Hазработка системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей печью скоростного нагрева

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Мировой рынок предъявляет все более высокие требования к показателям качества опорных валков прокатных станов (твердость, глубина закаленного слоя, распределение остаточных напряжений).

Известны следующие технологии закалки прокатных валков: в электромасляных ваннах, токами промышленной частоты, токами высокой частоты, регулируемым охлаждением водой, водовоздушной смесью и др.

Одним из таких процессов является дифференцированная термическая обработка (в дальнейшем – ДТО) опорных валков прокатных станов. Технологический процесс ДТО направлен на снижение энергозатрат при нагреве валка до температуры закалки за счет нагрева не всего объема валка, а лишь поверхностного (закаливаемого) слоя.

С
уть ДТО заключается в следующем (схема и этапы режима ДТО приведены на рисунке 1):

Рисунок 1.1 - Схема и этапы режима ДТО

Этап 1 – предварительный подогрев валка.

Производится в термической печи с выкатным подом с целью перевода материала сердцевины валка в более пластичное состояние, способное выдержать высокие растягивающие напряжения при последующем интенсивном нагреве в печи скоростного нагрева (в дальнейшем – ПСН).

Рациональная среднемассовая температура предварительного подогрева для всех типоразмеров валков находится в пределах Т_п500С. При более низких температурах велика опасность разрушения валка при быстром нагреве бочки из-за недостаточной пластичности слабо прогретой сердцевины валка. С ростом температуры предварительного подогрева повышаются остаточные напряжения после ДТО и, следовательно, растет вероятность разрушения валка после окончания режима. Требуемая равномерность температуры печи в конце подогрева 5С.

Этап 2 – градиентный нагрев в ПСН.

Параметры нагрева валка определяются маркой стали, требованиями по глубине активного (закаленного) слоя, уровнем трещиностойкости металла центральной части валка и размерами возможных дефектов металлургического происхождения.

Оптимальная температура нагрева Т_н выбирается из расчета получить максимальную закаливаемость, т.е. максимальную твердость структуры, образующейся в поверхностном слое валка при закалке. Оптимальный режим нагрева состоит из максимально интенсивного нагрева поверхности бочки до температуры Т_н и выдержке при данной температуре до прогрева на заданную глубину. Ограничить интенсивность нагрева могут либо возможности оборудования (мощность ПСН) либо высокие растягивающие напряжения, которые возникают в центральной зоне валка при интенсивном нагреве.

Этап 3 – выдержка для обеспечения прогрева бочки валка на заданную глубину в ПСН.

Продолжительность выдержки при поддержании температуры бочки валка на уровне температуры нагрева Т_н зависти от желаемой глубины прогрева поверхностного слоя. В свою очередь, оптимальная величина прогрева зависит от прокаливаемости стали и интенсивности дальнейшего охлаждения.

Этап 4 – транспортировка валка из ПСН в спрейерную установку.

Продолжительность переноса валка из ПСН к спрейерной установке должна быть сведена к минимуму. Это обусловлено тем, что на воздухе поверхностный слой валка быстро теряет тепло.

Этап 5 – интенсивное водяное охлаждение в спрейерной установке.

Производится с максимально возможной плотностью орошения с целью формирования наиболее благоприятной структуры и максимальной глубины активного слоя.

Этап 6 – мягкое регулируемое водовоздушное охлаждение в спрейерной установке с отогревом поверхности.

На этом этапе продолжается принудительный теплосъем с поверхности валка теплового потока, поступающего из внутренних слоев. Продолжительность водовоздушного охлаждения определяется по условию достижения среднемассовой температуры валка Т₀ (температуры копежа).

Этап 7 – отпуск в печи с выкатным подом.

Температура и продолжительность отпуска определяются исходя из требований на твердость бочки валка.

Новокраматорский машиностроительный завод – лидер отечественного машиностроения – является одним из ведущих поставщиков валков прокатных станов как для Украины, так и в страны ближнего и дальнего зарубежья. Заводом успешно освоены перечисленные выше технологии.

