Разгрузочные конвейеры служат для передачи рулонов на склад обвязки, взвешивания и маркировки.

Обвязочные машины служат для обвязки рулонов. Расположены в позициях № 3 каждого разгрузочного конвейера. Число обвязочных лент - 1.

Весы № 1 и № 2 служат для взвешивания готовых рулонов. Максимально взвешиваемая масса - 50 тонн.

Цена деления - 10 кг.

Погрешность при взвешивании ± 10 кг.

3.2 Тепловой расчет термоагрегата

Тепловой расчет термических печей сводится к определению расхода тепла, мощности печи, коэффициента полезного действия.

Топливом служит естественный газ с низкой теплотой сгорания

Q^P_H = 8330 ккал/м³. Он представляет собой смесь газов Н₂, СН₄, СО, С₂Н₄, N₂, СО₂, О₂. В результате реакций горения

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О;

С₂Н₄ + 3O₂ = 2СO₂ + 2Н₂O;

2H₂S + 3O₂. = 2SO₂ + 2H₂O

выделяется тепло, необходимое для создания нужной температуры в печи.

Прежде чем перейти к расчету теплового баланса, необходимо выбрать материалы и толщину отдельных элементов кладки рабочей камеры печи.

Материал, толщина и качество выполнения кладки должны обеспечивать надежную длительную службу при работе с максимально допустимой по условиям температурой печи при минимуме затрат на сооружение и эксплуатацию кладки.

Основой теплового расчета печей является составление теплового баланса, разграничивающего статьи прихода и расхода тепла

Q_прих = Q_расх (1)

Расходуемое тепло делится на тепло, идущее на нагрев металла и на потери тепла.

Потери тепла включают в себя потери тепла на кладку и неучтенные потери.

Уравнение теплового баланса печи может быть записано в следующем виде

Q_pacx = Q_н + Q_кл + Q_неучт, (2)

где Q_H - тепло, затрачиваемое на нагрев металла;

Q_кл - тепло, отдаваемое окружающему пространству через кладку печи;

Q_неучт - неучтенные потери.

Расход тепла на нагрев металла находится по формуле

Q_м = ? (C₂t_к - C₁t_н), (3)

где G - масса металла, кг.;

ф_н - время нагрева, °С;

t_K и t_H - начальная и конечная температуры металла, °С.

Q_неучт = (У ? (Q_м + Q_кл)) ? 0,1 (4)

Q_кл = F ? q, (5)

где F - площадь рабочего пространства печи;

q - плотность теплового потока, теряемого в окружающее пространство через насадку, Вт/м².

Трудность расчета Q_кл связана с определением q, поэтому все расчеты проводятся на ЭВМ.

Площадь пересчитывается по формуле

F = 2 ? (a ? b) + 2 ? (b ? с) + 2 ? (а ? с), (6)

где а - ширина печи, м;

b - высота печи, м;

с - длина печи, м.

Камеры нагрева, повторного нагрева, выдержки, охлаждения, перестаривания имеют двухслойную стенку, состоящую из шамотного легковеса и стеклянной ваты.

Теплопроводность первого слоя - (0,29 + 0,00026t) Вт/(м ? °С); для второго слоя - (0,029 + 0,00022t) Вт/(м ? °С).

Температура 950° С:

t₁ = 623,5° C; t₂ = 59,8° C; q₁ = 293,57 Вт/м².

Температура 870° С:

t₁ = 575,6° С; t₂ = 56° С; q₂ = 253,84 Вт/м².

Температура 780° С:

t₁ = 348° C; t₂ = 52° C; q₃ = 215,99 Вт/м².

Температура 500° С:

t₁ = 348° C; t₂ = 41° C; q₄ = 110 Вт/м².

Температура 300° С:

t₁ = 219° C; t₂ = 35° C; q₅ = 52,45 Вт/м².

Камеры нагрева, повторного нагрева, выдержки, охлаждения, перестаривания имеют двухслойную стенку, состоящую из шамотного легковеса и муллитокремнеземистого волокна.

124

Размещено на http://www.allbest.ru/

123

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Двухслойная стенка камеры нагрева

Определяем массу металла по секциям для полосы толщиной а = 0,7 мм и шириной в = 1200 мм.

1) Секция нагрева

длина l₁ = 337392; объем полосы равен

V₁ = а ? в ? l₁ = 0,7 ? 1200 ? 337392 = 0,283 ? 10³ мм³.

Масса металла G равна

G = =2200 кг.

2) Секция повторного нагрева

длина l₂ = 173844; объем полосы равен

V₂= а ? в ? l₂ = 0,146 ? 10³ мм³.

Масса металла G = 1139 кг.

Отсюда находим тепло, расходуемое на нагрев металла

Q_M1 = ? (0,666 ? 1223 - 0,484 ? 293) = 16440,98 кВт.

1) Секция нагрева

высота печи - в = 19,206 м;

длина печи - с = 16,632 м;

ширина печи - а = 3,366 м;

F = 880,13 м²;

Q_кл1 = 293,58 ? 880,13 = 258,389 кВт.

2) Секция выдержки

в = 19,206 м;

с = 8,316 м;

а = 3,366 м;

F = 504,7 м²;

Q_кл2 = 255,84 ? 504,7 = 129 кВт.

3) Секция газового охлаждения

в = 17,4 м;

с = 2,77 м;

а = 3,366 м;

F = 229,73 м²;

Q_кл3 = 215,99 ? 229,73 = 49,62 кВт,

Q_кл1 = Q_кл1 + Q_кл2 + Q_кл3 = 473,13 кВт;

Q_неучт = 1687,81 кВт,

Q_pacx = 18565,92 кВт,

Q_Me = ? (0,666 ? 1223 - 0,484 ? 293) = 8516,46 кВт.

4) Секция повторного нагрева

в = 20,196 м;

с = 12,672 м;

а = 3,366 м;

F = 733,12 м²;

Q_кл1 = 293,58 ? 733,12 = 215,229 кВт.

