Содержание к диссертации
Введение
1 Новая технология производства тонких стальных полос на основе бесслитковой прокатки 11
1.1 Основные этапы развития БП 11
1.2 Состояние технологии и технико-экономические показатели БП стальных полос 18
1.3 .Современный уровень научных исследований и проблемы процесса БП 27
1.4 Валки-кристаллизаторы как важный элемент технологического процесса БП 40
1.5 Заключение по аналитическому обзору. Цель и постановка задач исследования 46
2 Исследование, расчет и определение эффективных параметров процесса бесслитковой прокатки стальной полосы 49
2.1 Некоторые технологические особенности процесса БП 49
2.2 Определение протяженности зоны пластической деформации и допустимой скорости полосы при БП 54
2.3 Технологические основы выбора диаметра валков-кристаллизаторов 64
2.4 Налипание металла на ВК и его предупреждение в процессе БП 72
2.5 Анализ особенностей развития уширения тонкой полосы в процессе БП и его расчетная оценка 84
2.6 К количественной оценке основных технологических параметров процесса БП стальной полосы 90
2.7 Выводы по разделу 2 98
3 Исследование сопротивления деформации стали в процессе бесслитковой прокатки 101
3.1 Исследование сопротивления деформации стали в процессе БП 101
3.2 Расчет энергосиловых параметров процесса БП стальной полосы
3.3 Выводы по разделу 3 114
4 Повышение эффективности охлаждения валков-кристаллизаторов и улучшение условий их эксплуатации 116
4.1 Общая характеристика теплообмена в ВК 116
4.2 Анализ температурного режима и эффективности охлаждения бандажей различной толщины 121
4.3 Ассиметричное охлаждение ВК по окружности бочки 131
4.4 Максимальное приближение охладителя к поверхности контакта валка с полосой 134
4.5 О целесообразности применения системы охлаждения с замкнутым контуром 139
4.6 Выводы по разделу 4 142
5 Технология бесслитковой прокатки стальных полос как основа создания мини-заводов и модернизации производства 144
5.1 Анализ преимуществ современных мини-заводов и технологии БП при их создании 144
5.2 Определение производительности ВЛПА с валками разных диаметров и затрат на их изготовление 150
5.3 Выводы по разделу 5 158
Общие выводы по работе 160
Список использованных источников 163
- Состояние технологии и технико-экономические показатели БП стальных полос
- Определение протяженности зоны пластической деформации и допустимой скорости полосы при БП
- Расчет энергосиловых параметров процесса БП стальной полосы
- Анализ температурного режима и эффективности охлаждения бандажей различной толщины
Введение к работе
В 1848 г. Г. Бессемер (Англия) запатентовал способ получения металлических полос путем совмещения в одном агрегате процессов кристаллизации и пластической деформации металла. Такой способ было предложено реализовывать следующим образом: в зазор между двумя вращающимися охлаждаемыми валками заливают жидкий металл; на поверхностях валков кристаллизуются корочки металла, которые после их соединения образуют сплошную полосу, которая в этих же валках-кристаллизаторах подвергается пластической деформации - прокатке.
Почти 100 лет спустя эта идея Г. Бессемера, позволяющая значительно сократить число трудоемких и энергоемких технологических операций (и соответствующего оборудования) при производстве полос, получила воплощение в виде промышленных агрегатов в ряде стран. Начиная с 1930-х годов, валковые литейно-прокатные агрегаты (ВЛПА) широко используются во многих странах (имеется несколько сотен агрегатов) для производства полос из цветных металлов: алюминия, цинка, свинца и меди, т.е. из металлов, имеющих по сравнению со сталью существенно меньшую температуру плавления.
Технология производства полос с применением ВЛПА получила название бесслитковой прокатки (БП); название общепринятое, но не совсем точное, поскольку любая технология, основанная на использовании непрерывного литья, является, по своей сути, бесслитковой.
Многолетний опыт подтвердил достоинства технологии производства полос из цветных металлов с применением этих агрегатов. Главные преимущества - малая энергоемкость и высокая экологическая чистота производства; при этом также обеспечиваются малые капитальные и эксплутационные затраты. По многим удельным показателям указанная технология, несмотря на относительно малую годовую производительность (100 - 500 тыс.т/год), также выигрывает по сравнению с традиционными технологиями производства полос.
