CC BY
25
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2003 р. Вип. № 13
УДК 621.771.08:621.311
Капланов В.И.1, Володарский В.В.2, Курпе А.Г.3
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ДЕФОРМАЦИИ ПРИ КОНТРОЛИРУЕМОЙ ПРОКАТКЕ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Рассмотрена возможность изменения режима деформации в черновой клети толстолистового стана 3600 при производстве листов 18x3130x11600 мм из стали 13Г1СУ с целью уменьшения расхода электроэнергии на прокатку. Приведены энергосиловые параметры при прокатке листов в черновой клети ТЛЦ 3600. В результате оптимизации режима деформации в черновой клети получено уменьшение расхода электроэнергии при прокатке при сохранении необходимых механических свойств.
Оптимизация режимов деформации с целью снижения расхода электроэнергии при прокатке является актуальной проблемой при производстве проката на металлургических предприятиях.
В течении нескольких последних лет кафедра ОМД ПГТУ совместно с ОАО «МК «Азов-сталь» проводит исследования по оптимизации режимов деформации при прокатке листовой стали.
Целью настоящей работы является расчет и обоснование снижения расхода электроэнергии при контролируемой прокатке листов размерами 18x3130x11600 мм из стали 13Г1СУ в черновой клети ТЛЦ 3600.
Контролируемая прокатка, как разновидность термомеханической обработки, позволяет повысить прочность, пластичность и вязкость стали, то есть получить их оптимальное сочетание.
Одной из основных целей контролируемой прокатки является получение в готовом прокате структуры - мелкозернистый феррит, который и будет определять механические свойства листов. Получение оптимального сочетания механических свойств определяют следующие факторы:
измельчение структуры, получение мелкого и однородного зерна; дисперсионное упрочнение; получение полигонизованной субструктуры. Измельчение зерна приводит к увеличению прочности и вязкости, а получение полигонизованной структуры позволяет сохранить высокую пластичность. Дисперсионное упрочнение не желательно, так как оно увеличивая прочностные свойства, уменьшает пластичность и вязкость.
Получение оптимальной структуры возможно при регулировании таких параметров как температура нагрева под прокатку (температура аустенизации); температурные режимы прокатки; распределение обжатий по пропускам; междеформационные выдержки; режимы заключительного охлаждения [1].
При контролируемой прокатке можно отметить три стадии изменения структуры:
1. при температуре выше Аг3 в процессе деформации происходит рекристаллизация;
2. при температуре ниже Аг3 металл упрочняется за счет измельчения структуры повышения плотности дислокаций, достигается наиболее полная и равномерная во всем объеме перестройка и образование полигонизованной структуры;
3. при температуре 800-700 °С происходит дисперсионное твердение карбонитридов.
Третья стадия изменения структуры справедлива только для легированных сталей (микролегированных в основном № и V).
На второй стадии, высокая плотность дислокаций, движение которых заторможено внутренними полунепроницаемыми барьерами, определяет пластические свойства готового проката. Для легированных сталей полунепроницаемыми барьерами выступают выделения при температуре ниже 890 °С мелкодисперсной карбонитридной фазы когерентно связанной с матрицей. Для углероди-
1 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ОАО «МК «Азовсталь», нач. прокатной лаборатории ЦЛМК
3
ПГТУ, аспирант
стых сталей полунепроницаемыми барьерами выступают малоугловые дислокационные субграницы [1,2,3].
Однако, в диапазоне температур 850-900 С осуществлять деформацию не целесообразно, так как выделяемые в аустените частицы карбонитридных фаз имеют размеры более 5-10 нм, которые не оказывают существенного упрочняющего влияния, и не способствуют измельчению зерна. Частицы карбонитридных фаз, размеры которых менее 5 нм, измельчают зерно аустенита и оказывают упрочняющее воздействие.
При температуре конца прокатки < Аг3 деформированный аустенит не рекристаллизуется после горячей деформации. Феррит образуется из деформированного аустенита в результате чего достигается максимальное измельчение структуры [1].
Также определяющей величиной для размера зерна аустенита является температура нагрева заготовки перед прокаткой, при которой полностью растворяются частицы карбонитридных фаз и переходят в твердый раствор. Частицы избыточных фаз располагаются по границам зерен и препятствуют их росту, а также миграции зерен. Чем меньше зерно аустенита при нагреве, тем меньше зерно наследуемого феррита [1,2].
Наличие в стали азота, а именно свободного азота, понижает ударную вязкость. Поэтому необходимо, чтобы азот соединился с элементами образующими стойкие нитриды. Титан используется в стали, предназначенной для контролируемой прокатки, как элемент имеющий большое сродство с азотом и связывающий азот в нитриды Т11Ч. При этом важно выдержать соотношение азота и титана, так как при избытке Т1 ударная вязкость стали понижается [4].
