2. Применение рабочих клетей новой конструкции и другого оборудования

Первым этапом работ стало создание более мощных клетей с повышенным сечением стоек станин, увеличением диаметра валков и других деталей клетей. Всё это обусловило повышение модуля жесткости клети и снижение низкочастотной составляющей продольной разнотолщинности, но сопровождалось увеличением высокочастотной составляющей продольной разнотолщинности.

В начале 80-х годов прошлого века впервые в мире в Японии для горячей прокатки полос начали использовать шестивалковые клети специальной конструкции, имеющие возможность осевого смещения на первом этапе рабочих, а на втором этапе и промежуточных валков (рис.75).

Рис.75. Схема расположения валков шестивалковой клети

При смещении рабочих или промежуточных валков относи­тель­но промежуточных или опорных валков возникает изменение изгибной жесткости валкового узла вдоль длины бочки валков, но главным образом на краевых участках бочки за пределами ширины полосы.

Осевое перемещение промежуточных валков может доходить до 750 мм, а рабочих до 100 мм. Рабочие валки имеют меньший диаметр (685-585 мм), чем рабочие валки клетей кварто, диаметр промежуточных валков несколько меньше рабочих (675-585 мм) при диаметре опорных валков 1340-1200 мм.

При смещении промежуточных валков один из их краев должен соответствовать краю прокатываемой полосы.

Шестивалковые клети с осевым смещением валков по сравнению с традиционными четырехвалковыми клетями обеспечивают повышение эффективности регулирования поперечного профиля и плоскостности полос, менее строгие ограничения на последовательность полос различной ширины (беспрограммная прокатка), способствуют снижению силы прокатки за счет меньшего диаметра рабочих валков. Кроме того, при смещении рабочих валков их износ как бы размазывается по бочке большей длины и предупреждается образование локальных утолщений поперечного профиля полос.

Недостатки шестивалковых клетей

1. При прокатке полос максимальной ширины для данной клети (все валки устанавливают в один ряд) возможность регулирования поперечной разнотолщинности и плоскостности полос снижается вследствие большой жесткости валкового узла.

2. Снижение диаметра рабочих валков ведет к увеличению циклов их нагружения, что вызывает увеличение износа, а следовательно, сокращение межперевалочных сроков (циклическая прочность валков снижается).

3. Несимметричные нагрузки на валки вызывают неравномерный их износ и неравномерное распределение контактных нагрузок валков. В целом это ухудшает условия эксплуатации валков.

4. Снижение модуля жесткости клети.

Главным же недостатком шестивалковых клетей является их сложная конструкция. Это и препятствует их широкому распространению. По сути дела, они работают только в Японии. При этом их устанавливают только в последних двух-четырех клетях непрерывной группы, в которых сила прокатки меньше, чем в первых.

С использованием принципа осевого смещения рабочих валков начали применять четырехвалковые клети (рис.76). При этом рабочие валки имеют либо сигарообразную форму одного из концов (см. рис.76), либо S-образную (бутылочную) форму (рис.77).

Рис.76. Четырехвалковая клеть с устройством осевой сдвижки валков: 1 – рабочие валки; 2 – опорные валки; 3 – гидравлические цилиндры противоизгиба рабочих валков; 4 – механизм осевой сдвижки валков; 5 – шпиндели; 6 – шестеренная клеть

Рис.77. Схема регулирования поперечного профиля

полосы в «бутылочных» валках

В первом случае (см. рис.76) длина бочки рабочих валков больше длины бочки опорных. Величина осевого смещения валков до 300 мм. Кромки полосы прокатывают либо на цилиндрических участках бочки рабочих валков (без осевого смещения), либо на участках со скосами (см. рис.76).

Во втором случае (см. рис.77) кромки полосы утолщаются в соответствии с величиной осевого смещения, а следовательно, и ширины кромки, прокатываемой на переменном диаметре конца валка. При осевом смещении возможно получение выпуклой, плоской или вогнутой формы поперечного сечения полосы. Последняя на практике не применяется, плоская нежелательна. Поэтому можно вести речь только о том, какую величину выпуклости поперечного профиля полосы необходимо получить. Разница в диаметре самого толстого и самого тонкого участков полосы составляет 0,3-0,8 мм. Величина осевого смещения 100 мм.

Конструкция клетей с осевым смещением валков существенно усложняется (см. рис.76).

В обоих случаях может применяться как пошаговое смещение валков в паузы между полосами, так и перемещение валков непосредственно при прокатке.

Достоинства клетей с осевым перемещением валков

1. Увеличивается диапазон регулирования поперечной разнотолщинности и плоскостности полос.

2. Применяются валки только с одной профилировкой.

3. Повышается стойкость валков за счет «размазывания» износа по удлиненной бочке валков.

4. Не исключается применение противоизгиба валков.

Недостатки клетей с осевым перемещением валков

1. Несимметричные нагрузки на валки.

2. Усложнение конструкции клетей.

