2. PRZEGLĄD LITERATUROWY DOTYCZĄCY PROCESU WALCOWANIA
2.6. Struktura produkcji przedsiębiorstwa ArcelorMittal
ArcelorMittal Poland jest największym producentem stali w Polsce. Zakład dysponuje pełnym ciągiem technologicznym obejmującym produkcję, przetwórstwo i uszlachetnianie stali. Skupia ok. 70% potencjału produkcyjnego polskiego przemysłu hutniczego. W skład przedsiębiorstwa wchodzi sześć hut połoŜonych w Chorzowie, Sosnowcu, Świętochłowicach, Dąbrowie Górniczej oraz Krakowie (rys. 2.18).
Produkcja hutnicza obejmuje procesy wytopu oraz przetwarzania metali i ich stopów na róŜnorodne wyroby walcowane. Przebieg produkcji hutniczej przedstawiono na rysunku 2.19.
Rys. 2.19. Schematyczny przebieg produkcji wyrobu hutniczego [33]
Ponad 90% wyprodukowanej stali w świecie poddawana jest procesowi walcowania na gorąco, w którym wytwarzane są następujące grupy asortymentowe wyrobów:
- wyroby płaskie (blachy taśmowe walcowane na gorąco, blachy grube walcowane w walcowniach nawrotnych kwarto),
- wyroby długie (pręty cięŜkie ≥ 80 mm, kształtowniki cięŜkie ≥ 80 mm, szyny, pręty lekkie < 80 mm, kształtowniki lekkie < 80 mm, pręty zbrojeniowe, walcówka),
- rury (rury bez szwu, rury ze szwem).
Głównym celem produkcji metalurgicznej jest wytwarzanie wyrobów walcowanych o ściśle określonym kształcie, wysokiej dokładności wykonania wymiarów, odpowiedniej gładkości powierzchni, określonej strukturze i wymaganych właściwościach mechanicznych oraz technologicznych. Z ogólnej produkcji stali około 80-90% jej masy jest przetwarzane w walcowniach i dostarczane do odbiorców w postaci gotowych wyrobów lub półwyrobów, stanowiących wsad do dalszego przetwórstwa. Zdolności produkcyjne w skali roku sięgają w danym przedsiębiorstwie 7,6 mln Mg stali surowej oraz około 6,6 mln Mg wyrobów walcowanych [60]. Firma jest jednym z największych polskich eksporterów, sprzedającym
wyroby ponad 60 krajom. Główni odbiorcy to: przemysł motoryzacyjny, budownictwo przemysłowe, przemysł artykułów gospodarstwa domowego, opakowań itp.
Do podstawowych asortymentów zakładu naleŜy zaliczyć: - blachy i taśmy walcowane na gorąco,
- blachy i taśmy walcowane na zimno,
- blachy ocynkowane elektrolitycznie,
- blachy profilowane,
- blachy grube,
- cięŜkie odlewy staliwne i surówkowe, - kształtowniki walcowane na gorąco, - pręty i druty do zbrojenia betonu, - akcesoria kolejowe,
- półwyroby i cięŜkie odlewy staliwne,
- grodzice,
- maty budowlane,
- rury ze szwem itp.
Charakterystyka gorącej walcowni taśm stalowych ArcelorMittal Poland Oddział w Krakowie
Kryzys energetyczny oraz stagnacja na rynku taśm walcowanych na gorąco wpłynęły na zmianę podejścia do projektowania walcowni taśm. Wzrastające koszty energii zmusiły przemysł metalurgiczny do wprowadzenia szeregu zmian, z których najwaŜniejsze to:
- zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych walcowni, - rozszerzenie asortymentu produkcji,
- wprowadzenie technologii walcowania z systemami kontroli i sterowania
umoŜliwiającym uzyskanie wysokiej jakości taśm.
