Автоматизированные технологические комплексы металлургического производства

Одним из основных технологических процессов в металлургической промышленности является прокатное производство, связанное с обработкой металла давлением. В этом производстве наиболее широко используются системы автоматизированного электропривода.
Прокатные цехи играют главную роль при завершении технологической обработки металла в металлургической отрасли. В состав прокатного цеха входят: прокатный стан, механизмы для подготовки металла к прокатке, обработки готовой продукции, различные вспомогательные службы.
Прокатный стан — комплекс, состоящий из большого количества механизмов, объединенных одной технологической линией. В прокатном стане имеются главные механизмы — рабочие валки прокатной клети и вспомогательные механизмы, обеспечивающие непрерывность технологического процесса.
Главные механизмы, предназначенные для обработки металла в одной или нескольких клетях прокатного стана, обеспечивают обжатие металла и придают ему требуемое сечение и форму готовой продукции.
Вспомогательные механизмы предназначены для перемещения рабочих валков, транспортирования и резания металла и других операций, обеспечивающих определенную последовательность технологического процесса прокатки.
Прокатные станы классифицируют по назначению, числу и расположению клетей, числу и расположению валков, режиму работы клетей.
По назначению прокатные станы разделяют на обжимные станы для производства полупродукта прямоугольного и квадратного сечения (блюминги, слябинги) и заготовочные станы (сортовые, предназначенные для производства сортового металла, балок, полос и т.д.; балочные, средне- и мелкосортовые, проволочные и штрипсовые; толсто- и тонколистовые горячей прокатки, предназначенные для получения листовой стали; листовые станы холодной прокатки, предназначенные для производства тонкого и сверхтонкого листа с высоким качеством поверхности; трубопрокатные; специальные, предназначенные для прокатки сложных профилей, круглых и коротких тел вращения, профилей с винтовой поверхностью и др.).
По числу рабочих клетей прокатные станы подразделяют на одно- и многоклетьевые.
Одноклетьевые станы могут быть обжимными, реверсивными толстолистовыми станами горячей прокатки и реверсивными станами холодной прокатки, направление прокатки в которых меняется, а также трубными прошивными станами, направление прокатки в которых не меняется. Многоклетьевые станы применяют для прокатки заготовок, сортового и листового металла, труб и т.д.
По расположению рабочих клетей станы подразделяют на последовательные, линейные, непрерывные, полунепрерывные, зигзагообразные и шахматные.
Последовательные станы состоят из нескольких клетей, расположенных последовательно прокатка металла в каждой из клетей происходит отдельно. Каждая клеть имеет двигатель для вращения рабочих валков. Линейные станы состоят из нескольких клетей, валки которых вращаются от одного электродвигателя. Направление прокатки в линейнорасполо-женных клетях меняется. Непрерывные станы состоят из группы клетей, расположенных последовательно, имеющих в своем составе ряд клетей, в которых прокатываемый металл находится одновременно в двух или нескольких клетях и направление прокатки не изменяется.
Зигзагообразные и шахматные станы служат для более компактного расположения клетей в цехе. Длина прокатываемого металла обычно меньше расстояния между клетями.
В табл приведены сводные данные для различных станов по наиболее характерным классификационным признакам прокатного производства.
Кроме основной операции — прокатки металла — на прокатном стане производится ряд вспомогательных операций: перемещение металла в продольном и поперечном направлениях относительно линии стана, подача металла к валкам, кантовка и резание металла, регулировка положения прокатных валков и т.д. Эти операции осуществляются с помощью различных механизмов стана, называющихся вспомогательными.
По назначению вспомогательные механизмы прокатных станов разделяются на ряд групп: транспортные механизмы — механизмы перемещения и изменения положения металла (слитково-зы, рольганги, манипуляторы, кантователи, поворотные и подъемно-качающиеся столы, шлепперы, упоры, толкатели и т.д.); установочные механизмы (нажимные устройства для установки верхнего валка, реже верхнего и нижнего валков одновременно, устройства перевалки валков, перемещения клетей и т.д.); механизмы резания металла (ножницы поперечного и продольного резания, пилы и т.д.); механизмы для сматывания и разматывания металла (моталки, разматыватели).
В зависимости от режима работы различают: вспомогательные механизмы с режимом продолжительной нагрузки S1 (некоторые рольганги, дисковые ножницы, правильные механизмы); механизмы с режимом кратковременной нагрузки S2 (нажимные устройства сортовых и листовых непрерывных станов, механизмы перевалки валков, некоторые толкатели и упоры); механизмы с режимом повторно-кратковременной нагрузки S3 (приемные и рабочие рольганги, манипуляторы, кантователи, нажимные устройства, ножницы обжимных станов и т.д.).
Различают вспомогательные механизмы без регулирования скорости (приемные, подводящие, отводящие и некоторые транспортные рольганги, кантователи, пилы, толкатели, упоры и т.д.) и механизмы с регулированием скорости (слитковозы, рабочие и некоторые транспортные рольганги, нажимные устройства, манипуляторы, кантователи, ножницы и т.д.).