5) Секция перестаривания

в = 20,196 м;

с = 12,87 м;

а = 3,366 м;

F = 742,45 м²;

Q_кл = 352,45 ? 742,45 = 38,942 кВт,

Q_{кл II} = 361,85 кВт,

Q_неучт = 887,83 кВт,

Q_{pacx II} = 9766,14 кВт,

Q_pacx = Q_{pacx I} + Q_{pacx II} = 28332,06 кВт.

Коэффициент полезного действия находится по формуле

з = ? 100%, (7)

з = ? 100% = 88%,

P_расч = ? Q_расх; (8)

Р_расч = 28332,06 кВт;

Р_уст = (1,25-1,5) ? Р_расч;

Р_уст. = 36831,68 кВт = 36000 кВт.

3.3 Расчет количества оборудования по нормам времени и укрупненным показателям

Расчет основного оборудования производится на основании производственной программы, спроектированного технологического процесса термической обработки, режима работы отделения и фонда времени оборудования. Расчет оборудования ведется аналогично.

Номинальный фонд времени - это количество часов в году в соответствии с режимом работы, без учета потерь

Ф_н = [Т_к-(Т_в + Т_н)] ? h ? S, (9)

где Ф_н - номинальный годовой фонд времени, ч;

Т_к - число календарных дней;

Т_в - число выходных дней;

Т_н - число праздников;

h - число рабочих часов в смене;

S - число смен в сутки.

Так как трехсменный режим работы непрерывный, то Т_н = 0 и Т_в = 0,

Ф_н = 365 ? 8 ? 3 = 8760 часов.

Действительный (расчетный) фонд времени равен тому времени, которое может быть полностью использовано для производства. Величина этого фонда времени равна номинальному фонду с вычетом потерь времени на простои оборудовании, связанные с его ремонтом и наладкой

Ф_д = Ф_н - (t_S + t_e), (10)

где t_s - технологические простои в часах;

t_e - технические простои в часах.

Обычно сумма этих потерь принимается равной от 4 до 12% от номинального фонда времени

Ф_д = Ф_н - (10% от Ф_н) (11)

Ф_д = 8760 - 876 = 7884 ч.

В основе расчета по укрупненным показателям принимается удельная (часовая) производительность печей. Этот метод чаще всего применяется для оборудования периодического действия

Q = 74630 кг/ч,

где Q - часовая производительность оборудования, кг/ч.

Затем определяется задолженность оборудования, т. е. время, необходимое для термической обработки изделия по заданной программе

Z = (12)

где Z - задолженность оборудования, ч;

W - годовая программа, кг.

Z = = 6,7 ? 10³ ч.

Количество единиц оборудования определяется по формуле

П_р = , (13)

где П_р - расчетное количество единиц оборудования, шт;

Ф_д - действительный годовой фонд времени работы оборудования, ч.

П_р = = 0,85 шт.

Полученное количество единиц оборудования округляется до целого числа, которое называется принятым числом единиц оборудования

П_п = 1.

Рассчитывается коэффициент загрузки

К_з = ? 100%, (14)

где К_з - коэффициент загрузки;

П_р - расчетное количество печей;

П_п - принятое количество печей.

К_з = ? 100% = 85%

Полученное значение удовлетворяет необходимому условию (75-85%).

3.4 Расчет производственных площадей

На металлургических заводах для размещения оборудования термообработки приходится выбирать пролеты, шаг колонны и конструкцию здания, считаясь с конструкциями основных металлургических цехов.

Расчет производственных площадей исходя из размеров агрегата.

Общая длина агрегата равна 300 м.

Оставляя на проезды с каждой стороны по 3 м, получим, что общая длина отделения

300 + 3 + 3 = 306 м.

Расстояние между колоннами 6 м, поэтому длина отделения должна быть кратна шести

306 / 6 = 51 колонна.

По длине цеха расположена 51 колонна. Расстояние от стены до агрегата 1,5 м, ширина проезда 4 м, следовательно, ширина отделения

3,5 + 3 + 4 + 1,5 = 12 м.

Высота цеха 30 м. Так как отделение располагается в цехе холодной прокатки и высота отделения 30 м, площадь отделения

S_отд = 12 ? 306 = 3672 м².

Объем отделения

V_отд = 3672 ? 30 = 110160 м³.

3.5 Расчет ленточных элементов сопротивления

Рассчитаем нагреватели для печи, включенной в 3-х фазную сеть, соединение «звездой».

И_П = 380 В, Р_ном = 30 кВт, t_раб = 950 ?С

а) найдем мощность одного электронагревателя, кВт

П_ф = = = 10 кВт;

б) напряжение фазовое (на концах нагревателя), В

И_ф = = = 220 В;

в) сила тока, проходящего через нагреватель, А

J_ф = = 45,5 A;

г) сопротивление электронагревателя, Ом

R_ф = = 4,84 Ом;

По таблице 3 [8] выбираем материал, из которого изготавливают электронагреватели. В зависимости от температуры возьмем Х20Н80-ТЗ. Предположительно выберем: а = 2; в = 25 мм; m = в / а = 12 мм,

где а - толщина,

в - ширина.

По таблице 2 [8] выбираем удельную поверхностную нагрузку

н = 0,8-1,0 Вт/см².

По таблице 4 [8] выбираем с - удельное сопротивление и г - плотность

с = 1,31, г = 8,4

a = , (15)

a = = 0,987.

По таблице 6 [8] выбираем ленту толщиной а = 1, и шириной в = 12 мм,

т. к. в/а = 12 мм.

е) Длина одного нагревателя, м (всего нагревателей по агрегату 407 шт.)

l₁ = = = 44,34

ж) Длина нагревателей, м

l_общ = 407 ? 44,34 = 18044,7

з) Масса 407 нагревателей, кг

G = а ? b ? l_общ ? г ? 10^-3 = 1 ? 12 ? 18044,7 ? 8,4 ? 10^-3 кг.

и) Проверим поверхностную нагрузку

н = = = 0,867.

Сравнивая поверхностную нагрузку с допустимой, видим, что она находится в пределах допустимой (н_доп = 0,8-1,0 ) для выбранного нихрома Х20Н80-ТЗ при рабочей температуре 950° С.

Ленточные элементы сопротивления располагаются обычно зигзагом на стенках, своде и поде печи.

