Об использовании несимметричной прокатки для производства лент и полос

Процесс холодной прокатки лент и полос практически всегда рассматривается как процесс симметричной (СП, обычной) прокатки с равными окружными скоростями валков.

При этом процесс СП осуществляется при значительных контактных напряжениях, приводящих к высоким усилиям прокатки, упругим деформациям валков, ухудшению качества продукции.

На протяжении многих десятилетий XX в. для решения проблемы высоких усилий прокатки и расширения технологических возможностей станов в мировой практике прокатного производства разрабатывались новые способы и конструкции прокатных станов. Большое внимание уделялось использованию несимметричных процессов прокатки, протекающих при различных геометрических, кинематических параметрах рабочих валков и различных физико-механических условиях на контактных поверхностях прокатываемого металла и рабочих валков в очаге деформации.

Проведенные в последние десятилетия прошлого века в СССР и за рубежом масштабные теоретические, экспериментальные исследования, реализация процессов в про- мышленных условиях позволили выявить положительные стороны кинематической несим-метрии, заключающиеся прежде всего в возможности значительного снижения усилия прокатки, упругих деформаций валков, получения более тонких полос и лент по сравнению с обычным процессом прокатки, возможность получения требуемых физико-механических свойств.

В частности, как результат исследований в ЮУрГУ, бывшем ЧПИ, под руководством заслуженного деятеля науки и техники, доктора технических наук, профессора В.Н. Выдрина был разработан процесс прокатка-волочение (ПВ) [1] , который осуществляется при следующих кинематических условиях:

λ = H0/ H1 = Vв1/ Vв0; Vв1 = V1; Vв0 = V0, здесь λ – коэффициент вытяжки полосы; H0, H1 – толщина полосы до и после очага деформации; Vв1, Vв0 – окружные скорости валков; V0, V1 – скорости полосы до и после очага деформации соответственно.

Такие кинематические условия при определенной величине натяжений концов полосы обеспечивают однозонность и противона-правленность сил трения в очаге деформации.

При этом уменьшается подпирающее их действие на деформируемый металл и обеспечивается снижение усилия прокатки по сравнению с симметричным процессом прокатки. С уменьшением толщины лент и полос этот эффект возрастает.

По решению Правительства СССР в 1976 г. ВНИИметмашем (г. Москва) и СКМЗ (г. Краматорск) для осуществления процесса ПВ для Новосибирского металлургического завода им. Кузьмина был изготовлен опытно-промышленный стан ПВ-800, на котором выполнен комплекс работ по исследованию энергосиловых, деформационных, кинематических параметров процесса ПВ и условий его осуществления [2].

Кроме того, опытные работы по реализации процесса ПВ проводились на станах холодной прокатки Магнитогорского металлургического комбината, Ленинградского сталепрокатного завода, Миньярского метизно-металлургического завода, Артемовского и Балхашского заводов обработки цветных металлов и других предприятиях. Исследования выполнялись совместно с ВНИИметмашем, ЦНИИчерметом им. И.П. Бардина, НИИтяж-машем, Краматорским индустриальным ин- ститутом, Гипроцветметобработкой и многими научно-исследовательскими и проектноконструкторскими организациями. Выполненные работы позволили определить эффективность процесса ПВ для решения проблем холодной прокатки лент и полос (табл. 1).

Эффективность процесса ПВ высоко оценена зарубежными фирмами. На использование процесса ПВ были проданы лицензии фирмам SMS (ФРГ) и ИХИ (Япония).

Наряду с отмеченными преимуществами процесса ПВ многолетний опыт его использования и проектные разработки выявили ряд специфических особенностей, которые в определенной мере затрудняют широкое использование процесса ПВ на существующих станах холодной прокатки. Это повышенное переднее удельное натяжение полосы и повышенные крутящие моменты на валках.

