Index of /rozprawy2/10425

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE. WYDZIAŁ ZARZĄDZANIA. Rozprawa doktorska. ZASTOSOWANIE METOD SYMULACJI DO SKRÓCENIA CYKLU WALCOWANIA TAŚM STALOWYCH Z WYKORZYSTANIEM MODELU ZUśYCIA WALCÓW. mgr inŜ. Mariusz Niekurzak. Promotor pracy: dr hab. inŜ. Wiktor Kubiński, prof. nadzw. AGH. Kraków 2011.

(2) Składam serdeczne podziękowania Panu dr hab. inŜ. Wiktorowi Kubińskiemu prof. AGH za okazaną pomoc i cenne uwagi przekazane mi w trakcie realizacji pracy. 1.

(3) Spis treści WYKAZ WAśNIEJSZYCH OZNACZEŃ I SKRÓTÓW....................................................... 4. WSTĘP........................................................................................................................................... 7. 1.. 2.. CEL I ZAKRES PRACY................................................................................................. 9. PRZEGLĄD LITERATUROWY DOTYCZĄCY PROCESU WALCOWANIA TAŚM W WALCOWNI GORĄCEJ....................................................................... 11. Technologia produkcji wyrobów płaskich……………………………………………..... 13. 2.1.1. Podstawy teoretyczne obróbki plastycznej............................................................... 13. 2.1.2. Podstawowe parametry i zasady projektowania procesu walcowania..................... 18. Zasada pracy walców......................................................................................................... 21. 2.2.1. Budowa walców....................................................................................................... 22. 2.2.2. Eksploatacja a mechanizmy zuŜywania się walców................................................ 25. 2.2.3. Czynniki wpływające na trwałość walców.............................................................. 30. Modelowanie przepływu ciepła w piecu pokrocznym....................................................... 33. 2.3.1. Budowa i zasada działania pieców pokrocznych..................................................... 33. 2.3.2. Algorytm nagrzania i wygrzania wlewków w piecu pokrocznym........................... 36. System planowania produkcji w walcowni taśm na gorąco............................................... 37. 2.4.1. Pojęcie i istota procesów planowania produkcji...................................................... 37. 2.4.2. Systemy planowania produkcji w hutnictwie........................................................... 40. 2.4.3. Planowanie produkcji a uwarunkowania technologiczne walcowni........................ 43. 2.4.4. Identyfikacja problemów w planowaniu produkcji walcowni taśm na gorąco........ 46. 2.5.. Postęp techniczny jako czynnik integrujący procesy w hutnictwie................................... 48. 2.6.. Struktura produkcji przedsiębiorstwa ArcelorMittal.......................................................... 50. 2.1.. 2.2.. 2.3.. 2.4.. 2.

(4) 3.. TEZY BADAWCZE......................................................................................................... 60. 4.. WŁASNE BADANIA PRZEMYSŁOWE I LABORATORYJNE.............................. 61. 4.1.. Cel i program badań........................................................................................................... 61. 4.2.. Badanie zuŜycia walców.................................................................................................... 62. 4.2.1. Statystyczna metoda określania trwałości walców................................................. 73. 4.2.2. Modelowanie zuŜycia walców w walcowni gorącej............................................... 80. 4.3.. 5.. Prognozowanie czasów przebudów walców w zespole walcowniczym dla potrzeb planowania produkcji krótko- i długoterminowej............................................................. 108 MODELOWANIE. SYMULACYJNE PROCESU. WALCOWANIA TAŚM. STALOWYCH………………………………………………………………………….. 117. 5.1.. Modelowanie i symulacja złoŜonych systemów produkcyjnych...................................... 117. 5.2.. Dosimis-3 jako narzędzie modelowania............................................................................ 120. 5.3.. Opis uŜytych narzędzi do budowy modelu....................................................................... 122. 5.4.. Opis przeprowadzonych badań…………………………………………………………. 127 5.4.1. Model walcowni gorącej – proponowane warunki procesu produkcyjnego……... 129 5.4.1.1. ZałoŜenia przyjęte do symulacji procesu………………………………... 129 5.4.1.2. Realizacja symulacji……………………………………………………... 132 5.4.1.3. Wyniki obliczeń symulacyjnych……………………………………….... 137 5.4.2. Model walcowni gorącej – rzeczywiste warunki procesu produkcyjnego……….. 141 5.4.2.1. ZałoŜenia przyjęte do symulacji procesu………………………………... 141 5.4.2.2. Realizacja symulacji……………………………………………………... 142 5.4.2.3. Wyniki obliczeń symulacyjnych………………………………………… 144. 5.5.. Wnioski wypływające z wyników modelowania symulacyjnego..................................... 147. 6.. PODSUMOWANIE I WNIOSKI KOŃCOWE............................................................ 149. LITERATURA............................................................................................................................. 151. 3.

