемещения индуктора при прямом проходе 2 мм/с, и обратном 10 мм/с, т.е. время прямого прохода составляет 1237.5с ,а обратного 247.5с.
Данная операция повторяется 9 раз, общее время нагрева составляет 3 часа 40 мин. Число проходов - свободный параметр, который определяется, чтобы за данное число проходов валок нагревался в достаточной мере для осуществления последующего нагрева под закалку. После всех проходов подогревов температура бочки валка должна отвечать следующим требованиям: температура на поверхности валка должна быть 700..730 С, а в центре 400 С. При максимальной мощности индуктора 1600кВт со скоростью перемещения индуктора, обеспечивается температурный клин по длине валка не более 30С. Параметры индуктора:
Длина – 400мм
Внутреннийдиаметр – 1670мм
Числовитковиндуктора – 12
Числосекций – 2, соединеныпоследовательно
Длинасекции – 150мм
Сечениетрубки – 20х16мм, стенка 3мм Напряжениенаиндукторе – 800В Частота – 100Гц Потребляемая мощность – до 1600кВт
На рисунке 64 показано до какой температуры нагревался при каждом прямом проходе индуктора. На рисунке 65 показано расчетное окно с распределением температуры вдоль валка во время прямого прохода индуктора.
В таблице 7 представлены энергетические параметры нагревателя на каждом проходе индуктора. В таблице 8 представлены те же параметры при условии, что индуктор изготовлен из медной трубки сечением 20х30х5мм. Из сравнения таблиц видно, что использование трубки 20х30х5мм позволяет существенно сократить электрические потери в индукторе, что значительно улучшает энергетические показатели нагревателя.
Так же было рассмотрено влияние футеровки индуктора на энергетические параметра нагревателя. Было проведены идентичные расчеты с единственным отличием: в одном расчете индуктор не имел футеровки, а во втором случае была использована футеровка толщиной 10мм, результаты представлены в таблице 9, из них видно, что наличие футеровки индуктора практически не оказывает влияния на энергетические параметры нагревателя.
Алгоритм управления индукционной закалкой крупногабаритных валков
На рисунке 83 представлена схема закалки валка прокатного стана. Индуктор вместе со спрейером зафиксированы на основании. Пирометр жестко привязан к основанию. Предлагается использовать пирометр LumaSense IMPAC IGA 320/23 с диапазоном измерения диапазоне 75…1800С. На рисунке снизу представлен алгоритм управления автоматизированной установкой закалки валков прокатных станов.
Алгоритм начинается с того, что блок индуктор-спрейер, на котором установлен пирометр, движется вниз и проверяет, выставляет ноль вертикального перемещения. В нуле установлен бесконтактный индуктивный датчик, который реагирует на основание (на котором установлен индуктор, спрейер, пирометр). Далее блок индуктор-спрейер движется в опорную точку, после чего начинается цикл подогрева, который включает в себя определенное количество проходов (N). После того как цикл подогрева выполнен блок индуктор-спрейер движется в опорую точку, в опорной точке проверяется температура при помощи пирометра,если температура оказывается ниже 750С, начинается корректировочный цикл.
Корректировочный цикл предназначен для корректировки температуры на поверхности валка в том случае, если она ниже требуемой (750С). После этого начинается закалочный проход. Перед закалочным проходом предусмотрено переключение количества конденсаторов для изменения частоты. После закалочного прохода блок индуктор-спрейер осуществляется пролив.
В автоматическом режим необходимо заложить возможность построения таблицы, которая по своей сути будет являться технологической картой по закалке и подогреву конкретного валка. Пример такой таблицы представлен на таблице 11.
В этой таблице записывается цикл, состоящий из отдельных этапов, где каждый этап включает в себя основные параметры управления установкой. Так согласно приведенной для примера таблице 3 цикл будет следующим: Вначале индуктор поедет на высоту 100 мм со скоростью 1 мм/с со включенным спрейером, вращением валка и включенным нагревом на мощности 800 кВт, емкость конденсаторной батареи будет равна 16000 мкФ, после того как индуктор достигнет точки 100 мм – он поедет в точку 200 мм, на скорости 5 мм/с, спрейер будет выключен, вращение валка так же будет включено, емкость конденсаторной батареи переключится в значение 10000 мкФ, а уставка мощности будет равна 1000 кВт, как только индуктор достигнет точки 200 мм, то он остановится на 10 с, нагрев выключится, вращение валка выключится, а спрейер включится.
Таблица такого рода составляется для каждого типа валка, в такой таблице возможно написать цикл подогрева и цикл закалки валка.
Необходимо заложить возможность сохранения каждой составленной таблицы под ее уникальным именем на современном источнике хранения информации (SD карта, USB Flash), для ее возможной последующей загрузки.
Разработана специальная программа управления мощностью (напряжением) индукторов для достижения требуемого температурного профиля в загрузке (TEMPPROF-CONTROL). На эту программу было получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017619386 от 24.08.17. Программа предназначена для управления мощностью (напряжением) модульных индукционных нагревателей для достижения требуемого температурного профиля в загрузке с учетом оптимизации параметров по выбранному критерию (рисунок 85). В качестве внешней численной модели используется пакет Universal 2D и его возможности в области моделирования индукционных нагревателей. Критериями оптимизации могут быть минимизация теплоперепада на выходе нагревателя или минимизация энергозатрат на единицу продукции. Результатом работы программы является файл для Exel с данными для контроллера управления. Программа предназначена для разработки системы управления и для минимизации брака.
При помощи этой программы были рассчитаны и определены значения индукционной системы на каждом проходе-подогреве, а так же на закалочном проходе. На входе задается температура, которую необходимо получить за индуктором, а на выходе получаем значения напряжения, тока, мощности, скорости движения индуктора и т.д.. При помощи этой программы возможно задать температуру таким образом, чтобы при подогреве, после каждого прохода температура на поверхности увеличивалась на 50С, а на закалочном проходе была ровно 950С. На рисунке 86 представлен график, полученный на выходе программы TEMPPROF-CONTROL, температура на поверхности валка за индуктором равна 950С, так же приводится температура в центре валка и средняя температура.