Бесслитковая прокатка в последние годы начинает находить применение и в черной металлургии. С 1990-х годов усилиями ведущих-машиностроительных и металлургических фирм и университетов Европы (проект «Eurostrip»), США, Австралии и Японии (проект «Castrip»), и других стран разработаны конструкторские и технологические решения и создано более 10 промышленных ВЛПА для производства тонких (толщиной 1-5 мм) широких (шириной 1500 - 2000 мм) полос из углеродистых и коррозионностойких сталей. Судя по имеющимся публикациям, устойчиво начали работать три агрегата: на фирмах «Nucor» (г. Кроуфордсвилл, США), «Кшрр Thyssen Nirosta» (г. Крефельд, Германия) и «Nippon Steel» I «Mitsubishi Heavy Industries» (г. Хикари, Япония).
В России научно-исследовательские работы по созданию ВЛПА для черной металлургии проводятся в АХК «ВНИИМЕТМАШ им. акад. А.И. Це-ликова». ВНИИМЕТМАШ разработал и построил два опытных ВЛПА, на которых проведен комплекс НИР; разработан проект промышленного ВЛПА.
Проводятся также работы в ОАО «Институт Цветметобработка» в развитие ранее выполненных в институте исследований по бесслитковой прокатке тонких широких полос из алюминия и цинка. Ряд работ, а также проект промышленного агрегата выполнен фирмой «ОЗМА» (г. Москва).
Следует отметить, что в России первые НИР по бесслитковой прокатке стальных полос были проведены еще в 1939 - 40 гг. на опытном ВЛПА, установленном на Московском металлургическом заводе «Серп и Молот», хотя они не привели к созданию надежной технологии. В последние годы были проведены предварительные проектные проработки по созданию ВЛПА на заводе «Серп и Молот» и Лысьвенском металлургическом заводе.
Технология производства тонких стальных полос, основанная на применении ВЛПА, является новой в черной металлургии; с ней связаны интересные перспективы в строительстве отечественных мини-заводов.
Для успешного освоения и развития технологии бесслитковой прокатки тонких стальных полос необходим анализ процесса пластической деформации стальной полосы при бесслитковой прокатке, который существенно отличается от процесса обычной продольной прокатки. Важно определить критерии выбора основных параметров валкового агрегата, в частности, диаметра валков-кристаллизаторов. Необходимы новые подходы к определению сопротивления деформации металла и уширения полосы с учетом особенностей бесслитковой прокатки. Следует получить решения по повышению эффективности охлаждения валков-кристаллизаторов, гарантирующие получение стальных полос высокого качества.
Только такими разносторонними исследованиями может быть обеспечено создание и успешное освоение отечественных агрегатов и технологий, превышающих по своему уровню зарубежные аналоги.
Внедрение технологии на основе бесслитковой прокатки стальных полос будет способствовать повышению эффективности отечественных предприятий черной металлургии и созданию региональных мини-заводов.
Указанное выше свидетельствует об актуальности исследований, которым посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель работы и задачи исследований приведены ниже (п. 1.5).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная комплексная инженерная методика расчета основных параметров процесса пластической деформации стальной полосы при бесслитковой прокатке, отличительной особенностью которой является законченный вид, не требующий дополнительного решения вспомогательных задач для получения конечного результата. Установленные принципиальные отличия расчетов энергосиловых параметров при БП и обычной горячей прокатке тонких полос.
2. Методика определения скорости полосы, которая обеспечивает необходимый запас длины зоны пластической деформации и гарантирует осуществление заданного обжатия полосы при БП.
3. Установленные основные физические параметры процесса БП тонких полос и технологические критерии выбора диаметра валков, обеспечивающие успешную реализацию процесса БП при любых диаметрах валков.
4. Анализ процесса деформации стальной полосы при налипании частиц металла к поверхности валков и мероприятия, направленные на повышение качества поверхности стальной полосы.
5. Анализ особенностей и расчетная оценка сопротивления деформации и уширения стальной полосы в процессе БП.
6. Результаты анализа эффективности внутреннего охлаждения валка-кристаллизатора и разработанная конструкция валка-кристаллизатора с максимальным приближением охладителя к поверхности контакта валка с полосой (патент РФ № 2315682). Разработанная конструкция ВК с асимметричным охлаждением по окружности бочки, позволяющая повысить долговечность ВК и снизить термические напряжения в бандаже (патент РФ №2310546).
7. Результаты анализа влияния диаметра ВК на производительность ВЛПА и методика приближенной оценки затрат на изготовление агрегатов с валками разных диаметров.
Практическая значимость и реализация результатов работы отражены в приложениях А - Г.
Работа выполнена в соответствии с планами НИР ОАО «Институт Цветметобработка».
Диссертационная записка и автореферат оформлены в соответствии с межгосударственными стандартами ГОСТ 7.32-2001 и ГОСТ 7.1-2003.