(5) WYKAZ WAśNIEJSZYCH OZNACZEŃ I SKRÓTÓW a - stała równa maksymalnej wartości współczynnika β = 1-1,155, czyli a = 1,155, b - szerokość gotowej taśmy, −. b - średnia szerokość taśmy,. bo - szerokość pasma przed walcowaniem (przepustem), b1 - szerokość pasma po walcowaniu (przepuście), COS - ciągłe odlewanie stali, D - średnica walców roboczych, Dt - średnica teoretyczna walców, EL - błąd średni, E(α) - górny wierzchołek na powierzchni walca roboczego, F - siła nacisku metalu na walec, F1-F6 - kolejne klatki zespołu wykańczającego, HSh - twardość w jednostkach Shor’a, Hi-Cr - oznaczenie walca wykonanego z Ŝeliwa wysokochromowego, HSS - oznaczenie walca wykonanego ze stali szybkotnącej, h - końcowa grubość pasma, −. h - średnia grubość taśmy,. ho - grubość pasma przed walcowaniem (przepustem), h1 - grubość pasma po walcowaniu (przepuście), hn - grubość pasma po walcowaniu w kolejnej klatce (indeks 1-n), KIC - współczynnik intensywności napręŜeń, kw - naciski jednostkowe, L - długość drogi transportowej, LB - długość beczki walca, Lp - ilość dokonanych pomiarów przebudów walców, LØZ - długość czopa walca od strony zabudowy, LØN - długość czopa walca od strony napędu, l - długość taśmy w kampanii walcowniczej, lo - długość pasma przed walcowaniem (przepustem), ld - długość rzutu łuku styku walcowanego pasma z walcami, l1 - długość pasma po walcowaniu,. 4.

(6) Mw - moment walcowania, mv – prędkość jazdy mostu, N(α) – nieokrągłość walca, Nn - moc nominalna silnika napędowego, n-. ilość dokonanych pomiarów czasów przebudów klatek zespołu walcowniczego w ramach jednej kampanii pracy walców,. PCS - prawo ciągłości strugi, p - pionowy nacisk jednostkowy (w dowolnym punkcie x rzutu kotliny walcowniczej), jaki naleŜy wywrzeć, aby pokonać opór metalu i dokonać odkształcenia, pśr - średni nacisk jednostkowy w strefie odkształcenia, Q - wskaźnik wykorzystania walca, Q(α) - dolny wierzchołek na powierzchni walca roboczego, RM - klatka pozioma kwarto, walcarki nawrotnej, Rm - wytrzymałość na rozciąganie badanych staliw, So - powierzchnia przekroju poprzecznego pasma przed walcowaniem (So = hobo), S1 - powierzchnia przekroju poprzecznego pasma po walcowaniu (S1 = h1b1), Sd - pole powierzchni styku metalu z walce, Sn - przekrój poprzeczny gotowego wyrobu, SPCHL - podsystem chłodni laminarnej, SPNW - podsystem nagrzewania wsadu w piecu pokrocznym, SPWG - podsystem składowania wyrobów gotowych, SPWN - podsystem walcarki nawrotnej, SPWW - podsystem zespołu walcarek wykańczających, SPZ - podsystem zwijarek, T - temperatura, Tw - temperatura walcowania, tCS - całkowity czas walcowania serii, tJS - czas przebudowy walców, tZ - czas zatrzymania i uruchomienia walcowni, ^ (i ). t p - obliczony czas przebudów walców,. t (ip ) - zmierzony czas przebudów walców, U - zmniejszenie masy walca w wyniku przetoczenia, v - prędkość walcowania,. 5.

(7) vw - prędkość obwodowa walców, x, y - współrzędne, Z - ilość przewalcowanej stali, ZŚr-ST - średnie zuŜycie miesięczne walców staliwnych, ZŚr-śEL - średnie zuŜycie miesięczne walców Ŝeliwnych utwardzonych, ZŚr-HART - średnie zuŜycie miesięczne walców staliwnych hartowanych, zb - zaburzenia losowe występujące podczas walcowania, α - kąt chwytu, γ - kąt płaszczyzny neutralnej, ∆h - gniot bezwzględny, ∆L - zmiana (przyrost) długości, ∆Ti - liczba przebudowanych klatek,. ζ - parametr szerokości pasma, λ - współczynnik wydłuŜenia pasma, λc - stopień przerobu, ρ – kąt tarcia, σf – opór płynięcia metalu podczas walcowania, σp – napręŜenia uplastyczniające przy ściskaniu, σr - napręŜenia promieniowe, σo -napręŜenia poosiowe, σt - napręŜenia styczne (obwodowe), τmax - maksymalne napręŜenia ścinające, ØL - błąd średniokwadratowy, ØA, ØB, ØC - miejsca pomiarowe długości beczki walca, ØN - miejsca pomiarowe czopa walca od strony napędu, ØZ - miejsca pomiarowe czopa walca od strony zabudowy, ω - prędkość kątowa w strefie odkształcenia. Indeksy dolne i - numer przepustu i = 1, n, ij - i = 1,2,3; j = 1,2,3, max - maksimum, min - minimum, śr - średni.. 6.