Odpowiedzią na te Ŝądania stał się proces gruntownej modernizacji działających dotychczas walcowni i powstawanie nowych, z uwzględnieniem innowacyjnych rozwiązań. Przykładem takiego podejścia jest wybudowana w Hucie ArelorMittal Poland w Krakowie walcownia taśm stalowych na gorąco L=2100 mm, która jest nowatorskim rozwiązaniem w zakresie konwencjonalnych walcowni taśm pracujących w Europie.
Walcownia taśm stalowych zajmuje powierzchnię około 10 ha, a jej roczna zdolność produkcji jest rzędu 2,4 mln Mg. Ma ona następującą charakterystykę produkcyjną [61]: - wsad: wlewki płaskie z maszyny COS o grubości 220-250 mm, szerokości 700-2100
mm i długości 6-11 m, o masie do 35 Mg,
- wyrób: taśma stalowa walcowana na gorąco o grubości 1,4-25,4 mm, szerokości 750-2100 mm, w kręgach o masie do 35 Mg,
- walcowane stale: niestopowe konstrukcyjne, w tym dla przemysłu samochodowego (DP) i na rury (X70), niestopowe o podwyŜszonej wytrzymałości (HSLA) oraz krzemowe (GO).
Rys. 2.20. Schemat rozplanowania urządzeń w nowej walcowni taśm na gorąco w Hucie ArcelorMittal Poland w Krakowie [61]
1 – pokroczny piec, 2 – hydrauliczny zbijacz zgorzeliny, 3 – klatka walców pionowych duo Ø1100, 4 – rejon klatki wstępnej kwarto Ø1250/1600, 5 – noŜyca bębnowa, 6 – transporter walców, 7 – zespół walcarek wykańczających, 8 – chłodnia laminarna, 9 – zwijarki
Charakterystyka techniczna najwaŜniejszych urządzeń zespołu walcowniczego, przedstawionego na rysunku 2.20 jest następująca [29, 33]:
- piec grzewczy pokroczny (rys. 2.21) opalany gazem ziemnym, o zdolności produkcyjnej 450 Mg/h. Maksymalna temperatura nagrzewania 1250 ±10oC. Szerokość robocza pieca wynosi 11 m, natomiast długość robocza 58,6 m. Zasilanie gazem w ilości 19100 Nm3/h, przy zuŜyciu ciepła ok. 1,25 GJ/Mg stali. Piec ma automatyczny system sterowania z 12 belkami stałymi i 11 ruchomymi,
Rys. 2.21. Piec pokroczny – strefa wyładunku [33]
- hydrauliczne zbijacze zgorzeliny (rys. 2.22) zainstalowane są dwa: pierwszy za piecem grzewczym na początku linii walcowniczej, drugi bezpośrednio przed grupą walcarek wykańczających. Ciśnienie robocze w systemie dochodzi do 200 bar, a w dyszach do 180 bar. Zbijacze wyposaŜone są w 4 kolektory: dwa górne i dwa dolne o przepływie wody dochodzącym do 580 m3/h,
Rys. 2.22. Rejon zbijacza zgorzeliny pierwotnej [33]
- walcarka wstępna nawrotna (rys. 2.23) składa się z dwóch klatek: jednej poziomej kwarto Ø1250/1600×2250 mm i jednej osadczej duo z walcami pionowymi Ø1100×660 mm. Klatka pozioma przeznaczona jest do redukcji grubości pasma, natomiast pionowa do redukcji szerokości pasma o max 100 mm, Podstawowe parametry wszystkich walcarek zestawiono w tablicy 2.5.