Рис. 3. Схема ленточного элемента сопротивления

А - высота зигзагов между центрами закругленной ленты;

D - расстояние внутри зигзагов; В - высота зигзагов; h - шаг зигзага

Расстояние внутри зигзагов (D) принимают равным не менее ширины ленты 10-60 мм, чаще 15-25 мм. Высоту зигзагов выбирают 150-500 мм при вертикальном расположении на своде и в поде печи.

При больших размерах печи ленточные нагреватели располагают в 2-3 ряда.

3.6 Контроль технологического процесса и качества продукции

В процессе отжига контролируют следующие параметры:

- качество входящих рулонов и соответствие их заданию на обработку (на каждом рулоне);

- длину обрезаемых концов, количество резов (на каждом рулоне);

- качество сварного шва (на каждом рулоне);

- концентрацию и температуру моющих и травильных растворов (на каждом рулоне);

- температуру полосы по зонам и секциям печи (на каждом рулоне);

- степень обжатия полосы (проверка удлинения скобой по указанию ИЦ), степень обжатия (на каждом рулоне);

- качество поверхности полос (на каждом рулоне);

- контроль валков (перед каждой перевалкой контроль состояния бочек рабочих и опорных валков);

- механические свойства полосы;

- шероховатость полосы.

При получении продукции несоответствующего качества технологический персонал предпринимает меры по предупреждению повторения несоответствий (вплоть до остановки агрегата) в соответствии с требованиями СТП СК 05757665-14-01.

Аттестацию производят по ТИ 05757665-ПХЛ.4-19-2001 «Аттестация готовой продукции».

Контроль качества готовой продукции производится приборами неразрушающего контроля, установленными в линии АНО и подключенными к компьютеру.

Контроль качества поверхности полосы производится автоматизированным оптическим дефектоскопом «Дефектофло», за исключением, когда включена маркировочная машина. «Дефектофло» определяет суммарную длину участков полосы с недопустимыми дефектами на верхней и нижней поверхности.

Результаты контроля автоматически распечатываются на протоколе качества выходного поста АНО в метрах длины полосы, а также выводятся на дисплей СГР.

Контроль механических свойств полосы производится магнитно-статическим методом.

Показатели качества рассчитываются на компьютере по уравнениям регрессии, учитывающим марку, номинальную толщину полосы, показания бесконтактного магнитного контроллера твердости «Твердомер» и содержание марганца в плавке по паспортным данным, «Твердомер» работает непрерывно.

На протоколе распечатывается также суммарная длина участков полосы с механическими свойствами, выходящими за браковочные пределы.

Внутренние дефекты полосы контролируются ультразвуковым дефектоскопом «Ультрасоник». Он включается при производстве заказов на продукцию, контролируемую ультразвуком.

При неисправности «Дефектофло» контроль качества поверхности производится визуально.

При неисправности «Твердомера» и при отжиге без дрессировки, механические испытания производятся прямым методом в лаборатории механических испытаний.

При прохождении через АНО полосы с грубыми дефектами поверхности: складки, рваная крошка и т.п., оператор управления выводит их из зоны контроля и вновь вводит в работу после восстановления нормальной формы полосы.

Шероховатость полосы и ее механические свойства определяются в лаборатории механических испытаний.

4. МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ

4.1 Механизация

Механизация означает замену труда человека на операции, которые возможно и целесообразно выполнять с помощью машин, и направлена на облегчение условий работы, улучшение качества продукции и дальнейшее повышение производительности труда.

Комплексная автоматизация процессов в термообработке приводит к повышению общей культуры производства. Труд становится более квалифицированным.

Примером комплексной механизации могут служить агрегаты, в которых осуществляют циклическую, заранее установленную последовательность механических движений обрабатываемых изделий через печи, баки и т. п., причем в последних постоянно поддерживают заданные условия термообработки.

Вследствие комплексной механизации в 2-3 раза уменьшается трудоемкость производства, в 3-5 раз сокращается производительный цикл, в 5-10 раз снижается потребность в рабочей силе, и на 30-50% уменьшаются производственные площади.

Один из главных механизмов - натяжное устройство служит для создания и регулирования натяжения полосы на выходе из печной части агрегата. Оно состоит из двух направляющих роликов и плавающего ролика 180 мм. Для привода плавающего ролика необходима мощность 5 кВт, которая должна создаваться электродвигателем.

Кинематическая схема этого механизма приведена на рисунке 4.

Выбрать электродвигатель - это значит определить его тип и номинальные параметры (мощность Р_дв и частоту вращения n_дв). Для общепромышленных приводов обычно применяют трехфазные асинхронные двигатели ИА (ГОСТ 19523-74).

Рис. 4. Кинематическая схема привода

Требуемая мощность Р_тр, которую должен развить электродвигатель для приведения в движение рабочего органа, определяется по формуле

Р_тр = , (16)

где Р - мощность по валу рабочей машины;

з_общ - общий КПД привода.

Общий КПД привода определяют как произведение КПД отдельных передач

з_общ = з₁ ? з₂ ? ... ? з_к, (17)

где к - число передач, составляющих привод;

з_рп = 0,96;

з_зп = 0,97;

з_общ = 0,96 ? 0,97 = 0,93;

тогда Р_тр = = 5,4 кВт.

Следовательно, необходимо выбрать двигатель с мощностью 5,5 кВт. Номинальная мощность двигателя в длительном режиме должна быть

Р_дв ? Р_тр

Типы двигателей с мощностью 5,5 кВт представлены в таблице 5.

Таблица 5. Основные параметры двигателей с мощностью 5,5 кВт

Тип двигателя	Р, кВт	NK, об/мин	Nc, об/мин	Примечание
4А100Б2УЗ	5,5	2880	3000	Закрытые обдуваемые двигатели с нормальным пусковым моментом
4А112М4УЗ	5,5	1450	1500
4А13286УЗ	5,5	965	1000
4А132М8УЗ	5,5	720	750

Для того чтобы выбрать тип двигателя, необходимо знать частоту вращения вала электродвигателя, которая находится

n_р = n_iобщ, (18)

где n_р - частота вращения вала рабочей машины;

i_общ - общее передаточное отношение привода.

