Оптимизация дизайна каток для точного профилирования стали

Дизайн каток (Roll Pass Design)

Длинные продукты обычно прокатчивают в нескольких проходах, число которых определяется соотношением начального сечения заготовки (квадратный или круглый блум/бillette) и конечного сечения готового продукта. Площадь поперечного сечения уменьшается на каждом проходе, и форма и размер прокатываемого материала постепенно приближаются к желаемому профилю.

Прокатка осуществляется между профилированными валами. Две противоположные канавки в взаимодействующих валах образуют проход, соответствующий ожидаемой форме поперечного сечения заготовки после прохода. После каждого прохода сечение уменьшается, форма сближается с формой конечного продукта. Разработка последующих форм проходов и их правильное размещение на валах называется дизайном каток.

Дизайн каток — неотъемлемая часть процесса прокатки длинных продуктов, так как они прокатчиваются между профилированными валами в станах длинной прокатки. Дизайн каток в общем означает вырезание канавок в теле вала, через которые сталь последовательно проходит для получения нужного контура и размеров.

Основная цель дизайна каток — обеспечить выпуск продукта правильного профиля в допусках, без дефектов, с хорошим качеством поверхности и требуемыми механическими свойствами. Кроме того, должны выполняться экономические условия: максимальная производительность при минимальных затратах, оптимальное использование энергии, удобные условия для прокатчиков и минимальный износ валов.

Дизайн каток — набор методов определения размеров, формы, числа и типа расположения прокатных проходов. Также включает расчет прессовых сил и их распределения по проходам. Для каждого профиля делается несколько проходов; квадратный или круглый блум/бillette последовательно приобретает заданную форму. Проходы проектируют так, чтобы избегать избыточных напряжений в прокатываемой стали, так как они могут привести к трещинам и другим дефектам.

Дизайн каток основан на характеристиках исходной заготовки (вес блума/бillette, марка стали, температура до и во время прокатки), характеристиках готового продукта (размеры сечения, допуски, спецификации по механическим свойствам и чистоте поверхности) и характеристиках прокатного стана (число стойк, диаметр валов, прочность валов, скорость прокатки, доступная мощность привода, доступное оборудование стана). Другие важные факторы: прокатная нагрузка, усадка, деформация, скорость теплообмена — влияют на пластическое течение стали. Форма сечения в конкретном проходе должна обеспечивать свободный поток стали в вальцепромежуток/канавку. Подбор подходящего угла конусности/канавки необходим для избежания заклинивания стали в валах.

Традиционно дизайн каток воспринимался больше как искусство, чем наука. В 1969 г. Вусатовский опубликовал крупную работу, систематизирующую принципы дизайна каток. С тех пор сложность процессов прокатки длинных продуктов выросла. Современные стана строятся как непрерывные или полунепрерывные. Появилось много новых марок стали, требующих новых стратегий: контролируемая прокатка и контролируемое охлаждение — термомеханическая обработка. Сегодня это обычная практика, улучшающая качество за счет оптимизации микроструктуры, получаемой деформационно-термическими процессами (рекристаллизация, рост зерен). Следовательно, дизайн каток становится еще более сложным при оптимизации конечной микроструктуры, и проектировщикам нужно применять сложные материаловедческие и процессные модели. К счастью, за последнее десятилетие компьютерное моделирование стало доступным для такого подхода, постепенно снижая затратный метод проб и ошибок для оптимизации прокатки длинных продуктов.

Канавки валов (Roll grooves)

Существует разные типы канавок для прокатки профилей. Основные: прямоугольные ящикообразные, диагональные — квадратные и ромбовидные (алмазные), круглые или ложнокруглые, овальные. Канавки могут быть симметричными, асимметричными и щелевыми. Важные параметры: высота (глубина), угол канавки, радиус разбега, радиус дна, ширины у воротка, верха, середины дна и дефлекция середины дна. Обычно используют комбинацию канавок. Типичные чертежи некоторых симметричных, асимметричных и щелевых проходов на рис. 1.

Эмпирические правила (Thumb rules)

Некоторые эмпирические правила для угла канавки, радиуса разбега, радиуса дна и посадки даны в табл. 1.

Табл. 1 Некоторые эмпирические правила

Тип прохода	Угол канавки	Угол дна	Радиус разбега	Радиус дна
Ящикообразный	8–10°	—	10 мм	—
Ромбовидный (алмазный)	>90°	—	18 мм	—
Квадратный	45°	~90°	5 мм	—
Овальный	60°	—	5 мм	—
Промежуточный круглый	60°	30°	—	—
Для круглых	—	—	0,2 × радиус дна	0,5 × диаметр
Для круглых в финишном проходе	—	—	1,5	—

(1) Посадки от овального к круглым должны быть 0,3–0,7.
(2) Для овалов отношение ширины к высоте должно быть менее 3,0.