Rys. 2.23. Rejon klatki wstępnej [33]
Tablica 2.5. Charakterystyka techniczna walcowni taśm na gorąco [29]
Walcarka Średnica walców Regulacja profilu pasma
nr Nazwa i typ roboczych,
mm oporowych, mm Przesuwanie walców, mm przeginanie, kN prędkość walcowania, m/s 1 Duo z walcami
pionowymi 1100 - brak brak 6,5
2 Kwarto z walcami
poziomymi 1250-1130 1600-1440 brak brak 6,5
3 Kwarto z walcami poziomymi 825-735 1600-1440 ±125 2000/1800 PCS 4 Kwarto z walcami poziomymi 825-735 1600-1440 ±125 2000/1800 PCS 5 Kwarto z walcami poziomymi 825-735 1600-1440 ±125 2000/1800 PCS 6 Kwarto z walcami poziomymi 825-735 1600-1440 ±125 2000/1800 PCS 7 Kwarto z walcami poziomymi 730-650 1600-1440 ±125 2000/1800 PCS 8 Kwarto z walcami poziomymi 730-650 1600-1440 ±125 2000/1800 20,4
PCS – zgodnie z prawem ciągłości strugi
- noŜyca bębnowa (rys. 2.24) zainstalowana przed grupą walcarek wykańczających słuŜy do obcinania początku i końca poruszającego się pasma. Ma ona dwie pary noŜy tnących o maksymalnej sile cięcia wynoszącej 17 MN. Maksymalny przekrój ciętego pasma przy temperaturze 900 oC wynosi 55×2100 mm,
Rys. 2.24. Rejon noŜycy bębnowej [33]
- grupa walcarek wykańczających (rys. 2.25) składa się z sześciu walcarek poziomych kwarto, w układzie ciągłym ustawionych za sobą w odległości około 5 m. Pierwsze cztery walcarki mają walce robocze o wymiarach Ø825/735×2500 mm, natomiast dwie ostatnie Ø730/650×2500 mm. We wszystkich walcarkach walce oporowe mają wymiary
Ø1600/1440×2250 mm. Usytuowane są one w łoŜyskach płynnego tarcia. Końcowa prędkość walcowania wynosi max20,4 m/s. Walcarki grupy wykańczającej wyposaŜone są w automatyczny system regulacji grubości pasma oparty na hydraulicznej nastawie szczeliny walcowniczej i przeginaniu walców roboczych pod nazwą SmartCrown.
Rys. 2.25. Rejon klatek wykańczających [33]
- chłodnia laminarna (rys. 2.26) o długości 112,5 m składa się z dwóch części, pomiędzy którymi dokonuje się pomiaru pośredniej temperatury pasma. Maksymalny przepływ wody o ciśnieniu 0,7 bar przekracza 9400 m3/h. Chłodnia o łącznej liczbie 82 kolektorów podzielona jest na pięć stref chodzenia: szybkiego chłodzenia, normalnego, przerywanego, druga strefa szybkiego i przerywanego chłodzenia.
Rys. 2.26. Rejon chłodni laminarnej [33]
- zwijarki (rys. 2.27) o średnicy trzpienia Ø762/721 mm i prędkości zwijania do 21,76 m/s, mające po cztery napędzane rolki dociskające.
Rys. 2.27. Rejon zwijarek [33]
Technologia walcowania blach i taśm stalowych na gorąco przeszła wiele etapów rozwoju, zarówno w zakresie urządzeń mechanicznych, układów napędowych, jak i automatyki oraz sterowania. DuŜy postęp dokonał się równieŜ w zakresie projektowania technologii, gdzie stosowane są coraz bardziej skomplikowane modele matematyczne oraz wykorzystywane są wyniki z programów symulacyjnych. JednakŜe ogólne podstawy cyklu walcowania w zespołach ciągłych, pozostały niezmienione.
Jako wsad do walcowania na gorąco blach i taśm stalowych stosuje się niemal wyłącznie płaskie wlewki z ciągłego odlewania. WaŜnym parametrem procesu jest temperatura wlewków ładowanych do pieca grzewczego (tabl. 2.6), gdyŜ wyŜsza temperatura wlewków pozwala na lepsze wykorzystanie ciepła pochodzącego z ciekłej stali, a przez to na oszczędność energii niezbędnej do nagrzewania.