Если рабочий орган движется поступательно со скоростью и, м/с, то частота вращения вала рабочей машины

n = , (19)

где с - длина окружности тягового органа, мм;

с = р ? D, где D - диаметр шестерни;

и = 0,95 м/мин;

c = р ? 50 = 157 мм;

n = = 363 об/мин.

Общее передаточное отношение привода равно произведению передаточных отношений отдельных передач

i_общ = i₁ ? i₂ ? ... ? i_к, (20)

i_рп = 3,15,

i_зп = 2,5,

i_общ = 3,15 ? 2,5 = 7,878 об/мин.

Следовательно, двигатель, который обеспечит заданную мощность и частоту вращения вала электродвигателя - типа 4А100Б2УЗ.

Определим угловые скорости вращения валов

двигателя (1-го вала)

щ_дв = щ₁ = , (21)

щ_дв = = 314 рад/мин;

двигателя (2-го вала)

щ₂ = , (22)

щ₂ = = 24,93 рад/мин.

4.2 Автоматизация

Автоматическая система управления АНО состоит из вычислительной машины управления технологическим процессом, вычислительной машины обработки данных типа «MELCOM 350-7», двух микроконтроллеров типа «MELMIC», трех микроконтроллеров типа «MELSEC», контрольно-измерительных и регулирующих приборов, контроллера «MELPLAC 550».

Машины и оборудование агрегата отжига могут использоваться в нескольких режимах работы:

- ручной режим работы - режим работы, при котором оператор сам управляет механизмами с локальных пультов управления;

- полуавтоматический режим работы - режим работы оборудования, при котором оператор задает задание на регулирование и это задание отрабатывается регулятором или микроконтроллером;

- автоматический режим работы - режим работы оборудования, при котором задание на регуляторы и микроконтроллеры рассчитываются, передаются и контролируются вычислительной машиной управления технологическим процессом (УВМ ТП).

4.2.1 Функции вычислительной машины управления технологическим процессом

Главные функции вычислительной машины:

- сопровождение рулонов от разматывателя на входной части агрегата до весов на выходной;

- индикация перемещения сварного шва по линии агрегата на табло слежения выходного поста;

- расчет и выдача заданий для настройки агрегата при прохождении нового рулона;

- расчет и выдача заданий на резку рулонов заданной длины;

- расчет оптимального режима нагрева металла в печи и выдача заданий на температуру печи и на скорость транспортировки полосы;

- управление нагревом печи при аварийных остановках агрегата;

- выдача данных операторам постов о характеристиках обрабатываемого металла и режимах его обработки, а также корректировка этих данных;

- передача данных об обрабатываемых рулонах в вычислительную машину обработки данных;

- регистрация дефектов обработанной полосы (дефекты поверхности, дефекты по твердости, толщине, внутренние дефекты);

- учет обрабатываемых рулонов;

- защита от повторной обработки рулонов в АНО.

4.2.2 Функции вычислительной машины обработки данных

Главные функции:

- формирование массива данных о рулонах по запросу задания на обработку из системы слежения за металлом (ССМ) или после ввода данных оператором входного поста с пульта ввода-вывода компьютера;

- регистрация заданий на обработку рулонов по мере их поступления в систему;

-регистрация неисправностей механического оборудования, электрооборудования, оборудования вычислительной техники в момент возникновения неисправности (диагностика);

- регистрация технологических данных по режиму обработки рулонов;

- представление данных оператору выходного поста агрегата на экране дисплея;

- корректировка и обновление данных о рулонах по требованию оператора поста;

- прием данных об обработке рулонов от вычислительной машины управления технологическим процессом;

- передача в ССМ данных о каждом готовом рулоне для формирования сменного рапорта;

- передача в ССМ данных о производстве и простоях АНО за прошедший час.

Микроконтроллер «MELMIC» входной части агрегата обеспечивает выполнение операций по заправке полосы в агрегат, а также осуществляет управление разгоном и торможением входной части агрегата.

Микроконтроллер «MELPLAC 550» средней части агрегата обеспечивает поддерживание заданной скорости в центральной части агрегата в соответствии с заданиями от вычислительной машины, а также необходимое натяжение. На базе контроллера «MELPLAC 550» выполнена система диагностики средней части агрегата, позволяющая непрерывно записывать технологические параметры печи и фиксировать развитие отклонений от нормы и аварийные ситуации.

Микроконтроллер «MELMIC» выходной части агрегата обеспечивает выполнение ряда операций на выходной части агрегата, а также управляет разгоном и торможением выходной части агрегата.

Микроконтроллеры «MELSEC» обеспечивают управление последовательностью операций по транспортировке полосы по линии агрегата, а также обеспечивают выполнение ряда вспомогательных операций, связанных с очисткой полосы.

4.2.3 Функционирование автоматизированной системы управления

Ввод данных.

По каждому рулону, поступающему на агрегат в обработку, после запроса оператора, из ССМ автоматически поступает задание на обработку, включающее следующие данные:

- номер партии;

- номер рулона;

- толщина;

- ширина;

- масса холоднокатаного рулона (фактическая);

- марка стали (код);

- условия обработки (код);

- режим отжига;

- дефекты (код и длина);

- масса холоднокатаного рулона (задание);

- толщина полосы по позиции заказа;

- схема обработки (код).

В качестве резервного предусмотрен ввод задания на обработку оператором входного поста с пульта ввода-вывода компьютера.

В этом случае обязательным для ввода являются следующие параметры:

- номер партии;

- номер рулона;

- толщина;

- ширина;

- режим отжига;

- марка стали (код).

Введенные данные распечатывают в виде задания на обработку рулонов на печатающем устройстве входного поста.

Кроме того, эти данные можно вывести на экран дисплея выходного поста. Оператор поста должен их контролировать.

В случае обнаружения ошибок, данные необходимо исправить с помощью цифровых переключателей пульта ввода-вывода компьютера на входном посту.

Если запрашиваемый (или вводимый) рулон ранее уже был обработан на АНО, то данные на этот рулон не вводятся, а оператору входного поста выдается сообщение и зажигается лампочка «рулон был обработан».

Предусмотрен повторный ввод данных о рулоне с признаком переотжига.

