Оценка возможностей и разработка мероприятий по освоению на ТЛС5000 ОАО «ММК» новых позиций проката для сварных труб из перспективных стале

 

t = t0 + Δtдеф – Δtгид – Δtвалк - Δtконв - Δtизл,

(3.36)

 

Необходимая для достижения указанной температуры конца контролируемой прокатки температура начала второй стадии (940-960°С) обеспечивается заданием продолжительности междеформационной паузы (~100 с).

Рассчитаем повышение температуры  за счет энергии деформации в первом проходе:

 ^оС.

Падение температуры при воздействии  гидросбива:

 ^о С.

Падение температуры вследствие теплопередачи  рабочим валкам:

 ^оС.

Падение температуры вследствие теплопотерь  конвекцией:

 ^оС.

Падение температуры вследствие теплопотерь  излучения:

 ^оС.

Итоговое значение температуры, исходя из теплового баланса, будет равно:

 ^оС.

Расчет температурного режима представлен  в таблице 3.8.

На основании таблицы 3.8 можно построить график распределения температуры металла по проходам (рисунок 3.8).

 

Рисунок 3.8 - Изменение температуры раската по проходам

 

   

7. Расчет усилия прокатки

Усилие прокатки рассчитывается по формуле:

Р =1,15·nσ·σs·b·lx,

(3.37)

где n_σ - коэффициент напряженного состояния;

σ_s - сопротивление деформации;

b - ширина раската;

l_x = , мм- длина очага деформации.

 

Толстолистовой стан 5000 ОАО «ММК»  является своего рода уникальным объектом, т.к. это единственный на сегодняшний момент в мире стан, способный обеспечить усилие прокатки 120 МН или 12000 т и максимальное пиковое усилие 140 МН.

Для расчета коэффициента напряженного состояния приняты следующие  зависимости:

nσ = m-0,4 при m<0,5

(3.38)

 

nσ = 0,5·(m+1/m) при 0,5 ≤ m ≤ 2

(3.39)

 

nσ = 0,75 + 0,25 m при m>2

(3.40)

где m - фактор высоты очага деформации

 

m =2·lx/(h0+h1)

(3.41)

 

Для определения истинного сопротивления  деформации используется методика Л.В. Андреюка:

,

(3.42)

где σ₀ = 81,41МПа,       а= 0,121,     b= 0,229,      c = -3,864,

ξ - степень деформации;

ε - относительное обжатие;

u - скорость деформации.

 

,

(3.43)

 

,

(3.44)

 

(3.45)

 

Рассчитаем усилие прокатки для первого прохода.

Определим длину очага деформации:

 мм.

Фактор высоты очага деформации будет равен:

.

Так как  , то коэффициент напряженного состояния равен:

.

Степень деформации в первом проходе  равна:

.

Исходя из этого, скорость деформации равна:

1/с.

Определим истинное сопротивление  деформации:

 МПа.

Тогда усилие прокатки в первом проходе равно:

 МН.

Результаты расчета усилия прокатки представлены в таблице 3.8 и на графике, представленном на рисунке 3.9.

 

Рисунок 3.9 - Распределение усилия прокатки по проходам

 

8. Расчет крутящего момента при прокатке

Крутящий момент обусловлен сопротивлению вращения рабочего валка в результате взаимодействия его с деформируемым металлом (М_деф) и опорами (М_тр), потерями на трение в передаточном механизме, на преодоление сопротивления в приводе вращения валков без металла (М_xx) и динамическим моментом (М_дин), который возникает при ускорении и торможении привода:

 

, МН·м

(3.46)

где η=0,85 - коэффициент полезного действия, которым учитываются потери на трение в передаточном механизме;

= 1 - передаточное число между  валками и двигателем.

 

Так как на данный период нет необходимых достоверных данных для расчета момента холостого хода и динамического момента (махового момента якоря двигателя, общего махового момента элементов, вращаемых двигателем, номинального момента двигателя), то для дальнейшего проведения расчета на их долю возможно отвести ориентировочно 5% крутящего момента.

Тогда формула для расчета крутящего  момента примет вид:

 

, МН·м

(3.47)

 

Момент деформации:

 

, МН·м

(3.48)

где ψ - коэффициент плеча приложения равнодействующей

где m - фактор высоты очага деформации, рассчитывается по формуле (3.41)

 

,

(3.49)

 

Момент трения в опорах валков:

, МН·м

(3.50)

где

= 0,003 - коэффициент трения в подшипниках жидкостного трения;

= 0,75м -диаметр цапф.

 

Для расчета момента деформации определим коэффициент плеча  приложения равнодействующей

.

Тогда момент деформации равен

 МН.

Момент трения в опорах валков равен

 МН.

Следовательно, крутящий момент равен:

 МН.

 

Результаты расчета крутящего  момента при прокатке представлены в таблице 3.9 и на рисунке 3.10.

 

Рисунок 3.10 - Распределение крутящего момента при прокатке по проходам

 

9. Расчет расходного коэффициента металла при прокатке и производительности стана

Расходный коэффициент металла  представляет собой отношение массы исходной заготовки (сляба) к массе годного металла Gг.С учетом основных статей расхода металла при его обработке на ТЛС:

,

(3.51)

где k_ок = 1,011...1,032 - коэффициент расхода металла в окалину;

k_то = 1,05...1,10 - коэффициент расхода металла на торцевую (концевую) обрезь;

k_бо = 1,05...1,10 - коэффициент расхода металла на боковую обрезь;

k_пр = 1,001... 1,020 - коэффициент расхода металла на пробы для испытаний свойств металла.

