СПОСОБ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ
HOT-ROLLING METHOD

Изобретение относится к горячей прокатке металлургической продукции. В частности, оно относится к способу регулирования по меньшей мере одного параметра способа горячей прокатки.
В дальнейшем тексте будет рассмотрен пример горячей прокатки стальных полос, но изобретение можно применять также для горячей прокатки других металлургических изделий, например, из алюминия или его сплавов.
Обычно горячекатаные стальные полосы получают в соответствии со следующей схемой:
- непрерывное литье сляба толщиной от 200 до 260 мм;
- нагрев сляба до температуры около 1100-1200°С;
- пропускание сляба через обжимной стан, содержащий единственную реверсивную клеть или множество независимых клетей (например, в количестве пяти), расположенных последовательно одна за другой, чтобы получить полосу толщиной около 30-50 мм;
- пропускание полосы через чистовой стан, содержащий множество клетей (например, в количестве шести или семи), в которых полоса присутствует одновременно, чтобы придать ей толщину примерно от 1,5 до 10 мм, затем полосу сматывают в рулон.
Затем полученную таким образом горячекатаную полосу подвергают термическим или механическим обработкам для придания ей окончательных свойств или подвергают холодной прокатке, чтобы еще больше уменьшить ее толщину перед осуществлением завершающих термических или механических обработок.
Во время горячей прокатки стальных полос в каждой клети чистового стана стальная полоса проходит через путь термической и механической обработки определенного профиля (обжим, температура), на который влияет трение между рабочими валками и полосой в рабочем зазоре между валками. Этот путь имеет определяющее влияние на качество полосы (качество поверхности и металлургические свойства).
Поэтому очень важно иметь возможность контролировать и регулировать трение в рабочем зазоре валков (или цилиндров). Слишком высокий коэффициент трения приводит к слишком большому расходу энергии, к быстрому износу валков, а также к появлению поверхностных дефектов на полосе. При слишком низком коэффициенте трения возникают проблемы проскальзывания и направления полосы, а также проблемы ее захождения в клеть.
Регулирование коэффициента трения обеспечивают, в частности, за счет процесса смазки.
В настоящее время, как правило, смазку производят на уровне каждой клети прокатного стана путем впрыска эмульсии, состоящей из воды и смазочной текучей среды, обычно масла, на валок на уровне рабочего зазора, см., например, документ US-А-3605473.
Необходимость эффективной смазки возрастает при прокатке новых марок стали THR (высокопрочная сталь, как правило, от 450 до 900 МПа) или UHR (сверхпрочная сталь, как правило свыше 900 МПа) и/или новых форматов, например, при толщинах полосы менее 3 мм. Действительно, эти стали, такие как USIBOR, или стали Dual Phase сами по себе являются более твердыми и требуют приложения более значительного усилия прокатки, что приводит к снижению производительности прокатного стана. Эти стали могут иметь такой состав поверхности, при котором она имеет меньше окалины, обычно действующей как первый элемент смазки.
Кроме того, в современных процессах прокатки, чтобы избежать риска непопадания полосы в рабочий зазор между валками, связанного со слишком высоким коэффициентом трения, во время прокатки переднего конца полосы впрыск смазочной эмульсии отключают. Точно так же, чтобы избежать непопадания следующей полосы по причине присутствия смазочной эмульсии на валках, прекращают впрыск смазочной эмульсии во время прокатки хвостового конца предыдущей полосы. Следовательно, эти два участка, прокатываемые без смазки, необходимо удалять, так как они не имеют необходимую толщину, что влечет за собой потерю нескольких метров полосы (5-10 метров полосы на одну клеть) и, следовательно, существенное снижение производительности.
Чтобы обеспечивать эффективную смазку и, следовательно, регулировать коэффициент трения для предупреждения происшествий во время прокатки, таких как проскальзывание или непопадание полосы, были предложены разные решения.
В документе JP-A-2008264828 описан способ горячей прокатки, в котором на рабочие валки наносят слой покрытия специального состава, чтобы гарантировать определенное значение коэффициента трения.
В документе JP-А-2005146094 описан способ горячей прокатки, в котором проскальзывания полосы избегают, используя смазочное масло специального состава.
Однако эти решения не позволяют регулировать коэффициент трения непрерывно во время прокатки. Действительно, кроме всего прочего, коэффициент трения зависит от природы материала прокатываемой полосы, от состояния рабочих валков (шероховатость, износ, окалина и т.д.), от скорости прокатки и от ожидаемой степени обжатия. Таким образом, эффективность смазки может отличаться между началом и концом всего цикла прокатки и даже от одного стана к другому и от одной клети к другой в одном стане. Однако оба предложенных решения не позволяют учитывать изменения этих параметров во время способа.