4.2.4 Транспортировка рулона и установка на разматыватель

После установки рулона на приемный конвейер он перемещается в положение, где обрезается лента. При перемещении рулона микроконтроллер «MELMIC» измеряет диаметр и ширину рулона, и эти данные передаются в вычислительную машину для обработки.

Если данные не совпадают с хранящимися в вычислительной машине данными по поступившему рулону, то в микроконтроллер выдают сообщение о невозможности автоматической установки рулона на разматыватель, и эту операцию необходимо выполнять в ручном режиме.

Если же данные совпадают, то, используя их, производится автоматическое центрирование рулона на разматывателе и центрирование по оси агрегата, и выдается команда на разжатие барабана разматывателя.

В момент установки рулона на разматыватель вычислительная машина выдает задание на установку режима сварки и боковых направляющих. После установки на разматыватель конец рулона автоматически отгибают и подают по команде оператора входного поста управления в тянущие ролики. Далее автоматически производится обрезка переднего конца на заданную длину, и конец рулона подают в положение ожидания перед сварочной машиной.

Оператор входного поста с пульта управления может при необходимости выполнить отдельные операции по заправке рулона.

4.2.5 Сварка полосы, входной накопитель полосы

Микроконтроллер «MELMIC» рассчитывает длину полосы в разматываемом рулоне и длину обрезаемого концевого участка рулона. При достижении заранее заданной длины рулона происходит останов входной части агрегата, обрезка концевых участков разматываемого рулона и сварка с передним концом последующего рулона. Режим сварки предварительно задают вычислительной машине с учетом толщины и марки стали. Возле сварного шва пробивают отверстие для последующего слежения за перемещением шва по линии агрегата.

При сварке заднего конца предыдущего рулона с началом более широкого последующего рулона, высеченным прессом производят обрезку выступающих углов. Приваренный рулон запоминают для учета обработанных рулонов.

Производят ускорение входной части агрегата до момента заполнения входного накопителя, после чего скорость полосы во входной части синхронизируют со скоростью полосы в центральной части агрегата.

4.2.6 Слежение за сварным швом

С момента сварки рулонов и до момента резки отожженных рулонов система управления осуществляет слежение за перемещением сварного шва по линии агрегата и, следовательно, за завершением обработки предшествующего и за началом обработки последующего рулона. Положение сварного шва по линии агрегата моделируется компьютером на основании сигналов, поступающих от генераторов импульсов и индицируется на панели слежения, расположенной на выходном посту управления. Коррекция модели слежения производится автоматически по сигналам от датчиков сварного шва. На основании информации о положении шва по линии агрегата определяют моменты перестройки технологического режима на агрегате для обработки поступающего нового рулона, и рассчитываются новые заданные значения для различных механизмов агрегата.

4.2.7 Расчет и реализация заданных значений

При поступлении новой полосы на агрегат при необходимости (в случае если она отличается от предыдущей геометрическими размерами или режимом обработки) рассчитывают новые значения для механизмов и узлов агрегата.

При прохождении сварного шва через эти механизмы, их режим работы изменяют в соответствии с новыми заданиями.

Рассчитывают и реализуют нижеследующие задания.

Задания по натяжению:

- на плавающих роликах № 1 и № 2, на моталке;

- на дрессировочной клети (на входе и выходе) и натяжения печи (в 8-ми точках).

Задания для дрессировочной клети при прохождении через нее сварного шва (задание по удлинению полосы в дрессировочной клети).

Новые предельные значения для толщиномера (верхние и нижние предельные значения).

Настройка выходных боковых направляющих на новую ширину после обрезки предшествующего рулона.

При прохождении сварного шва через печную часть агрегата в случае необходимости постепенно от секции к секции меняют режим отжига поступившего на обработку рулона.

Оператор выходного поста имеет возможность корректировать задаваемое значение, используя для этой цели пульты управления.

4.2.8 Управление нагревом полосы

Система управления позволяет осуществлять нагрев полосы при различных режимах работы агрегата с целью обеспечения заданных качественных показателей.

При поступлении в печную часть агрегата полосы, отличающейся от предыдущей по толщине, производят изменение скорости транспортировки и распределения нагрузок на зоны печи для обеспечения необходимого нагрева. Если последующая полоса тоньше предыдущей, скорость будет ступенчато увеличиваться.

Если же последующая полоса толще предыдущей, скорость полосы будет ступенчато уменьшаться.

При необходимости изменения режима нагрева металла система производит изменение температуры по каждой секции печной части агрегата с целью обеспечения нагрева металла по новому графику нагрева. В связи с тем, что перестройка температурного режима требует значительного времени целесообразно использовать заправочные рулоны до тех пор, пока не будет настроен новый режим нагрева. Это позволяет уменьшить количество беззаказной продукции.

При необходимости увеличения или уменьшения скорости полосы система обеспечивает заданную температуру полосы, т.е. изменение скорости сопровождается соответствующим изменением температуры атмосферы в секциях печи. В случае обрыва полосы, выбора запаса петли из накопителя и т.п. среднюю часть агрегата (печная часть) останавливают и осуществляют автоматическое падение тепловой нагрузки. При этом прекращают подачу газа в секции нагрева. В секции выдержки прекращают подачу электроэнергии. Секции газоструйного охлаждения, перестаривания и ускоренного охлаждения закрывают шиберами. В секциях газоструйного охлаждения и ускоренного охлаждения останавливают вентиляторы. Оператор выходного поста в случае необходимости может сам запустить аварийное падение тепловой нагрузки.

В том случае, когда нет необходимости полного сброса тепловой нагрузки, оператор может задать температуры, до которых тепловая нагрузка должна быть сброшена. Это эффективно при непродолжительной остановке агрегата.

Во всех перечисленных случаях оператор выходного поста может корректировать рассчитанные и установленные задания по нагреву металла в секциях печи с пульта на выходном посту агрегата.