На существующих станах холодной прокатки уровень удельных натяжений не превышает 40 % от предела текучести материала полосы. В ряде случаев, например, для исключения свариваемости рулонов перед термообработкой, переднее удельное натяжение полосы не должно превышать 10 % от предела текучести материала. Такие требования,

Таблица 1

Проблемы холодной прокатки лент и полос и эффективность их решения при использовании ПВ

Наименование проблемы Степень эффективности За счет каких факторов решается проблема Повышение качества продукции 1. Повышение точности В 1,5–2 раза Снижение продольной разнотолщинности 2. Улучшение планшетности Уменьшение отклонений от плоскости в 1,5 раза Уменьшение упругого прогиба и сплющивания валков 3. Повышение стабильности физико-механических свойств по длине рулона Существенное Стабилизация вытяжки по длине рулона 4. Повышение выхода годного На 5–10 % Снижение брака по разнотолщинности, планшетности и физико-механическим свойствам Расширение сортамента продукции 1. Снижение минимальной толщины холоднокатаных полос В 2 раза Снижение усилия прокатки, упругих деформаций валков 2. Прокатка высокопрочных материалов С пределом прочности до 1800–2000 МПа Снижение усилий прокатки, исключение пластической деформации валков Снижение себестоимости продукции 1. Повышение производительности станов При прокатке тончайших полос и лент в 1,5–2,0 раза Увеличение разовых обжатий, снижение числа проходов 2. Уменьшение числа промежуточных отжигов При прокатке тончайших полос и лент в 1,5–2,0 раза Возможность проката высоконагартованного металла 3. Снижение расхода валков на 1 т продукции При дрессировке в 1,5 раза Уменьшение числа валков, веса валков согласно условиям осуществления процесса ПВ [1], исключают возможность его применения при вытяжках более Х< 1,1... 1,4 (относительная степень деформации 10–40 %).

Повышенные крутящие моменты на валках при ПВ по сравнению с симметричным процессом позволяют осуществлять процесс прокатки на существующих станах при наличии индивидуального привода с рассогласованием скоростей валков не более 5 %. При этом приводными валками должны быть только рабочие валки. Эти ограничения в ряде случаев делают процесс ПВ неконкурентоспособным по сравнению с СП.

Анализ отмеченных преимуществ и недостатков процесса ПВ в 80-х гг. прошлого века под руководством профессора В.Н. Выдрина в ЮУрГУ позволили сформулировать новый подход к использованию несимметричных процессов прокатки для холодной прокатки лент и полос Этот подход заключается в том, что частные кинематические варианты несимметричной прокатки, к числу которых прежде всего относится процесс ПВ, не могут решить всех технологических проблем. Поэтому целесообразно наряду с разработкой эффективных систем автоматизации по регулированию толщины и планшет-ности лент и полос говорить о множестве кинематических вариантов процесса прокатки (их поливариантности) и подходить к процессу прокатки как к единому процессу с различными соотношениями рассогласования скоростей вращения валков и различным соотношением скоростей валков к скорости концов полосы.

Реализация приемлемого кинематического варианта определяется условиями осуществления процесса прокатки и требованиями к качеству продукции.

Таким образом, была сформулирована концепция процесса прокатки лент и полос общего вида (ПОВ). Отношения окружных скоростей валков при ПОВ находятся в диапазоне 1 ≤ V _в1 V _в0 ≤ λ и включают как СП, так и ПВ [3, 4].

На рисунке приведены схемы очага при СП (верхняя схема), ПВ (средняя схема), частный вариант ПОВ (нижняя схема) [4]. Здесь ОТ, ОП, СЗ – зоны отставания, опережения и смешанная соответственно; х0, х1 – координаты критических сечений; L – длина очага деформации; τ – напряжения трения; T1 , σ1 – полное и удельное переднее натяжение; Т0, σ0 – полное и удельное заднее натяжение.

Принципиальные схемы очага деформации

Исходя из условий и задач процесса прокатки, в этом случае выбирают оптимальный кинематический вариант процесса прокатки, и целенаправленный подход к выбору кинематического варианта ПОВ обеспечивает значительные возможности для достижения желаемых результатов. Это относится к таким аспектам, как [4]:

• –    сокращение числа проходов или промежуточных термообработок;

• –    существенное снижение минимальной толщины для стана;

• –    наилучшим образом использование единой профилировки валков за счет возможности управления усилием и упругим прогибом валков. По эффективности этот прием может конкурировать с противоизгибом валков;

• –    снижение расхода энергии за счет оптимального перераспределения нагрузок между приводами стана и минимизация потерь на трение в очаге деформации.