В документе JP-А-1156410 описан способ, в котором прикладываемое усилие нажима прокатных валков измеряют при помощи датчика, затем количество впрыскиваемого смазочного масла регулируют таким образом, чтобы измеренное усилие нажима было равно целевому значению.
Это решение предназначено для регулирования коэффициента трения в ходе способа, но не учитывает совокупность параметров, от которых зависит коэффициент трения, что делает его малоэффективным. Кроме того, это решение связано с существенными рисками нестабильностей способа прокатки, таких как изменения скорости или натяжения, если для достижения необходимого усилия добавляют большое количество смазки.
Таким образом, задача изобретения состоит в разработке способа прокатки, в котором коэффициент трения регулируют эффективно и надежно в ходе производственного процесса, чтобы избегать происшествий при прокатке и получить оптимальный выход. Также задача изобретения состоит в разработке способа, позволяющего уменьшить нестабильности способа прокатки и обеспечивающего смазку по всей длине полосы.
В связи с этим первым объектом изобретения является способ регулирования по п. 1 формулы изобретения.
Этот способ регулирования может также содержать признаки п.п. 2 - 5 формулы изобретения, взятые отдельно или в комбинации.
Объектом изобретения является также способ прокатки по п. 6 формулы изобретения.
Этот способ прокатки может также содержать признаки п.п. 9 7-10 формулы изобретения, взятые отдельно или в комбинации.
Объектом изобретения является также стан горячей прокатки по п. 11 формулы изобретения.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания.
Чтобы проиллюстрировать изобретение, были проведены испытания, которые описаны ниже в качестве неограничивающих примеров со ссылками на прилагаемые фигуры.
На фиг. 1 показан прокатный стан с двумя клетями, оборудованными заявленным устройством регулирования согласно варианту осуществления изобретения;
на фиг. 2 представлены различные переменные, используемые в варианте осуществления заявленного способа регулирования;
на фиг. 3 представлена схема регулирования согласно первому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 4 представлена схема регулирования согласно второму варианту осуществления изобретения;
на фиг. 5 показано начало впрыска масла и крутящий момент в зависимости от времени в ходе испытания с применением заявленного способа регулирования;
на фиг. 6 показана толщина катаной полосы на выходе клети в зависимости от времени в ходе испытания с применением заявленного способа регулирования.
1
2
На фиг. 1 показана металлическая полоса В во время прокатки в прокатном стане, содержащем две клети 1, 2, в которых одновременно проходит полоса В, например, в чистовом стане для горячей прокатки стальных полос. Как правило, прокатные станы этого типа содержат 5, 6 или 7 клетей. Классически каждая из клетей 1, 2 содержит два рабочих валка 1а, 1а’ и 2а, 2а’ и два опорных валка 1b, 1b’ и 2b, 2b’. Каждый валок приводится в движение при помощи крутящих моментов С, С (не показаны). Расстояние между двумя рабочими валками, соответственно 1a-1a’ и 2a-2a’, называют рабочим зазором S (не показан) и регулируют при помощи прижимного винта 7.
Смазку валков обеспечивают на уровне каждой из клетей при помощи устройства 3 впрыска, такого, например, как распылительные сопла, позволяющие распылять водно-масляную эмульсию.
выход
Согласно варианту осуществления изобретения, на выходе первой клети в направлении движения полосы расположено устройство 4 измерения скорости, причем это устройство 4 позволяет измерять скорость v полосы на выходе клети. Например, это устройство может быть оптическим устройством измерения, таким как лазерный спидометр. Это измерение скорости позволяет вычислять в реальном времени скольжение в переднем направлении (FWS от Forward Slip ratio на английском языке) при помощи следующей формулы:
(Формула 1)
в которой:
выход
- v является скоростью полосы на выходе клети, например, измеряемой при помощи устройства 4,
клеть
- v является линейной скоростью рабочих валков, вычисляемой по следующей формуле:
клеть
v = ωR (Формула 2)
где R является радиусом рабочего валка, и ω является угловой скоростью рабочих валков, измеряемой, например, импульсным датчиком.
выход
клеть
клеть
Скорости v и v могут быть выражены в любых единицах скорости при условии, что они обе должны быть выражены в одинаковых единицах. Точно так же, единица, в которой выражена угловая скорость ω, должна быть взаимосвязана с единицей v.
Согласно варианту осуществления изобретения, на уровне каждой клети предусмотрено также устройство 5 измерения усилия, позволяющее измерять в реальном времени усилие F нажима рабочих валков. Эти хорошо известные специалистам устройства могут представлять собой, например, тензометры, установленные на стойках клети или под прижимными винтами 7.