Научный консультант - доктор техн. наук Г.В. Ашихмин
Рисунок 2 -Ленточный кристаллизатор 3 - валкового типа: кристаллизация металла и последующее обжатие затвердевшей полосы (прокатка) происходят в зазоре между двумя вращающимися охлаждаемыми валками-кристаллизаторами (ВК).
Каждая из трех указанных схем реализует главное в идее Г. Бессемера:
- получение полос непосредственно из жидкого металла путем его заливки в кристаллизатор с движущимися стенками;
- получение в компактной установке тонких полос, приближающихся по толщине к готовой продукции.
При этом только в установках валкового типа реализуется собственно так называемая «бесслитковая прокатка»; процесс в установках роторного и ленточного типов правильнее относить к «непрерывному литью полос» в кристаллизатор с движущимися стенками (хотя иногда и эти установки относят к бесслитковой прокатке).
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию процесса валковой бесслитковой прокатки (БП).
Установки валкового типа различают по способу подачи жидкого металла в валки-кристаллизаторы: снизу (рисунок 3, а), сбоку (рисунок 3, б) и сверху (рисунок 4). Схемы по рисунку 3 применяют для производства полос из алюминия и цинка. На рисунке 4 показана общая схема валкового литей-но-прокатного агрегата, которую в настоящее время применяют при БП
В связи с постановлением XVIII съезда ВКП(б) (март 1939 г.) о необходимости освоения бесслитковой прокатки в промышленном масштабе в 3-й пятилетке (1938 — 42 гг.), руководство проблемой взял на себя Техсовет Наркомата черной металлургии под председательством заместителя наркома акад. И.П. Бардина.
Эксперименты, проведенные на установке завода «Серп и Молот» в 1939 - 40 гг., позволили получить данные по технологии и металловедческой стороне процесса БП стальных полос. Материал был обобщен в специальном выпуске журнала «Металлург» [6]; по материалам указанных работ А.А. Королевым в 1940 г. в Московском институте стали была защищена кандидатская диссертация [7], посвященная БП стальных полос.
Приведенные сведения показывают насколько серьезно было отношение руководства страны к решению проблем_БП.
На сложность практической реализации бесслитковой прокатки стальных полос еще в 1940 г. указывал И.М. Павлов: «Совокупность всех сторон бесслитковой прокатки в настоящее время можно считать представляющей настолько сложную картину, что ее правильное понимание с возможностью сознательного регулирования процесса безусловно не может не основываться на одной интуиции, как бы она ни была сильно развита. Единственный путь, которым может быть достигнута эта цель, несомненно лежит в систематическом опытном научном исследовании процесса с изучением отдельных его элементов и тщательным анализированием всех данных и результатов, исходя из общей задачи получения продуктов бесслитковой прокатки должного качества» [6, стр. 16 - 21]. По настоящее время, спустя 70 лет, эта оценка ситуации, данная И.М. Павловым, остается актуальной применительно к бесслитковой прокатке стальных полос.
В годы Великой Отечественной войны работы по БП стальных полос были остановлены и к ним вернулись только спустя 50 лет. Однако, работы по БП и литью полос из чугуна и цветных металлов в валковых кристаллизаторах были возобновлены уже, начиная с 1950 г.
В СССР в 1950—1966 гг. в Одесском НИИ специальных способов литья (НИИСЛ) были созданы оригинальные компактные установки и технологии, позволившие осуществить промышленное производство тонких кровельных листов из чугуна (640x1200 мм; толщина 0,6 - 2,5 мм) [3]. При этом литье осуществляли в зазор между тонкостенными полыми валками, что практически исключало пластическую деформацию затвердевшего металла.
Важно подчеркнуть, что помимо указанного, специалистами НИИСЛ были проведены комплексные исследования, показавшие возможность получения литых тонколистовых заготовок из ряда высокотемпературных и малопластичных сплавов, изготовление которых традиционным способом (прокаткой слитков) сложно и неэффективно, а в ряде случаев вообще невозможно [3].
Эти исследования НИИСЛ послужили основой разработки новых направлений промышленного применения непрерывного литья тонких полос в валках-кристаллизаторах на Верхне-Салдинском металлообрабатывающем заводе, на запорожском заводе «Кремнийполимер», в Ленинградском произ-водственном объединении «Электросила» и др.
Важность для страны работ по бесслитковой прокатке была подчеркнута присуждением специалистам НИИСЛ Сталинской премии в 1951 г. «За разработку и освоение процесса получения тонкого листа непосредственно из жидкого чугуна» (Е.Г. Николаенко, К.Т. Гетман, А.В. Улитовский).
В годы войны Сталинской премии в 1943 г. была удостоена работа «Разработка и внедрение в производство метода бесслиткового проката цветных металлов» (В.Г. Головкин, В.А. Ливанов, А.Ф. Белов, Н.Д. Бобовников, А.А. Маурах, Н.Д. Москаленко, М.С. Озерский).
