СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОЙ ПРОКАТКИ ТОНКИХ ПОЛОС НА МНОГОКЛЕТЕВОМ СТАНЕ
METHOD FOR CONTINUOUS ROLLING OF THIN STRIPS IN MULTIPLE-STAND ROLLING MILL

Изобретение относится к технологии прокатного производства, конкретно, к технологии непрерывной прокатки тонких полос, и может быть использовано на многоклетевых непрерывных широкополосных станах, преимущественно, на станах холодной прокатки как более энергоемких, где предъявляются повышенные требования к качеству поверхности выходящей из стана готовой полосы и одновременно к экономии электроэнергии.
Известен способ непрерывной прокатки тонких полос на многоклетевом стане, включающий обжатие полосы в несколько проходов, с сопутствующим контролем путем измерения и/или расчета по математическим моделям, ряда параметров прокатки: относительных обжатий по клетям, геометрических параметров подката и готового раската, натяжений раската в клетях, параметров, отражающих текущее состояние поверхности валков, и с корректировкой, на основе и по результатам этого контроля, режима обжатий и натяжений [1].
В известном способе контроль и корректировку параметров процесса непрерывной прокатки ведут, в первую очередь, с целью воздействия на геометрические характеристики готовой полосы: точность ее размеров и точность ее формы (например, плоскостность), и, во вторую очередь, с целью недопущения выхода самих контролируемых параметров за пределы, диктуемые технологическими и эксплуатационными ограничениями.
Недостатком способа является отсутствие предусмотренной возможности влияния на такие параметры процесса, как экономия электроэнергии при прокатке и чистота поверхности полосы.
пл
пл.отст
i
imax
Более близким к изобретению по технической сущности является известный способ непрерывной прокатки тонких полос на многоклетевом стане, включающий обжатие полосы в несколько, по меньшей мере в пять, проходов с сопутствующим контролем путем измерения и/или расчета по математическим моделям ряда параметров прокатки: относительных обжатий по клетям, геометрических параметров подката и готового раската, натяжений раската в клетях, параметров, отражающих текущее состояние поверхности валков, и с корректировкой, на основе и по результатам этого контроля, режимов обжатий и натяжений, при условии поддержания контролируемых параметров в пределах, диктуемых технологическими и эксплуатационными ограничениями, при этом в процессе корректировки для каждой клети с помощью математической модели очага деформации определяют длину пластического участка X, длину зоны отставания Xна этом участке и их отношение  характеризующее положение нейтрального сечения на этом участке, и далее прокатку ведут при режимах обжатий и натяжений, полученных в процессе корректировки в каждой клети, начиная с первой, последовательно, с заданным шагом, натяжений с одновременным увеличением обжатия в первых клетях за счет снижения обжатия в последней клети, до максимально возможного приближения к соотношению X=X, в первую очередь, в последней клети [2]. Данный способ может быть принят за прототип изобретения.
Известный способ позволяет повысить качество поверхности полосы благодаря тому, что, по меньшей мере, в последней клети, наиболее существенно влияющей на качество поверхности полосы, достигают режима, максимально близкого к режиму, при котором в очаге деформации возникает однозонное трение, т.е. силы трения по всей длине очага деформации имеют одно направление.
Недостатком способа является то, что в нем не поставлена и не решается задача экономии электроэнергии при прокатке. В этом отношении известный способ неэффективен, он не предусматривает контроля энергозатрат при прокатке и оптимизации, на основе этого контроля, режимов прокатки по критерию минимизации затрат энергии.
Задачей изобретения является снижение энергозатрат без ухудшения чистоты поверхности тонких холоднокатаных полос посредством дополнительной корректировки некоторых параметров процесса прокатки.