выход
Измеренные показатели усилия F нажима и скорости полосы на выходе из клети vнаправляются на блок обработки 6, который, таким образом, может, в зависимости от этих параметров и других предварительно зарегистрированных параметров, подать команду на перенастройку сопел 3 распыления смазывающей эмульсии или прижимных винтов 7.
Ниже со ссылками на фиг. 3 будет описан блок 6 обработки, позволяющий применять первый вариант осуществления заявленного способа регулирования.
выход
клеть
Скорость v полосы на выходе клети и угловую скорость ω рабочих валков измеряют в режиме он-лайн и их значения направляют в первое вычислительное устройство 8. Это первое вычислительное устройство 8 содержит по меньшей мере одно внутреннее запоминающее устройство, в котором записано значение радиуса R рабочих валков, что позволяет вычислять линейную скорость v рабочих валков и затем значение показателя скольжения в переднем направлении FWS по формуле 1.
1
1
реал
Затем вычисленное значение FWS передают во второе вычислительное устройство 9, которое получает также в качестве входной данной значение усилия F нажима, измеряемое в реальном времени датчиком 5. Это второе вычислительное устройство содержит по меньшей мере одно внутреннее запоминающее устройство, в котором записаны параметры Р. Эти параметры Р зависят от модели, выбранной для вычисления коэффициента трения μ.
реал
Можно адаптировать различные упрощенные модели для вычисления коэффициента трения μ на основании значений показателя скольжения в переднем направлении FWS и усилия F нажима. Эти модели известны в целом, но не в частном варианте применения, описанном в рамках изобретения.
Далее в качестве примера следует описание использования в рамках изобретения модели Орована, хотя можно использовать и другие известные специалисту модели, такие как модель Симса или модель Блэнда и Форда. Общая теория каждой из этих трех моделей описана, например, в “The calculation of roll pressure in hot and cold flat rolling”, E. Orowan, Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers, June 1943, vol. 150, n°1 140-167 для модели Орована, в “The calculation of roll force and torque in hot rolling mills”, R.B. Sims, Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers, June 1954, vol. 168, n°1 191-200 для модели Симса и в “The Calculation of Roll Force and Torque in Cold Strip Rolling with Tensions”, D.R. Bland and H. Ford, Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers, June 1948, vol. 149, p. 144 для модели Блэнда и Форда.
реал
1
вход
выход
Для вычисления в реальном времени коэффициента трения μ с использованием модели Орована параметрами Р являются значения входной толщины е и выходной толщины е полосы, причем эти параметры в настоящем примере являются фиксированными в начале прокатки, но их можно также оценивать или измерять в реальном времени. Эти параметры показаны на фиг. 2.
реал
реал
Таким образом, на основании этих данных второе вычислительное устройство 9 вычисляет коэффициент трения μ, то есть данную, передаваемую в процессор 10. Время вычисления μ меньше или равно 100 мс и предпочтительно меньше или равно 50 мс.
реал
цел
0
реал
Входными данными процессора 10 являются μ, целевое значение μ коэффициента трения, определяемое при помощи таблиц или путем моделирования в зависимости от марки стали прокатываемой полосы, от числа километров полос, прокатываемых на рассматриваемой установке, от износа валков, от типа используемого масла и т.д., а также параметр α. Этот параметр является исходным значением параметра α, который будет использован для регулирования коэффициента трения μ.
масло
Например, этим параметром может быть расход впрыска Q смазочного масла. Исходное значение можно определить, например, при помощи таблиц или путем моделирования.
реал
цел
n
реал
цел
реал
цел
масло
Затем значение коэффициента трения μ сравнивают с целевым значением μ коэффициента трения. Если абсолютное значение разности между этими двумя значениями  превышает заранее определенное значение Δ, вычисляют новое значение параметра α, которое затем применяют, чтобы привести вычисленное значение коэффициента трения μ к значению, более близкому к целевому значению μ для предупреждения непопадания или проскальзывания полосы, если μ < μ + Δ, или преждевременного износа рабочих валков и поверхностных дефектов в противном случае. Например, можно увеличивать или уменьшать впрыск Q смазочного масла. Предпочтительно расход воды в эмульсии сохраняют постоянным для охлаждения валка и нормальной работы, чтобы убеждаться, что впрыскиваемая эмульсия покрывает большую часть цилиндра.
выход
n
Время между измерением выходной скорости v полосы и получением заданного значения α меньше или равно 500 мс и предпочтительно меньше или равно 150 мс.
Эту последовательность измерений, вычислений и регулировок можно повторять до конца прокатки рассматриваемой полосы и до завершения цикла прокатки.
На фиг. 4 представлена схема регулирования согласно второму варианту осуществления изобретения.
