Влияние равномерности термического нагрева слябов на вибрацию клети в процессе прокатки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние равномерности термического нагрева слябов на вибрацию клети в процессе прокатки

М.М. Кипин

Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградского, г. Кременчуг, Украина

Нагрев заготовок перед прокаткой обеспечивает необходимую пластичность, уменьшает сопротивление деформации, оказывает влияние на качество готового проката и получение требуемой структуры металла. Неравномерный нагрев слябов ведет к образованию внутренних разрывов, увеличению износа прокатных валков за счет возникновения ударных нагрузок. В данном материале предложено техническое решение существующей проблемы нагрева слябов в нагревательной печи «Furnace Axis». Однородность нагрева по сечению и длине заготовки исключает возникновение ударов при захвате и прокатке сляба валками вертикальной клети. Допустимым значением перепада температуры по длине сляба можно считать диапазон от 60 до 160°С, который не приводит к ударному возбуждению клетей продолжительностью более 1 - 2 секунды. Разработанные рекомендации проверены в условиях реального производства и могут быть использованы на подобных предприятиях.

Ключевые слова: вибрация, колебания, температура, сляб, прокатный стан, клеть, скорость, ускорение.

Вплив рівномірності термічного нагріву слябів на вібрацію кліті в процесі прокатки

М.М. Кипин

Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського, м. Кременчук, Україна

Нагрівання заготовок перед прокаткою забезпечує необхідну пластичність, зменшує опір деформації, впливає на якість готового прокату і отримання необхідної структури металу. Нерівномірний нагрів слябів веде до утворення внутрішніх розривів, збільшення зносу прокатних валків за рахунок виникнення ударних навантажень. В даному матеріалі запропоновано технічне рішення існуючої проблеми нагріву слябів в нагрівальній печі «Furnace Axis». Розглянуто питання підвищення надійності роботи прокатного стану. Встановлено вплив температури заготовки на основні параметрів вібрації обладнання прокатного стану. Обладнанню безперервних многоклітьових прокатних станів притаманні нестаціонарні режими роботи, зумовлені особливостями технологічного процесу. У даній роботі в якості критерію надійності роботи обладнання і попередження аварійної си-туації застосовувалися такі параметри, як віброшвидкість та віброприскорення. Аналіз зміни величини віброшвидкості показав, що скачок цього параметра є наслідком відхилення в технологічному режимі прокатки, а саме - в нерівномірному нагріванні заготовки в печі, з перепадом температури більш 160°С. Для зниження впливу падіння температури автором запропоновано збільшити швидкість підйому сляба, після чого його переміщення здійснюється зі звичайною швидкістю, тим самим інтервал часу знаходження слябів на крокуючих балках збільшується. Таким чином, забезпечується додатковий прогрів зон контакту заготовки з нерухомими балками. Крім того, відзначено що конструктивна особливість вертикальної кліті стану (високий фундамент) вказує на її підвищену чутливість до ударних навантажень, які виникають в момент заповнення осередку деформації металом, в порівнянні з горизонтальним виконанням клітей. Однорідність нагріву по перетину і довжині заготовки виключає виникнення ударів під час обхвату та прокатки сляба валками вертикальної кліті. Допустимим значенням перепаду температури по довжині сляба можна вважати діапазон від 60 до 160°С, який не призводить до ударного порушення клітей тривалістю більше 1 - 2 секунди. Розроблені рекомендації перевірені в умовах реального виробництва і можуть бути використані на подібних підприємствах.

Ключові слова: вібрація, коливання, температура, сляб, прокатний стан, кліть, швидкість, прискорення.

