Андрей Ростиславович Фастыковский, д.т.н., профессор кафедры «Обработка металлов давлением и металловедение. ЕВРАЗ ЗСМК»
Россия, 654007, Кемеровская область – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
Andrei R. Fastykovskii, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair “Metal Forming and Metal Science. OJSC “EVRAZ ZSMK”
42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation
Максим Ильич Глухов, аспирант кафедры «Обработка металлов давлением и металловедение. ЕВРАЗ ЗСМК»
Россия, 654007, Кемеровская область – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
Maksim I. Glukhov, Postgraduate of the Chair “Metal Forming and Metal Science. OJSC “EVRAZ ZSMK”
42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation
Владимир Анатольевич Вахроломеев, аспирант кафедры «Обработка металлов давлением и металловедение. ЕВРАЗ ЗСМК»
Россия, 654007, Кемеровская область – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
Vladimir A. Vakhrolomeev, Postgraduate of the Chair “Metal Forming and Metal Science. OJSC “EVRAZ ZSMK”
42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation
Металлургическое производство является высокоэнергоемким процессом, поэтому поиск решений по снижению энергозатрат остается актуальной задачей для всех переделов. В этом плане производство готовой прокатной продукции рассматривается как наиболее перспективное направление для реализации энергосберегающих технологий. Возможны два пути снижения энергозатрат при горячей прокатке сортовых профилей: экономия энергии на нагрев и улучшение использования основного оборудования для снижения промежуточных затрат энергии. Ввиду разности силовых условий в момент захвата и на установившейся стадии процесса прокатки возникает резерв втягивающих сил трения, который можно использовать для дополнительного формоизменения в неприводных устройствах и тем самым повысить эффективность основного оборудования и снизить общие энергозатраты. Для практической реализации предложенной концепции была получена зависимость, позволяющая оценить потенциал мощности, который не используется на установившейся стадии процесса прокатки. С применением полученной зависимости было установлено, что при прокатке в гладких валках потенциал сил трения используется только на 50 – 60 %, а при прокатке в калибрах – на 35 – 40 %. Экспериментально установлено, что при прокатке фасонных профилей в пропусках с коэффициентом вытяжки менее 1,10 – 1,15 более 50 % энергии затрачивается на холостой ход. Однако заменив в этих пропусках приводные клети на неприводные кассеты (в непрерывных группах), можно повысить коэффициент полезного действия рядом стоящих клетей на 4 – 5 % и снизить энергозатраты.
Metallurgical production is a highly energy-intensive process, and the search for solutions to reduce energy costs remains an urgent task for all stages. In this regard, the production of finished rolled products is considered as the most promising direction for the implementation of energy-saving technologies. There are two ways to reduce energy costs in hot rolling of section bars: saving energy for heating and improving the use of the main equipment to reduce intermediate energy costs. Due to the difference in silt conditions at the moment of capture and at the steady stage of the rolling process, a reserve of retracting friction forces arises, which can be used for additional shaping in non-drive devices and thereby increase the efficiency of the main equipment and reduce overall energy costs. For the practical implementation of the proposed concept, dependence was obtained that makes it possible to estimate the power potential that is not used at the steady stage of the rolling process. Using the obtained dependence, it was found that when rolling in smooth rolls, the potential of friction forces is used only by 50 – 60 %, and when rolling in calibers, by 35 – 40 %. It was experimentally established that during the rolling of shaped sections in passes with an elongation ratio of less than 1.10 – 1.15, more than 50 % of the energy is spent on idling. However, by replacing drive stands in these passes with non-drive cassettes (in continuous groups), it is possible to increase the efficiency of adjacent stands by 4 – 5 % and reduce energy costs.
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 [
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 (μз ) и на установившейся стадии процесса (μу ) при горячей прокатке μз /μу ≈ 1,2 ÷ 1,4 [
∆N = Nу – Nд ,
где Nу – мощность, которую могут обеспечить силы трения на установившейся стадии процесса горячей прокатки; Nд – 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
Nу = 2pср μу bср ld v,
где рср – среднее нормальное давление; bср – средняя ширина полосы; ld – длина дуги захвата; v – скорость прокатки.
Для определения мощности, необходимой при деформировании, воспользуемся известной формулой С. Финка [
\[\Delta h \approx {h_{{\rm{ср}}}}\ln \left( {\frac{{{h_0}}}{{{h_1}}}} \right),\]
где ∆h – абсолютное обжатие; hср – 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 μз /μу получим:
∆N = pср bср v (1,54μз ld – ∆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.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.