Применение планетарных станов в производстве металлопроката

Введение

В основу работы станов с высокими деформациями положен принцип циклической обработки металлов, в соответствии с которым заготовка за каждый отдельный цикл продвигается вперед на одинаковую величину (подачу) и в каждом своем сечении многократно подвергается частным или единичным обжатиям. Высокая деформация осуществляется, в основном, на маятниковых, колебательно-ковочных, планетарно-косовалковых, поперечно-винтовых, а также на универсальных планетарных станах.
Планетарные станы по своему устройству и принципу действия существенно отличаются от обычных прокатных станов. Имеется несколько типов планетарных станов; наиболее распространенными являются станы конструкции Сендзимира и Круппа-Платцера.
Область применения планетарных станов – это, в основном, прокатка малых партий полос специальных труднодеформируемых сталей и сплавов. Главным достоинством этих станов является возможность осуществления интенсивной деформации при компактном составе оборудования. К числу существенных достоинств этих станов также относятся гибкость технологии и возможность проведения деформации без падения температуры металла. Однако эти станы имеют низкую производительность и сложное оборудование, которое подвергается быстрому износу в связи с циклическим, толчковым характером нагружения.


1 ОСОБЕННОСТИ ПРОКАТКИ С БОЛЬШИМИ ЧАСТНЫМИ ОБЖАТИЯМИ

Разнообразные конструкции прокатных станов создавались, главным образом, с учетом требований повышения производительности, увеличения сортамента и рационализации технологических качественных показателей. Сооружение прокатных станов связано с большими капитальными затратами, поэтому для обеспечения экономичности производства, особенно в жестких условиях рыночных отношений, необходимо добиваться высокой степени их использования. При этом возникает противоречие в отношении сроков выполнения заказов и размеров партии. В связи с этим целесообразно, наряду с обычными прокатными процессами, разрабатывать специальные способы деформации, обеспечивающие пропорциональность между капитальными затратами и производительностью, а также возможность приведения в соответствие размеров партий с перспективным развитием производства в условиях рынка [1 -3].
Так, обычная технология производства прутковой стали предусматривает большое число операций обработки. Сталь разливают в слитки, которые прокатывают на блюминге, а затем - на многоклетевых заготовочных и сортовых станах. Такая технология весьма трудоемка и связана с большими материальными затратами. Для снижения этих затрат в последние годы предложено несколько способов деформации, из которых особое внимание заслуживает деформация с высокими обжатиями, когда в одном агрегате достигается значительно большее обжатие, чем в обычных прокатных клетях. Если исходить из того, что при обычной прокатке в калибрах, даже при весьма эффективной системе калибровки валков «круг -овал – квадрат» коэффициент вытяжки достигает 2,4, то деформацию с высокими обжатиями можно назвать в том случае, если коэффициент вытяжки на одном агрегате превысит значение 2,5; 11; 21 [3].
Другой особенностью деформации с высокими обжатиями является уплотнение структуры, достигаемое, благодаря применению специального инструмента и специальной технологии деформации, что имеет чрезвычайно важное значение, особенно при переработке непрерывнолитых заготовок в потоке.
Среди агрегатов для деформации с высокими обжатиями, различными по формам и видам движения их рабочих органов, наиболее эффективны планетарные косовалковые станы. С момента запуска в эксплуатацию в 1962 г. в ФРГ в течение многих лет планетарные станы показали высокую экономическую целесообразность.
При планетарной прокатке суммарная степень деформации достигает 90-98 % за один проход. Для получения такой степени деформации при обычной прокатке требуется не менее десяти пропусков. Поэтому применение планетарной прокатки вместо обычной приводит к сокращению количества оборудования и к уменьшению занимаемых им производственных площадей.
Серьезным преимуществом планетарно-винтовой прокатки является отсутствие вращения прокатываемой заготовки. Исходная заготовка и прокат по выходе из валков имеют только поступательное осевое движение и скорость этого движения постоянна [2].
Отсутствие вращения прокатываемого металла и постоянство его осевой скорости позволяют совместить станы планетарно-винтовой прокатки, с одной стороны, с непрерывной разливкой стали, с другой - с непрерывной продольной прокаткой. В результате достигается высокий выход годного, существенное сокращение расхода энергии, снижение капитальных затрат и эксплуатационных расходов.
Для создания совмещенных процессов «непрерывная разливка – прокатка» планетарные станы весьма выгодны, так как скорость входа заготовки в планетарный стан соответствует скорости выхода слитка из кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок. В то же время при малой массе и небольшой занимаемой производственной площади планетарные станы обеспечивают получение обжатий, сопоставимых с суммарными обжатиями на непрерывных станах.
Кроме того, ввиду невысокой скорости выхода проката из планетарного стана появляется возможность совмещения последнего в одном технологическом потоке с различными непрерывными отделочными линиями: травления, нанесения покрытий и т.п.
В планетарном стане каждый валок находится в контакте с горячим металлом не более 5-7 % общего времени, в остальное время он интенсивно охлаждается водой при вращении по орбите. В результате достигается высокая стойкость валков и высокое качество поверхности проката.


