Конструирование машин для металлургических процессов

При прокатке с натяжением момент для привода двух валков равен 

М_пр=2ylР+(Т₀-Т₁)R,

где Т₀ и Т₁-переднее и заднее натяжение.

Значение коэффициента y по экспериментальным данным принимают:

горячая прокатка квадратного профиля- 0,5;

горячая прокатка круглого профиля- 0,6;

горячая прокатка листов на непрерывных  станах

в первых клетях- 0,48

    в последних клетях-0,39.

Момент на валу двигателя, необходимый для привода валков прокатного стана равен сумме четырех величин

,

где М_ПР - момент прокатки, необходимый для преодоления сопротивления             деформации прокатываемого металла и возникающих при этом сил трения по поверхности валков;

М_ТР - приведенный к валу двигателя момент добавочных сил трения, возникающих при проходе прокатываемого металла между валками в подшипниках валков, в передаточном механизме и других частях стана, но без учета момента, требующегося на вращение валков при холостом ходе;

1. передаточное отношение передачи между валками и двигателем;

М_Х.Х.- момент холостого хода, т.е. момент, требующийся для привода стана во время холостого хода;

М_ДИН.- динамический момент на валу двигателя, необходимый для преодоления инерционных усилий, возникающий при неравномерном вращении валков.

Первые три величины, составляющие нагрузку привода валков, представляют собой в сумме статический момент М_СТ.

Отношение момента прокатки, приведенного к валу двигателя, к полному статическому моменту называют КПД прокатного стана:

. В среднем h=0,5-0,.95.

Динамический момент возникает лишь в станах, работающих с неравномерным вращением валков, например в станах, с регулируемой скоростью прокатки в течение рабочего хода, в том числе и в реверсивных.

Динамический момент находят по формуле:

,

где mD²- маховой момент. В расчетах приведенный маховой момент определяют с учетом массы проката, находящегося в валках; J- момент инерции вращающихся частей стана, приведенный к валу двигателя; - угловое ускорение.

В качестве примера приведем составляющие моменты двигателя для обжимного, реверсивного стана.

Момент прокатки- 50-60%;

Динамический момент шпинделей- 0,6-0,8%;

Потери на трение в шпинделях-2-2,3%;

Динамический момент шестеренных  валков- 1-2%;

Потеря на момент трения в шестеренной  клети- 3-5%;

Потери в коренной и моторной муфте- 1,2-2%;

Динамический момент якоря двигателя- 20-30%.

Момент, необходимый для преодоления сил трения, возникающих при прохождении металла между валками 2-х валкового стана, равен:

М_ТР=Рdm₁,

где Р - сила прокатки,

      d-диаметр цапф валков,

      m₁- коэффициент трения в подшипниках валков.

При прокатке на 4-х валковом стане  сила прокатки передается на неприводные опорные валки, и потери на трение будут только в подшипниках опорных валков.

Отсюда:

, где D_у и D_ОП – диаметры бочек соответственно рабочего и опорного валков.

Момент добавочных сил трения, возникающих в передаточном механизме стана, т.е. в редукторе, шестеренной клети и т.д., определяют с учетом КПД передач по уравнению:

где h- КПД зубчатой передачи (0,96-0,98);

i-передаточное отношение линии привода.

В станах с опорными валками есть еще потери на трение качения рабочих валков по опорным. Однако, эти потери обычно незначительны и их, как правило, не учитывают.

Момент холостого хода, необходимый для привода главной линии прокатного стана во время паузы, равен сумме моментов, требующихся для вращения каждой детали.

Мощность привода  стана рассчитывают с использованием значений нагрузки и графиков изменений этих значений во времени.

Максимальную мощность нереверсивных  станов, работающих с постоянной скоростью, определяют по максимальной статической нагрузке М_СТ:

  [кВт],

где w и n-скорости вращения вала двигателя при данной нагрузке, соответственно сек^-1, мин^-1.

Номинальная мощность двигателя равна: , где К - коэффициент перегрузки, указывается в каталогах. К=1,5-3,0.

При определении мощности двигателя  для реверсивного стана, с регулируемой скоростью сначала строят нагрузочную  диаграмму для всех профилей прокатываемого сортамента.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4. Литейно-прокатные агрегаты (ЛПА)

(рис.27, 28, 29, 30)

 

Вершиной развития технологии непрерывной разливки стали, являются литейно-прокатные агрегаты (ЛПА).

