Разработка и внедрение оптимальных технологических режимов прокатки круглой стали на непрерывных мелкосортных станах с целью снижения материально-энергетических затрат

В соответствии с решениями ХХУ1 съезда КПСС одной из ос" новных задач экономического и социального развития страны на период до 1990 года является повышение эффективности общественного производства на основе его всесторонней интенсификации, экономное расходование материальных и топливно-энергетических ресурсов во всех отраслях промышленности, в тон числе и в металлургии.

В решении этих задач большое внимание отводится автоматизированным методам проектирования и научных исследований с применением математических методов и ЭВМ. Благодаря таким методам оказывается возможным разрабатывать оптимальную энергосберегающую технологию, определять пути интенсификации производства, повышения производительности труда.

Оснащение металлургических заводов, проектных и научно-исследовательских институтов современной вычислительной техникой создало благоприятные условия для совершенствования дейст** вующих технологических режимов сортовой прокатки на основе при®менения ЭВМ" Однако в прокатном производстве ЭВМ используются еще недостаточно эффективно и применяются, главным образом, для снижения трудоемкости расчетов, анализа и моделирования технологических режимов прокатки или расчета рациональных калибровок валков. Работы по оптимизации технологических процессов с применением методов исследования операций носят в основном постановочный характер, а предложенные критерии оптимизации подчинены улучшению отдельных технологических параметров. До настоящего времени пока не создано комплексных критериев оптимизации, учитывающих экономное расходование материальных и топливно-энергетических ресурсов (например, валков, топлива для печей и электроэнергии для прокатки).

В связи с этим актуальным является проведение научных исследований, базирующихся на применении математических методов и ЭВМ и направленных на создание оптимальных технологических процессов сортовой прокатки по критериям материально-энергетических ресурсов.

Настоящая работа посвящена разработке и применению таких технологических режимов на современных мелкосортных непрерывных станах.

Диссертация состоит из 4-х глав. В 1-й главе выполнен анализ современного развития мелкосортных станов* способов прокатки мелкосортной стали и методов расчета калибровок валков и технологических параметров прокатки. Отмечено, что типовые мелкосортные станы- 250 при прокатке профилей одинакового сортамента имеют различные калибровки валков и технологические режимы деформирования, что свидетельствует о наличии резервов интенсификации производства. Для расчета на ЭВМ технологических параметров сортовой прокатки разработан ряд программ, среди которых достаточно полными и научно-обоснованными являются программы анализа («Анализ») и проектирования ^'Проект"), созданные на кафедре ОМД Уральского политехнического института в результате теоретических и экспериментальных исследований процессов сортовой прокатки. Однако указанные программы позволяют моделировать технологический процесс прокатки на стане без учета режимов нагрева заготовок и отделки прокатанных профилей. Для комплексной оптимизации технологии производства мелкосортной стали необходимо математическое описание всех переделов технологического процесса.

На основании выполненного в 1-й главе анализа сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во 2-й главе изложены результаты анализа на ЭВМ действующих технологических режимов прокатки мелкосортной стали на типовых непрерывных станах. По программе «Анализ» выполнено моделирование на ЭВМ калибровок валков и разработаны рекомендации по применению рациональных систем калибров, определены резервы интенсификации технологических режимов прокатки отдельных профилей, проработан вопрос о возможности увеличения сечения исходной заготовки* На основании анализа вытяжной способности различных калибров, определены оптимальные диаметры валков мелкосортных станов. С применением стандартной программы корреляционно-дисперсионного анализа выполнено статистическое исследование износостойкости валков и предложены формулы для определения расхода валков при прокатке по различным системам калибров.

Глава 3 посвящена разработке алгоритмов оптимизации технологических режимов прокатки мелкосортной стали. В ней показано, что наиболее эффективными для оптимизации технологических процессов сортовой прокатки являются прямые градиентные методы.

В качестве комплексного критерия оптимизации предложено использовать затраты на топливо, электроэнергию и валки при прокатке, являющиеся частью расходов по переделу в себестоимости прокатного цеха. Математическая модель технологического процесса производства мелкосортной стали построена на основе применения программ «Анализ» и «Проект» и известных из литературы методов теплотехнических расчетов режимов нагрева металла в методических печах.

