Способ непрерывной прокатки тонких полос на многоклетевом стане

 

Изобретение относится к технологии прокатного производства, конкретно, к технологии непрерывной прокатки тонких полос, и может быть использовано на многоклетевых непрерывных широкополосных станах преимущественно холодной прокатки, где предъявляются высокие требования к качеству поверхности выходящей из стана готовой полосы. Задача изобретения – повышение качества поверхности тонких полос. Для каждой клети с помощью математической модели очага деформации определяют длину пластического участка Х_пл, длину зоны отставания Х_{пл.отст} на этом участке и их отношение X_i, характеризующее положение нейтрального сечения на этом участке, и далее в каждой клети, начиная с первой, последовательно, с заданным шагом, снижают переднее и увеличивают заднее натяжения и, кроме того, увеличивают обжатия в первых клетях за счет снижения обжатия в последней клети, продолжая этот процесс корректировки до достижения в максимально возможном числе клетей максимально возможного приближения к соотношению Изобретение обеспечивает надлежащую чистоту поверхности тонких холоднокатаных полос посредством оперативной корректировки некоторых параметров процесса прокатки. 7 табл.

Изобретение относится к технологии прокатного производства, конкретно, к технологии непрерывной прокатки тонких полос, и может быть использовано на многоклетевых непрерывных широкополосных станах преимущественно холодной прокатки, где предъявляются более высокие требования к качеству поверхности выходящей из стана готовой полосы.

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.

Однако в набор характеристик качества готовой полосы входит, помимо ее геометрии, еще и такая характеристика, как чистота поверхности полосы.

Особую важность эта характеристика приобретает для холоднокатаных полос, и, в первую очередь, для тех из них, которые являются готовым продуктом и не используются для дальнейшего технологического передела. Это, прежде всего, самые тонкие полосы сортамента. В связи с современной тенденцией снижения толщины холоднокатаных полос из конструкционных сталей, производимых на непрерывных широкополосных станах, проблема чистоты поверхности получаемой полосы приобретает все более заметное место в ряду технологических проблем. Если до 90-х годов прошлого века минимальная толщина полос на станах с длиной бочки валков 1400-1700 мм составляла 0,4-0,5 мм, то в настоящее время существенную долю в сортаменте этих станов занимают полосы толщиной 0,25-0,36 мм.

Однако и для полос, требующих дальнейшего передела, чистота поверхности также весьма важна, т.к. эта характеристика подката в определенной степени наследуется готовым прокатом и может изменяться в процессе его прокатки, неуправляемо или управляемо, причем как в сторону улучшения, так и ухудшения.

В настоящее время воздействие на чистоту поверхности готовых холоднокатаных полос практически осуществляют именно и только путем предварительного обеспечения надлежащей чистоты поверхности подката и валков, однако способов управляемого технологического воздействия на чистоту поверхности готовой полосы в процессе ее прокатки, т.е. способов корректировки этого параметра путем воздействия на другие регулируемые параметры процесса прокатки, не было известно.

Нами впервые установлена возможность такого управляемого воздействия, в том числе и для особо тонких полос, исходя из нового понимания некоторых факторов, влияющих на чистоту поверхности полосы в процессе обжатия в валках.

Задачей изобретения является, таким образом, обеспечение надлежащей чистоты поверхности тонких холоднокатаных полос посредством оперативной корректировки некоторых параметров процесса прокатки.

Указанная задача решается тем, что в способе непрерывной прокатки тонких полос на многоклетевом стане, включающем 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, при условии поддержания контролируемых параметров в пределах, диктуемых технологическими и эксплуатационными ограничениями, согласно изобретению для каждой клети с помощью математической модели очага деформации определяют длину пластического и участка Х_пл., длину зоны отставания Х_{пл.отст} на этом участке и их отношение , характеризующее положение нейтрального сечения на этом участке, и далее в каждой клети, начиная с первой, последовательно, с заданным шагом, снижают переднее и увеличивают заднее натяжения и, кроме того, увеличивают обжатия в первых клетях за счет снижения обжатия в последней клети, продолжая этот процесс корректировки до достижения в максимально возможном числе клетей, и, в первую очередь, в последней клети, максимально возможного приближения к соотношению Х_i=Х_imах.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Особенность процесса холодной прокатки тонких полос состоит в том, что в последних клетях непрерывного стана из-за большого наклепа полосы обжатие снижается, при этом протяженность упругих участков по длине очага деформации существенно возрастает и становится, при определенных толщинах полос, соизмеримой с протяженностью пластического участка. Однако математические модели стационарного процесса холодной прокатки, получившие распространение в конструкторской и технологической практике и дающие удовлетворительную точность при расчетах параметров очага деформации в случае прокатки не самых тонких полос сортамента, не учитывают влияние этих упругих участков очага деформации на средние значения контактных напряжений и, следовательно, не могут использоваться с удовлетворяющими по точности результатами в случае, когда это влияние существенно. Это делает вышеупомянутые модели не универсальными и пригодными для конструкторских и технологических расчетов только при определенных условиях.