пл
пл.отст
i
imax
i
imin
Указанная задача решается тем, что в способе непрерывной прокатки тонких полос на многоклетевом стане, включающем обжатие полосы в несколько, по меньшей мере в пять, проходов и оптимизацию режимов обжатий и натяжений в каждой клети, с сопутствующим контролем путем измерения и/или расчета по математическим моделям, ряда параметров прокатки: относительных обжатий по клетям, геометрических параметров подката и готового раската, натяжений раската в клетях, а также параметров, отражающих текущее состояние поверхности валков, и с корректировкой, на основе и по результатам этого контроля, режимов обжатий и натяжений, при условии поддержания контролируемых параметров в пределах, диктуемых технологическими и эксплуатационными ограничениями, причем в процессе корректировки для каждой клети с помощью математической модели очага деформации определяют длину пластического участка X, длину зоны отставания X на этом участке и их отношение , характеризующее положение нейтрального сечения на этом участке, и далее прокатку ведут при режимах обжатий и натяжений, полученных в процессе корректировки в каждой клети, начиная с первой, последовательно, с заданным шагом, натяжений с одновременным увеличением обжатия в первых клетях за счет снижения обжатия в последней клети, до максимально возможного приближения к соотношению X=X, в первую очередь, в последней клети, согласно изобретению прокатку ведут с дополнительной корректировкой режимов обжатий и натяжений в промежуточных клетях до максимально возможного приближения к соотношению X=X, для чего в первой клети прокатку ведут с максимально возможным обжатием, а в предпоследней клети прокатку ведут с увеличением обжатия за счет снижения обжатия в промежуточных и дополнительного снижения обжатия в последней клетях, кроме того, прокатку ведут с минимально возможными натяжениями в первом межклетевом промежутке и с максимально возможными натяжениями в третьем и четвертом межклетевых промежутках, а во втором межклетевом промежутке в процессе корректировки натяжение повышают с заданным шагом, контролируя при каждом шаге мощность клетей стана.
Сущность способа заключается в следующем.
Способ, в отличие от известного, учитывает в математической модели управления процессом прокатки контроль и корректировку новых параметров процесса по критерию минимизации энергозатрат - работу переменных сил трения раздельно на каждом из участков очага деформации: упругом и пластическом, во всех клетях стана. В теории прокатки известно, что в зоне опережения очага деформации валки не затрачивают энергию на пластическую деформацию полосы, напротив, полоса возвращает валкам часть энергии, полученной при прохождении зоны отставания. Таким образом, расход энергии в рабочей клети зависит от соотношения зон отставания и опережения: чем длиннее последняя, тем меньше мощность прокатки и расход энергии.
i
i
Если в способе-прототипе предусмотрена оптимизация режима прокатки по одному критерию - чистоте поверхности полос, для чего, в первую очередь, в последней клети стана, воздействуя на обжатия и натяжения, сдвигают нейтральные сечения как можно ближе к выходу из очага деформации, чтобы показатели X максимально, насколько это возможно, приблизить к единице, то в изобретении этот критерий сохраняет силу, но дополнительно оптимизируют режим прокатки по второму критерию - минимум расхода энергии. Для этого показатели X в промежуточных клетях, где самые большие затраты энергии (на 5-клетевом стане - это клети №2 и №3) сдвигают назад, т.е. отодвигают от единицы как можно дальше в меньшую сторону.
При этом учитывают, что эти клети меньше влияют на чистоту поверхности готовой полосы, чем последние клети (№4 и №5).
i
Чтобы при этом компенсировать некоторое ухудшение чистоты поверхности полосы, показатели X в последних клетях (№4 и №5), особенно - в самой последней клети (№5), как и в прототипе, продолжают поддерживать в пределах, возможно более близких к единице.
"Рычаги" воздействия те же - обжатия и натяжения, но управление ими ведется по-новому. Такой способ в сумме позволяет сэкономить 5-8% энергии, сохраняя высокую чистоту поверхности полосы.
Технический результат изобретения основан на том, что удельные работы прокатки на первом упругом участке и в зоне отставания положительные, а в зоне опережения и на втором упругом участке (при наличии зоны опережения) - отрицательные. Это значит, что в зонах опережения пластического и второго упругого участков валки не совершают работу, напротив: полоса возвращает валкам часть энергии, полученной ею при прохождении первого упругого участка и зоны отставания пластического участка. Если же весь очаг деформации представляет собой зону отставания, то на всех участках работа прокатки положительная, т.е. даже частичного обратного «перекачивания» части энергии от полосы к валкам не происходит. Таким образом, расход энергии в рабочей клети зависит от соотношения зон отставания и опережения: чем длиннее последняя, тем меньше мощность прокатки и расход энергии.
Далее изобретение поясняется на конкретном примере выполнения.
В качестве примера в таблицах 1 и 2 приведены режимы экспериментальной прокатки полосы толщиной 0,9 мм и шириной 1075 мм по операционной карте и оптимизированный, а также затраты энергии, характеризующие эти режимы.
i-1
i
расч
ср
ДВ
∑
В этих таблицах приняты следующие обозначения: σ, σ - заднее и переднее удельные натяжения полосы; P - расчетное усилие прокатки; р - среднее удельное давление; N - мощность двигателя главного привода i-ой клети; N - суммарная мощность двигателей всех рабочих клетей.