В 1965 г. на Ленинградском заводе по обработке цветных металлов для производства алюминиевой полосы был пущен первый отечественный двухвалковый ЛПА собственной конструкции с горизонтальной подачей жидкого металла [4, 8]. В 90-х годах такой двухвалковый ЛПА был освоен на Московском заводе ОЦМ для производства кровельного листа из цинкового сплава [9, 10]. Многолетние обширные исследования, проведенные на Ленинградском заводе ОЦМ, позволили получить ценные для теории и практики рекомендации по конструированию и эксплуатации агрегатов БП, установить влияние разных факторов на процесс БП алюминиевой ленты [4]. Эти результаты НИОКР важны для освоения БП стальных полос на отечественных предприятиях.
В 60 - 70-х годах ВНИИМЕТМАШ разработал и реализовал в промышленности в СССР и ГДР двухвалковые литейно-прокатные агрегаты (ЛПА) для производства тонких (8 мм) и широких (1000 - 1600 мм) полос из алюминия (А.И. Целиков, П.И. Софийский, A.M. Серебренников, В.А. Чеботарев) [20, 22]. Эти двухвалковые ЛПА уже в то время конструктивно и функционально соответствовали современным представлениям об эффективном процессе БП. Жидкий алюминий подавали снизу в зазор между жесткими валками, состоящими из оси и толстостенного водоохлаждаемого бандажа.
В освоение технологии и оборудования БП полос из алюминия и цинка большой вклад внесли специалисты института «Гипроцветметобработка» (A.M. Кац, B.C. Кузнецов, Р.Л. Шаталов), ВИЛС, ВИАМ, ВАМИ (В.Г. Борисов), а также ЛЗОЦМ, МЗОЦМ (М.В. Кудин, Н.Ш. Босхамджиев, В.Л. Зи-сельман) и Михайловского завода ОЦМ (М.В. Баранов).
В 1990-е годы ВНИИМЕТМАШ (В.В. Егоров, А.И. Майоров) и ООО «ОЗМА» (О.А. Тимохин, г. Москва) начали НИОКР по разработке оборудования и технологии БП стальных полос. В 2002 г. были начаты теоретические исследования и конструкторские разработки по БП стальных полос на заводе «Центросвар» и в ОАО «Институт Цветметобработка»; эти работы проводятся под научным руководством М.Я. Бровмана.
В результате исследований и конструкторских разработок отечественных и зарубежных фирм и НИИ, начатых еще в 1930-х годах, убедительно доказана высокая эффективность технологии валковой отливки тонких полос не только из цветных металлов, но и из сталей разных марок.
Состояние технологии и технико-экономические показатели БП стальных полос
В последние 15-20 лет к технологии бесслитковой прокатки привлечено особое внимание во многих странах, включая Россию, как к современному средству производства качественных тонких стальных полос.
Многолетние НИОКР, выполненные в России и за рубежом, привели к созданию ряда экспериментальных, опытно-промышленных и промышленных валковых ЛПА для производства тонких стальных полос. Эти работы (см., например, [11 - 23]) окончательно доказали высокую эффективность технологии валковой отливки тонких широких полос из сталей разных марок.
В Европе современные основы литья стальной полосы в валковом кристаллизаторе были разработаны фирмой Usinor (Франция) при участии Французского института черной металлургии (Irsid) и фирмой ICrapp Thyssen Stahl (KTS, Германия) при участии Института обработки давлением Рейн-Вестфальского высшего технического училища (RWTH, г. Аахен, Германия). После строительства в 1991 г. крупномасштабного опытно-промышленного вертикального ЛПА на заводе в г. Исберг фирмы Ugine (Франция) были начаты первые опыты по разливке стали.
В результате исследований, проведенных ведущими металлургическими и машиностроительными компаниями [14 - 18], были созданы основы промышленной технологии производства тонкой полосы на вертикальном двухвалковом ЛПА. Компании, занимавшиеся этой проблемой, вначале действовали независимо, затем начали вырабатывать общие программы, объединяя свои производственные мощности, инженерно-технические разработки и ноу-хау.