2 ПЛАНЕТАРНАЯ ПРОКАТКА

2.1 Применение планетарных станов при полосовой прокатке

Планетарные станы появились в 50-х годах прошлого века. Они имеют, как правило, короткую бочку валков (455-643 мм и редко более 1000 мм). Имеется две разновидности этих станов – станы конструкции Сендземира и станы конструкции Круппа-Платцера. Основное их достоинство – возможность совмещения (по производительности) с МНЛЗ [1 – 4]. На рис. 2.1 показана схема рабочей линии планетарного стана конструкции Сендземира.


Рисунок 2.1 - Схема прокатной линии планетарного стана Сендзимира: 1 – проходная роликовая нагревательная печь; 2 – задающие валки планетарной клети; 3 – проводки; 4 – рабочие планетарные валки; 5 – обоймы-сепараторы; 6 – опорные валки планетарной клети; 7 – петлерегулятор; 8 – прогладочная клеть; 9 – летучие ножницы для обрезки концов полосы; 10 – моталка

В планетарных станах конструкции Сендземира крутящий момент привода может передаваться рабочим валком через сепараторы либо через опорные валки. Конструкция станов с приводом через сепараторы гораздо проще, но применяются они только для сталей и сплавов с низким сопротивлением деформации

. Поэтому чаще применяют привод через опорные валки.
Планетарные станы могут работать как самостоятельный агрегат, либо в составе литейно-прокатных агрегатов.
В любом случае технологический процесс начинается с нагрева (или подогрева) заготовки. После этого заготовка поступает к задающим роликам, а с их помощью – в рабочую клеть. Задающие ролики планетарных клетей диаметром 450-900 мм имеют привод от двигателя мощностью до 600 кВт через редуктор. На некоторых станах в качестве задающей клети применяют вертикальные клети, выполняющие также роль окалиноломателя. Для предотвращения изгиба сляба между задающими роликами и планетарной клетью установлены водоохлаждаемые проводки.
Планетарная клеть стана Сендземира состоит из двух опорных валков диаметром 450-1300 мм, длиной бочки 450-1450 мм, вокруг которых располагаются до 50 рабочих валков диаметром 50-200 мм. Рабочие валки закреплены в сепараторах, вращающихся, как и опорные валки, в направлении прокатки, но с меньшей скоростью, что обусловливает вращение рабочих валков малого диаметра в направлении, обратном направлению перемещения раската. Для сохранения взаимного расположения рабочих валков в верхних и нижних обоймах, а также их синхронного вращения, сепараторы связаны между собой шестернями, которые приводятся во вращение от приводного двигателя опорных валков [2, 3].
Одним из существенных недостатков стана Сендземира является то, что выходящая из клети полоса имеет волнистую форму. Это объясняется тем, что рабочие валки, пройдя точку наибольшего сближения, начинают расходиться, двигаясь по окружности и продолжая деформировать смещенный объем. Обычно она не превышает 0,05 мм на сторону. Сглаживание гребешков происходит в прогладочной клети (обжатие 30-50%). Прогладочные клети двухвалковые с диаметром валков до 800 мм, мощность привода до 600 кВт. Между прогладочной клетью и моталкой создается натяжение полосы, обеспечивающее качественную смотку полосы в рулон.
В клетях конструкции Круппа-Платцера опорный валок неподвижен, а рабочие валки (как и в стане Снедземира) вращаются в сепараторах вокруг него. Для согласования направления вращения рабочего валка между рабочими и опорными валками помещены промежуточные валки, значительно усложняющие конструкцию клети. Схема валкового узла стана Круппа-Платцера показана на рис. 2.2. Вращение обойм, как и в стане Сендземира, синхронизировано. Задающие валки, как правило, смонтированы в планетарной клети.