Еще одним способом регулирования поперечного профиля и плоскостности горячекатаных полос является применение клетей с возможностью скрещивания валков. При этом рабочий и опорный валки (верхняя и нижняя пары) объединяют в блок с помощью траверс. Принцип действия основан на том, что зазор между рабочими валками, создаваемый при их перекрещивании, увеличивается от центра бочки к её краям. Это как бы увеличивает выпуклость профиля бочки валка.

Скрещивание валков обычно не превышает 1. Скрещивание валков выполняют с помощью специального механизма. Подушки валков и подшипники имеют специальную конструкцию.

Основной недостаток способа, препятствующий его широкому внедрению – возникновение дополнительных довольно значительных сил.

Еще в 80-х годах прошлого века был предложен способ гидравлического профилирования валков, основанный на изменении давления жидкости в полости между осью опорного валка и бандажом. В этом случае в клети используют только один такой валок. Широкого распространения способ не получил из-за высокой стоимости оборудования и низкой эффективности при прокатке узких полос.

При повсеместном переводе ШСГП на непрерывнолитую заготовку проблема стабилизации ширины полос дополнилась необходимостью решать задачу редуцирования слябов по ширине либо устранения конусности непрерывнолитых слябов. Последняя из задач обусловлена тем, что на ШСГП обычно производят полосы шириной с градацией 20-40 мм. Это легко обеспечивалось прокаткой слябов требуемой ширины на слябингах и блюмингах-слябингах.

На МНЛЗ ширина отливаемых слябов соответствует ширине кристаллизатора, При наличии на крупных предприятиях нескольких МНЛЗ возможна их специализация на отливку определенных групп слябов по ширине. Если же их немного, то необходимо было менять кристаллизаторы при переходе на отливку слябов другой ширины, что вызывало ряд негативных явлений: простои МНЛЗ на замену кристаллизатора (2,5-3 ч), увеличение потерь металла на головную и донную обрезь, ухудшение качества слябов в период нестабильного процесса разливки (при её начале и окончании), необходимость наличия большого парка кристаллизаторов.

Задачу совмещения МНЛЗ и ШСГП решают такими путями

1. Применение кристаллизаторов с изменяющейся шириной.

2. Установка за МНЛЗ редуцирующего стана.

3. Установка в линии ШСГП редуцирующего пресса.

4. Обжатие сляба по ширине в вертикальных валках клетей черновой группы.

Первый пункт может быть реализован как путем поочередного поворота стенок, так и прямолинейным их перемещением. Недостатками являются – усложнение и удорожание оборудования МНЛЗ; нарушение стабильности процесса разливки; наличие переходных по ширине участков сляба, требующих их дополнительной деформации либо в редуцирующем стане, либо в линии ШСГП.

Редуцирующий агрегат должен иметь две, а лучше три пары валков, одна с горизонтальными, две-три – с вертикальными валками. Агрегат кроме рабочей клети должен иметь ножницы, рольганги, а возможно, и подогревающее устройство. То есть агрегат достаточно дорогой и занимающий определенную площадь. К этому следует добавить, что интенсивные обжатия в вертикальных и горизонтальных валках обусловят искажение торцов сляба («рыбий хвост») и повлекут за собой дополнительную обрезь.

Конструкция и технологический процесс обжатия слябов в прессе и в вертикальных валках представлены вам ранее при описании процесса прокатки в черновой группе клетей ШСГП (раздел 4).

3. Локальные системы автоматического регулирования

размеров и плоскостности полос и листов

3.1. Системы автоматического регулирования

толщины полос и листов

Первые системы автоматического регулирования толщины (САРТ) полосы за рубежом появились в 50-х годах прошлого века, а в 60-х годах началась их разработка в СССР. Наибольшее распространение на ШСГП получили САРТ, в которых в качестве исполнительного силового механизма использовали электромеханическое нажимное устройство, измерителя (косвенного) толщины полосы – механическую систему валки-клеть с датчиком силы прокатки (месдозы), устанавливаемой на верхнюю (под нажимной винт) или под нижнюю подушки валков. В работе системы также были задействованы: измеритель толщины (а часто и ширины) полосы за последней клетью стана и измерители температуры перед и за чистовой группой клетей.

Основными недостатками электромеханических нажимных устройств являются малая скорость перемещения нажимных винтов и низкий КПД. Это обусловливает и недостаточную эффективность работы САРТ с использованием НУ этого типа.

Значительно эффективнее применение ГНУ. Их устанавливают как на верхней, так и под нижней подушкой опорных валков. Однако с точки зрения регулирования толщины эффективнее использовать гидравлические устройства распора подушек опорных валков (рис.78). В этом случае сила регулирования F будет значительно меньше.

Система регулирования толщины по схеме рис.78 работает следующим образом.

При прокатке на подушки 1 и 2 опорных валков прокатной клети 3 действует сила распора F со стороны гидроцилиндров 4. Сила распора определяется давлением жидкости в гидросистеме 5, создаваемым насосом 6 с приводом 7.