4.2.9 Выходной накопитель, промасливание, резка

По достижению заданной массы или заданной длины готового рулона предварительно рассчитанных в вычислительной машине масса или длина рулона индицируются на индикаторе панели выходного поста агрегата. При подходе сварного шва к летучим ножницам происходит замедление выходной части агрегата и осуществляется рез полосы. При этом происходит резка заданного количества проб металла для контроля, вырезка сварного шва. Передний конец нового рулона заправляют в свободную моталку, и происходит ускорение выходной части до момента выбора выходного накопителя. После этого скорость выходной части агрегата синхронизируют со скоростью центральной части. На выходе агрегата перед моталками установлена промасливающая машина, которая наносит масло в электростатическом поле. При этом обеспечивается равномерное покрытие полосы тонким слоем масла.

4.2.10 Снятие рулона, взвешивание

С моталки рулон снимают и устанавливают на первую позицию выходного конвейера. На 3-й позиции конвейера производят взвешивание рулона, и значение массы поступает в компьютер АНО.

На каждый готовый рулон формируется телеграмма в ССМ, в которую входят технологические параметры, характеризующие готовую продукцию. Телеграмму автоматически передают в ССМ при перемещении готового рулона на 4-ю позицию конвейера.

4.2.11 Протоколирование

Данные о режимах обработки рулонов на агрегате, данные о рулонах регистрируют в виде протоколов на печатающих устройствах и выдаются на экраны дисплеев.

Задание на обработку рулона.

Данный протокол выводится на печатающее устройство на входном посту агрегата. В этом протоколе для каждого рулона печатают отдельную строку, которая меняется в зависимости от способа ввода задания на обработку.

При автоматическом вводе:

- номер партии и номер рулона;

- входная толщина;

- входная ширина;

- вес входного рулона;

- код марки стали;

- код категории вытяжки;

- режим отжига.

При ручном вводе:

- время ввода;

- номер заказа;

- номер партии и номер рулона;

- количество рулонов;

- входная толщина;

- входная ширина;

- код марки стали;

- режим отжига;

- удлинение на дрессировочной клети (% - код);

- ширина позиции заказа;

- верхний и нижний пределы отклонения толщины.

Протокол обработки рулона.

По завершении обработки рулона на печатающее устройство, расположенное на выходном посту агрегата, выдают информацию:

- номер смены;

- номер бригады;

- время завершения обработки рулона;

- номер партии;

- номер партии АНО;

- номер рулона;

- марка стали;

- выходная толщина;

- выходная ширина;

- длина рулона;

- суммарная длина участков рулона с толщиной, выходящей за пределы;

- суммарная длина участков рулона с дефектами;

- теоретическая масса готового рулона;

- коэффициент отношения теоретической массы рулона к фактической;

- механические характеристики рулона;

- масса погонного метра.

Протокол простоев агрегата.

Протокол печатают на выходном посту управления. В протоколе регистрируют:

- время остановок;

- время запуска;

- код и причина останова (вводит оператор).

Сменный протокол.

По завершении смены на печатающем устройстве, расположенном на выходном посту, печатают сменный протокол, в котором регистрируют:

- дату;

- смену;

- бригаду;

- количество рулонов;

- суммарную массу поступивших рулонов;

- суммарную массу обработанных рулонов;

- суммарную длину обработанных рулонов;

- суммарную длину участков с дефектами;

- количество и причины простоев.

Технологический протокол.

При необходимости на АНО возможна регистрация с любым интервалом основных технологических параметров (температура полосы и атмосфера в печи, расходы воздуха газа по секциям печи) на печатающем устройстве, расположенном в машзале. Такую регистрацию осуществляют по требованию.

Кроме регистрации предусмотрена индикация информации на экране цветного дисплея, расположенного на выходном посту. Оператор выходного поста может вывести на экран дисплея данные о рулоне, данные об обработке рулона и номер партии.

На экране дисплея оператор может наблюдать за перемещением сварного шва по линии агрегата, получать информацию о рулонах, обрабатываемых на агрегате, а также ожидающих обработки, видеть параметры готового рулона, передаваемого в ССМ.

5. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5.1 Фазовые и структурные превращения при термообработке

В процессе непрерывного отжига малоуглеродистая сталь быстро нагревается до температуры рекристаллизации, близкой к точке Ас₁, в течение короткого времени выдерживается при этой температуре и затем сравнительно быстро охлаждается до комнатной температуры. Стальной лист рекристаллизуется быстро, однако при этом образуется мелкое зерно феррита. Мелкозернистость ферритной структуры обусловлена тем, что при быстром нагреве процесс кристаллизации начинается не только в центрах с оптимальными энергетическими условиями, но и в каждом достаточно благоприятном месте деформированной структуры [12].

Термический цикл непрерывного отжига в современном виде включает основные этапы:

1) быстрый нагрев;

2) высокотемпературная выдержка (в двухфазном интервале + );

3) промежуточное охлаждение с регулируемой скоростью;

4) повторный нагрев;

5) перестаривание;

6) окончательное охлаждение.

Важнейшими для структурообразования и свойств являются выдержка, охлаждение и перестаривание.

При быстром нагреве происходит первичная рекристаллизация феррита, частичное растворение карбидных, нитридных включений - обогащение феррита углеродом и азотом.

При выдержке - рост ферритных зерен, растворение карбидов, нитридов, образование аустенита, междуфазовое перераспределение элементов, формирование текстуры феррита.

При медленном охлаждении идет распад аустенита (образование нового феррита, эвтектоидное превращение), междуфазовое перераспределение, продолжение текстурообразования; при ускоренном охлаждении - пересыщение феррита углеродом, азотом.

Повторный нагрев - зародышеобразование карбида, карбонитрида.

Перестаривание - рост включений карбидов, карбонитридов, рафинирование феррита.

Охлаждение - продолжение роста включений, завершение рафинирования феррита.

В основе технологии непрерывной термообработки тонкого листа лежат процессы нагрева и охлаждения полосы в агрегате непрерывного отжига.

Малоуглеродистую сталь, предназначенную для глубокой вытяжки, рационально охлаждать в два периода: медленно, а затем быстро. При медленном охлаждении устанавливаются условия равновесия в твердом -растворе.

Большая скорость охлаждения полос оказывает значительное влияние на перенасыщение феррита углеродом и азотом, на повышение твердости полосы и ее склонности к старению.

