Резервы снижения энергопотребления при прокатке сортовых профилей на современных прокатных станах

Металлургическое производство является одной из наиболее энергоемких отраслей, которая потребляет до 90 % коксующегося угля, 50 % вырабатываемой электрической энергии и 25 % природного газа. Это приводит к высоким энергозатратам на производство продукции [1]. Прокатное производство, являющееся заключительным этапом металлургического передела, требует большого количества топлива для нагрева заготовки перед прокаткой (1,30 – 1,65 ГДж/т) и в самом процессе прокатки (0,45 – 1,20 ГДж/т) [2]. Приведенные выше показатели убедительно доказывают актуальность работ, направленных на снижение энергозатрат при производстве прокатной продукции.

Основным резервом снижения энергозатрат при производстве сортовых профилей на современных непрерывных станах является более полное использование возможностей сил трения в очаге деформации прокатной клети [3 – 5]. Это позволит повысить коэффициент полезного действия основного прокатного оборудования. Для осуществления подхода можно использовать дополнительные неприводные устройства, которые располагаются в непосредственной близости с приводными клетями для деформирования или продольного разделения полосы [6 – 9].

Как известно, процесс прокатки реализуется благодаря использованию сил трения на контакте металла с валками. Чем больше потенциала этих сил трения используется при формоизменении, тем выше коэффициент полезного действия процесса и более эффективно используется затрачиваемая энергия. Однако разные силовые условия в момент захвата металла валками и на установившейся стадии процесса прокатки создают условия к неполному использованию возможностей сил трения в очаге деформации. Для решения этой проблемы можно применять непрерывные устройства (включая валки, делительные устройства), которые обеспечивают дополнительную работу.

Для оценки неиспользуемого потенциала сил трения на установившейся стадии процесса прокатки величину неиспользованной мощности (∆N) с учетом разности коэффициентов трения при захвате (μ_з) и на установившейся стадии процесса (μ_у) при горячей прокатке μ_з/μ_у ≈ 1,2 ÷ 1,4 [10] можно определить по формуле

∆N = N_у – N_д ,

где N_у – мощность, которую могут обеспечить силы трения на установившейся стадии процесса горячей прокатки; N_д – мощность, необходимая для деформирования в приводной клети.

Максимальная мощность, обеспеченная силами трения на установившейся стадии процесса горячей прокатки (протяженность зоны опережения равна нулю), можно найти по формуле

N_у = 2p_срμ_уb_срl_dv,

где р_ср – среднее нормальное давление; b_ср – средняя ширина полосы; l_d – длина дуги захвата; v – скорость прокатки.

Для определения мощности, необходимой при деформировании, воспользуемся известной формулой С. Финка [11] при замене

\[\Delta h \approx {h_{{\rm{ср}}}}\ln \left( {\frac{{{h_0}}}{{{h_1}}}} \right),\]

где ∆h – абсолютное обжатие; h_ср – средняя высота полосы; h₀ и h₁ – высота полосы до и после прокатки в приводной клети.

Сделанное допущение вносит ошибку 1 – 3 % при степени деформации до 60 %. После соответствующих преобразований с учетом отношения μ_з/μ_у получим:

∆N = p_срb_срv(1,54μ_зl_d – ∆h).

Полученная величина ∆N позволяет оценить неиспользованный потенциал сил трения в зоне деформации при горячей прокатке. По расчетам было выявлено, что из-за разницы силовых условий в момент захвата и на установившейся стадии процесса прокатки прямоугольной полосы в гладких валках максимально используется только 50 – 60 % потенциала сил трения при максимальных обжатиях и 35 – 40 % в калибрах. Это значительно снижает эффективность процесса прокатки и повышает его энергоемкость, поэтому целесообразно использовать неприводные устройства для деформирования и продольного разделения.

Для повышения эффективности прокатки фасонных профилей можно использовать потенциал сил трения более полно, заменив приводные клети неприводными в тех пропусках, где коэффициент вытяжки меньше 1,10 – 1,15. На рис. 1, а приведена диаграмма записи тока главного двигателя во второй клети среднесортного стана при пропуске при получении уголка № 9, коэффициент вытяжки составлял 1,03. Распределение мощности для этого случая представлено на рис. 1, б. Большая часть мощности используется на холостой ход (67,9 %), и только небольшая доля (32,1 %) – на формирование продукта. Для улучшения положения можно использовать неприводную клеть – кассету вместо приводной для данного пропуска и перераспределить мощность для деформации продукта по расположенным рядом клетям из одной группы без остановок. Такой подход поможет снизить энергозатраты за счет уменьшения мощности холостого хода и повысить коэффициент полезного действия стоящих рядом клетей (рис. 2).

Сортамент рассматриваемого среднесортного стана на 83 % состоит из фасонных профилей (уголок, балка, швеллер), где имеют место пропуски с коэффициентом вытяжки меньше 1,10 – 1,15. Использование неприводных клетей в этих пропусках при объеме выпуска готовой продукции в 1,4 млн т ежегодно позволит экономить до 0,75 кВт·ч/т и получать в денежном выражении 4,8 млн рублей в год. Металлоемкость, стоимость, амортизационные отчисления, эксплуатационные расходы при использовании неприводных клетей – кассет существенно ниже, чем у классических прокатных клетей, что дает дополнительный эффект в 15 млн рублей в год. С учетом изготовления нового оборудования срок окупаемости составит 0,8 года.

Выводы

На установившейся стадии процесса горячей прокатки появляется резерв неиспользованных сил трения в очаге деформации, связанный с разными силовыми условиями захвата и на стадии установившегося процесса. Это может привести к нерациональному использованию энергии.

Для более эффективного использования сил трения в зоне деформации на установившейся стадии процесса прокатки предлагается использовать неприводные устройства, расположенные рядом с приводной клетью, для дополнительного деформирования и продольного разделения. Исследования показали, что при коэффициенте вытяжки менее 1,10 – 1,15 целесообразно заменять приводные клети на неприводные. Это позволит снизить энергозатраты и эксплуатационные расходы оборудования и повысить КПД основного оборудования.