В этом агрегате соединены  преимущества и достоинства непрерывной  разливки и прокатки. С помощью  ЛПА реализована фантастическая идея получения в одном технологическом процессе (совместном) готового продукта из жидкой стали.

На глазах у наблюдателя  развертывается фантастическая картина: в начале технологической линии  он видит струю жидкого металла, а в конце – стальной лист, смотанный в рулон, отправляемый далее на охлаждение и отгрузку.

Весь технологический  процесс от подачи ковша с жидкой сталью до отгрузки рулона автоматизирован, что означает минимальную численность  обслуживающего персонала и высокий  комфорт на рабочих местах.

ЛПА выгоден энергетически, т.к. в нем используется тепло  отлитых непрерывным способом заготовок.

ЛПА компактен благодаря  исключению промежуточного склада между  разливкой и прокаткой, который  обязателен при раздельном расположении МНЛЗ и прокатного стана. Компактное расположение, позволяет значительно снизить стоимость и сократить сроки строительства.

ЛПА действительно можно  считать достижением мировой  значимости в конце XX столетия.

По типу ЛПА делят  на листовые, продукцией которых является лист в рулонах или в карточках, и сортовые, продукцией которых является круг, квадрат, проволока. 

 

 

2.4.1  Листовой ЛПА

 

На листовом ЛПА реализуются  два фактора:

- приближение поперечного  сечения непрерывно-литой заготовки  к сечению готового проката;

- максимальное использование для последующей прокатки первородной теплоты непрерывно-литой заготовки, затраченной на эту заготовку в сталеплавильном агрегате.

Листовой ЛПА состоит  из следующего оборудования:

-  тонкослябовый МНЛЗ;

- проходной подогревательной  печи для выравнивания температур по сечению и длине выходящего из МНЛЗ горячего сляба (заготовки);

-  группы клетей  непрерывного прокатного стана; 

-  моталки, предназначенной  для смотки прокатанного листа  в рулон.

Для того, чтобы обеспечить согласование скорости вытягивания сляба из МНЛЗ с более высокой скоростью прокатки, выходящие из МНЛЗ тонкие слябы режут на длины, соответствующие получению рулона требуемой массы. Таким образом, проходная печь одновременно с функцией нагрева выполняет функцию компенсатора разницы скоростей выхода сляба из МНЛЗ и входа в первую клеть прокатного стана. От обычной слябовой МНЛЗ, на которой производят слябы толщиной 200¸250 мм тонкослябовая МНЛЗ в составе ЛПА отличается толщиной получаемых слябов (40¸60 мм), а также повышенными скоростями вытягивания сляба (5¸6 м/мин, в то время как обычные слябы вытягивают со скоростью 1 м/мин). Производительность машин для литья тонких и обычных слябов должна быть одинаковой, т.к. в противном случае тонкослябовая МНЛЗ не сможет работать в комплексе с высокопроизводительным сталеплавильным агрегатом, что определяется необходимостью обеспечения разливки большегрузных плавок в технологически обоснованное время.

В слябе толщиной 50 мм при скорости литья 5,5 м/мин протяженность  жидкой фазы составляет 4,7-5 м в то время, как литье в обычных слябовых МНЛЗ приводит к образованию жидкой фазы в слябе протяженностью 30 м и более.

Малая протяженность  жидкой фазы позволяет выбрать для  литья тонких слябов МНЛЗ вертикального  типа с изгибом слитка. Такой тип МНЛЗ имеет достаточно малую в сравнении с обычной слябовой машиной высоту, что не создает дополнительных трудностей, связанных с высотой здания, упрощает заливку металла, конструкцию кристаллизатора, а также позволяет выдавать сляб в горизонтальной плоскости для подачи в проходную печь.

На промышленных листовых ЛПА для производства тонких слябов применяют машины вертикального  типа с изгибом сляба по дуге окружности в горизонтальную плоскость после  полного затвердевания.

На тонкослябовой МНЛЗ применяют кристаллизатор с приемной заливочной воронкой и формообразующей выпускной зоной. Достоинством такой конструкции является возможность заливки металла в кристаллизатор с применением одного погружного стакана и защиты мениска сляба синтетическими шлаками.

Хорошо известен ЛПА конструкции немецкой фирмы SMS. Сечение отливаемого сляба 50´(1000¸1600) мм. Производительность – 1 000 000 т/год горячекатаного листа толщиной 4 мм, шириной 1000¸1600 мм. Такие агрегаты построены и эксплуатируются в США и строятся в Мексике, Италии и на Тайване. Суммарная проектная производительность этих ЛПА – 20 000 000 т/год. Производство листа на ЛПА снижает себестоимость его производства на 20 % в сравнении с производством раздельно «МНЛЗ – прокатный стан».