Для оптимизации режима прокатки были произведены следующие операции:
i
1. Произведен расчет исходного, соответствующего операционной карте режима прокатки по математической модели, с определением показателя X для каждой клети стана (методика расчета известна и здесь не приводится). Одновременно контролировалась мощность клетей стана. Результаты расчета и измерения приведены в таблице 1.
Таблица 1
Режим прокатки полосы по операционной карте (N<sub>∑</sub>=17136 кВт)
№клети
ϑ<sub>i</sub>, м/с
h<sub>i-1</sub>, мм
h<sub>i</sub>,мм
σ<sub>i-1</sub>, кг/мм<sup>2</sup>
σ<sub>i</sub>,кг/мм<sup>2</sup>
ε<sub>i</sub>,%
X<sub>i</sub>
P<sub>расч</sub>, МН
p<sub>ср</sub>, МПа
N<sub>ДВ</sub>, кВт
1
7,71
3,00
2,218
4,65
13,8
26,06
0,6566
9,63
480
1381
2
10,58
2,218
1,617
13,8
15,6
27,10
1
9,07
500
4661
3
14,24
1,617
1,201
15,6
17,5
25,73
0,9362
9,04
555
4075
4
18,24
1,201
0,937
17,5
18,4
21,98
0,8817
8,22
579
3736
5
19
0,937
0,9
18,4
4,5
3,95
0,8710
7,93
704
3283
i
i
i
i
i
i
Далее произвели анализ полученных показателей X: показатель X первой клети имеет низкое значение, что свидетельствует о недогруженности клети; показатель Xвторой клети имеет максимально возможное значение, что свидетельствует о максимальном расходе энергии в данной клети; показатель X, третьей клети имеет значение, близкое к максимальному, что свидетельствует о повышенном расходе энергии в данной клети; показатель X четвертой клети имеет низкое значение, что отрицательно сказывается на чистоте поверхности полосы; показатель X пятой клети имеет низкое значение, что отрицательно сказывается на чистоте поверхности полосы. Для устранения указанных недостатков провели мероприятия, представленные далее в пункте 2.
2. Вначале произвели перерасчет режима прокатки по следующим пунктам:
i
2.1. Максимально увеличили обжатие (с учетом технологических и эксплуатационных ограничений максимальное изменение обжатия Δε равно 5%) в первой и предчистовой клетях, при этом максимально снизили обжатие во второй и чистовой клетях, также произвели снижение обжатия в третьей клети настолько, насколько это возможно, так как перераспределение обжатий на первую и предчистовую клети не позволяет разгрузить третью клеть до максимального предела 5%. Для перерасчета изменили толщины на выходе из клетей: уменьшили толщину полосы на выходе из первой клети до тех пор, пока обжатие в первой клети не стало на 5% больше обжатия по операционной карте для первой клети данного профилеразмера; толщину полосы после второй клети увеличивали до тех пор, пока обжатие во второй клети не стало на 5% меньше обжатия по операционной карте для второй клети; толщину полосы после четвертой клети уменьшали до тех пор, пока обжатие в пятой клети не стало на 5% меньше обжатия по операционной карте для пятой клети; толщину полосы после третьей клети увеличивали до тех пор, пока обжатие в четвертой клети не стало на 5% больше обжатия по операционной карте для четвертой клети. После перерасчета обжатий пересчитали по математической модели значения показателя X в каждой клети. После этого произвели перерасчет режима прокатки. Одновременно контролировалась мощность клетей стана. Результаты перерасчета и измерений приведены в таблице 2.
Таблица 2
Измененный режим прокатки №1
№кл.