В декабре 1999 г. назаводе в г.. Крефельд была разлита первая: промышленная плавка коррозионностойкош стали. Устойчиво5 разливается полный ковш, вместимостью 90 т и ширина полосы составляет 1430 мм. В 2001 г. была пущена в эксплуатацию клеть горячей прокатки, входящая в состав валкового ЛПА. Горячая прокатка в этой клети с обжатием 20/— 30 % позволила улучшить шероховатость поверхности и структуру полосы. ,
Основные характеристики1 промышленного ВЛПА для производства тонких полос изкоррозионностойких=сталей;в г. Крефельд следующие: Диаметр валков-кристаллизаторов, мм - 1500 Скорость литья, м/мин . 60-150 Толщина литой полосы, мм . 1,8-4,5 Толщина полосы л осле горячей прокатки в линии ЛПА, мм 1,4-3,5 Ширина полосы, мм 1100-1450 Масса рулона; т 30 Емкость сталеразливочного ковша, т 90 Производительность, тыс. т/год 400 В работах [14 - 17 и др.] приведены сведения об исследованиях и практической реализации процесса непрерывного валкового литья-прокатки стальных полос в Японии США1 и других странах.
Валковый ЛПА по- совместному проекту фирм Японии, Австралии и: США «Castrip», установленный на фирме Nucor (США) отличается от ЛПА по проекту «Eurostrip» в три раза меньшим . диаметром (500 мм) валков-кристаллизаторов [17]. Разработчики проекта «Castrip» считают, что при малом диаметре валков меньше капитальные и производственные расходы (в частности на огнеупорные элементы). Специалисты проекта «Castrip» высказали интересные соображения о возможности снижения требований к химическому составу стали, выплавляемой из металлолома. Это связано с тем, что при высокой скорости охлаждения жидкого металла миграция включений к границам зерен затрудняется.
Исследования позволили наметить сортамент агрегата и определить рыночные перспективы новой технологии. По мнению авторов проекта «Castrip» на ВЛПА можно производить полосы толщиной 0,7 -2,1 мм и шириной 1000 - 2000 мм при скорости литья до 150 м/мин и массе рулона 25 - 40 т. В зависимости от вида продукции производительность ВЛПА составит 60-ПО т/ч.
В России научно-исследовательские работы по созданию двухвалковых ЛПА для черной металлургии проводятся в АХК «ВНИИМЕТМАШ им. академика А.И. Целикова» [20 - 22]. Ряд интересных работ выполнен фирмой «ОЗМА» (г. Москва) [19] Проводятся также работы в ОАО «Центросвар» (г. Тверь) и в ОАО «Институт Цветметобработка» (г. Москва) в развитие ранее выполненных исследований по бесслитковой прокатке в валковых ЛПА тонких широких полос из алюминиевых и цинковых сплавов..
На опытных двухвалковых ЛПА специалисты ВНИИМЕТМАШ провели комплекс научно-исследовательских работ по БП лент шириной от 150 до 300 мм из различных марок стали. На этих ЛПА отработана технология литья как стальной ленты толщиной 0,1...0,3 мм с микрокристаллической структурой, так и обычной ленты толщиной 1...2 мм. Исследования, показали значительное улучшение свойств тонких лент из различных сплавов на основе железа [20 - 22].
Определение протяженности зоны пластической деформации и допустимой скорости полосы при БП
Здесь и далее будем рассматривать схему реализации БП стальной полосы, когда жидкий металл заливают сверху в зазор: между валками-кристаллизаторами (в дальнейшем, для краткости, - валками) как показано; на рисунке 16. Для того чтобы создать замкнутую ванну жидкого металла и предотвратить кристаллизацию металла на боковых поверхностях слитка, к торцевым поверхностям валков прижимают плиты из огнеупорного материала. Такая схема применительно к производству тонких стальных полос на сегодня представляется наиболее целесообразной, и она успешно реализована в ряде промышленных агрегатов (см. раздел 1).
Поскольку ширина тонкой полосы, представляющая практический интерес, составляет 1000 - 1500 мм и значительно превышает ее толщину (1-5 мм), ниже будем рассматривать задачу о плоской деформации такой полосы.
Положение мениска жидкого металла АВ относительно плоскости 0\-Ог (у - 0), проходящей через оси валков, определяет угол а (рисунок 16). От мениска, т.е. от точек А и В начинается кристаллизация жидкого металла, и на рабочих поверхностях обоих валков формируются две твердые корки металла толщиной б(т), где т - время.
Однако, это существенно изменяет процесс. Во-первых, в валках (при у 0 ) пластическая деформация обжатия уже не осуществляется, что увеличивает пористость в центральной зоне слитка. Во-вторых, при значительной (более 500 мм) ширине полосы возможно «раздутие» слитка ввиду деформации его корки под действием давления жидкого металла [57, 104]. Поэтому необходимо предусматривать опорные элементы (ролики, брусья) для поддержания корки слитка, что усложняет существенно конструкцию оборудования. В-третьих, в таком режиме значительно возрастает количество брака из-за расслоения полос, не подвергаемых обжатию в валках. Следует еще отметить, что «раздутие» тонкого широкого слитка происходит неравномерно: оно значительно больше у середины широких граней сечения. Поэтому полосы, полученные литьем со скоростью, превышающей критическую (v vK), могут иметь большую поперечную разнотолщинность.