Из этого следует, что первая стадия измельчения структуры в процессе деформации происходит при температуре выше Аг3, следовательно, деформацию в черновой клети возможно производить до этой температуры. Степень деформации за пропуск при температуре выше Аг3 во избежании спонтанного роста зерна должна составлять не менее 10 % [8].
Изменение степени деформации по пропускам влияет на расход электроэнергии, который на прямую зависит от сопротивления деформации, силы и момента прокатки.
При увеличении абсолютного обжатия возрастает угол захвата, увеличивается протяженность зоны опережения что в свою очередь приводит к возрастанию силы и энергии требуемой для осуществления деформации [5]. Согласно закона сохранения энергии, при осуществлении обычного процесса деформации должно соблюдаться равенство энергии поступающей в очаг деформации и расходуемой в очаге деформации [5] при соблюдении постоянства геометрической формы очага деформации. Охарактеризовать количество энергии требуемое для осуществления прокатки можно с помощью валкового момента.
Валковый момент рассчитывается по следующей формуле [6]
( \
Мв = 0,5РЬБк А/г
(1)
^ДА
где Ь - ширина раската после пропуска, мм; А/г - абсолютное обжатие, мм; Бк - катающий диа-
2
метр валков, мм; Р - сила прокатки, МНхЮ ; /„ - коэффициент трения в подшипниках шеек валков; с1ш - диаметр шеек валков, мм.
Как видно из формулы (1), при увеличении степени деформации, на валковый момент Мв
оказывают влияние два сомножителя - абсолютное обжатие А/г и сила прокатки Р. По этому, при уменьшении степени деформации по пропускам и увеличении количества пропусков при прокатке, сумма валковых моментов по пропускам будет меньше чем при меньшем количестве пропусков и большей степени деформации.
Следовательно, для экономии электроэнергии на прокатку, в случаях, когда уменьшение интенсивности деформации не влияет на механические свойства готового проката и на производительность стана, возможно увеличение количества пропусков.
При производстве штрипсов размерами 18x3130x11600 мм из стали 13Г1СУ прокатка ведется по контролируемому режиму из сляба 300x1850x2780 мм, масса сляба 12,1 т, 2-х кратный раскат, коэффициент выхода годного Квг =0,847, толщина подката для чистовой клети Н=58 мм, Углерод-
ный эквивалент Сэ=0,40 рассчитан по формуле (2), температура начала прокатки в чистовой клети Тнп 800-900 °С, температура конца прокатки в чистовой клети Ткп 690-710 °С. Охлаждение раската после прокатки в черновой клети производится на промежуточном рольганге на воздухе в течении 235 с.
Углеродный эквивалент определяется по формуле Международного Института Сварки [7] „ „ Мп Сг+Мо + У М + Си
Сэ = С +-+-+-, (2)
6 5 15
где С, Мп, Сг, Мо, V, N1, Си - содержание элементов в прокатываемой стали, %.
Технологические и энергосиловые параметры прокатки листов 18x3130x11600 мм в черновой клети толстолистового стана 3600 по цеховой технологии получены опытным путем и приведены в табл. 1. В табл. 2 приведены технологические и энергосиловые параметры прокатки листов 18x3130x11600 мм в черновой клети толстолистового стана 3600 по предлагаемой технологии, отличие которой от цеховой заключается в снижении степени деформации по пропускам и увеличении количества пропусков с 14 до 16. Время охлаждения раската на промежуточном рольганге после прокатки в черновой клети по предлагаемой технологии рассчитано из уравнения (3) и составляет 220 с.
Уравнение для определения температуры раската штрипсовой стали после охлаждения на воздухе получено ДОННИИЧЕРМЕТом и имеет следующий вид
-0.0016 - И—— , (3)
h
100
где 1/а - температура раската в конце периода охлаждения, °С; tH - температура раската в начале
периода охлаждения, °С; г - время охлаждения, с; h - толщина охлаждаемого раската, мм.
Расчет производительности и расчет расхода электроэнергии в черновой клети толстолистового стана 3600 при прокатке штрипсов 18x3130x11600 мм из стали 13Г1СУ по цеховой технологии приведен в табл. 3. Расчет производительности и расчет расхода электроэнергии в черновой клети толстолистового стана 3600 при прокатке штрипсов 18x3130x11600 мм из стали 13Г1СУ по предлагаемой технологии приведены в табл. 4.