INFLUENCE OF THE UNIFORMITY OF THERMAL HEATING OF SLABS ON VIBRATION OF THE CART IN THE ROLLING PROCESS

M. Kipin

Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University

Kremenchuk, Ukraine

Purpose. The article aims to research the influence of the uniformity of thermal heating of slabs on vibration of the cart in the rolling progress.The issues of improving the reliability of the rolling mill are reflected. The influence of the workpiece temperature on the main vibration parameters of the rolling mill equipment is established. Methodology. The equipment of continuous multicell rolling mills is characterized by non-stationary operating modes, due to the features of the technological process. In this work, such parameters as vibration velocity and vibration acceleration were used as a criterion for reliable operation of the equipment and prevention of an emergency. Results. Analysis of changes in the magnitude of vibration velocity showed that the jump in this parameter is a result of deviations in the techno-logical rolling mode, namely, uneven heating of the billet in the furnace, with a temperature drop of more than 160° C. Originality. To reduce the influence of temperature drop, the author proposed to increase the rate of rise of the slab, after which its movement is carried out at normal speed, thereby increasing the interval of time the slabs are on walking beams. Thus, additional heating of the contact zones of the workpiece with the fixed beams is provided. In addition, it was noted that the structural feature of the vertical stand of the mill (high foundation) indicates its increased sensitivity to shock loads that occur when the deformation zone is filled with metal, compared with the horizontal execution of the stands. Practical value. The uniformity of heating over the cross section and length of the workpiece eliminates the occurrence of shock during the capture and rolling of the slab by the rolls of a vertical stand. The acceptable value of the temperature drop along the length of the slab can be considered a range from 60 to 160 ° C, which does not lead to shock excitation by the stands for a duration of more than 1 - 2 seconds. The developed recommendations are tested in real production conditions and can be used at similar enterprises. References 7, tables 2, figures 6.

Key words: vibration, fluctuations, temperature, slab, rolling mill, mill, speed, acceleration.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

термический нагрев печь прокатка

Оборудованию непрерывных многоклетевых прокатных станов присущи нестационарные режимы работы, обусловлен-ные особенностями технологического процесса. Динамика взаимодействия клетей проявляется в момент последовательного заполнения непрерывной группы заготовкой. Образующиеся колебательные процессы в клетях действуют в качестве возмущения на предыдущие клети через формирующееся натяжение или подпор между клетями [1]. Важным фактором является равномерность термического нагрева заготовок в печи, перед их выдачей на прокатный стан.

Необходимость нагрева заготовок является одним из основных причин того, что черная металлургия остается одной из наиболее энергоемких отраслей промышленности. Особенно это относится к странам бывшего СССР, т.к. в отсутствии средств на радикальное техническое перевооружение приходиться проводить усовершенствование существующего оборудования и технологий в направлении снижения себестоимости продукции при минимальных капитальных затратах. Очень часто это достигается за счет уменьшения расхода газа в нагрева-тельных устройствах прокатных цехов за счет снижения температуры нагрева металла под прокатку [2].

Этот способ прокатки получил название НТП - низкотемпературная прокатка. В этом случае происходит снижение температуры нагрева исходного металла на 100 - 400 оС. Эта технология может использоваться на разных станах - непрерывных широкополосных, мелкосортных и проволочных. Так, на мелкосортном стане завода Fagerstand АВ

Osterbyvorken (Швеция) налажена прокатка «Квадратов» 10,5x10,5 мм при снижении температуры нагрева заготовок с 1150 оС до 750 оС [3]. При этом снижение расхода энергии составляет от 85 до 130 кВт-час/т.

Помимо уменьшения энергозатрат технология НТП способствует улучшению механических свойств: на стане 250 ПО «Ижмаш» при прокатке катанки из стали 50Г понижение температуры нагрева заготовок с 1130-1200 оС до 1030 - 1060 оС привело к значительному улучшению пластичности металла (при незначительном возрастании твердости) [4].

Однако в погоне за снижением энергозатрат многие забывают о том, что снижение температуры нагрева заготовки приводит к ухудшению ее пластичных свойств, что негативно сказывается на работе основных механизмов. Так, исследования проф. Большаков В. И. показали, что при этом динамические нагрузки возрастают на 15-23% [5].

Снижение температуры заготовки может происходить и в процессе ее движения по прокатному стану [2]. Исходя из этого, целью данной работы является оценка изменения основных параметров вибрации оборудования стана при изменении температуры заготовки.

Цель работы - рассмотрены вопросы повышения надежности работы прокатного стана. Установлено влияние температуры заготовки на основные параметры вибрации оборудования прокатного стана.