Известно [173], что попытки «исправить» поперечный профиль полос малой толщины приводят к неустойчивости процесса деформации, появлению волнистости по краям полосы или ее коробоватости. Предельная по устойчивости толщина полосы h = (4,0 -г 4,5) 10"3Ъ, где Ъ - ее ширина (см. [173], стр. 29), т.е. при 6 = 1000 мм за один проход практически невозможно устранить поперечную разнотолщинность полос толщиной менее 4,0 -г- 4,5 мм.
Ранее при проектировании прокатных станов производили расчеты только энергосиловых параметров: усилия, момента, мощности привода, расхода энергии. Затем была показана (см., например, работу [174]) необходимость расчета также и точности прокатки, т.е. возможных изменений размеров проката при изменениях температуры металла и его предела текучести, скоростей прокатки, биения валков и т.д. Целью таких расчетов является обеспечение разнотолщинности проката в допустимых пределах (см., например, [118, 174]). Точность размеров полос, выходящих из валков-кристаллизаторов, также имеет большое значение.
Как следует из изложенного, со всех позиций нецелесообразно осуществлять литье-прокатку в режиме v vK, когда фактически процесс прокатки не происходит и неизбежно значительное ухудшение качества продукции.
Для обеспечения высокого качества полос процесс БП следует осуществлять при v vK и у 0 (см. рисунок 16); при этом необходимо иметь некоторый «запас» по v (см. ниже формулу (2.11)).
Определение возможных изменений длины зоны деформации Функции б(т) не являются точно определенными. Всегда имеются отклонения А8 от номинальной функции 8(т). Анализ этих величин и степень их разброса приведен в ряде работ, например, в [62, 168], а также в п. 2.1.
В валковых ЛПА весь процесе затвердевания жидкого металла происходит с высокой скоростью и продолжается не более нескольких секунд, поэтому разнотолщинность (утонение) корки может достигать 30% (здесь мы не рассматриваем случай, когда из-за неправильного осуществления подачи жидкого металла из ковша его струя размывает отдельные участки корки слитка, что создает
Возможные колебания угла у приводят к изменению длины зоны пластической деформации / и соответственно - степени деформации закристаллизовавшейся полосы. Следовательно, для литья-прокатки стальных полос толщиной 4 мм в валках диаметром 1000 мм допустимая скорость равна (при а = 20) 7,5 м/мин,-но для обеспечения степени пластической деформации, равной 0,14, целесообразно не принимать скорости более 6,42 м/мин. При ширине полосы 1,5 м это обеспечит производительность 17 тонн в час (при диаметре валков 1500 мм - 25 тонн в час).
Расчет энергосиловых параметров процесса БП стальной полосы
Известные труды И.М. Павлова, А.И. Целикова, B.C. Смирнова, А.П. Чекмарева, М.Я. Бровмана и др. являются научной базой решения задач об энергосиловых параметрах процесса прокатки (см., например, работы [111, 118, 199 - 204]). Однако, только в одной из статей И.М. Павлова (1940 г.) [139] содержатся общие соображения по решению таких задач применительно к БП стальных полос. При этом обсуждалась схема БП (ВК с ребордами по краям бочек - см. рисунок 9), которая в последующие годы не получила дальнейшего развития и практического применения для производства стальных полос.
Решения, полученные в разделах 2 и 3, позволяют рассчитать энергосиловые параметры (контактное давление, усилия, моменты, мощность) при пластической деформации стальной полосы в процессе БП.
В основу изложенного ниже расчета положены известные теоретические решения, приведенные в работах [113, 116, 118] и дополненные решениями, изложенными в разделах 2 и 3, которые учитывают особенности процесса БП и его отличия от процесса обычной горячей прокатки тонких стальных полос. Среднее контактное давление рср — важнейший энергосиловой показатель процесса прокатки, определяющий не только усилие прокатки, но и стойкость валков, находим из соотношения: PcV=vn , (3.14) где а - сопротивление пластической деформации металла; па — коэффициент напряженного состояния, учитывающий влияние трения, внешних зон и натяжения полосы.
Сопротивление деформации о определяем по формулам (3.1) или (3.2) с учетом рекомендаций и дополнений, изложенных в п. 3.1. Дополнения, в частности, относятся к более полному учету влияния скорости деформации на о при температурах, характерных для процесса БП стальной полосы.