Для привода механизмов, работающих в режиме продолжительной нагрузки, применяют наиболее дешевые и удобные в эксплуатации асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором. Механизмы, работающие в режимах длительной или повторно-кратковременной нагрузки и требующие регулирования скорости, приводятся от АД или двигателей постоянного тока (ДПТ).
Однако в случае, когда производится согласованное регулирование скорости ряда двигателей, например двигателей индивидуального привода роликов транспортного рольганга, применяют короткозамкнутые двигатели с питанием от общего преобразователя частоты. Для механизмов, работающих в режиме повторно-кратковременной нагрузки и не требующих регулирования скорости, выбор типа двигателя определяется числом включений в 1 ч привода механизма. При числе включений не более 150...200 в 1 ч применяются короткозамкнутые АД, при числе включений 500...700 в 1 ч используются АД с фазным ротором, а при числе включений до 1000... 1200 в 1 ч применяют ДПТ.
Непрерывные станы горячей прокатки. Наиболее прогрессивной формой прокатки с точки зрения увеличения производительности стана и получения высокого качества проката является непрерывная прокатка металла, при которой прокатываемая заготовка одновременно находится в двух или более клетях, образуя непрерывную группу клетей (см. рис. 5.12, г). Наличие непрерывной группы, входящей в состав полунепрерывных и непрерывных станов различного назначения и состоящей из большого количества клетей, позволяет вести прокатку в одном направлении, когда в каждой из клетей заготовка обжимается только один раз.
Основными особенностями непрерывного процесса являются одновременное нахождение металла в нескольких клетях и ударное приложение нагрузки, связанное с захватом металла валками на полной рабочей скорости.
Наиболее предпочтительной является свободная прокатка, обеспечивающая наилучшее заполнение калибра металлом и образующая точный требуемый профиль проката. Однако такой вид прокатки неустойчив, и его трудно длительно поддерживать.
Прокатка с натяжением приводит к вытяжке металла, поэтому необходимо иметь по возможности минимальное и постоянное значение натяжения для получения минимальной разницы толщины металла по длине.
Прокатка со сжатием (подпором) характерна для толстых заготовок в заготовочных, крупносортовых станах, черновых группах мелкосортовых станов. При этом режиме прокатки в случае сильного сжатия может произойти поломка валков.
Прокатка с петлей характерна для мелкосортовых и проволочных станов, обеспечивает хорошее заполнение калибров в клетях. При большой длине заготовки петля может оказаться чрезмерно большой, поэтому существуют специальные регуляторы.
Основное условие непрерывной прокатки — поддержание постоянства секундного объема металла — должно соблюдаться как в установившихся, так и в переходных процессах. Переходные процессы связаны с ударным приложением нагрузки, поэтому необходимо предъявлять определенные требования к характеру переходного процесса для соблюдения качественного технологического режима. На рис показаны графики переходного процесса в двух смежных клетях после захвата металла валками. В периоды времени tx...t2 и /3—4 возможно растяжение металла, в периоды h...t$ и t4...t5 — сжатие металла. Очевидно, что в процессе работы необходимо свести эти усилия к минимальным значениям, поэтому переходный процесс должен быть минимален по времени и перерегулированию.
Непрерывные группы клетей входят в состав заготовочных, сортовых, проволочных, листовых станов горячей и холодной прокатки и некоторых других.
Заготовочные станы выполняют непрерывного типа с чередующимися рабочими клетями, горизонтальными и вертикальными валками и индивидуальными главными приводами, разделенными на две непрерывные группы и реже на три группы с общим количеством клетей от 10 до 14. Схема расположения клетей непрерывного заготовочного стана 900/700/500 показана на рис., где 1 — обжимная группа; 2 — черновая группа; 3 — чистовая группа; 4 — вертикальные валки; 5 — горизонтальные валки.
В черновой группе диаметр валков 700... 850 мм, а в чистовой — 500... 600 мм. Выходная скорость — до 7 м/с с прокаткой в режиме натяжения. Диапазон регулирования скорости D= 3 : 1.
Широкополосные станы горячей прокатки выполняют из двух групп: черновой — 4 или 5 клетей, расположенных последовательно, и чистовой — 6 или 7 клетей в непрерывном исполнении. Широкополосные станы имеют длину бочки валка 1000... 2500 мм, диаметр рабочих валков чистовой группы 500... 600 мм при скорости прокатки на выходе из последней клети 10...20 м/с и диапазоне регулирования скорости D = 2 : 1.
Из-за отсутствия калибра в листовых станах для обеспечения устойчивости полосы в валках необходимо вести прокатку с натяжением. Для фиксации уровня натяжения между клетями устанавливают петлерегуляторы, создающие силовую петлю в металле. По уровню отклонения петлерегулятора фиксируется натяжение.
Сортовые станы непрерывного действия можно подразделить на крупно-, средне- и мелкосортовые.
Крупносортовые станы строят в основном полунепрерывного типа (рис. 5.16). Рабочие клети выполняют с горизонтальными и вертикальными валками, расположенными в несколько линий. Скорость прокатки — до 10 м/с, диаметр рабочих валков 600... 900 мм, диапазон регулирования обычно D = 2:1.