Tablica 2.6. Rodzaje powiązań technologicznych pomiędzy maszyną do ciągłego
odlewania stali a procesem walcowniczym [62]
Wsad przed piecem
Temperatura wsadu, oC
Określenie systemu powiązań
technologicznych Ciąg operacji technologicznych
Zimny < 100 Sadzanie do pieca w stanie zimnym i podgrzewanie,
Odlewanie - transport - składowanie - podgrzewanie - walcowanie
Ciepły 100-600 Sadzanie do pieca w stanie ciepłym i podgrzewanie,
Odlewanie - transport z duŜą startą ciepła - podgrzewanie - walcowanie
Gorący 600-1000 Sadzanie do pieca w stanie gorącym i dogrzewanie,
Odlewanie - transport z małą startą ciepła - podgrzewanie - walcowanie
Bardzo
gorący > 1000
Bezpośrednie walcowanie gorących wlewków
Odlewanie - szybki transport wlewków - wyrównanie temperatury -
walcowanie
Ilość zuŜywanego ciepła wpływa bezpośrednio nie tylko na koszty wytwarzania wyrobu, ale równieŜ na wielkość zanieczyszczeń, wprowadzanych do środowiska. Z tych powodów od pewnego czasu hutnictwo wdraŜa róŜne sposoby bezpośredniego walcowania wsadu gorącego. Temperatura wlewków na wyjściu z pieca zaleŜy od wymagań dotyczących produktu finalnego, zwykle wynosi 1250 oC. Nagrzany wlewek bezpośrednio po wyjściu z pieca poddawany jest operacji zbijania zgorzeliny strumieniem wody pod ciśnieniem 200 bar. Poprawia to zarówno jakość powierzchni gotowych taśm, jak równieŜ dodatkowo realizuje funkcję regulatora temperatury pasma. Proces walcowania odbywa się w dwóch etapach: wstępnym i wykańczającym. W walcarce wstępnej wykonuje się 5-7 przepustów sposobem nawrotnym. Uzyskana grubość pasma podwalcówki wynosi 26-55 mm, a długość 30-90 m. Maksymalna prędkość walcowania w walcarce wstępnej wynosi 6,5 m/s. W grupie wykańczającej pasmo walcowane jest na gorąco do grubości gotowej taśmy. Po zakończeniu procesu walcowana taśma podlega laminarnemu chłodzeniu i zwijaniu w kręgi. Maksymalna masa kręgu wynosi 35 Mg, przy jednostkowej masie równej 21,6 kg/mm. Prędkość przesuwania taśmy przez chłodnię, jak równieŜ wielkość przepływu wody chłodzącej, są dobierane stosownie do wymagań jakościowych gotowych taśm oraz są kontrolowane przez system sterowania walcowni [63].
Sterowanie całym procesem walcowania dla poszczególnych wymiarów taśm i gatunków stali odbywa się za pomocą dwupoziomowego systemu sterowania. Na poziom pierwszy składają się przede wszystkim sterowniki PLC oraz układy pomiaru profilu,
płaskości, grubości i szerokości pasma. Na poziomie drugim za pomocą odpowiednich modeli matematycznych wypracowuje się optymalne parametry procesu dla poziomu pierwszego. Spośród stosowanych w obliczeniach modeli do najwaŜniejszych naleŜą miedzy innymi: model ugięcia walców typu 3D, model profilu i płaskości walcowanego pasma, model termicznego profilu walców, model zuŜycia walców oraz model chłodzenia laminarnego [64].
W walcowni taśm rejestrowane są niezbędne dane do prawidłowego sterowania procesem walcowania. Oprócz pomiarów nacisków we wszystkich klatkach walcowniczych stosowane są następujące systemy pomiarowe, pozwalające zarządzać całym procesem technologicznym:
- system automatycznej regulacji szerokości pasma we wstępnej grupie walcarek, - system automatycznej regulacji grubości pasma w wykańczającej grupie walcarek, - system automatycznej regulacji profilu i płaskości pasma w wykańczającej grupie