Основные требования к правильному дизайну каток

• Число и расположение проходов в конкретной стойке должны обеспечивать максимально равномерное использование всех проходов каждой стойки. Большее число проходов снижает выход стойки, меньшее — вызывает чрезмерный износ. Если число проходов не оптимально, возникает опасность дефектов прокатки или поломки валов.
• Должна быть равномерная усадка в последних проходах и разная усадка в ранних формовочных проходах, где сечение велико и сталь горячая.
• Усадка должна распределяться так, чтобы обеспечить, насколько возможно, равномерный износ прохода и избежать перегрузки приводов и валов.

Характеристики хорошего дизайна каток

• Обеспечивает профиль с гладкой поверхностью и правильными размерами в пределах соответствующего стандарта.
• Обеспечивает минимальное удельное потребление энергии, мощности и валов.
• Дает деформацию прокатываемого материала таким образом и на таких стадиях, чтобы минимизировать внутренние напряжения в готовом продукте.
• Создает простую и удобную рабочую культуру на стойке, минимизируя ручные операции и позволяя автоматизацию технологического процесса.
• Оптимизирует число проходов для сокращения общего цикла прокатки с минимальным временем на смену и настройку валов.

Расчеты в процессе дизайна каток

• Определение размеров готового продукта. Размеры рассчитываются как функция геометрии, материала, температуры и натяжения. Используется формула расширения Вусатовского, применяемая по методу Лендля.
• Расчет коэффициента усадки стали. Холодный размер = горячий размер / коэффициент расширения (на основе реальной температуры и напряжения текучести).
• Горячая прокатка — процесс сжатия. Прокатная сила — сила, воздействующая на валы от обрабатываемого металла, важный вопрос дизайна. Сила расщепления валов и крутящий момент влияют на весь процесс дизайна каток. Расчет прокатной силы необходим для обеспечения отсутствия перегрузки стана и достаточной мощности для редукции.
• Расчет среднего удлинения и числа необходимых проходов.
• Расчет необходимой прокатной мощности и нагрузок на механическое оборудование. Расчет нагрузки, момента и мощности по формуле Симса от блума/бillette до финишных размеров как функция геометрии, марки стали, температуры и натяжения. Расчет температуры как функция мощности, размеров и коэффициента теплообмена.
• Определение прогрессии проходов и «семейного дерева».
• Детальное черчение форм проходов.

Для контроля межстоечного натяжения важно установить точные соотношения скоростей и оборотов двигателей между стойками/двигателями в непрерывном стане. Расчет скоростей и оборотов делается от выходной скорости финиша вверх по потоку к блуму/бillette по принципу постоянного массового расхода. Расчет скорости функция финишной скорости, площади прута, диаметра валов, натяжения и прямого скольжения.

Дизайн каток не только улучшает размеры, форму и механические свойства прокатных продуктов, но и стремится оптимизировать сам прокатный процесс. Хотя дизайн каток для профильной прокатки обычно основан на эмпирическом знании экспертов, большинство эмпирических формул дают хорошие результаты только в ограниченном диапазоне. Профильная прокатка всегда была самым сложным процессом для оптимизации.

Все еще трудно решить на оптимальное решение для данной задачи дизайна каток. Часть проблемы — нет заранее заданных конкретных правил, поэтому при возникновении проблемы сложно знать точную причину. Проблема усложняется при иерархических конкурирующих целях.

Старое искусство дизайна каток превращается в современную технологию на базе научного прогресса. Задача горячего дизайна валов сейчас требует современных инструментов и методологий. С быстрым развитием компьютерного железа и ПО разработаны следующие методологии:

• Метод конечных элементов (МКЭ/ФЕМ) для дизайна проходов в профильной прокатке.
• Иерархическая конфигурация форм успешно использовалась для классификации и выявления проблем в дизайне каток. Показано, что иерархическая классификация может быть реализована каскадным меню.
• Матричный метод горячего дизайна каток. Показано, что дизайн каток доминируется расчетом различных параметров: прокатная сила, момент, расширение, удлинение, усадка и др. — со сложными расчетами. Все формулы и методы интегрированы в матричную систему дизайна каток.

Сложный процесс дизайна горячей прокатки длинных продуктов интегрирован в матричную систему дизайна. Поскольку доступные методы и информация (эмпирические, экспериментальные, теоретические и МКЭ) находятся в матрице, подход имеет потенциал дать более качественные прокатные продукты оптимизированным дизайном каток по сравнению с адхок-методами. Поэтому матричная система дизайна каток становится все более популярной.