Средне- и мелкосортовые станы непрерывного действия могут выполняться в одну и в несколько нитей, т. е. когда в одной клети одновременно может находиться несколько заготовок. Эти станы состоят из 8...27 рабочих клетей с горизонтальными и вертикальными валками. Выходная скорость прокатки 15...35 м/с, диапазон регулирования D = 6:1.
Проволочные непрерывные станы выполняют с четырехниточ-ной прокаткой в черновой группе клетей и с двухниточной прокаткой в чистовых клетях (рис. 5.18, где 1 — черновая группа; 2 — первая промежуточная группа; 3 — вторая промежуточная группа; 4 — чистовая группа). Между группами клетей обычно устанавливают петлевые ямы с петлерегуляторами. Количество клетей в этих станах составляет до 40. Выходная скорость прокатки 25...40 м/с, требуемый диапазон скоростей D = 4: 1.
Электропривод непрерывных станов должен удовлетворять требованиям отработки ударного приложения нагрузки в процессе захвата металла и ведения прокатки с соблюдением постоянства секундного объема металла, обеспечения требуемого диапазона, раздельного и совместного управления клетями непрерывной группы.
Статические характеристики должны обеспечивать изменение скорости при действии нагрузки от 2 до 0,1 %. Меньшие значения относятся к более быстроходным станам. Динамическое изменение скорости не должно превышать 0,5... 3 %. Диапазон регулирования в зависимости от типа стана (2:1).„(6:1).
На широкополосном стане горячей прокатки осуществляется прокатка листовой стали толщиной 1,5... 10 мм, шириной до 2000 мм при скоростях 15...20 м/с на выходе из чистовой группы.
Непрерывные станы холодной прокатки. Прокатка тонкой стальной полосы толщиной менее 1 мм возможна только при холодной обработке металла, поскольку тонкая лента в горячем состоянии обладает малой прочностью, а кроме того, окалина, образующаяся в процессе нагревания металла в печах, соизмерима по толщине с полосой, что не позволяет вести устойчивую прокатку с получением высокого качества поверхности и структуры металла.
Станы холодной прокатки подразделяются на непрерывные (многоклетьевые) и реверсивные (одноклетьевые). Кроме клетей, где происходит обжатие металла, в состав стана входят разматыватель 1 и моталка 2, которые обеспечивают смотку и намотку металла с постоянным натяжением.
Непрерывные станы изготовляют трех-, четырех- и пятиклеть-евыми. Трех- и четырехклетьевые станы обычно предназначены для прокатки твердых сталей (трансформаторных, автомобильных и др.), а пятиклетьевые — для прокатки мягких сталей (жести, кровельного железа и др.). Клети непрерывных станов выполняют четырехвалковыми. Они предназначены для получения полосы толщиной 0,25...0,2 мм со скоростями прокатки 20...45 м/с.
Реверсивные станы предназначены для прокатки небольших партий листов, скорость прокатки у которых составляет до 15 м/с. Реверсивные станы широко распространены для прокатки тонких и сверхтонких полос толщиной от 0,2 мм до 1... 2 мкм с высокой степенью точности по толщине. Для получения точной прокатки тонких полос необходимо снижать диаметр рабочего валка, так как требуется соблюдать условие Dp = (1000...2000)/?, где Dp — диаметр рабочего валка; h — толщина полосы.
В связи с этим для прокатки тонких и сверхтонких полос нужен очень малый диаметр рабочего валка при большой длине. Это приводит к снижению жесткости валка. Следовательно, даже при наличии двух опорных валков очень трудно обеспечить высококачественную прокатку металла. По этой причине станы холодной прокатки, предназначенные для прокатки тонких полос, выполняют 6-, 12- и 20-валковыми. При прокатке полос в клетях, имеющих диаметр рабочего валка меньше 350...400 мм, в качестве приводных валков используют опорные валки, что упрощает конструкцию прокатной клети.
При рассмотрении процесса прокатки следует выделить из всего комплекса оборудования прокатного стана намоточные и разматывающие устройства, расположенные на входной и выходной сторонах стана. Их основное назначение — стабилизация натяжения полосы при смотке и намотке в рулон. От натяжения зависят толщина и качество поверхности прокатываемой полосы, качество намотки и количество обрывов. Обычно натяжение достигает 70 % предела текучести прокатываемого металла, что требует создания электроприводов намоточных устройств, имеющих мощность двигателя до 70...80 % мощности главного привода клети.
Технологический режим на станах холодной прокатки состоит из следующих основных этапов: заправка полосы с разматывателя в рабочую клеть (или клети для непрерывных станов) и моталку; установление заданного натяжения металла; одновременный разгон двигателей клетей, разматывателя и моталки; работа на установившейся скорости прокатываемой полосы; торможение двигателей. В процессе работы качество прокатываемой полосы во многом определяется постоянством натяжения металла, поэтому в процессе работы целесообразно снижать время переходных процессов двигателя рабочей клети и обеспечивать такой принцип управления скоростью моталки, чтобы в период намотки (или размотки) скорость двигателя намоточных устройств изменялась в зависимости от радиусов рулонов.