Нами разработана новая, более универсальная математическая модель стационарного процесса холодной прокатки, позволяющая решить указанную выше задачу с помощью предложенного здесь способа.

Основные особенности этой модели состоят в следующем.

Условно очаг деформации может быть разбит на три основных участка:

1) упругого сжатия полосы длиной x_1ynp,

2) пластической деформации длиной х_пл;

3) упругого восстановления части толщины полосы на выходе из очага деформации длиной х₂.

Участок пластической деформации, в свою очередь, как известно, состоит из двух зон: зоны отставания длиной Х_{пл.отст} и зоны опережения длиной х_{пл.опер.}

Источниками загрязнения поверхности, снижающего степень ее чистоты, являются, главным образом, продукты износа поверхностных слоев полосы и валков в очаге деформации, а также продукты разложения смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Главные причины появления этих продуктов - контактное трение в очаге деформации и высокий уровень нормальных контактных напряжений.

При рассмотрении теоретической структуры очага деформации возникло предположение, что чистота поверхности полосы может зависеть и от положения нейтрального сечения. Теоретически это объясняется так: в зоне отставания напряжения трения направлены вперед по ходу прокатки, в результате чего продукты износа и разложения активно выносятся валками из очага деформации, который тем самым непрерывно самоочищается; в зоне опережения напряжения трения направлены назад, поэтому вынос из очага деформации этих продуктов затруднен, они накапливаются в очаге, приводя к увеличению количества грязи на полосе.

Для проверки сделанного предположения был проведен регрессионный анализ факторов технологического процесса, оказывающих наибольшее влияние на загрязненность холоднокатаных полос, таких как чистота поверхности подката (для первой клети) и загрязненность полосы на входе в клеть (для остальных клетей), число омыления эмульсола и критерий, определяющий положение нейтрального сечения в очаге деформации i-й рабочей клети X_i:

где Х_{пл.отст} - длина зоны отставания; Х_пл. - полная длина пластического участка.

Критерий X является комплексным, поскольку он учитывает непосредственно следующие параметры процесса прокатки: межклетевые натяжения, скорость прокатки, частное обжатие в клети и косвенно, через коэффициент трения (для расчета которого могут быть использована, например, известные зависимости): скорость прокатки, концентрацию эмульсола, чистоту поверхности подката и валков. Максимальное значение, которое принимает этот критерий, равно 1, в этом случае очаг деформации представляет собой целиком зону отставания, а следовательно, должен обеспечиваться активный вынос продуктов износа из очага деформации.

Минимальное требование, которому должен удовлетворять результат корректировки параметров прокатки, в соответствии с изобретением заключается в том, что условие (1) должно с максимальным приближением (в пределе - точно) выполняться в последней чистовой клети стана. Если удастся, при всех прочих равных условиях, выполнить это условие - с максимальным приближением или, если позволяют другие условия, точно - и в ряде других клетей стана, то на чистоту поверхности готовой полосы это будет дополнительно влиять в благоприятную сторону, и тем больше, чем в большем числе клетей стана и чем более точно будет выполняться это условие.

Для определения численной величины отношения, которое должно отвечать критерию (1), необходимо вначале установить величину контактных напряжений на каждом участке. Для этого может быть составлена система трех уравнений:

1) дифференциальное уравнение равновесия полосы в очаге деформации;

2) уравнение упругости (на упругих участках) или пластичности (в зонах отставания и опережения);

3) закон трения.