Экономию получают в  результате снижения затрат топлива на нагрев сляба и энергии на прокатку. Кроме того, капитальные затраты на строительство также ниже на 20 %.

2.4.2  Температурный  режим литья и прокатки в  ЛПА

 

В установившемся режиме при скорости 5,5 м/мин тонкий сляб поступает в печь с роликовым подом со средней температурой 1080°С, а выходит из нее с температурой 1100°С, достаточной для прокатки.

Исследования показали, что на полное затвердевание стали в МНЛЗ отбирается ~40 % теплоты, поступающей вместе с жидкой сталью в кристаллизатор.

Оставшейся теплоты достаточно, чтобы обеспечить входную температуру  сляба в печь на уровне 1080°С.

В проходной печи дополнительно  на нагрев сляба затрачивается 26 кВт*ч/т.

Если бы сажали в печь холодный сляб, то для его нагрева  до температуры 1080°С понадобилось бы 405 кВт*ч/т, т.е. в 15 раз больше.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4.3  Сортовые ЛПА

 

Создание совмещенных  сортовых агрегатов для стали, связано  с решением ряда сложных технических  проблем – разработкой технологии получения бездефектных непрерывно-литых заготовок и обеспечением требуемой температуры заготовки на выходе из МНЛЗ, что необходимо для процесса прокатки, а также с решением вопроса сочетания малой скорости вытягивания заготовок из МНЛЗ с высокими скоростями прокатки.

Существует два способа совмещения на сортовых ЛПА:

- обжатие непрерывно-литой  заготовки при наличии в ее  осевой зоне жидкой фазы;

- обжатие полностью  затвердевшей заготовки.

Обжатие непрерывно-литых  заготовок с жидкой сердцевиной  приводили ряд зарубежных компаний. Эти работы показали, что прокатка заготовок с жидкой сердцевиной не обеспечивает получения продукции с необходимым стабильным качеством и реализация этого метода в настоящее время затруднена.

ЛПА с обжатием полностью  затвердевшей заготовки работают на ряде заводов США, Германии, Японии.

В Германии, на заводе «Бадише  Штальварке» работатет 4-х ручьевая радиальная МНЛЗ со встроенными клетями  для обжатия полностью затвердевшего  слитка. На МНЛЗ отливают сечение 93´145 мм, а в клетях обжимают до сечения 100´100 мм.

Фирмой «Юнайтед Стейтс Стил» (США) на заводе «Саут ворке» введен в эксплуатацию сортовой ЛПА.

Сортовую радиальную МНЛЗ снабжают металлом из конвертера вместимостью 150т. Сечение кристаллизатора 190´190 мм. Перед входом в зону прокатки заготовки подогревают в индукционных печах. Обжатие заготовки в каждом ручье осуществляется восемью парами валков, обеспечивающих обжатие заготовки до 100´100 мм.

На заводе «Иокогама  воркс» (Япония) введен в эксплуатацию ЛПА, состоящий из 2-х ручьевой МНЛЗ, на которой отливают квадратные слитки сечением 125´125 мм, прокатываемые в сечение 90´90 мм. Перед прокатной группой клетей расположена печь для выравнивания температуры слитка, представляющая собой футерованную трубу, снабженную газовыми горелками.

Отечественный ЛПА (автор  – институт Внииметмаш, д.т.н. Майоров А.И.) состоит из одноручьевой МНЛЗ (сечения получаемых заготовок 110´110 мм и 125´125 мм), индукционного подогревателя, мелкосортного прокатного стана и участка охлаждения и уборки.

Особенность ЛПА –  подача непрерывно-литой заготовки от МНЛЗ к прокатному стану с использованием двух технологических схем:

- прямое совмещение  непрерывного литья и прокатки

- порезка непрерывно-литой  заготовки на части и дискретная  прокатка этих частей.

По первой схеме необходимо согласование скоростей разливки заготовок и прокатки в клетях стана.

По второй схеме строгого согласования скоростей разливки и  прокатки не требуется и скорость прокатки в первой клети может  быть выше скорости разливки.

После прокатки получают арматурный, сортовой и фасонный прокат.

Годовая производительность – 100000 т в год. Скорость разливки сечения 125´125 мм – 3,5 м/мин.