При этом следует отметить, что процесс ПОВ может осуществляться как в режиме за- данных натяжений (РЗН), так и в режиме заданных скоростей концов полосы (РЗС) [3].

Такой подход к процессу холодной прокатки лент и полос с использованием ПОВ в 1986 г. был поддержан Правительством СССР и разработана программа по его использованию на ряде металлургических предприятий.

Некоторые проекты процесса ПОВ приведены в табл. 2.

К 1991 г. проработка этих проектов находилась на разных стадиях. Для Ашинского металлургического и Ленинградского сталепрокатного заводов разработаны (технические задания) и определены основные конструктивные параметры валковых узлов и станов в целом.

Для Екатеринбургского, Кировского и Балхашского заводов ОЦМ выполнены рабочие проекты. В работе участвовали ВНИИметмаш (как главный разработчик), Гипроцветмет-обработка, ЦНИИчермет им. И.П. Бардина, Гипромезы Челябинска, Магнитогорска, Санкт-Петербурга.

Реализация представленных проектов предполагалась до 1995 г. К сожалению, осуществить эти проекты не удалось по известным политико-экономическим причинам. С 1992 г. финансирование всех проектов было прекращено. Пришедшие к управлению предприятий новые топ-менеджеры в лучшем случае решали по существу проблемы выживания предприятий. В ЮУрГУ из-за отсутст-

Таблица 2

№	Название проекта*	Материал; размеры	Параметры стана	Стадия проработки
1	Стан ПОВ-400 Ленинградского сталепрокатного завода	Высокоуглеродистые стали, прецизионные сплавы; толщина – 0,05–1,5 мм, ширина – 250 мм	Комбинированный: кварто и 12-валковый кварто: диаметр рабочих валков – 60 мм; V в1 / V в0 = 1…2,5; скорость прокатки – до 5 м/с	Разработаны ТЗ и основные конструктивные параметры стана
2	Стан ПОВ-800 Ашинского металлургического завода	Электротехнические и низкоуглеродистые стали, прецизионные сплавы; толщина – 0,05–1,5 мм, ширина – до 650 мм	12-валковый стан кассетного типа диаметр рабочего валка – 50 и 100 мм; скорость прокатки – до 5 м/с; V в1 / V в0 = 1…2,5	Разработаны ТЗ и основные конструктивные параметры стана
3	Стан дуо-кварто 200 ПОВ Свердловского завода ОЦМ	Сплавы драгметаллов; толщина – 0,05–1,5 мм, ширина – 150 мм	Кварто: диаметр рабочих валков – 60 мм; дуо: диаметр рабочих валков – 200 мм; V в1 / V в0 = 1…1,05; скорость прокатки – 1 м/с. Вариант дуо используется для правки фольги в режиме ПВ	Разработан рабочий проект
4	Стан дуо 700 Кировского завода ОЦМ	Латунные сплавы; толщина 0,15–1,0 мм, ширина – 600 мм	Диаметр рабочих – 430 мм, V в1 / V в0 =1,0; 1,05; 1,15; 1,2 (комбинированный редуктор)	Разработан рабочий проект
5	Стан ПВ-800 НМЗ им. Кузьмина (оснащение стана средствами термообработки и резки лент)	Низко-, высокоуглеродистые стали; толщина 0,3–2,0 мм, ширина – 600 мм	Кварто: 250 мм; диаметры рабочих валков – 700 мм; скорость прокатки – до 5 м/с	Разработано ТЗ
6	Балхашский завод ОЦМ	Латунные, бронзовые, медно-никелевые сплавы; толщина 0,05–1 мм, ширина – 250 мм	12-валковая кассета для 6-валкового стана «Шмитц»; диаметр рабочих валков – 60 мм; V в1 / V в0 =1; скорость прокатки – 1,5 м/с	Разработан рабочий проект

*Названия заводов до 1992 года.

