Снижение энергозатрат толстолистовых станов (стр. 4 из 7)
Очевидно, что для прокатки металла с существенно уменьшенной температурой необходимо уменьшать обжатия, следовательно, увеличивать количество проходов. Это приведет к большему приходу тепла от работы пластической деформации. При этом, конечно, будет увеличиваться и время охлаждения, следовательно, потери тепла металлом. Результат будет зависеть от того, который из этих процессов будет преобладать. Поскольку процесс прокатки зависит от очень многих факторов, то характер изменения составных теплового баланса можно установить только математическим моделированиям.
Установлено, что потери тепла излучением при НТП уменьшаются до 70%, и это следствие того, что потери, соответственно закону Стефана-Больцмана, зависят от 4й степени абсолютной температуры. Потери тепла теплопроводностью валкам линейно зависят от перепада температур и по этому уменьшаются при снижении температуры метала в меньшей степени. Приход энергии от диссипации энергии пластической деформации, если прокатка ведется в одинаковых энергосиловых условиях, зависит только от числа проходов. Уменьшение температуры раската влечет уменьшение обжатий, а в следствии увеличение числа проходов. Обычно в черновой клети ТЛС совершается 5-7 проходов, а в чистовой 9-11. Увеличение числа проходов до 9-15 целиком допустимо. Т.о. приход тепла только за счет тепла деформации может увеличится в 1.5 раза.
„Сухая" прокатка заключается в исключении попадания воды из систем охлаждения валков на прокат благодаря установлению замкнутых систем охлаждения. Ее эффективность в первую очередь зависит от тщательности изоляции раскатов от охлаждающей жидкости, потому как вода забирает наибольшее количество тепла при контакте с поверхностью. Поэтому при разработке замкнутых систем охлаждения важнейшим моментом является создание надежных уплотнений между валками и неподвижными деталями системы. Эта проблема решена в патенте 35811 Україна, А, B21B27/10.
Моделирование процессов НТП и „сухой" прокатки было выполнено с помощью разработанной на кафедре ОМД и М ДонГТУ программы, в основу которой положена математическая модель теплового баланса раскатов листовых станов.
Моделировался процесс прокатки на трех ТЛС - 2250 ОАО АМК с минимальными енергосиловими возможностями, 3600 „Азовсталь" с максимальными и на типичном отечественном стане 2800 ОАО АМК (до реконструкции), энергосиловые возможности которого можно считать средними. На рис. 1 показано изменение температуры при прокатке листа 16х1700х6000 из сляба 280х1250х1690 на стане 2800 при обычной технологии с температурой начала прокатки tнп=1180оС и при низкотемпературной при tнп=850оС
Рисунок 1 – Изменение температур по проходам. 1 – обычная технология; 2 – НТП;
На рис.2 показано изменение температуры при прокатке листа 8х1700х6000мм из сляба 180х1050х1540мм на стане 2800 при НТП (1) с температурой начала прокатки tнп=1140оС и НТП совместно с "сухой" прокаткой (2) при tнп=850оС
Рисунок 2 – Изменение температур по проходам в чистовой клети при комбинированной технологии. 1 – НТП; 2 – НТП и "сухая" прокатка;
В результате исследования пришли к таким выводам:
1. При увеличении числа проходов и прокатке с усилием и моментами, которые не превышают допустимых, ведение НТП на ТЛС полностью возможно, поскольку температура конца прокатки tкпне будет ниже допустимой.
2. Допустимая минимальная температура начала прокатки tнпв первую очередь зависит от допустимой температуры конца прокатки tкп. При уменьшении с 860°С до 770°С при прочих равных условиях tнп уменьшается с 1080°С до 900°С, то есть в два раза больше, чем уменьшилась tкп. Поэтому НТП следует вести из как можно меньшей tкп. Ограничением здесь есть попадание в зону перекристаллизации, где повышается вероятность хрупкого разрушения при деформации.
3. Увеличение ширины листов приводит к уменьшению tнп: при изменении ширины с 1700мм до 2599ммtнпснизилась до 1025°С, то есть на 125°С. Это обусловлено ростом усилий и моментов прокатки при увеличении ширины штабы. Увеличение усилий и моментов приводит к увеличению числа проходов, следовательно, к росту длительности охлаждения, поскольку удельный приход тепла от диссипации энергии пластической деформации остается на прежнем уровне.
4. НТП тонких листов связана со значительными трудностями связанных с быстрым охлаждением тонкой полосы в чистовой клети. Для обеспечения минимально допустимой tкпв этом случае придется поднимать tнп до1140°С, то есть это уже фактически не НТП. Если tнпснизить до 900°С, то за 17 проходов в черновой клети стана 2800 и 10 - в чистовой лист 8x1700x6000 мм из стали 65Г будет иметь 639°С, что не реально.