В главе 4 приведено описание разработанных программ расчета на ЭВМ оптимальных технологических режимов прокатки и результатов применения их для оптимизации калибровок валков и технологии производства мелкосортной стали на станах 250*1 и 250−2 Западно-Си"* бирского металлургического комбината.

Выполненная диссертационная работа является составной частью научно-исследовательских работ кафедры ОМД Уральского политехнического института, проводимых в рамках целевой комплексной научно-технической программы 0Ц. О27 по Постановлению ГКНТ СССР, Госплана СССР и АН СССР от 12,12.1980 г. * 474/250/132 (задание 05.33).

Работа выполнена при научной консультации доцента В. А. Шилова. Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность за помощь в работе сотруднику кафедры обработки металлов давлением ст.н.сотр. Ю. В. Инатовичу и коллективу мелкосортного цеха Запад" но"Сибирского металлургического комбината.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОКАТА НА МЕЛКОСОРТНЫХ СТАНАХ.

В настоящее время более 1% всея мелкосортной стали в СССР производится на непрерывных станах. Линейные станы используются в основном для прокатки малотоннажных партий легированных сталей при производстве мелкосортных профилей широкого сортамента и подлежат в будущем реконструкции с установкой непрерывных групп клетей.

1.1. Техническая характеристика непрерывных мелкосортных станов.

Установленные в СССР непрерывные мелкосортные станы можно разделить на 4 типа (поколения) /1,2/. К первому типу относят однониточные 15-клетевые станы 350−2 Макеевского и 300−2 Челябинского металлургического комбинатов (рис. 1.1). Станы предназначены для производства круглой стали /й 14*"30 мм, арматурных профилей с эквивалентной площадью сечения готового профиля, аналогичных по размерам квадратов, полосовой стали (25-Ю0)х х (12"40) мм, уголков № 2−4,5 из исходной заготовки ф 100 мм длиной 7000−9000 м из низкоуглеродистых и легированных марок сталей.

Станы такого типа состоят (см. рис. 1.1) из черновой группы клетей с валками диаметром 410−460 мм и чистовой группы в составе 5-ти горизонтальных и 3-х вертикальных клетей с диаметром валков 350 мм. Мощность приводов клетей изменяется от 434 в черновой группе до 868 кВт в чистовой группе при суммарной мощности приводов 8204 кВт. Максимальная возможная скорость прокатки составляет 14 м/с, а фактически достигнутая наибольшая скорость не превышает 10 м/с. Максимально возможная производительность стана для профилей мелкого сечения (/$ 14−20 мм) огра 0 1.

Рис. 1.1. Схема расположения оборудования непрерывных мелкосортных станов 1-го поколения: I — нагревательная печь- 2 — черновая группа клетей- 3 — чистовая группа клетейЧ — горизонтальные рабочие клети- 5 — вертикальные рабочие клетиб — летучие ножницы- 7 — холодильник- 8 — пакетирующие рольганги- 9 — ножницы- 10 — сборные карманы ничивается рабочей скоростью подводящего рольганга холодильника и системы сбрасывающих клапанов, а для профилей круглого се" чения 22−30 мм) — производительностью печей и скоростью охлаждения металла на холодильнике. Максимально достигнутая производительность стана в горячий час не превышает 120 т/ч.

Ко второму типу (поколению) непрерывных мелкосортных станов относят двухниточные станы 250 Череповецкого и 250−1, 250*2., 250−3 Криворожского металлургических комбинатов. Станы предназначены для прокатки простых и фасонных профилей из углеродистых и низколегированных марок сталей. Исходной заготовкой является квадрат, ф 80 мм длиной от 10,8 до 11,5 м и массой до 0,575 т. Технологическая схема стана представлена на рис. 1,2. Стан состоит из черновой двухниточной группы и двух однониточных чистовых групп клетей.