В таблицах использована единая символика обозначений:
Н, h - толщина раската до и после пропуска, мм; В, b - ширина раската до и после пропуска, мм; 1 - длина раската после пропуска, м; Gc - масса сляба, т; Y- угар, единиц; /¡_ \ - температура
раската до пропуска, °С; Квг - коэффициент выхода годного; р - среднее давление, МПа; пп - номинальная частота вращения вала двигателя, об/мин; Х./67 - общая сумма суммарных интегра-
—1 2 —1 лов по пропускам, (кНм\0~ ) с; Мв - момент валковый, кНм\ 0 ; Мск - среднеквадратичный
момент, кНм\ 0 ; Ned - мощность на валу двигателя, кВт; трП - общая продолжительность прокатки раската в клети, е.; П - производительность клети, т/ч, Q - количество электроэнергии за-
кВт-ч
траченное на прокатку, -, К - кантовка.
т
Цикл прокатки на стане 3600 при применении предлагаемой технологии не изменится, так как температура раската снижается более интенсивно при прокатке в черновой клети и уменьшается время охлаждения на промежуточном рольганге, и составит 115,5 с.
Таблица 1 - Технологические и энергосиловые параметры прокатки штрипсов 18x3130x11600 мм из стали 13Г1СУ в черновой клети толстолистового стана 3600 по цеховой технологии
Математическая операция, параметр Ед. измер. Реализация операции и номера пропусков
К1 2 3 4 5 6К 7 8 9 10 11 12 13 14
Н мм 302 273 250 226 204 182 166 146 127 111 96 82 71 61
Ь мм 273 250 226 204 182 166 146 127 111 96 82 71 61 54
Ак = Н-к мм 29 23 24 22 22 16 20 19 16 15 14 11 10 7
В мм 2754 2754 2754 2754 2754 2754 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6
Ь мм 2754 2754 2754 2754 2754 2754 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6
1=Сс(1-У)/7.6Ы1 м 2,08 2,27 2,51 2,78 3,12 3,42 3,14 3,61 4,13 4,77 5,59 6,45 7,51 8,49
°с 1128 1114 1109 1103 1097 1090 1083 1072 1063 1053 1041 1027 1011 992
Р=^Л/1)ЛА/г/2х10"2 МНхЮ2 2515,76 2270,04 2454,86 2421,01 2555,22 2124,49 3297,56 3431,20 3247,51 3346,68 3474,89 3191,52 3292,83 2803,44
Ме = Ъ,5РЪОкЫг^ + № ЦокЫг/2) кНмЮ'1 325,271 262,126 289,407 273,574 288,74 205,669 355,283 361,049 314,386 314,017 315,345 257,816 254,081 182,359
^сг =Л-1 +-Л-2 +••• (кНм\0~1)2с 124315 215858 333439 449052 588724 671780 876563 1114661 1322005 1557214 1830352 2043868 2282262 2426500
Таблица 2 - Технологические и энергосиловые параметры прокатки штрипсов 18x3130x11600 мм из стали 13Г1СУ в черновой клети толстолистового стана 3600 по предлагаемой технологии
Математическая операция, параметр Ед. измер. Реализация операции и номера пропусков
К1 2 3 4 5 6К 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Н мм 302 273 250 226 204 182 166 150 135,5 122 109,5 98 87,5 78 69,5 61,5
Ь мм 273 250 226 204 182 166 150 135,5 122 109,5 98 87,5 78 69,5 61,5 54
АИ = Н-Ь мм 29 23 24 22 22 16 16 14,5 13,5 12,5 11,5 10,5 9,5 8,5 8 7,5
В мм 2754 2754 2754 2754 2754 2754 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6
Ь мм 2754 2754 2754 2754 2754 2754 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6 3408,6
1=Сс(1-У)/7.6Ы1 м 2,08 2,27 2,51 2,78 3,12 3,42 3,05 3,38 3,76 4,18 4,68 5,24 5,87 6,59 7,45 8,49
°с 1128 1114 1109 1103 1097 1090 1083 1072 1064 1055 1045 1034 1022 1008 992 973
Р = рЬл]ПкАИ/2х 10~2 МНхЮ2 2515,76 2270,04 2454,86 2421,01 2555,22 2124,49 2774,90 2756,14 2771,63 2788,14 2803,81 2816,07 2821,28 2823,47 2802,15 2971,84
Мв = 0,5РЬПкАк х х^ + ЬсИрьбНп) кНмЮ'1 325,271 262,126 289,407 273,574 288,74 205,669 267,408 254,399 247,142 239,545 231,398 222,451 212,398 201,522 185,63 190,903
(кНм\0~1)2с 124315 215858 333439 449052 588724 671780 791641 910897 1034452 1162383 1294467 1430035 1567761 1706226 1851142 2022413