Вследствие того, что в полосах после отжига в АНО в феррите остается большое количество растворенных элементов внедрения, чем после длительного отжига, то полосы после отжига в АНО имеют более высокие твердость и прочностные свойства и быстро стареют. Медленное охлаждение значительно замедляет старение полос в отожженном состоянии, способствует росту включений эвтектоидного карбида, последующее быстрое охлаждение влияет на распределение, размеры, количество карбидных включений и содержание углерода в твердом растворе.

Значительного ускорения процесса выделения углерода из твердого раствора и предотвращения нежелательного явления старения можно достигнуть двухступенчатой обработкой: рекристаллизационным быстрым отжигом полосы и низкотемпературным повторным нагревом (перестариванием).

Для более ясного представления о назначении операции перестаривания рассмотрим кинетику реакций на стадии охлаждения с конечной температуры отжига до температуры изотермической выдержки (перестаривания). При температуре 700^о С в -Fе растворяется около 0,02% углерода, который находится в равновесии с оставшимися частицами цементита. При более низких температурах растворимость углерода уменьшается, и он выделяется в виде третичного цементита, в связи с чем в области повышенных температур охлаждение можно вести относительно быстро, не опасаясь пересыщения раствора углеродом.

Исследование кинетики выделения углерода из пересыщенного твердого раствора во время изотермической выдержки показало, что концентрация избыточного углерода в матрице с течением времени снижается до равновесной. Ход реакций при перестаривании характеризуется процессами диффузии и коагуляции. Целью перестаривания является выделение растворенного углерода в виде мелких карбидов с последующим их укрупнением (коагуляцией), что является решающим фактором при получении сталей, предназначенных для глубокой вытяжки, при термической обработке в агрегате непрерывного отжига.

После отжига при 700^о С образуется мелкозернистая структура с выделением по границам зерен структурно свободного цементита в виде тонких пластинок. Выдержка при температуре отжига способствует некоторому снижению твердости в результате завершения собирательной рекристаллизации, а также выравниванию температуры по ширине полосы, способствует также получению полностью рекристаллизованной однородной структуры, благоприятно сказывающейся на изотропности листа [14].

5.2 Влияние легирующих элементов на критические точки и превращения в стали

Детали современных машин и конструкций работают в условиях высоких динамических нагрузок, больших концентраций напряжений и низких температур. Все это способствует хрупкому разрушению и снижает надежность работы машин. Поэтому конструкционные стали кроме высоких механических свойств, определяемых при стандартных испытаниях (, _0,2, , , _Н, НВ) должны обладать высокой конструктивной прочностью, т. е. прочностью, которая проявляется в условиях их реального применения (в виде деталей, конструкций и т. д.) и характеризует их способность противостоять внезапным разрушениям при наличии пиковых напряжений [7].

Конструкционная сталь должна иметь хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением (прокатка, ковка, штамповка и т. д.) и резанием, не образовывать шлифовочных трещин, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке и т. д. Строительные конструкционные стали должны хорошо свариваться всеми видами сварки.

Конструкционные стали поставляют в виде заготовок и сортовой горячекатаной, калиброванной и шлифованной стали, в виде листов, полос, фасонных профилей и др.

Механические свойства стали зависят от ее структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки и легирования является эффективным способом повышения механических характеристик стали [7].

Сталь, содержащая в своем составе специально введенные элементы, отсутствующие в обычной углеродистой стали, или имеющая повышенное против допускаемого в углеродистой стали количество кремния и марганца, называется легированной.

Элементы, вводимые при этом в сталь, называются легирующими. Наиболее применяемыми из них являются хром, марганец, кремний, никель, вольфрам, молибден, титан, ванадий, медь, кобальт, алюминий, бор, ниобий, цирконий. Особенно часто в современной практике сталь легируется первыми семью элементами [15].

Основной целью легирования стали является повышение ее прочности. Преимущества легированной стали выявляются после ее термической обработки.

Легированием можно улучшить соотношение между прочностью и вязкостью и значительно снизить температуру перехода стали в хрупкое состояние. Легирование повышает твердость, препятствует ее понижению при нагреве и увеличивает красностойкость (сохранение высокой твердости при повышенных температурах), повышает сопротивление износу и коррозии и может создавать у стали особые физические и химические свойства [17].

Легирование стали обеспечивает ее прокаливаемость в сравнении с простой углеродистой сталью, а также возможность получения при закалке ее в масле структуры мартенсита, что уменьшает внутренние напряжения и связанную с ними опасность появления трещин и коробления изделий [17].

Введение в сталь легирующих элементов смещает температурные границы протекания процессов при нагревании. Присутствие легирующих элементов вызывает, прежде всего, сдвиг критических точек по температуре по отношению к их положению в легированной стали, т.е. на диаграмме Fe - Fe₃C.

В сталях, легированных одним элементом, смещение критических точек в общих чертах, направлено также, как в бинарных сплавах этого элемента с железом. Объясняется это тем, что в количествах, допускаемых в стали, не изменяет принципиальных температурных границ, существования равновесных ферритной и аустенитной фаз по сравнению с тем, что наблюдается в бинарных сплавах железа с легирующими элементами.

Соответственно элементы группы никеля (никель, кобальт, марганец, медь) их понижают, а хрома (хром, молибден, вольфрам, ванадий, кремний, титан, алюминий, бор, ниобий, цирконий) повышают критические точки [17]. Эффект влияния основных элементов на положение точек А_C1 и А_C3 показан в таблице 6.

При содержании в стали одновременно двух и более легирующих элементов, влияющих на критические точки эффект влияния оказывается соответственно пониженным или повышенным больше, чем в результате воздействия только одного из присутствующих элементов. В случае содержания в стали элементов с противоположным влиянием на критические точки конечный эффект может быть различным и зависит от количественного соотношения элементов.

Влияние элементов проявляется также в сдвиге критических точек не только по температуре, но и по концентрации. Легирующие элементы (хром, марганец, молибден, вольфрам, кремний, никель) понижают содержание углерода в эвтектоиде, и, следовательно, сдвигают эвтектоидную точку в сторону меньших концентраций.

Однако некоторые элементы сдвигают состав эвтектоидной точки в сторону повышения содержания углерода (титан, ванадий).