Рисунок 2.2 - Схема узла валков и расположения задающих роликов стана Круппа-Платцера: 1 – задающие ролики; 2 – опорный валок; 3 – рабочие валки; 4 – промежуточные валки

Обжатие в планетарных клетях определяется числом рабочих валков, находящихся в зоне контакта с металлом. Каждая пара рабочих валков производит незначительное обжатие. Суммарное обжатие составляет 95-98% за один проход. Интенсивная деформация обусловливает повышение температуры металла в очаге деформации на 100-150°С, что позволяет снизить температуру нагрева сляба в проходной печи и тем самым сэкономить топливо и снизить угар металла.
Скорость задачи металла в клеть 0,5-3,5 м/мин (что соответствует скорости разливки слябов на МНЛЗ), а скорость выхода полосы из валков 0,5-2 м/с.
Как станам Сендземира, так и станам Круппа-Платцера присущи определенные недостатки [2, 4]. Как было отмечено ранее, на станах Сендземира имеется волнистость прокатываемой полосы. Стан Круппа-Платцера лишен этого недостатка и имеет в зоне деформации прямолинейный калибрующий участок, сглаживающий поверхность полосы. Однако стан Круппа-Платцера конструктивно существенно сложнее стана Сендземира за счет наличия промежуточных валков. Кроме волнистости выходящей полосы на стане Сендземира и сложности конструкции стана Круппа-Платцера, этим станам присущи и другие недостатки. При работе каждый валок, а точнее, пара синхронно движущихся верхнего и нижнего валков деформирует небольшой объем металла прокатываемой полосы. Для достижения необходимой производительности число рабочих валков доводят до 20-50, поскольку рабочие валки располагаются в узлах почти вплотную, то столь большое их число ведет к уменьшению диаметра подшипниковых опор рабочих валков. С другой стороны, достижение необходимой производительности заставляет держать скорость вращения сепараторов весьма высокой, что в конечном итоге приводит к высокой угловой скорости вращения рабочих валков, которая на практике достигает 2-3 тыс. об/мин. .
Стечение таких факторов, как конструктивно продиктованные малые размеры подшипниковых опор и высокие скорости вращения рабочих валков под нагрузкой, приводят зачастую к низкой работоспособности подобных станов.
Толщина заготовки для планетарных станов до 150 мм, толщина прокатываемых полос 1,2-6,5 мм, годовая производительность 50-200 тыс.т.
На территории бывшего СССР в настоящее время в промышленной эксплуатации планетарных станов для производства полос нет.

2.2 Применение планетарных станов при сортовой прокатке

Важную роль в сортопрокатном производстве играют обжимные группы клетей, которые должны обеспечивать высокие значения вытяжки на ограниченном пространстве с тем, чтобы максимально использовать тепло непрерывнолитой заготовки и увеличить размеры поперечного сечения заготовки, что упрощает процесс разливки и получение высококачественных заготовок. Известны высокоредукционные станы черновой прокатки различной конструкции, например: планетарный стан, стан винтовой прокатки, а также малогабаритная обжимная группа быстросменных двухвалковых чередующихся горизонтальных и вертикальных клетей.
Многообразие обжимных машин, разработанных и освоенных ведущими фирмами, свидетельствует об интенсивном поиске наиболее эффективных технологических решений в данной области.
Основная отличительная особенность процесса планетарной прокатки заключается в деформации металла большим числом рабочих валков с весьма незначительной площадью контакта, определяемая малой скоростью подачи заготовки. Благоприятная схема напряженного состояния, небольшое уширение и отсутствие на большей части зоны обжатий растягивающих напряжений позволяет проводить деформацию без нарушения сплошности малопластичных сплавов.
Усилия, возникающие от действия рабочих валков небольшого диаметра, сравнительно невелики, что позволяет прокатывать материалы с повышенным сопротивлением деформации. Значительные обжатия заготовки, производимые с высокой скоростью деформации в одной клети, приводят к интенсивному повышению температуры выходящего из клети металла, что особенно важно при прокатке труднодеформируемых сталей и сплавов, имеющих узкий температурный интервал деформации.
Процесс планетарной прокатки позволяет в одной клети осуществить вытяжку до 50, что позволяет заменить 18-20 обычных двухвалковых клетей