Технология ДТО реализована на участке ДТО, который включает в себя две термические печи с выкатным подом, печь скоростного нагрева, спрейерную установку.

Автоматизированная система управления технологическим процессом ДТО построена на базе оборудования фирмы «SIEMENS» по иерархической структуре.

Теоретические сведения об этапе дифференцированной

термической обработки прокатных валков - градиентном

нагреве в печи скоростного нагрева

Параметры нагрева валка определяются маркой стали, требованиями по глубине активного слоя, уровнем трещиностойкости металла центральной части валка и размерами возможных дефектов металлургического происхождения. Рассмотрим более подробно факторы, влияющие на выбор параметров нагрева.

Оптимальная температура нагрева Т_Н выбирается из расчета получить максимальную закаливаемость, т.е. максимальную твердость структуры мартенсита и остаточного аустенита, образующейся в поверхностном слое валка при закалке. С ростом температуры нагрева Т_Н в легированных валковых сталях увеличивается степень растворения карбидов и, как следствие, повышается прокаливаемость стали и твердость мартенситной матрицы. Но при этом одновременно увеличивается содержание остаточного аустенита в закаленной структуре, что ведет к снижению твердости. Действие этих двух противоположно направленных факторов приводит к появлению максимума на кривой зависимости твердости закаленной структуры стали заданного состава от температуры нагрева.

Дополнительным фактором, который ограничивает Т_Н сверху, является отрицательное влияние перегрева на рост зерна аустенита и, следовательно, огрубление структуры мартенсита после закалки. Кроме того, повышение температуры нагрева увеличивает уровень максимальных растягивающих остаточных напряжений. Для стали 90ХФ оптимальной температурой нагрева при ДТО является Т_Н920С, для стали 75ХМ Т_Н950С.

Оптимальный режим нагрева состоит из максимально интенсивного нагрева поверхности бочки до температуры Т_Н и выдержке при данной температуре до прогрева на заданную глубину выше температуры аустенизации А_С3. Ограничивать интенсивность нагрева могут либо возможности оборудования (мощность печи скоростного нагрева - ПСН), либо высокие растягивающие напряжения, которые возникают в центральной зоне валка при интенсивном нагреве.

KOBE STEEL (предприятие-разработчик теории дифференцированной термической обработки прокатных валков - ДТО) рекомендует следующий режим нагрева: до 960С по металлу за 3ч и выдержка в течение 1ч при температуре поверхности валка 960С. скорость нагрева (менее 140С/ч) довольно мала и ограничивается, по-видимому, возможностями применяемой системы отопления с радиационными горелками. При таком нагреве возникающие максимальные растягивающие напряжения, которые формируются в конце выдержки, очень малы (в пределах 180 МПа для всех диаметров). Таким образом, с точки зрения безопасности режим градиентного нагрева существенно менее напряжен, чем режим предварительного подогрева. При заданном режиме поверхностный слой валков разных диаметров прогревается на 140-160 мм.

Проектируемая ПСН, оборудованная скоростными горелками, по данным базового варианта может обеспечить скорость подъема температуры поверхности бочки валка вплоть до 300С/ч (по металлу). Для определения рационального диапазона параметров нагрева разработчиками базового варианта (фирма «Термосталь» г. Санкт-Петербург) выполнен цикл расчетов нагрева валков из стали 75ХМФ до 950С по поверхности бочки с варьированием диаметра валков D=1200, 1600, 2000 мм, температуры предварительного подогрева Т_П=400, 450, 500С и скорости нагрева по металлу V_Н=100, 200, 300С/ч. При этом фиксировался критический размер дефекта для всех режимов.

Результаты расчетов приведены на рисунке 1.2, где хорошо видно влияние масштабного фактора: с ростом диаметра форма зависимости критического дефекта от скорости нагрева меняется на противоположную. Если для диаметра 1200 мм Д_КР уменьшается при увеличении скорости нагрева, для диаметра 1600 мм зависимость немонотонна, то для диаметра 2000 мм размер критического дефекта увеличивается с ростом V_Н.