Большинство элементов понижают также и предел растворимости углерода в г-железе. Следовательно, легирующие элементы сдвигают точку Е в сторону меньших концентраций [30]. Присутствие легирующих элементов в стали существенно отражается на скорости превращения при нагревании. Это объясняется тем, что легированные карбиды характеризуются значительно большей устойчивостью.

Скорость диффузии углерода в присутствии ряда легирующих элементов (марганец, хром, вольфрам, молибден) сильно замедляется. Существенное значение имеет также чрезвычайно низкая скорость диффузии самих легирующих элементов стали.

Между тем, процессы превращения в стали реализуются исключительно в результате перемещений атомов углерода и легирующих элементов за счет диффузии.

Таблица 6. Влияние легирующих элементов на положение критических точек А_C1 и А_C3, а также на содержание углерода в эвтектоиде легированной стали

Элемент	Vl (для S)	Fj, Hj, Pj (для А1)	Fj, Hj, Pj (для А3)
C Si Mn Cr Mo Ni V B Ti Cu Zr Al W Nb Co Ta	- - 0,05x - 0,13 + 0,005x - 0,0117 - 0,004x - 0,12x2 - 0,14x - 0,035x 0,02 0,18x 0,17x 0,05x - 0,006x2 + 0,07x 0,08x - 0,014x2 - 0,056x -0,265x2 - 0,38x - 0,009x 0,88x	- 4x2 + 18x -0,7x2 + 15x 36,3 - 3,1x - 0,1x - 10,3x - 2x 6,38x - 2x - 2,6x - 2x 11,2x 2,5x 4,8x 5,8x - 0,1x	- 235x 44,7x - 17x 3x - 18 + 15x 0,62x2 - 22,46x 22x2 - 12x 500x 70x2 - 60x - 2,5x - 50x 36x2 - 26x 6,6x 137x 2,8x 35x

Указанные факторы оказывают решающее влияние на скорость превращений при нагревании. Превращения в легированной стали при нагревании сильно замедляются, протекают при непрерывном нагреве в широком интервале температур и требуют для своего завершения значительно больших промежутков времени, чем это необходимо для превращения в углеродистой стали.

В сложнолегированной стали, содержащей в своем составе активные карбидообразующие элементы, эти превращения как в отношении полного растворения карбидов, так и в выравнивании состава аустенита в условиях нагрева, как правило, не успевают пройти до конца. Например, даже в случае нагрева до температур, на несколько сотен градусов превышающих равновесные критические точки, обычно не достигается полного растворения карбидов титана, циркония, ниобия и ванадия [31, 32, 33].

5.3 Математическое моделирование режима термической обработки низколегированных сталей

Для того чтобы решить поставленную задачу на компьютере, необходимо математическое описание задачи. На этом этапе дается формулировка задачи и круга решаемых вопросов, математическое обозначение переменных; осуществляется запись уравнений задачи, описывающих физические процессы, определяются ограничения на условия задачи, выявляются исходные и искомые величины. Математическое описание автоматизированного проектирования технологии термообработки приведено в [35, 36, 37].

Критические точки A₁ и A₃, и S зависят от содержания легирующих элементов в стали. Среднее содержание легирующих элементов (% массы) в легированной стали определяется по формуле

X_j = (Y_j + Z_j)/2, (23)

где X_j - среднее, Y_j - минимальное, Z_j - максимальное содержание легирующих элементов в стали.

Содержание углерода в эвтектоиде легированной стали

S = 0,8 + V_i X_j, (24)

где S - среднее содержание углерода в эвтектоиде;

V_iX_j - функция, показывающая на сколько изменится положение точки S при добавлении легирующего элемента, определяется из таблицы 6.

Положение критических точек А₁ и А₃

A₁ = 723 + F_i, (25)

где А₁ - средняя температура эвтектоидного превращения, ^oC;

F_i - функция, показывающие на сколько изменится положение точки A₁ при добавлении легирующего элемента.

A₃ = 911 + F_j, (26)

где A₃ - средняя температура начала превращения, ^oC;

F_j - функция, показывающие на сколько изменится положение точки A₃ при добавлении легирующего элемента (см. таблицу 6).

Температура нагрева для доэвтектоидной стали рассчитывается по формуле

T₁ = A₃ + 40, (27)

где T₁ - средняя температура нагрева, ^оС.

Температура нагрева для заэвтектоидной стали рассчитывается по формуле

T₁ = A₃ + 60, (28)

Время нагрева, мин.

(форма полосы - параллелепипед)

t_н = С К₁ l, (29)

где С - толщина образца;

K₁ - коэффициент среды ( для газа - 2, металла - 0.5).

Время выдержки, мин.

t_в = 0,25 t_н (30)

Общее время нагрева и выдержки, мин.

t_общ = t_н + t_в (31)

Регрессия используется для анализа воздействия на отдельную зависимую переменную значений одной или более независимых переменных.

Простейшей моделью регрессии является модель одномерной линейной регрессии. Обозначим случайную величину - y, а переменную - х.

y_i = + x_i, (32)

где и - постоянные (неизвестные) параметры.

и могут быть оценены с помощью метода наименьших квадратов.

; ; ; ;

; (33)

. (34)

Получаем прямую отсекающую на оси y отрезок и имеющую тангенс угла наклона с осью х, равный . Эта прямая называется эмпирической линией регрессии.

, - средние значения.

, - новые координаты (начало в точке ).

; (35)

. (36)

Идея любой процедуры регрессии состоит в том, чтобы отнести часть изменения индивидуальных наблюдений y_i за счет изменения внешних переменных. В простой модели существует только одна такая переменная

.

Относительное уменьшение, формально совпадающее с квадратом выборочного коэффициента корреляции

. (37)

Ковариационная матрица задается равенством

. (38)

Неопределенность выборочных оценок и параметров регрессии определена ковариационной матрицей.

Можно найти доверительные границы для истинной линии регрессии. Границы доверительной области будут равны

. (39)

В многомерном случае величине y соответствуют несколько x. Соответственно увеличивается количество постоянных (неизвестных) параметров, которые надо найти.

Температура полосы в секции агрегата непрерывного отжига рассчитывается исходя из известной температуры, приведенной в технологической инструкции ОАО «НЛМК» по формуле