Черновая группа включает 7 горизонтальных клетей с диаметром валков 400 мм. Каждая чистовая группа состоит из чередующихся 4-х вертикальных и 4-х горизонтальных рабочих клетей с диаметром валков 250−320 мм. Характеристика главных линий рабочих клетей приведена в табл. I.I. Между черновой и чистовыми группами расположены аварийные летучие ножницы. После прокатки полосы режутся на летучих ножницах и поступают на холодильник, оборудованный однониточной системой сбрасывающих клапанов. После охлаждения полосы разрезаются на мерные длины и пакетируются. Максимально достигнутая скорость прокатки на станах 2-го поколения составляет 15 м/с и ограничивает, главным образом, быстродействие системы сбрасывающих клапанов /3/.

Станы третьего поколения (рис. 1.3) состоят из 23-х клетей, расположенных в черновой (7 клетей), промежуточной (4 клети) и двух чистовых группах (по б', клетей). Таким образом, про.

Рис. 1.2. Схема расположения оборудования непрерывных мелкосортных станов 250 2-го поколения: I — нагревательная печь- 2 — черновая группа клетей- 3 — чистовые группы клетей- 4 — летучие ножницы- 5 — вертикальные клетиб — горизонтальные клети- 7 — холодильник- 8 — пакетирующий рольганг- 9 — ножницы- 10 — сборочный карман.

Техническая хараятеристика приводов клетей непрерывных мелкосортных станов.

2-го поколения.

Группы и номера Че рновая Чистовая клетей I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 II 12 13 14 15.

ХО § Номинальная мощность, кВт 75 430 560 680 680 870 870 2×200 430 2×200 580 2×200 580 2×200 580.

Номинальный ток, а 500 1230 1580 1100.

ГСа Напряжение, в 525 600 600.

О-. в сь Номинальная частота вращения, об/мин 600 500 500.

ГГэ Мин."макс.частота вращения, об/мин — 300 900 320 900 320 900 320 900 320 900 320″ 900 320 900 500* 1500 320 .900. 2,2 500 1500 320 900 3 201 500 500 900 3 201 500 320″ 900 передаточное число редуктора 27,0 21,5 15,5 11,0 7,5 6,0 4,5 5,0 3,33 1,75 2,3 1,0 1,6 0,77 • *.

Максимальный момент на выходном валу, кН м 36 67,0 67,0 67,0 67,0 67,0 55,0 21,6 18, С 11,0 19,5 7,0 11,4 3,0 6,5.

Максим.диаметр валков, мм 390 320.

Миним.диаметр валков, мм 360 290.

— о Р Длина бочки валков, мм 710 500 сх. Диаметр шейки валков, мм 240 Т90.

Допустимое усилие прокатки, кН 1300 600.

Рис. 1.3. Схема расположения оборудования типового непрерывного стана 3-го поколения:

I — нагревательная печь- 2 — черновая группа клетей- 3 — промежуточная группа клетей- 4 — чистовые группы клетей- 5 — летучие ножницыб — горизонтальные рабочие клети — 7''- вертикальные рабочие клети- 8 — холодильник- 9 — ножницы- 10 — сборочный карман;

II — бунтомоталка — 12 — конвейер для охлаждения бунтов катка по каждой нитке производится за 17 проходов. К таким станам относятся станы 250−4, 250−5 Криворожского, 250 Челябинского, 250−1 и 250−2 Западно-Сибирского металлургических комбинатов.

Станы третьего поколения характеризуются большим удалением нагревательных печей от клетей черновой группы. Это связано с первоначальным намерением установить в указанном месте стыковочное оборудование для бесконечной прокатки, что не было реализовано из-за низкого качества сварного шва и недостаточной надежностью работы стыкосварочного оборудования. Удаление печей от участка стана приводит к необходимости повышения температуры нагрева металла для компенсации падения температуры при транспортировке заготовок к черновой группе.

Техническая характеристика станов приведена в табл. 1.2. Станы 3-го поколения имеют более широкий диапазон регулирования скоростей прокатки (по сравнению со станами 2-го поколения), снабжены более совершенными холодильниками с двухниточной системой сбрасывающих клапанов. Максимально достигнутая конечная скорость прокатки на этих станах составляет 17,5 м/с при допускаемой максимальной скорости вращения валков чистовой клети 25 м/с.