Эта система сводится к дифференциальным уравнениям первого порядка с разделяющимися переменными (в зонах отставания и опережения) и линейным дифференциальным уравнениям первого порядка (на упругих участках). Решая эти уравнения при реальных граничных условиях, для каждого участка очага деформации получают зависимости p_x(h_x), интегрируя последние, получают зависимости для расчета средних значений нормальных контактных напряжений. Приводим для сведения эти зависимости (табл.1).

При анализе результатов расчетов, произведенных с использованием новой математической модели очага деформации, была выявлена интересная особенность: действительно существуют и могут быть реализованы (в пределах технологических ограничений) такие режимы прокатки, в которых пластический участок очага деформации представляет собой целиком зону отставания, на этом участке отсутствуют нейтральное сечение и зона опережения, т.е. величина критерия (1) равна 1. На втором упругом участке длиной х₂ происходит некоторое увеличение толщины полосы (упругое восстановление), и согласно закону постоянства секундного объема скорость полосы снижается. Получается, что при таком режиме прокатки весь очаг деформации представляет собой сплошную зону отставания, в которой V_п<V, то есть контактные напряжения трения направлены в сторону прокатки.

При такой структуре очага деформации изменятся зависимости для определения нормальных контактных напряжений и их средних значений на втором упругом участке (в силу изменения дифференциального уравнения равновесия полосы) (см. табл.2). На пластическом участке нормальные контактные напряжения будут характеризоваться выражениями p_x(h_x) для зоны отставания, а их средние значения - выражениями, представленными в табл.2 п.2. Среднее для очага деформации значение нормальных контактных напряжений вычисляют по зависимости, представленной в табл.2 п.3.

С помощью указанных зависимостей, полученных на основе новой упругопластической модели очага деформации, может быть более точно определено положение нейтрального сечения на пластическом участке очага деформации при любой толщине полосы, поскольку модель учитывает влияние и пластических, и упругих зон.

Это позволяет оперативно и с достаточной точностью контролировать выполнение критерия (1) или степень приближения к нему.

Для определения толщины полосы в нейтральном сечении необходимо приравнять правые части уравнений для нормальных контактных напряжений р_х в зоне отставания и в зоне опережения пластического участка, и вместо переменной h_x подставить в них h_н:

Решив это уравнение относительно h_H, получаем формулу для определения толщины полосы в нейтральном сечении:

После определения толщины полосы в нейтральном сечении определяем длину зон опережения и отставания:

Если h_x<h-Δh_1ynp, тогда весь очаг деформации представляет собой зону отставания.

Изложенные преимущества новой модели дают возможность совершенствовать режимы прокатки по такому важному показателю, как чистота поверхности полосы.

Далее изобретение поясняется на конкретном примере выполнения.

Описанная модель была апробирована более чем на 200-х реальных режимах прокатки 4- и 5-клетевых станов “1700” ОАО “Северсталь" при наличии достоверных данных о коэффициентах трения и межклетевых натяжениях расхождения расчетных и измеренных усилий прокатки не превысили 10% и составляют в среднем 3-5%, то есть погрешность расчета по сравнению с традиционными методами сократилась в 3-5 раз. Это позволило достоверно определять и контролировать положение нейтрального сечения в очаге деформации.

Способ осуществляли следующим образом.

1. Предварительно с использованием баз данных о режимах прокатки 4-клетевого стана 1700 и адаптивной математической модели этого стана был выполнен регрессионный анализ факторов технологического процесса, оказывающих наибольшее влияние на чистоту поверхности холоднокатаных полос.

В качестве независимых факторов учитывались:

- чистота поверхности подката (для 1-й клети) и загрязненность полосы на входе в клеть (для остальных клетей);

- число омыления эмульсола (к) (мг КОН на 1 г продукта), характеризующее его моющую способность);

- показатель Х_i, определяющий положение нейтрального сечения в очаге деформации i-й рабочей клети, вычисляемый по формуле (1).

Анализ показал, что на величину X_i самое сильное влияние оказывают: чистота поверхности подката и валков (через коэффициент трения), концентрация эмульсола (через коэффициент трения), удельные натяжения полосы на входе в клеть (σ_i-1 МПа) и на выходе из клети (σ_i, МПа), скорость прокатки (V_i, м/с) (через коэффициент трения), частное обжатие в клети (ε_i, %).

Таким образом, показатель X_i обеспечил в регрессионных уравнениях комплексный научно-обоснованный (на основе законов механики сплошной среды) учет влияния на чистоту поверхности прокатываемых полос - чистоты поверхностей подката и валков, концентрации эмульсола и режимных параметров процесса прокатки (σ_i-1, σ_i, V_i, h_i-1, h_i, ε_i).