реал
реал
2
2
реал
Отличие от описанного и представленного на фиг. 3 первого варианта осуществления состоит в том, что значения FWS и μ, вычисляемые соответственно вычислительными устройствами 8 и 9, поступают во второй процессор 11. Таким образом, входными данными этого второго процессора являются FWS, μ, а также совокупность параметров Р. Эти параметры Р зависят от модели, выбранной для вычисления коэффициента трения μ.
2
вход
выход
Если, как в предыдущем варианте осуществления, используют модель Орована, параметрами Р являются значения входной е и выходной е толщины полосы, радиус R валков, причем эти параметры в настоящем примере фиксируют в начале прокатки, но их можно также оценивать или измерять в реальном времени. Р2 включает в себя также модуль прогиба М рассматриваемой клети прокатного стана. Этот модуль, обычно выражаемый в об/мм, характеризует упругую деформацию клети, связанную с усилием прокатки.
выход
На основании этих данных процессор вычисляет, например, значение усилия F’ прокатки, которое необходимо приложить для получения толщины е.
Действительно, новое значение параметра α может повлечь за собой изменения на других параметрах и создать таким образом проблемы, например, недостаточной толщины на выходе клети.
масло
реал
выход
реал
вход
выход
вход
выход
цел
Действительно, если изменить расход Q впрыскиваемого масла, то соответственно меняется коэффициент трения μ и, следовательно, усилие F, которым действует валок на полосу. Это выражается в изменении толщины е полосы на выходе клети, как показано на фиг. 5. Следовательно, это может привести к некорректным значениям толщины на выходе клети. Если возникает эта проблема, можно использовать ту же модель, что и для вычисления μ, но в обратном порядке. В настоящем случае применения модели Орована используют входные параметры толщины е, е, натяжения σ, σ, диаметра D, целевого коэффициента трения μ и вычисленного показателя скольжения FWS и, таким образом, получают усилие F’ для приложения к полосе и необходимое изменение рабочего зазора S по нижеследующей формуле 3 и соответственно корректируют положения прижимных винтов 7, которые определяют рабочий зазор.
(Формула 3)
в которой:
- F’ является значением усилия прокатки, вычисленным процессором 11,
- F является значением усилия прокатки, измеренным датчиком 5,
- М является модулем прогиба рассматриваемой клети.
Единицы этих трех величин должны быть взаимосвязанными, и они могут быть, например, выражены в ньютонах для усилий F и F’ и в Н/мм для модуля прогиба М.
вход
выход
Этот же принцип вычисления при помощи обратной модели можно использовать для контроля других параметров способа прокатки, таких как входное и выходное натяжение σ, σ клети, чтобы избегать нарушений скорости полосы на выходе прокатки.
Блоки обработки, описанные выше со ссылками на фиг. 3 и 5, содержат различные элементы, такие как вычислительные устройства или процессоры, однако можно предусмотреть один и тот же процессор, позволяющий осуществлять различные операции вычисления и получать заданные значения, или любую другую конфигурацию, обеспечивающую этапы вычисления и получения заданных значений.
Испытание
Способ горячей прокатки в соответствии с изобретением был осуществлен на стальной полосе DWI (Drawn and Wall Ironed), где в качестве масла, использовали стандартное масло, выпускаемое в продажу.
Результаты представлены на фиг. 5 и 6.
масло
Как показано на фиг. 5, расход впрыска Q является нулевым во время прокатки переднего конца полосы. В данном случае это сделано преднамеренно, поскольку это испытание в основном касается смазки хвостового конца полосы.
масло
С другой стороны, отмечается, что расход впрыска масла Q регулировался до завершения прокатки полосы, то есть прокатку хвостового конца полосы осуществляли тоже в присутствии смазки, чего не было в известном решении.
выход
выход
масло
выход
выход
выход
На фиг. 6 показана толщина полосы е на выходе клети в зависимости от времени прокатки. Наблюдается резкое уменьшение этой толщины е после 10 секунд, и это снижение соответствует тому, что было пояснено выше. Изменение расхода Q впрыскиваемого масла приводит к изменению прикладываемого усилия F и в настоящем случае к значительному уменьшению толщины е на выходе клети. Благодаря регулированию, показанному на фиг. 4, вычисляют новое усилие F’ нажима и соответственно изменяют рабочий зазор S, чтобы получить выходную толщину е в соответствии с требованиями заказчика. На этой фиг. 6 показано увеличение и поддержание этой толщины е.
Во время этого испытания не отмечалось ни проскальзывания, ни непопадания следующей полосы, то есть коэффициент трения был отрегулирован надежно и эффективно. Кроме того, хвостовой конец полосы был прокатан в присутствии смазки без последствий на прокатку следующей полосы.