1а ряде станов 3-го поколения (например, на стане 250−2 ЗСМН) предусмотрена смотка круглой стали диаметром 18−25 мм в бунты. Для этого установлены моталки с подвижным бунтом (типа Гаррета) и крюковые конвейеры для охлаждения бунтов (см. рис. 1.3).

К станам четвертого поколения относят однониточный стан 250−6 Криворожского металлургического комбината /I/. Он предназначен для производства в бунтах круглой стали диаметром 14−22 мм, квадратной со стороной 14−36 мм и шестигранников с диаметром.

Техническая характеристика приводов клетей непрерывных мелкосортных станов.

3"го поколения.

Группы и номера клетей Черновая Промежуточная ! Чу. стовая.

I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 II 12 13 14 15 16 17.

Электродвигатель Номинальная мощность, кВт 240 680 870 680.

Номинальный ток, а 500 1230 1580 1230.

Напряжением 525 600 600 600.

Номинальная частота вращения, об/мин 600 500 270 500.

Минин.-максим, частота вращения, об/мин 100−600 130−600 180−900 130−660 180−900 200−810 250−1000.

Передаточное число редуктора 11,4 11,4 10,9 5,8 5,8 4,5 3,53 2,55 1,88 1,37 1,18 1,47 1,25 1,0 0,76 0,75 0,6.

Максим, момент на выходном валу, кН*м 36,0 86,6 86,0 74,0 5,48 55,0 55,0 65,0 65,0 21,6 18,0 11,0 19,5 7,0 3,0 6,5.

Клеть Максим" диаметр валков, мм 400 380 320.

Минин, диаметр валков, мм 360 345 290.

Длина бочки валков, мм 710 630 500.

Диаметр шейки валков, им 240 220 190.

Допустимое усилие прокатки, 1300 700 600 вписанной окружности от 14 до 40 мм. Исходной заготовкой служит квадрат 150×150 мм длиной от 8 до 12 м и массой до 2,1 т. Схема расположения оборудования стана приведена на рис. 1.4.

Нагрев осуществляется в пятизонной методической печи с шагающим подом. После нагрева заготовки проходят через устройство гидросбива окалины, представляющем собой камеру, в которой установлены по периметру Г4 сопл. Сбив окалины осуществляется со всех четырех сторон водой давлением 12,7"14,6 МПа.

Стан состоит из 20"ти рабочих клетей (см. рис. Г*4), распо" ложенных в черновой, промежуточной и чистовой группах. Характер" ным является чередование вертикальных и горизонтальных клетей во всех группах стана. Это исключает необходимость кантовки металла и расширяет возможности применения систем калибров для прокатки.

Диаметр валков рабочих клетей черновой группы изменяется в пределах от 580 до 380 мм, в клетях промежуточной группы составляет 320−290 мм, а в чистовой группе клетей равен 320−245 мм. Мощность электродвигателей индивидуальных приводов клетей черно" вой группы составляет 630 кВт, а промежуточной и чистовой групп -800 кВт при суммарной мощности всех элек1родвигателей 14 640 кВт /I/. Максимально возможная скорость прокатки составляет 25 м/с, а наибольшая реально достигнутая скорость ~ 18 м/с.

Между черновой, промежуточной и чистовой группами клетей расположены летучие ножницы, предназначенные для обрезки зад"-них концов полосы и для аварийной резки раскатов.

После прокатки предусмотрено ускоренное охлаждение раската щелевыми форсунками до температуры 500~700°С и смотка на одной из трех моталок. Смотанные бунты проходят дополнительное охлаждение и затем пакетируются.

Наиболее распространенными в СССР являются двухвиточные мелкосортные станы (см. рис. 1.2 и 1*3), поэтому основное внвма"" ние в настоящей работе уделено этим станам. о.

6 7.

12 V.

00 I.

Рис. 1.4. Схема расположения оборудования непрерывного мелкосортного стана 4-го поколения: I — нагревательная печь- 2,3 и 4 — черновая, промежуточная и чистовая группы клетей- 5 — горизонтальные клети- 6 — вертикальные клети- 7' ~ летучие ножницы- 8 — моталки- 9 — бунтовязальные машины- 10 — поперечный рольгангII — шагающий транспортер- 12 — душирующее устройство- 13 — рольганг- 14 — пакетирующее устройство.