Проекты по реализации процесса ПОВ

вия финансирования в течение 1–2 лет были утеряны практически все специалисты, которые занимались разработкой проектов, связанных с несимметричной прокаткой и использованием в них процесса прокатки общего вида.

Таким образом, из-за не реализации отмеченных проектов отечественная металлургия и прежде всего направление холодной прокатки лент и полос не смогли сделать определенный прорыв в развитии технологии и оборудования и создании конкурентоспособных производств.

В последующие годы вопросами использования несимметричной прокатки занимались в Магнитогорском государственном техническом университете, Донецком национальном техническом университете, МИСиС и других научных организациях [5–7].

В промышленных условиях реализация кинематической несимметрии осуществлялась до 2015 г. в основном на станах непрерывной прокатки, так как современные станы непрерывной прокатки полос имеют индивидуальный привод рабочих валков. Модернизация привода таких станов для осуществления кинематической несимметрии не представляет каких-либо значительных трудностей. Такие работы выполнены на Магнитогорском, НовоЛипецком металлургических комбинатах и на предприятиях Украины на станах холодной и горячей прокатки.

Несмотря на то, что максимальное соотношение скоростей вращения валков составляло 2–5 %, тем не менее полученные результаты подтвердили эффективность использования кинематической несимметрии для улучшения качества продукции – прежде всего снижения продольной разнотолщинности и улучшения плоскостности полос.

В последние 15–20 лет (в основном за рубежом) в области холодной прокатки лент и полос разработаны новые технологии и оборудование, позволяющие стабилизировать процесс прокатки путем использования эффективных систем автоматического регулирования и получать продукцию требуемого качества.

При этом прослеживается совершенно четкая тенденция: чем выше требования к качеству продукции, меньше конечная толщина полосы и выше прочностные свойства металла, тем сложнее конструкции прокатных клетей.

Решение этих проблем может быть эффективно выполнено путем использования процесса ПОВ, о преимуществах которого говорилось ранее [3, 4].

В настоящее время ЮУрГУ совместно с различными предприятиями проводят работы по использованию процесса ПОВ. В частности, процесс ПОВ предполагается использовать при прокатке лент и фольги из свинцовых, цинковых и медноникелевых сплавов в условиях предприятия ООО НПП «РосАнти-кор» (г. Челябинск). Это предприятие в настоящее время имеет три двухвалковых стана для горячей и холодной прокатки полос: два стана дуо 1400 НКМЗ и стан дуо 800 фирмы Schloemann (ФРГ). Эти станы установлены в прошедшие 5–7 лет.

По результатам опытных работ, выполненных на универсальном стане дуо-кварто ХПЛ 200 ЮУрГУ, разработаны технологическое и техническое задания на разработку и изготовление стана дуо-кварто 400 ПОВ. Заготовкой для данного стана являются полосы, непосредственно изготовленные в условиях ООО НПП «РосАнтикор».

Технические параметры стана дуо-кварто 400 ПОВ:

исходная толщина – 2 мм; минимальная толщина – 0,025 мм; ширина лент и фольги – до 300 мм; параметры валковых узлов:

вариант дуо:

диаметр валка – 230 мм;

вариант кварто:

диаметр рабочих валков – 150 мм;

диаметр опорных валков – 400 мм; скорость прокатки – до 3 м/с;

отношение скоростей рабочих валков – 1–2; вес рулона – до 500 кг.

В настоящее время выполняются работы по реализации данного проекта.

Таким образом, разработанная под руководством профессора В.Н. Выдрина концепция процесса прокатки общего вида (ПОВ) позволяет при модернизации действующих и создании новых прокатных станов эффективно использовать любой вариант кинематической и геометрической несимметрии рабочих валков. При этом расширяются технологические возможности станов для интенсификации режимов деформаций, получения более тонких лент и полос при обеспечении требуемого качества продукции.