Избыток жидкости через регулирующий клапан 8 поступает в бак 10. Давление жидкости в цилиндрах 4 определяется положением управляющего элемента 9, на который действует разность двух сил: давления жидкости в системе 5 и силы, создаваемой электродвигателем 11 через рычаг 12.

Рис.78. Схема регулятора толщины полосы гидрораспором подушек опорных валков. Обозначения даны в тексте

При отклонении толщины полос от заданного для данной клети значения (для этой цели может быть использован принцип Головина-Симса и тогда датчиком является измеритель силы прокатки, устанавливаемый либо на верхнюю подушку опорного валка под нажимной винт, либо под нижнюю подушку опорного валка) изменяется напряжение 14, подаваемое на якорь электродвигателя 11 через сумматор 15, усилитель 16 и стабилизатор 17. Ток якоря стабилизируется по уровню как функция управляющего напряжения 14. Одновременно стабилизатор 13 выравнивает ток возбуждения двигателя 11. Изменением коэффициента передачи операционного усилителя 16 обеспечивается выбор соотношения между величиной управляющего напряжения 14 и давлением жидкости в гидросистеме 5. Для улучшения характеристик точности устройства и уменьшения влияния трения в клапане 8 и роторе двигателя 11 на вход ПИ-регулятора 20 через сумматор 19 подается напряжение 14 (через инвентор 18) и сигнал датчика 21. ПИ-регулятор формирует пропорционально-интегральную добавку с соответствующим знаком к управляющему сигналу через сумматор 15, которая обеспечивает линейность характеристики регулятора практически с точностью датчика 21.

Устройства гидрораспора размещают во всех клетях непрерывной группы или в 3-4 последних.

Возможны четыре режима работы гидрораспора и ГНУ на ШСГП и ТЛС.

1. Предварительное постоянное напряжение клети (повышение модуля жесткости клети). Чаще всего применяют при холодной прокатке листов.

2. Постоянное напряжение клети, устанавливаемое в зависимости от условий прокатки полосы (начальная и конечная толщина полосы, величина межклетевых натяжений, марка стали, температурные режимы прокатки).

3. Режим работы, обеспечивающий постоянство силы прокатки на нажимные винты

Р_н.в. = Р_мет+F_расп = const.

Если Р_мет растет, то F_расп уменьшается.

4. Режим работы, обеспечивающий постоянство зазора между валками. Постоянство S (или S=0) обеспечивается изменением силы F.Обычно для этого режима необходим прибор, дающий прямую информацию о величине раствора валков. Чаще всего применяют на станах холодной прокатки.

Обычно при гидрораспоре и в ГНУ на листовых станах ход цилиндра составляет не более 50 мм. И их используют только для регулирования продольной разнотолщинности. Для изменения раствора валков при переходе на прокатку полос другого размера (на ШСГП) и для изменения раствора валков после каждого прохода (на ТЛС) используют электромеханические НУ.

ГНУ обладают высоким к.п.д. и высокой точностью установки положения валков что обеспечивает точность прокатки 0,05 мм на 95-97% длины полосы.

САРТ полосы может работать в двух режимах

• регулировать толщину полосы в данной клети в соответствии с заданной уставкой по возмущению;

• регулировать (корректировать) толщину полосы по показаниям толщиномера - по отклонению.

Автономные регуляторы толщины устанавливают во всех клетях чистовой группы.

Схема регуляторов толщины РТ при использовании в качестве исполнительного механизма электромеханического НУ показана на рис.79.

а б Рис.79. САРТ с косвенным (а) и с прямым измерением толщины (б): Дп - датчик положения нажимных винтов (НВ); Д - двигатель нажимных винтов; ТГ - тахогенератор  датчик скорости НВ; СУ - суммирующее устройство; СУД - система управления двигателем НВ; М - месдоза; НУ - нажимное устройство; n - сигнал угловой скорости вращения НВ; n* - сигнал коррекции угловой скорости НВ; Мк - модуль жесткости клети; РТ - регулятор толщины; ИТ - измеритель толщины; hф, hзад - фактическая и заданная толщина полосы; h - сигнал изменения толщины полосы; S0 – начальный раствор ненагруженных валков; Р – сила прокатки

Работа регулятора толщины основана на зависимости Головина-Симса

.

Переходя к приращениям и принимая ho = 0 (цель регулирования), получаем

или ,

где S – необходимое перемещение НВ для компенсации разнотолщинности.

По этому принципу работали и еще работают САРТ как у нас в стране, так и за рубежом.

На практике РТ работает так.

По положению НУ, измеряемому датчиком положения ДП, и величине силы прокатки Р, измеряемой месдозой М, в суммирующем устройстве СУ рассчитывается зазор между валками, то есть толщина выходящей из валков полосы. При отклонении этого зазора (толщины полосы) от заданного значения h₃ регулятор толщины вырабатывает сигнал, который поступает в систему управления приводом НУ СУД, устраняя это отклонение.