Дальнейшее развитие таких мелкосортных станов в СССР и за рубежом идет в направлении увеличения числа клетей до 20"25 /4/', увеличения сечения исходной заготовки до квадрата со стороной 100*125 мм /5,6,7/, разработки рабочих клетей предварительно"нап~ ряженного типа /2,4/, применения блоков черновых и чистовых клетей /6,7/, применения специальных способов и устройств для торможения полос на холодильнике /8,9,10,11/, увеличения скорости прокатки до 20~25 м/с в прутках и до 30 м/с в бунтах /5,12/, создания промышленных агрегатов термической и термомеханической обработки проката /5,12/.

4.5. Выводы.

1. По разработанным в главе 3 алгоритмам (см. рис. 3.4 и 3.5) созданы программы оптимизации действующих технологических режимов прокатки (программа «Анализ-оптимизация») и расчета новых оптимальных калибровок валков (программа «Калибр») с целью снижения материально-энергетических затрат на прокатку. Программы внедрены на Западно-Сибирском металлургическом комбинате и в Уральском политехническом институте.

2. В результате расчетов на ЭВМ по программе «Анализ-оптимизация» установлено, что оптимальные температуры нагрева заготовок при прокатке круглой стали составляют: П60°С для круглой стали диаметром 12,14 и 16 ммП30°С — для стали диаметром 22 ммП00°С — для стали диаметром 18 мм и 1070 °C — для профилей диаметром 20,25 и 28 мм. Указанные температуры ниже максимально допустимых по технологической инструкции на 90~180°С и применение их позволяет снизить расходы по переделу на 0,14−0,24 руб/т за счет уменьшения суммарных затрат на топливо, электроэнергию и валки.

3. Применение оптимальных температурных режимов прокатки позволяет повысить производительность нагревательной печи от 135 до 145 т/ч, т. е. на 7,4 $ и улучшить условиях их работы.

4. В результате моделирования на ЭВМ технологических режимов прокатки круглой стали диаметром 16, 25 и 28 мм при оптимальных температурах нагрева заготовок установлено, что скоростные и силовые характеристики стана позволяют увеличить конечную спорость прокатки на 5−17,8 $. При этом рост производительности стана обеспечивается ростом производительности печей при работе на оптимальных температурных режимах нагрева заготовок.

5. Внедрение оптимальных технологических режимов прокатки отдельных профилей позволило снизить условно-постоянную часть рас" ходов по переделу на 0,05 руб/т, повысить производительность стана и получить экономический эффект в размере 63,7 тыс. руб. Ожидаемый экономический эффект от внедрения таких режимов при производстве круглых профилей всего сортамента стана составит 433 тыс. руб. в год.

6. Рассчитанная на ЭВМ по программе «Калибр» оптимальная калибровка валков позволяет по сравнению с действующей снизить расход электроэнергии на деформацию на 14 $, валков — на 19 $ и соответственно уменьшить затраты на прокатку на 14,7 $.

7. Совершенствование технологических процессов производства мелкосортной стали на основе применения оптимальных режимов прокатки на гладкой бочке валков во всех клетях стана, кроме предчистовой и чистовой, позволяет получить экономию от снижения расхода валков и электроэнергии в сумме 0,07 цуб/т и по! лучить экономический эффект свыше 90 тыс. руб.

1. На типовых мелкосортных станах 250 при одинаковой схеме расположения оборудования и его технической характеристике применяют различные калибровки валков и технологические режимы прокатки профилей одного и того же сортамента. Типизация и оптимизация технологических режимов прокатки является одним из путей повышения эффективности производства мелкосортной стали на непрерывных станах.

2. В результате анализа на ЭВМ действующих технологических режимов прокатки круглой стали установлено, что рациональной с точки зрения вытяжной способности, расхода энергии и износостойкости валков является схема калибровки, включающая не более трех ящичных калибров в первых клетях стана и систему калибров овал-ребровой овал в остальных клетях, вплоть до чистовых. Показано также, что в первых трех клетях стана вместо ящичных калибров целесообразно применять гладкую бочку валков.