Таблица 3 - Расчет производительности по клетям и расчет расхода электроэнергии в черновой клети толстолистового стана 3600 при прокатке штрипсов 18x3130x11600 мм из стали 13Г1СУ по цеховой технологии
t рп с 79,536
Квг - 0,847
Gc т 12,1
пп об/мин 40
ZJа (кНмЮ_1)2с 2426500
М CK ~ -\jjcc / t рп ' кНм\ О"1 174,666
Явд =Мскхпп/ 0.975 кВт 7165,78
П = (3600xGcxKes)/zpn т/ч 463,882
Q = Ned/Pnp кВт-ч т 15,4474
Таблица 4 - Расчет производительности и расчет расхода электроэнергии в черновой клети толстолистового стана 3600 при прокатке штрипсов 18x3130x11600 мм из стали 13Г1СУ по предлагаемой технологии
t рп с 90,32
Квг - 0,8664
Gc т 12,1
пп об/мин 40
Vсг (кНмЮ_1)2с 2024584
М CK ~ -\jjcc / t рп кНм\ О"1 149,719
Ned =мскхпп/ 0.975 кВт 6142,3
Pnp = (3600 xGcx Кег)/трп т/ч 417,852
Q = Ned/Pnp кВт-ч т 14,7
Производительность стана рассчитывается по следующей формуле „ 3600 х Gr х Квг х Кис
П =-^-, (4)
t рп
где Gc - масса сляба, т; Квг - коэффициент выхода годного; Кис - коэффициент использования стана, принимаем =0,95; ТцП - цикл прокатки, с.
Производительность стана по данному профилю составляет:
^ 3600x12,1x0,847x0,95 _ . .
П =-= 303,5 т/ч,
115,5
Как видно из таблиц 3 и 4, по цеховой технологии расход электроэнергии составляет
кВт ■ ч кВт ■ ч
15,45 -, а по предлагаемой технологии прокатки - 14,7 -. Таким образом расход
т т
электроэнергии снижается на 5 %.
Годовой объем производства штрипсов 18x3130x11600 мм из стали 13Г1СУ составляет 26100 т.
Годовой расход электроэнергии по цеховой технологии составляет:
15,45x26100=403245 кВт-ч
Годовой расход электроэнергии по предлагаемой технологии составит:
14,7x26100=383670 кВт-ч
Экономия электроэнергии за счет внедрения предлагаемой технологии составит:
403245-383670=19575 кВт-ч
Выводы
Рассмотрена возможность и обосновано, с точки зрения формирования структуры и получения механический свойств готового проката, увеличение пропусков в черновой клети толстолистового стана 3600 ОАО «МК «Азовсталь» при производстве листов размерами 18x3130x11600 мм из стали 13Г1СУ по режиму контролируемой прокатки. Количество пропусков в черновой клети увеличино с 14 до 16. Приведены энергосиловые параметры при прокатке листов в черновой клети ТЛЦ 3600. Рассчитано снижение расхода электроэнергии при оптимизации режимов деформации в черновой клети ТЛЦ 3600 которое составляет 19575 кВт-ч . Оптимизация не повлияла на производительность стана 3600, которая составила 303,5 т/ч.
В перспективе необходимо провести исследования для более широкого ряда марок стали и размеров листового проката с целью оптимизации режимов деформации как в черновой, так и в чистовой клетях.
Перечень ссылок
1. Прокатное производство / П.И. Полухин, Н.М. Федосов, A.A. Королев, Ю.М. Матвеев. - М.: Металлургия, 1982. - 696с.
2. Полухин П.И. Физические основы пластической деформации: Учебное пособие для вузов / П.И. Полухин, С.С. Горелик, В.К. Воронцов. - М.: Металлургия, 1982. - 584с.
3. Справочник металлиста / Под ред. B.C. Владиславлева. В 5-ти. Т. - М.: Машиностроение, 1960.-Т. 3. - 1960. -560с.
4. К.Хулка, С.Хайстеркамп (Niobium Products Co.GmbH, Дюссельдорф, ФРГ), Дж.М.Грей (Microalloying Тпрр., Хьюстон, США) // Niobium Technical Report. - NbTR-16/90, август 1990.
5. Выдрин В.Н. Динамика прокатных станов. / В.Н. Выдрин. - Свердловск: Металлургиздат, 1960.-255с.
6. Старченко Д.И. Динамика продольной прокатки: Учебное пособие. / Д.И. Старченко. - К.: ИСИО, 1994. - 400с.
7. API Спецификация 5L. Спецификация на магистральные трубы: 42 издание, введена с 01.07.2000г.
8. Ниобийсодержащие низколегированные стали / Ф. Хайсеркамп, К. Хулка, Ю.И. Матросов и др. - М. Металлург Интернешнел Ресурсиз, 1999. - 90с.
Статья поступила 24.03.2003