МАТЕРИАЛ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Прокатный стан А/С 400/215 фирмы «SMS Meer» металлургического комбината «НЛМК- Калуга» состоит из черновой (6 клетей), промежуточной (6 клетей), чистовой (6 клетей) групп прокатных клетей, двух чистовых 6-ти клетевых высокоскоростных блоков с общим числом приводов 20 шт. Скорость прокатки составляет до 15 м/с на прокатных клетях и 38 м/с на высокоскоростных блоках. Режим работы прокатного стана непрерывный с остановками на планово-предупредительные ремонты и обслуживание оборудования продолжительностью 8-12 часов.

На непрерывном мелко среднесортном прокатном стане из слябов длиной 12 метров и сечением 150x150 мм получают разнообразный сортамент (прут, арматуру, уголок). Нагрев исходных заготовок производится в нагревательной печи «Furnace Axis» с шагающими балками (далее - ПШБ) с боковой загрузкой и с последовательной выдачей заготовок на стан. Соблюдение заданной температуры нагрева заготовок обеспечивает ее однородность по сечению и длине для получения заданной точности и требуемых механических свойств проката. Обязательным условием при посаде заготовок в печь является то, что оба конца заготовок (передний и задний) должны лежать на неподвижных балках. Допускается свободный выступ этих концов над подвижной балкой не более 600 мм. Заданного расположения заготовок при посаде добиваются корректировкой времени торможения внутрипечного рольганга посада. Поддержание режима нагрева заготовок в ПШБ осуществляется расходом газа и воздуха.

Системой вибродиагностики, установленной на стане, 10.04.19 г. (в 10:37:38) был зарегистрирован инцидент срабатывания защитного мониторинга на электродвигателе вертикальной клети № 2. При этом вибрация электродвигателя скачком выросла с 0,4 мм/с до 17 мм/с в точке 2.1 и до 11 ,5 мм/с в точке 2.2, а через 17 секунд вибрация снова снизилась до нормативных значений (рис. 1). Виброскорость на электродвигателях 4-й и 6-й клети также незначительно поднялась в этот момент, но короткими импульсами длительностью до 1 - 2 секунды. Поскольку диагностические заключения системы по клети № 2 до инцидента (в 09:21:26) и после него (в 10:45:23) не претерпели значительных изменений, а уровень вибрации вернулся в норму, клеть оставили в работе.

Вертикальная клеть 2 установлена на рамочном фундаменте высотой 4,7 м. Следует отметить, что фундаменты вертикальных клетей 2, 4, 6 соединены между собой стальной площадкой обслуживания, и ударное возбуждение, в момент захвата сляба валками 2-й клети, передается на 4-ю и 6-ю клеть, через жесткую связь одиночным импульсом.

В системе вибродиагностики реализована методика защитного мониторинга, в которой логика срабатывания сигнализации обеспечивает выдачу аварийного сигнала при резком изменении вибрации. Локализация возникшей проблемы осуществляется на уровне каждой клети стана, в виде световой сигнализации. Оператор прокатного стана, получив сигнал о необходимости прекращения прокатки, должен учесть положение сляба (или слябов) в клетях стана, закончить их прокатку и прекратить выдачу заготовок из печи. Оповестить дежурный персонал о необходимости осмотра аварийной клети. После определения источника возникновения аварийной ситуации и устранения ее причины, стан снова включается в производственный цикл. Значения границ зон технического состояния по виброскорости (далее по тексту ЗТС) для прокатного оборудования представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Границы зон технического состояния для оборудования черновой группы прокатного стана

Значения границ ЗТС в таблице заданы:

- для виброскорости V в мм/с (СКЗ) [6];

- для виброускорения А в м/с2 (СКЗ) [7], где СКЗ - среднеквадратическое значение параметра в заданном диапазоне частот.

Контроль вибрации осуществляется в режиме реального времени и в случае превышения заданных уставок виброскорости ^кз мм/с для любого из указанных в таблице 1 элементов клети, начинается отсчет времени на удержание сигнала тревоги. Если вибрация в течение 10 секунд не снижается до приемлемого значения, то на монитор оператора стана выводится световой сигнал тревоги.

Рисунок 1 - Тренды виброскорости (секундные данные, без усреднения), клеть № 2

Граничные значения вибрации прокатного оборудования определены из статистического анализа инцидентов произошедших на клетях стана в период пусконаладочных работ.