2. В последующем на основе полученных результатов в качестве объекта опробования использовали тот же 4-клетевой стан 1700, на котором при прокатке свыше 60 профилеразмеров сортамента провели прямые измерения и регистрацию следующих параметров:

- степень отражения светового потока (в процентах): на подкате (С) и на выходе из каждой клети (С_i);

- режимные параметры процесса прокатки (толщины, скорости, натяжения, усилия прокатки);

- характеристики СОЖ на основе эмульсола “Квэкерол” (число омыления (к), концентрацию (N), температуры);

- шероховатость подката и рабочих валков.

3. Используя данные измерений (по п.2), по математической модели стана рассчитали: коэффициенты трения по клетям (μ_i), частные обжатия (ε_i), усилия прокатки (Р_i). положения нейтральных сечений (X_i).

Численные результаты измерений и расчетов на примере прокатки полосы из стали 08Ю шириной 1275 мм, толщиной 0,9 мм из подката толщиной 3,0 мм приведены в таблице 3.

Затем с помощью стандартных процедур регрессионного анализа получили регрессионные уравнения в виде зависимостей степени отражения светового потока (С_i), характеризующей чистоту поверхности полосы, от факторов технологического процесса.

Стандартная программа регрессионного анализа, использованная в работе, предусматривала оценку достоверности регрессионных уравнений с помощью множественного коэффициента детерминации R², оценку значимости влияния каждого фактора и исключение из уравнений малозначимых факторов. Окончательные регрессионные зависимости только от значимых факторов представлены в таблице 4.

Для всех уравнений, указанных в таблице, множественный коэффициент детерминации R² оказался равным 95-98%, что свидетельствует о высокой степени достоверности этих зависимостей.

4. Опытная проверка подтвердила, что:

- с ростом чистоты поверхности валков и полосы показатель X_i уменьшается (нейтральное сечение сдвигается в сторону входа полосы в валки);

- с ростом частного обжатия показатель X_i также уменьшается;

- с ростом скорости прокатки и концентрации эмульсола показатель X_i растет, приближаясь к максимальному значению (Х_imax=1), из-за уменьшения коэффициента трения.

5. Из уравнений таблицы 1 видно, что с ростом показателей X_i во всех клетях (кроме первой) поверхность полосы становится чище (степени отражения светового потока растут).

Следовательно, практически подтверждено, что, воздействуя на положение нейтрального сечения, можно добиваться повышения степени чистоты поверхности на полосе.

Итак, чтобы улучшить чистоту поверхности полосы, необходимо:

- улучшать чистоту поверхности подката;

- увеличивать число омыления и концентрацию эмульсола;

- уменьшать частные обжатия, особенно в последней, 4-й клети;

- улучшать чистоту поверхности подката и валков (в пределах ограничений, связанных с технологией);

- увеличивать скорость прокатки и удельные натяжения полосы на входе в валки (в пределах ограничений, установленных технологией);

- уменьшать удельные натяжения полосы на выходе из валков.

6. Конкретные режимы прокатки, минимизирующие отсортировку по чистоте поверхности, были рассчитаны по новой математической модели очага деформации исходя из критерия: максимально возможная величина X_i, в каждой клети (т.е. максимально возможный сдвиг нейтрального сечения к сечению выхода полосы из валков).

Итоговое регрессионное уравнение для определения чистоты поверхности готовой полосы, объединяющее все 4 уравнения таблицы 3, имеет вид:

7. Было проведено опробование различных режимов прокатки на 4-клетевом стане 1700 с варьированием натяжений, скоростей и обжатий по клетям с целью определения возможности оказывать влияние на положения нейтральных сечений, воздействуя тем самым на чистоту поверхности прокатываемых полос. Установлено, что такое воздействие реально осуществимо, главным образом, путем перераспределения натяжений и частично - путем незначительного перераспределения обжатий. При этом обжатия остаются в пределах, ограниченных операционными картами станов, а натяжения в некоторых промежутках отличаются от установленных операционными картами на 5-20%, но нигде не превышают 30-36% от предела текучести полосы.