ϑ<sub>i</sub>, м/с
h<sub>i-1</sub>, мм
h<sub>i</sub>,мм
σ<sub>i-1</sub>, кг/мм<sup>2</sup>
σ<sub>i</sub>, кг/мм<sup>2</sup>
ε<sub>i</sub>,%
X<sub>i</sub>
P<sub>расч</sub>, МН
p<sub>ср</sub>, МПа
N<sub>ДВ</sub>, кВт
1
7,84
3,00
2,181
4,65
14,1
27,30
0,6641
9,98
487
1494
2
10,54
2,181
1,622
14,1
15,6
25,63
0,9933
8,89
502
3590
3
14,05
1,622
1,217
15,6
17,2
24,97
0,9332
8,95
555
3831
4
18,27
1,217
0,936
17,2
18,4
23,09
0,8863
8,43
581
3784
5
19
0,936
0,9
18,4
4,5
3,85
0,8722
7,88
702
3172
2.2 Изменение обжатий по клетям стана позволило изменить конфигурацию очагов деформации: первая клеть получила дополнительную загрузку, так как в исходном режиме была недогружена; нейтральное сечение в третьей клети переместилось вглубь очага деформации, мощность прокатки в третьей клети сократилась; четвертая клеть получила дополнительную нагрузку, при этом нейтральное сечение сместилось к выходу из очага деформации, что способствовало повышению качества поверхности холоднокатаной полосы; снижение обжатия в пятой клети позволило сместить нейтральное сечение к выходу из очага деформации, что также способствовало повышению качества поверхности холоднокатаной полосы; во второй клети в структуре очага деформации появилась зона опережения, мощность прокатки во второй клети сократилась, однако протяженность зоны опережения мала и отклонения от заданного режима прокатки (колебания обжатий и натяжений) могут вывести нейтральное сечение за пределы очага деформации, что повлечет за собой рост мощности прокатки в данной клети. Для предупреждения этой последней нежелательной ситуации провели мероприятия согласно нижеследующему пункту 2.3.
2.3. В первом межклстевом промежутке установили минимально возможное натяжение (с учетом технологических и эксплуатационных ограничений, из диапазона натяжений операционной карты) и произвели перерасчет режима прокатки. Одновременно контролировалась мощность клетей стана. Результаты перерасчета и измерения показаны в таблице 3.
Таблица 3
Измененный режим прокатки №2
№кл.
ϑ<sub>i</sub>, м/с
h<sub>i-1</sub>, мм
h<sub>i</sub>,мм
σ<sub>i-1</sub>, кг/мм<sup>2</sup>
σ<sub>i</sub>, кг/мм<sup>2</sup>
ε<sub>i</sub>,%
X<sub>i</sub>
P<sub>расч</sub>, МН
p<sub>ср</sub>, МПа
N<sub>ДВ</sub>, кВт
]
7,84
3,00
2,181
4,65
13,0
27,30
0,6826
10,11
492
1742
2
10,54
2,181
1,622
13,0
15,6
25,63
0,9634
9,10
512
3497
3
14,05
1,622
1,217
15,6
17,2
24,97
0,9332
8,95
555
3831
4
18,27
1,217
0,936
17,2
18,4
23,09
0,8863
8,43
581
3784
5
19
0,936
0,9
18,4
4,5
3,85
0,8722
7,88
702
3172
i
imax
2.4. В результате снижения натяжения в первом межклетевом промежутке недогруженная первая клеть получила дополнительную нагрузку, а нейтральное сечение второй клети переместилось вглубь очага деформации, посредством чего загрузка второй клети снизилась. Для улучшения чистоты поверхности полосы и разгрузки третьей клети необходимо было повысить натяжения в третьем и четвертом межклетевых промежутках (приблизить X в четвертой и пятой клетях к X=1), что было сделано согласно пункту 2.5.
2.5. В третьем и четвертом межклетевых промежутках натяжения увеличили до максимальных значений (с учетом технологических и эксплуатационных ограничений, из диапазона натяжений операционной карты) и произвели перерасчет режима прокатки. Одновременно контролировалась мощность клетей стана. Результаты перерасчета и измерений приведены в таблице 4.
Таблица 4
Измененный режим прокатки №3
№кл.