Скорость деформации є можно ориентировочно определить по упрощенной формуле А.И. Целикова [201]: 8 = , (3.15) где / - длина зоны деформации (см. рисунок 16). При БП стальной полосы в ВК диаметром 1000 мм с относительными обжатиями є = 20...50% скорости деформации ориентировочно составляют є = (1...2)с-1 при v = 10 м/мини є = (5...10)с_1 при v = 100 м/мин. Такие скорости деформации при БП аналогичны є при прокатке на обжимных, заготовочных и крупносортных станах [111]. При необходимости скорость деформации при прокатке может быть определена с большей точностью с использованием многочисленных решений этой задачи [111]. Коэффициент напряженного состояния па для случая прокатки тонких полос определяем по М.Я. Бровману [118]: па = 0,75 + 0,25w, (3.16) / где т = 0,5(/ + А) 112 ,Здесь, согласно рисунку 16, h0— начальная толщина полосы в сечении у, соответствующем окончанию процесса затвердевания металла и началу процесса прокатки; h - конечная толщина полосы. Согласно рисунку 16, начальная толщина полосы h0 равна: /z0 = 2Я +/z - 2Я cosy =/z + 2i?(l-cosy) =/z + 4i? sin2- , (3.17) а угол у определяется из уравнения (2.8) как показано в п. 2.2 при угле а, характеризующем положение мениска жидкого металла и равном а = 20-30 (см. п. 2.3). Усилие прокатки Р определяем из известного соотношения: . P = PCP F, (3.18) где F- площадь контактной поверхности, равная: F = bQ-l; (3.19) здесь Ь0 — номинальная (в сечении у) ширина полосы, равная (в отличие от обычной прокатки) длине рабочей части (бочки) ВК; / - длина зоны пластической деформации (прокатки) полосы. Уширение полосы (Ab = b-b0) при расчете F можно не учитывать, поскольку относительное уширение (Зу = Ab IЬ0 составляет всего порядка 0,5% (см. п. 2.5). Длина зоны пластической деформации / составит: l = - R(h0-h), (3.20) или с учетом (3.17): / = 2(1-cosy). (3.21) Здесь следует отметить, что за сечением, в котором соединяются две твердые корки полосы (соответствующем углу у), может наблюдаться небольшая по протяженности зона пористого слоя в средней части по толщине полосы. Приближенная оценка показывает, что длина этой зоны может составить (4 - 5)% от /.
Таким образом, при расчете контактной площади F можно не учитывать величину уширения полосы и длину зоны уплотнения металла в ОКД ввиду их малости. В целом, при определении энергосиловых параметров прокатки необходимо учитывать обстоятельства, указанные в работе [131].
С повышением температуры металла и с приближением ее к температуре солидуса резко усиливается зависимость СПД от скорости деформации. При температурах, отличающихся от температуры солидуса не более, чем на 60 - 80 С зависимость а(є) близка к линейной.
Получена зависимость для расчета показателя скоростного упрочнения стали в процессе БП. На основании решений, выполненных в разделе 2, получены зависимости для расчета термомеханических параметров деформации металла в процессе БП.
Расчеты энергосиловых параметров при БП и обычной горячей прокатке тонких полос отличаются принципиально: в случае БП расчетные формулы содержат ряд взаимосвязанных величин (а, у, а, v), которые по своей сути определяют саму возможность осуществления совмещенного процесса кристаллизации-деформации, его эффективность и качество полосы.
Анализ температурного режима и эффективности охлаждения бандажей различной толщины
Выше (в п. 1.4) были показаны особенности валков-кристаллизаторов и их важная роль в осуществлении процесса БП. Прежде всего следует обратить внимание на важное обстоятельство: теплообмен между жидким металлом и кристаллизатором в ВК происходит гораздо более интенсивно, чем в кристаллизаторах с плоскими стенками. В валках-кристаллизаторах диаметром 1000 - 1500 мм протяженность зоны теплообмена в 3 — 5 раз меньше по сравнению с обычными кристаллизаторами, в которых протяженность этой зоны составляет 0,6 - 1,0 м. При этом удель-ный тепловой поток q в случае БП стальных полос составляет 1—5 МВт/м , что на порядок выше, чем q в первых секциях системы вторичного охлаждения УНРС.
Кроме того, число циклов нагружения поверхностей кристаллизатора в валковых агрегатах гораздо выше, чем на обычных УНРС. Циклы нагрев-охлаждение повторяются при каждом обороте валка, а при литье в «кристаллизаторы скольжения» - один раз за время разливки плавки.
Указанные обстоятельства, другие важные моменты, отмеченные в п. 1.4, - все это свидетельствует о необходимости проведения дальнейших исследований с целью повышения эффективности охлаждения ВК, а также совершенствования конструкций валков-кристаллизаторов, обеспечивающих уменьшение температуры нагрева бандажей и термических напряжений в них.