Таблица 2 - Изменение виброскорости электродвигателя клети № 2 в зависимости от перепада температур сляба

Из базы данных АСУ ТП комбината были запрошены сведения по моменту на валу электродвигателя клети № 2, за соответствующий период времени 10:37:00 от 10.04.19 г. (рис. 2).

Анализ трендов указывает на то, что скачек виброскорости на клети является следствием отклонения в технологическом режиме прокатки, а именно - неравномерным нагревом заготовки в печи, с перепадом температуры ~200°С на 1-й глиссадной метке. В подтверждение данного факта, на той же клети (рис. 3) были взяты для сравнения значения момента сил и температуры (за 04.04.19 г.), при безударном захвате сляба валками, когда перепад температуры заготовки составил ~130°С.

По результатам наблюдений была составлена сводная табл. 2, в которой отражено влияние перепада температур по длине сляба на значение параметров виброскорости (мм/с, СКЗ) в защитном мониторинге для электродвигателя клети № 2. Реакция вертикальных клетей № 4 и № 6 на перепад температуры менее выражена и не приводит к высокой вибрации электродвигателей, поэтому в данной таблице не рассматривается.

Рисунок 2 - Момент на валу электродвигателя клети № 2 при захвате полосы с критическим перепадом температуры ~200°С

\

Рисунок 3 - Момент на валу электродвигателя клети № 2 при безударном захвате полосы валками.

Перепад температуры по длине сляба ~130°С

Допустимым значением перепада температуры по длине сляба можно считать диапазон от 60 до 160°С, который не приводит к ударному возбуждению клетей продолжительностью более 1 - 2 секунды.

Наличие непрогретых участков заготовки до 200°С ведет к снижению физико-механических свойств и структуры металла, и возникновению значительных вибрационных нагрузок вертикальной клети № 2.

Из этого следует, что программное обеспечение АСУ ТП стана необходимо дополнить модулем контроля температуры, или передать этот параметр в режиме on-line, в систему вибродиагностики, где предусмотрена такая функция. При этом, в решающем правиле, срабатывание сигнализации защитного мониторинга может быть жестко связано с допустимой величиной температурных перепадов на слябах, что обеспечит в дальнейшем оперативное информирование персонала о причине возникшей нештатной ситуации.

Анализ температурных трендов заготовок указывал на то, что температура переднего конца заготовок имеет максимальный перепад в зоне 1-й неподвижной балки. Было сделано предположение, что при перемещении заготовки в зону выгрузки, в этой области печи снижается интенсивность дефлаграци- онного горения газо-воздушной смеси, за счет, например, неравномерного распределения струй на форсунках (рис. 4).

Рисунок 4 - Температурные тренды нагрева заготовок на выходе из печи перед клетью № 1

Для уменьшения влияния данного аспекта на распределение температурного поля в зоне 1-й глис- садной метки, было предложено рассмотреть возможность регулирования нагрева заготовки, перемещением ее на подающих рольгангах электродвигателей загрузки. Имеется в виду, что после перемещения заготовки на рольганги, ее (заготовку) необходимо переместить по оси прокатного стана на 300-400 мм в сторону заднего конца - к 8-й метке (рис. 5). Соответственно, в зоне 1-й метки изменится интенсивность нагрева заготовки и, после этого, заготовка подается на прокатный стан.

Рисунок 5 - Нагревательная печь Furnace Axis в плане

Предложенный вариант оптимизации нагрева, может привести к увеличению времени выдачи заготовок из печи на стан, когда сляб уже находится на подающих рольгангах.

В дальнейшем анализ трендов выявил тот факт, что падение температуры на неподвижных балках печи меняется от заготовки к заготовке в течение каждой смены. И первоначальное предположение о неравномерности нагрева сляба только в зоне 1-й глиссадной метки, не подтвердилось.