 

Расходный коэффициент металла  при прокатке на ТЛС можно также представить в следующем виде:

,

(3.52)

где  ΔG_ок - расход металла в угар;

ΔG_то - расход металла на торцевую обрезь;

ΔG_бо - расход металла на боковую обрезь;

ΔG_пр - расход металла на отбор проб.

 

(3.53)

 

(3.54)

 

(3.55)

 

(3.56)

Принимаем для расчета расход металла следующие значения:

=800мм -торцевая обрезь;

=100мм - боковая обрезь;

= 250мм - обрезь для проб;

k_ок = 1,023 - коэффициент расхода металла в окалину

ρ = 7,85 т/м³- удельная масса конечного раската.

Тогда

ΔG_ок =(1,023-1)∙18,28=0,42

ΔG_то = 0,8∙0,02∙(4,609-0,1)∙7,85=0,546

ΔG_бо =0,1∙0,02∙24∙7,85=0,38

ΔG_пр =0,25∙0,02(4,609-0,1)∙7,85=0,18

 

Производительность стана можно определить из формулы:

, т/ч

(3.57)

где   =0,75- коэффициент использования стана;

k_p - расходный коэффициент;

τ – ритм прокатки.

(3.58)

 

Рассчитаем производительность стана, для этого определяем ритм прокатки:

τ=78+322=400 с

тогда производительность стана составит

 т/ч.

10. Разработка режима охлаждения

Неотъемлемой частью контролируемой прокатки является процесс последующего охлаждения металла. Под разработкой режима понимается в данном случае построение физической модели установки ускоренного охлаждения с целью определения скорости и температурного интервала охлаждения.

Желаемым результатом процесса охлаждения для стали категории прочности Х100 с указанным химическим составом является бейнитная структура. При этом достигается требуемый уровень свойств по прочности и ударной вязкости.

На термокинетической диаграмме (рисунок 3.11), построенной для трубной стали с близким химическим составом, видно, что для достижения указанного структурного состояния необходимо обеспечить охлаждение поверхности листа со скоростью около 10 °С/с (см. также рисунок 3.12).

 

 

Рисунок 3.11 - Термокинетическая диаграмма стали с приблизительным химическим составом

 

Рисунок 3.12 - Структурные состояния металла, формирующиеся при использовании различных скоростей охлаждения

11. Модель охлаждения

Охлаждение полос струями воды относится к типу конвективного теплообмена. Перенос тепла осуществляется одновременным действием теплопроводности и вынужденной конвекции. Для расчета температуры полосы в результате конвективного теплообмена с охлаждающей водой рекомендуют применять формулу, полученную из закона Ньютона-Рихмана. Но вследствие особенностей водяного охлаждения толстых листов, приводящих к неравномерности распределения температуры по толщине полосы, формула приобретает вид [42]

 

(3.59)

где - температура начала охлаждения, ^оС; - температура конца охлаждения, ^оС; - температура охлаждающей воды, ^оС; - продолжительность охлаждения, с; - толщина полосы, м; - удельная теплоемкость металла, Дж/(кг К); -  удельная масса металла, кг/м³; - коэффициент массивности тела; - коэффициент несимметричности условий охлаждения; - коэффициент теплоотдачи воде, Вт/(мК).

 

Коэффициент массивности (здесь - критерий Био) показывает, во сколько раз продолжительность изменения температуры массивного тела больше продолжительности изменения температуры термически-тонкого тела. Применение этого коэффициента позволяет использовать простые решения, полученные для термически-тонких тел, в расчетах нагрева или охлаждения термически-толстых тел [42]. Для пластины ( ):

 

(3.60)

где -  коэффициент теплопроводности металла, Вт/(м К).

 

Коэффициент симметричности условий  охлаждения. При симметричных условиях охлаждения =2. При одностороннем охлаждении =1 [42]. Предлагается:

(3.61)

где и - верхний и нижний расход воды на душирующей секции.

 

Коэффициент теплоотдачи является сложной функцией от температуры  поверхности и динамического напора водяной струи. В большинстве случаев при расчетах коэффициент теплоотдачи принимают исходя из опытных данных, что невозможно на начальных стадиях моделирования режима охлаждения.

Предлагается использовать обобщенное значение коэффициента теплопередачи вследствие охлаждения металла водой

 

(3.62)

 

где - коэффициент теплопередачи теплопроводностью, Вт/(м²К); - коэффициент теплопередачи конвекцией пара, Вт/(м²К); -коэффициент теплопередачи при парообразовании воды, Вт/(м²К).

Материал при охлаждении все  время находится в контакте с  металлическими, проводящими тепло, элементами конструкций, такими как: ролики рольганга, прижимные ролики закалочной установки, плиты и тому подобное. Для отыскания коэффициента теплопередачи теплопроводностью используем уравнение [43]

 

(3.63)

 

где - коэффициент теплопроводностью в данном температурном интервале, Вт/(м²К).

Коэффициент конвективной теплоотдачи  определяем из критериальных зависимостей отдельно для свободной (естественной) и вынужденной конвекцией. При свободной конвекции воздуха у поверхности нагретого тела коэффициент конвективной теплоотдачи определяется по формуле [43]