ϑ<sub>i</sub>, м/с
h<sub>i-1</sub>, мм
h<sub>i</sub>,мм
σ<sub>i-1</sub>, кг/мм<sup>2</sup>
σ<sub>i</sub>, кг/мм<sup>2</sup>
ε<sub>i</sub>,%
X<sub>i</sub>
P<sub>расч</sub>, МН
p<sub>ср</sub>, МПа
N<sub>ДВ</sub>, кВт
1
7,84
3,00
2,181
4,65
13,0
27,30
0,6826
10,11
492
1741
2
10,54
2,181
1,622
13,0
15,6
25,63
0,9634
9,10
512
3497
3
14,05
1,622
1,217
15,6
19,0
24,97
0,9018
8,83
550
3622
4
18,27
1,217
0,936
19,0
20,0
23,09
0,8942
8,06
563
3937
5
19
0,936
0,9
20,0
4,5
3,85
0,8906
7,64
689
3564
i
imax
i
imin
2.6. Показатели X в четвертой и пятой клетях максимально возможно приблизились к X=1, третья клеть получила разгрузку, нейтральное сечение в третьей клети максимально сместилось внутрь очага деформации. Так как показатель X второй клети имеет значение, далекое от X=0,9, необходимо было перебросить часть нагрузки со второй клети на третью клеть посредством увеличения натяжения во втором промежутке, для этого выполнили мероприятия согласно пункту 2.7.
i
i
i
i
2.7. Во втором межклетевом промежутке натяжение увеличивали от минимального значения (с учетом технологических и эксплуатационных ограничений) с шагом 0,1т до значения, при котором показатели X во второй и третьей клетях имеют наиболее рациональные значения по сравнению со значениями показателей X в измененном режиме прокатки №3, при этом снижали показатель X в той клети, где он в измененном режиме №3 более близок к X=1. Произвели перерасчет режима прокатки. Одновременно контролировалась мощность клетей стана. Результаты перерасчета и измерений приведены в таблице 5.
Таблица 5
Измененный режим прокатки №4 (N<sub>∑</sub>=16362 кВт)
№кл.
ϑ<sub>i</sub>, м/с
h<sub>i-1</sub>, мм
h<sub>i</sub>,мм
σ<sub>i-1</sub>, кг/мм<sup>2</sup>
σ<sub>i</sub>, кг/мм<sup>2</sup>
ε<sub>i</sub>,%
X<sub>i</sub>
P<sub>расч</sub>, МН
p<sub>ср</sub>, МПа
N<sub>ДВ</sub>, кВт
1
7,84
3,00
2,181
4,65
13,0
27,30
0,6826
10,11
492
1741
2
10,54
2,181
1,622
13,0
16,3
25,63
0,9461
9,05
510
3348
3
14,05
1,622
1,217
16,3
19,0
24,97
0,9194
8,70
544
3772
4
18,27
1,217
0,936
19,0
20,0
23,09
0,8942
8,06
563
3937
5
19
0,936
0,9
20,0
4,5
3,85
0,8906
7,64
689
3564
Сопоставление значений суммарной мощности двигателей, приведенных в табл.1 и 5, показало, что при прокатке по оптимизированному режиму уменьшение мощности составляет 774 кВт, что обеспечивает экономию электроэнергии при прокатке около 5%.
В таблице 6 приведены данные АСУТП стана о затратах энергии при экспериментальной прокатке полос толщиной 0,9 мм и шириной 915-1445 мм по реальным режимам: базовому и оптимизированному по мощности, из которых видно, что оптимизация обеспечивает реальную экономию электроэнергии в диапазоне 4,57-8%.
Таблица 6
Фактический расход энергии на 5-клетевом стане «1700» при прокатке полос толщиной 0,9 мм
Профилеразмер
Тип режима
A<sub>уд</sub>, кВт·ч/т
ΔА<sub>уд</sub>,%
3×0,9-1445
Базовый режим
46,32
7,77
Оптимизированный режим
42,72
3×0,9-1200
Базовый режим
51,46
4,57
Оптимизированный режим
49,11
3×0,9-915
Базовый режим
58,3
8,00
Оптимизированный режим
53,63
A<sub>уд</sub> - удельный расход энергии, кВт·ч/т; ΔА<sub>уд</sub> - изменение удельного расхода энергии, %.
Итак, оптимизация режимов холодной прокатки на непрерывных станах по критерию минимальных затрат энергии на основе изложенного способа прокатки позволяет обеспечить экономию электроэнергии в объеме 4-8% без ухудшения качества поверхности холоднокатаных полос.
Источники информации
1. Липухин Ю.В., Булатов Ю.И., Бок Г., Кнорр М.М. Автоматизация основных металлургических процессов. М.: Металлургия, 1990, с.196-213.
2. Гарбер Э.А., Шадрунова И.А., Кузнецов В.В., Никитин Д.И. Улучшение качества поверхности холоднокатаных полос путем воздействия на положения нейтральных сечений в очагах деформации рабочих клетей // Производство проката. - 2003. - №2. - с.16-19.