5. Эффективность НТП, особенно при прокатке тонких листов, можно повысить за счет "сухой" прокатки в чистовой клети. В этом случае tнпснижается существенно - до 850°С, то есть на 350-400°С по сравнению с обычной, высокотемпературной прокаткой.
6. При значительном снижении tнпв черновой клети прокатка толстых раскатов является практически изотермической, поскольку выделение тепла при пластической деформации полностью компенсирует его потери при охлаждении. При определенных условиях температура металла в черновой клети даже повышается по сравнению с начальной на ~50°С. А поскольку в чистовой она падает к tнп, то такую прокатку целесообразно называть квазиизотермической.
7. НТП самых тонких (5 мм) и широких (3200 мм)листов невозможна, поскольку минимальная tнп, что обеспечивает допустимую tкп, составляет 1200°С. Для снижения tнпследует применять одновременно НТП и "сухую" прокатку в чистовой клети. В этом варианте tнпможно снизить до 950°С.
8. Применение НТП на ТЛС с незначительными енергосиловими возможностями (типа стана 2250) малоэффективное, поскольку придется увеличивать число проходов (с соответствующим падением производительности стана) к явно неприемлемому уровню - в черновой клети до 21, а в чистовой - до 17. При умеренном числе проходов снижения температуры начала прокатки незначительное – близко 50°С.
9. НТП на более могучем ТЛС 3600 обещает быть существенно эффективнее, чем на стане 2800. При прочих равных условиях tнпснижается сравнительно с tнпна стане 2800 на 185°С и составляет 840°С.
10. Проведенное исследование позволяет утверждать, что для НТП толстых листов целесообразно использовать станы с клетями, которые имеют большие допустимые усилия прокатки и мощные двигатели, поскольку это позволяет в большей степени снижать температуру начала прокатки.
11. Увеличение затраты электроэнергии, обусловленное увеличением количества проходов, на мощных станах незначительное. Учитывая низкий КПД нагревательных печей сравнительно с КПД электропривода, можно утверждать, что увеличение затраты электроэнергии намного будет перекрываться экономией газа на нагревание металла.
Все вышеуказанное позволяет рекомендовать НТП и "сухую" прокатку как эффективные способы уменьшения затрат газа при производстве толстых листов на реверсивных станах. НТП – высокоэффективный и доступный способ. Для его внедрения не нужны значительные изменения в оборудовании и возможно при минимальных капитальных затратах. Однако НТП для толстых листов можно использовать только со станами, которые имеют высокие допустимые усилия, моменты прокатки и имеют мощные двигатели.
На станах со слабыми энергосиловыми характеристиками НТП ведет к значительному снижению производительности. НТП позволяет экономить металл за счет угара и улучшает его механические свойства.
Использование электромагнитного поля
Взаимодействие деформируемого металла с электрическим током и с ускоренными электронами еще мало изучено. В последнее десятилетие установлено наличие резкого снижения сопротивления металла деформированию и повышение его пластичности под влиянием электрического тока большой плотности (порядка 105 А/см2) или под влиянием интенсивного электронного облучения. Явление это было условно названо электропластическим эффектом. Некоторые исследователи называют его электронно-пластическим эффектом, подчеркивая этим независимость обнаруженного явления от способа энергетического воздействия на деформируемый металл - электронного или электрического.
Импульсы тока или облучения имеют длительность 10-5 — 10-4 с, что на несколько порядков меньше длительности стимулированных ими скачков деформации в кристаллах. Поэтому указанное воздействие является, по существу, толчками в электронной и фононной подсистемах кристаллов, вызывающими преодоление отдельными дислокациями и группами препятствий, размножение и взаимодействие дислокаций, т.е. интенсифицирует пластическую деформацию металла.
Стимулирование пластической деформации металлических кристаллов короткими импульсами открывает новые возможности в области исследования скачкообразной деформации и упрочнения кристаллов. Подобный метод воздействия повышает однородность деформации кристаллов, позволяет управлять процессами зарождения и развития дислокационной структуры, расширяет область пластической деформации перед хрупким разрушением.
Использование тока высокой плотности в зоне деформации технически важных материалов позволяет интенсифицировать процесс обработки их давлением, что особенно важно для тугоплавких и труднодеформируемых металлов и сплавов. Сокращается число технологических переходов, расход дорогостоящего обрабатывающего инструмента и улучшаются физико-механические свойства материала после обработки.