3. Установлено, что оптимальные по вытяжной способности диаметры валков типовых мелкосортных станов составляют 460−490 мм для черновых клетей, 350 мм для промежуточных клетей и 220−250 мм для клетей чистовой группы. Применение валков с такими диаметрами позволяет увеличить суммарный коэффициент вытяжки по стану в 1,58−1,63 раза. Разработанная методика определения оптимальных диаметров валков может быть применена для оптимизации диаметров валков прокатных станов другого назначения,.

4. В результате моделирования на ЭВМ режимов прокатки мелкосортной стали из заготовки увеличенного сечения установлено, что применение заготовки сечением 100×100 мм возможно только при условии реконструкции станов с установкой одной дополнительной клети в головной части стана и заменой электродвигателя первой клети на более мощный. Определены параметры дополнительной клети и электродвигателей привода.

5. Статистическое исследование износостойкости валков типовых мелкосортных станов позволило получить формулы для расчета расхода валков в зависимости от формы калибров, параметров деформации металла, материала валков, температуры раската, марки прокатываемой стали и других параметров.

6. На основе результатов теоретического исследования процессов сортовой прокатки, выполненного ранее в Уральском политехническом институте, с учетом известных методов расчета нагрева металла и определения пропускной способности холодильника сформирована комплексная математическая модель технологического процесса прокатки мелкосортной стали, включающая:

— формулы для расчета характеристик формоизменения металла, энергосиловых и технологических параметров, расхода энергии и валков при прокатке по различным системам калибров;

— аналитические зависимости для теплотехнических расчетов нагрева заготовок и определения расхода топлива в печах мелкосортных станов;

— ограничения режимов прокатки на стане по условиям пропускной способности холодильника и участка отделки проката.

Полученная модель необходима для оптимизации технологических процессов с применением математических методов и ЭВМ.

7. В качестве целевых функций при оптимизации технологических режимов прокатки на современных мелкосортных станах актуально применять критерии, связанные с экономией материально-энергетических ресурсов (топлива, электроэнергии и валков). Комплексным критерием, удовлетворяющим этим требованиям, являются затраты на валки, электроэнергию, топливо, представляющие часть расходов по переделу в себестоимости продукции прокатного цеха.

8. 5 результате анализа современных методов исследования операций установлено, что наиболее эффективными являются прямые методы (методы возможных направлений). На основе применения этих методов с использованием полученной математической модели и предложенных целевых функций разработаны алгоритмы и программы оптимизации на ЭВМ действующих технологических режимов прокатки и расчета оптимальных калибровок валков при производстве профилей на непрерывных мелкосортных станах. Программы внедрены на Западно-Сибирском металлургическом комбинате.

9. Решение задачи по оптимизации на ЭВМ действующих режимов про" катки круглой стали основного сортамента на мелкосортных станах 250−1 и 250−2 ЗСМК позволило установить, что оптимальные температуры нагрева заготовки ниже допустимых по технологической инструкции на 90−180°С. Нагрев заготовок до оптимальных температур позволяет снизить расход топлива на 11,8−22,3 $ и уменьшить суммарные затраты на топливо, электроэнергию и валки на 0,14−0,24 руб/т, т. е. на 8,0−17,2 $. Установлена также возможность увеличения конечной скорости прокатки отдельных профилей на 5−17,8 $.

10. Рассчитанная на ЭВМ оптимальная калибровка валков круглой стали с применением ящичных калибров в первых трех клетях и системы калибров овал-ребровой овал в последующих клетях позволяет снизить расход электроэнергии на 14 $, валков — на 19 $ и уменьшить затраты по переделу на 14,7 $.

Оптимальная калибровка валков мелкосортного стана с применением режимов прокатки на гладкой бочке во всех клетях, кроме предчистовой и чистовой, обеспечивает снижение электроэнергии на 32,1 $, валков на 38,4 $ и экономию материально энергетических затрат на 33,5 $.

II. Частичное внедрение рассчитанных на ЭВМ оптимальных технологических режимов прокатки при производстве отдельных профилей на мелкосортном стане 250−2 ЗСМК позволило получить экономический эффект в размере 63,7 тыс. руб. При внедрении оптимальных режимов прокатки круглой стали для всего сортамента экономический эффект составит 433 тыс. руб. в год.