В п. 1.4 было показано, что при разработке конструкций бандажиро-ванных ВК и выборе материала бандажей целесообразно использовать соответствующие результаты, полученные в теоретических и прикладных исследованиях валков прокатных станов. Эту рекомендацию можно распространить и на температурную задачу применительно к валкам-кристаллизаторам: для общих оценок можно рационально использовать результаты расчета и анализа температуры прокатных валков, роликов рольгангов и установок непрерывной разливки стали, а также кристаллизаторов УНРС, полученные, например, в работах [150, 159, 189, 208-214].
Рассмотрим особый, наиболее опасный с точки зрения температурной задачи случай, когда нагретая полоса (слиток) находится в контакте с неподвижными валками или роликами. Анализ такой температурной задачи имеет большое практической значение и не только применительно к валкам-кристаллизаторам.
В прокатных цехах остановка заготовки может предусматриваться технологическим процессом, например, при остановке слитков или заготовок на рольганге при пакетировании перед опускающимся упором, при паузах до окончания прокатки предыдущего слитка, при порезке непрерывнолитого слитка на мерные длины. Остановка слитка, а также заготовки в валках может произойти также и при аварийных ситуациях: при отключении двигателя привода в случае перегрузки, при возникновении значительной петли между клетями (часто это происходит на непрерывно-заготовочных станах), при поломке деталей механизмов стана. Аналогичные случаи иногда наблюдаются и при аварийной остановке слитка на УНРС, когда с неподвижным слитком находятся в контакте и ролики системы вторичного охлаждения, и валки тянуще-правильных клетей.
Целесообразно проанализировать указанный особый случай потому, что именно в таком режиме происходит наиболее сильный нагрев одного участка поверхности валка (или ролика), именно того, который находится в контакте с нагретым металлом. Валки и ролики при этом подвергаются сильному одностороннему нагреву, что приводит к появлению в них высоких термических напряжений.
Опасность выхода валков из строя возрастает из-за того, что если при их вращении можно уменьшить максимальную температуру нагрева путем усиления интенсивности охлаждения бочки (увеличивая расход охлаждающей воды), то при остановке усиление охлаждения бочки не дает полезного эффекта, а, наоборот, увеличивает перепад температур и следовательно — термические напряжения (см., например, [150, 159, 189, 215 -217]).
На практике используют наружное охлаждение валков (или роликов) по поверхности радиусом R, например, водяными форсунками. Валки-кристаллизаторы охлаждают также изнутри, подавая воду в осевой канал радиусом г0 (см. рисунок 46).
Для анализа используем систему полярных координат г,ф с центром на оси валка. Рассмотрим расчет, основанный на решении двумерной задачи теплопроводности, причем считаем распределение температуры стационарным, по крайней мере, в период времени, равный нескольким минутам (2—10 мин). Такая схема расчета приводит к завышению температуры нагрева валков, поскольку тонкие полосы быстро остывают в валках; в то же время она позволяет дать общую сравнительную оценку разных вариантов нагрева валков.
Такое распределение теплового потока соответствует схеме, приведенной на рисунке 46. Если максимальный тепловой поток при г = R и ф = 0 равен qm, а минимальный при r = R и ф = тс равен qQ, то это позволяет определить постоянные величины С2 и С3.
Конечно, интенсивность охлаждения (и величина q0) оказывает значительное влияние на среднюю температуру валка (и его минимальную температуру). Но на участке непосредственного контакта валка с горячим слитком влиять на tm интенсивностью охлаждения поверхности стальных валков невозможно. Более того, как было отмечено выше, с усилением охлаждения бочки валка перепад температуры по его сечению и термические напряжения в валке не уменьшаются, а возрастают (см., например, [150]). На рисунке 48 приведены результаты расчетов максимальной температуры валков (/,„) различного диаметра (D = 2R) в функции величины А при А, = 30 Вт/м-град, qm=\Q5 Вт/м2; приведены графики tm{A) в диапазоне 0 tm 600 С и 0 tm 1000 С. Случаи, когда А - оо (Л ! - 0) близки к режиму, при котором внутреннего охлаждения валка практически нет. При этом, максимальная температура нагрева может достигать 1000 С для валков диаметром 0,30 м, 670 С - диаметром 0,20 м и 330 С - диаметром 0,10 м. При таких температурах неизбежным является появление пластических деформаций поверхностных слоев валков и остаточных деформаций изгиба. Возможно и развитие трещин вблизи участка максимального нагрева валков в зоне их контакта с нагретым металлом.