На рис. 6 падение температуры отмечается на 5, 6 и 7 глиссадных метках, поэтому технологам был предложен альтернативный вариант регулирования температурного режима, который заключается в том, чтобы увеличить скорость подъема сляба, после чего его перемещение осуществляется с обычной скоростью, тем самым интервал времени нахождения слябов на шагающих балках увеличивается. Таким образом, обеспечивается дополнительный прогрев зон контакта заготовки с неподвижными балками. Процесс выдачи сляба из печи происходит уже без реверсивного действия (о котором речь шла в первом варианте).

ВЫВОДЫ

1. Конструктивная особенность вертикальной клети стана (высокий фундамент) указывает на ее повышенную чувствительность к ударным нагрузкам, возникающим в момент заполнения очага деформации металлом, по сравнению с горизонтальным исполнением клетей.

2. Однородность нагрева по сечению и длине заготовки исключает возникновение ударов при захвате и прокатке сляба валками вертикальной клети. Допустимым значением перепада температуры по длине сляба можно считать диапазон от 60 до 160°С, который не приводит к ударному возбуждению клетей продолжительностью более 1 - 2 секунды.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Веренев В. В., Путноки А. Ю., Подобедов Н. И. Переходные процессы при непрерывной прокатке: монография. В. В. Веренев и др.; Днепр, изд. «Литограф», 2017. 116 с.

3. Lundberg S. E. Low temperature rolling saves energy in the rolling of wire and bar. METEC - 84: 2 Jnt. Walzwerkskongr., Dusseldorf, 22-28 Juni, 1984. Bd. 2. Dusseldorf, 1984, 52/1 -G2/12.

4. Большаков В. И. Поздняков В.П. Особенности эксплуатации оборудования главных линий черновых клетей стана 1680 горячей прокатки. Захист металургійних машин від поломок: міжвуз. темат. зб. наук. пр. ПДТУ. Маріуполь, 1999. Вип. 4. С. 1524.

5. Кузнецов Ю. В, Бровкин В. Л. и др. Повышение качества проката в условиях деформации при низких температурах нагрева. Сталь. 1991. № 11. С. 65-67.

6. ГОСТ Р ИСО 10816-3-2002 «Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть 3. Промышленные машины номинальной мощностью более 15 кВт и номинальной скоростью вращения от 120 до 15 000 об/мин». М.: Стандартинформ. 2003.

7. СА 03-001-05 «Стандарт ассоциации. Центробежные насосные и компрессорные агрегаты опасных производств. Эксплуатационные нормы вибрации». М.: Стандартинформ. 2005, 48 с.

REFERENCES

1. Sklar, V. O. (2014), Innovacionnye i resurso- sberegayushie tehnologii vmetallurgii. Uchebnoe posobie, [Innovative and resource-saving technologies in metallurgy. Tutorial.], DonNTU, Donetsk, Ukraine.

2. .Verenev, V. O., Putnoki, A. Yu., Podobedov, N. I. (2017), Perehodnye processy pri nepreryvnoj prokatke: monografiya, [Continuous Rolling Transients: Monograph], Litograf, Dnipro, Ukraine.

3. Lundberg, S. E. Low temperature rolling saves energy in the rolling of wire and bar, METEC - 84:

2 Jnt. Walzwerkskongr., Dusseldorf, 22-28 Juni, 1984. Bd. 2 - Dusseldorf, 1984, 52/1 -G2/12.

4. Bolshakov, V. I., Pozdnyakov, V. P. (1999), “Features of the operation of the equipment of the main lines of roughing stands of hot rolling mill 1680, Protection of metallurgical machines of breakdowns”, Mizhvuzyvskij tematichnij zbyrnik naukovih prac PDTU, vol. 4, pp. 15-24.

5. Kuznetsov, Yu. V., Brovkin, V. L. (1991), “Improving the quality of rolling under deformation conditions at low heating temperatures”, Stal, no. 11, pp. 6567.

6. GOST R ISO 10816-3-2002 (2003), “Vibration. Monitoring the condition of machines by measuring vibration on non-rotating parts. Part 3. Industrial machines rated at more than 15 kW and rated at 120 to 15,000 rpm”, Standartinform, Moscow, Russia.

7. SA 03-001-05 (2005), “Association standard. Centrifugal pumping and compressor units of hazardous industries. Operating standards of vibration”, Standartinform, Moscow, Russia.

Размещено на Allbest.ru