8. Была проведена также промышленная проверка выводов, изложенных выше, были проведены опытные прокатки 1-3 плавок полос на 4-клетевом стане 1700. Каждая плавка делится пополам, половина рулонов прокатывается по предпочтительному режиму № 1, в котором значения X_i, максимально приближены к значению X_i=1, вторая половина рулонов - по режиму № 2, в котором значения X_i максимально уменьшены.

Оценку эффективности предпочтительных режимов осуществили путем сравнения чистоты поверхности полос 1-й и 2-й половин каждой опытной плавки.

В процессе каждого испытания плавку травленых рулонов делили на две части: одну прокатывали по рабочему режиму, соответствующему операционной карте, другую - по оптимизированному режиму; фиксировали параметры режимов прокатки и на двух рулонах каждой части плавки измеряли с помощью отпечатков, снимаемых с полосы, степень отражения светового потока на подкате и готовом холоднокатаном металле (сверху и снизу).

По рулонам, прокатанным на 4-клетевом стане, получили также данные о степени отражения светового потока после отжига в колпаковых печах.

На каждом стане испытания провели на трех плавках, две из которых предназначались для отжига, одна - для оцинкования.

Аналогичные работы были проведены на 5-клетевом стане 1700.

Сводные результаты измерений чистоты поверхности полос приведены в табл.5 (4-клетевой стан 1700) и табл.6 (5-клетевой стан “1700”).

Как видно из таблиц 5 и 6, оптимизированные режимы прокатки существенно улучшили чистоту поверхности полос по сравнению с рабочими режимами.

На 4-клетевом стане 1700 при прокатке происходит загрязнение полосы, в результате которого на холоднокатаном металле по сравнению с подкатом процент отражения светового потока уменьшается, однако применение способа согласно изобретению позволяет уменьшить величину этого загрязнения.

Загрязнение возрастает:

а) на металле, предназначенном на отжиг:

- при рабочем режиме - на 21,5-24,5%

- при оптимизированном режиме - на 12-13%, то есть примерно в два раза меньше;

б) на металле, предназначенном на оцинковку:

- при рабочем режиме - на 9,5%

- при оптимизированном - на 7,5%, то есть в 1,3 раза меньше.

На 5-клетевом стане 1700 при прокатке может происходить как увеличение, так и уменьшение загрязнения полосы, при этом оптимизированный режим по сравнению с рабочим в 1,9-2,4 раза снижает прирост загрязнения и увеличивает чистоту холоднокатаного металла на величину от 0,5 до 4,4% отражения светового потока.

Для одной из плавок (сталь 08Ю; профилеразмер 3,0/0,9·1335 мм), прокатанной на 5-клетевом стане, взяли пробу на загрязненность весовым методом, при котором в отдельности определяется количество жировых и механических загрязнений, результаты представлены в табл.7.

Как видно из табл.7, оптимизированный режим по сравнению с рабочим обеспечил снижение количества жировых загрязнений в 1,11 раза (практически полностью удаляются при отжиге), а механических загрязнений в среднем в 2 раза (не удаляются при отжиге).

Итак, новая более точная модель очага деформации обеспечила возможность достоверного определения положения нейтрального сечения при холодной прокатке в каждой рабочей клети и, следовательно, его оперативного контроля. В ходе опробования подтверждено влияние на чистоту поверхности холоднокатаной полосы положения нейтрального сечения очага деформации в каждой рабочей клети. Подтверждено, что чем ближе значение комплексного критерия X_i к 1, тем чище полоса, так как тем большую часть очага деформации занимает зона отставания. Оптимизация промышленных режимов холодной прокатки на непрерывных станах по критерию Х_i=mах с использованием новой модели очага деформации позволила, управляя параметрами процесса прокатки, повысить качество 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.

Формула изобретения

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, при условии поддержания контролируемых параметров в пределах, диктуемых технологическими и эксплуатационными ограничениями, отличающийся тем, что для каждой клети с помощью математической модели очага деформации определяют длину пластического участка Х_пл, длину зоны отставания х_{пл.отст} на этом участке и их отношение характеризующее положение нейтрального сечения на этом участке, и далее в каждой клети, начиная с первой, последовательно, с заданным шагом снижают переднее и увеличивают заднее натяжения и, кроме того, увеличивают обжатия в первых клетях за счет снижения обжатия в последней клети, продолжая этот процесс корректировки до достижения в максимально возможном числе клетей и в первую очередь в последней клети, максимально возможного приближения к соотношению