П
ри выборе оптимального сочетания Т_П и V_Н предварительно можно руководствоваться формальным ограничением на уровень допустимых дефектов по ОСТ 24.023.33-86 «Ультразвуковой контроль ВХП», который допускает для валков диаметром свыше 1200 мм одиночные несплошности с эквивалентным диаметром до 200 мм. Принимая это ограничение, можно видеть из рисунка 1.2, что применение максимально возможной интенсивности нагрева (300С/ч по металлу) допустимо при Т_П=480С, 450С и 400С для валков диаметром соответственно 1200, 1600 и 2000 мм.

Рисунок 1.2 – Распределение температуры в поверхностном слое валков диаметром 1200, 1600 и 2000 мм из стали типа 75ХМФ в конце градиентного нагрева.

Следует подчеркнуть, что реальное проектирование режима нагрева возможно только после определения реально возможной максимальной интенсивности нагрева в ходе теплотехнических испытаний ПСН, а также реальной трещиностойкости металла в сердцевине валков из разных марок стали, подвергнутых улучшению.

Продолжительность выдержки при поддержании температуры бочки валка на уровне температуры нагрева Т_Н зависит от желаемой глубины прогрева поверхностного слоя до температуры аустенизации А_С3. В свою очередь, оптимальная величина прогрева зависит от прокаливаемости стали и интенсивности охлаждения. Суть процесса заключается в следующем.

При увеличении глубины аустенизированного слоя растет и глубина закаленного слоя, но только до определенной величины, ограниченной возможностями стали (прокаливаемостью) и спрейерной установки (максимальной интенсивностью охлаждения).

Рост глубины прогрева свыше этого оптимального значения приводит к накоплению излишнего тепла в валке, что начинает снижать скорость охлаждения на границе закаленного слоя, повышает температуру на оси валка и приводит к росту остаточных напряжений. Вкратце этот принцип следует охарактеризовать так: не следует прогревать валок больше необходимого.

В качестве иллюстрации на рисунке 1.3 для валка диаметром 1200 мм показаны зависимости глубины аустенизированного слоя L_А и закаленного слоя L_З (закаленным слоем условно принят слой с твердостью выше 45HS, что соответствует наличию в структуре не менее 50% бейнитно-мартенситной смеси) от продолжительности нагрева при температуре поверхности Т_Н=950С (сталь 75ХМФ) и Т_Н=920С (сталь 90ХФ). Нагрев до температуры Т_Н проводился со скоростью 300С/ч по металлу, охлаждение – с максимально возможной для данной спрейерной установки, которая допускает проводить охлаждение с максимальной плотностью орошения от 1.14 кг/м²с (валок диаметром 2000 мм) до 1.9 кг/м²с (валок диаметром 1200 мм).

Р
исунок 1.3 – Зависимость глубины аустенизированного слоя L_З (а) и температуры центра Т_Ц (б) от продолжительности прогрева при градиентном нагреве валка диаметром 1200 мм.

Из рисунка 1.3 видно, что увеличение продолжительности прогрева свыше 1 ч практически не увеличивает глубину закаленного слоя для валка из стали 75ХМФ и 90ХФ. При этом прогрев свыше 1.5 ч даже снижает глубину закаленного слоя в валке из стали 90ХФ. Дополнительным аргументом в пользу ограничения продолжительности нагрева служит тот факт, что при выдержке температура центра растет довольно интенсивно, что будет сопровождаться увеличением остаточных напряжений.

При выборе оптимальной продолжительности прогрева следует учитывать, что с ростом выдержки при температуре аустенизации увеличиваются остаточные напряжения в валке после закалки, поэтому этот параметр надо выбирать с учетом ограничений на уровень остаточных напряжений.

В свою очередь, уровень остаточных напряжений можно определить, только выбрав режим охлаждения, который зависит от режима нагрева. Таким образом, параметры нагрева и охлаждения оказываются взаимозависимыми. Это означает необходимость многовариантных (многопараметрических) расчетов на стадии проектирования режима для определения оптимальных значений параметров ДТО.

Назначение, структура и состав АСУ ПСН