(8) WSTĘP Stale rosnące zapotrzebowanie na wyroby walcowane płaskie o coraz wyŜszej jakości, przy jednoczesnym dąŜeniu do obniŜenia kosztów ich wytwarzania, zmusza przedsiębiorstwa do poszukiwania nowych rozwiązań technologicznych oraz konstrukcyjnych i jest jednym z wyzwań dla współczesnej nauki. Przykładowo, nowoczesna walcownia gorąca grupy ArcelorMittal Oddział w Krakowie wytwarzająca taśmy stalowe musi spełniać następujące wymagania [1]: -. stosować najbardziej ekonomiczny wsad z COS,. -. zapewniać wysoką powtarzalną jakość gotowych taśm stalowych,. -. zapewnić wysoki uzysk i wydajność,. -. wykazywać ograniczone zuŜycie energii i narzędzi. W procesie wytwarzania taśm stalowych najbardziej odpowiedzialnym za ich jakość. narzędziem są walce hutnicze. NaleŜą one do najdroŜszych narzędzi stosowanych w plastycznej przeróbce metali. Istotnym problemem podczas produkcji taśmy stalowej jest ich wysoki stopień zuŜycia. Walce hutnicze pracują w wyjątkowo trudnych warunkach eksploatacyjnych. Powstają w nich podczas pracy duŜe napręŜenia zginające, ściskające, skręcające oraz cieplne. Efektem wpływu tych czynników na walce robocze jest utrata wymiarów walcowanego wyrobu oraz przenoszenie faktury walca na powierzchnię wyrobu. Nieustannie poszukuje się nowych materiałów do produkcji walców, aby poprawić ich trwałość uŜytkową. Dobór odpowiedniego składu chemicznego oraz obróbki cieplnej materiału walców wpływa na ich wytrzymałość eksploatacyjną. To ciągle udoskonalane narzędzie pozwala na uzyskiwanie coraz wyŜszej wydajności oraz zapewnia uzyskiwanie taśm o wyŜszej jakości powierzchni i dokładniejszych wymiarach geometrycznych. Przygotowanie nowej technologii walcowania metodą prób i błędów jest kosztowne, mało skuteczne oraz wymaga duŜego nakładu czasu. Ciągła poprawa technologii jest waŜnym czynnikiem gwarantującym wysoką jakość, zbyt i konkurencyjność produkcji na międzynarodowym. rynku.. Sposobem. pozwalającym. na. opracowanie. efektywnego. i skutecznego programu produkcji w przedsiębiorstwie hutniczym jest zastosowanie wspomagania komputerowego, które niesie za sobą wiele cennych zalet. Z jednej strony nie wymaga wysokich nakładów finansowych, a z drugiej pozwala na szybkie uzyskanie zadawalających i wiarygodnych wyników, bez konieczności prowadzenia skomplikowanych badań doświadczalnych. Symulacje stają się powoli jedną z waŜniejszych technik. 7.

(9) wspomagających przygotowanie produkcji, nawet w tych sektorach przemysłu, w których występują nietypowe procesy technologiczne, jak np. w hutnictwie, gdzie ma się do czynienia z wielofazowym przepływem materiału. WiąŜe się to z tym, Ŝe w warunkach gospodarki rynkowej przedsiębiorstwa muszą rozwiązywać coraz bardziej złoŜone problemy w coraz krótszym czasie. Szybki rozwój techniki komputerowej i programów symulacyjnych umoŜliwia wykorzystanie tej techniki niemal w kaŜdej komórce projektowej. Na bazie istniejącego procesu produkcyjnego oraz na podstawie znajomości charakterystyk przepływu w danym procesie budowany jest model, który poddany badaniom symulacyjnym dostarcza eksperymentalnych wyników w zakresie definiowanego problemu. Zastosowanie technik komputerowych stwarza jednocześnie nowe moŜliwości racjonalnego wykorzystania rezerw tkwiących w kaŜdym procesie technologicznym. Posługując się narzędziami modelowania i symulacji naleŜy mieć na uwadze, aby korzyści osiągnięte z zastosowania tych technik były większe niŜ nakłady poniesione na ich stosowanie [2]. Aby przeprowadzona symulacja dała najlepszy efekt, musi być oparta na dokładnych modelach, precyzyjnie odzwierciedlających rzeczywiste warunki i specyfikę procesu. Biorąc pod uwagę istniejące zapotrzebowanie i stan współczesnej techniki, komputerowy model moŜe być źródłem informacji dla dalszych analiz i procesów decyzyjnych wspomagających zarządzanie przedsiębiorstwem.. 8.

(10) 1.. CEL I ZAKRES PRACY. Celem. pracy. jest. wskazanie. sposobu. właściwego. wykorzystania. narzędzi. produkcyjnych - walców hutniczych, a przez to obniŜenie kosztów wytworzenia wyrobu gotowego tj. taśmy stalowej. Realizacja celu pracy wymaga wykonania następujących zadań: −. statystyczne opracowanie wyników produkcyjnych dotyczących określenia trwałości walców w walcowni gorącej taśm stalowych,. −. określenie. wielkości. zuŜycia. walców. w. poszczególnych. klatkach. zespołu. walcowniczego, −. wyznaczenie wskaźników zuŜycia walców zabudowanych w zespole walcowniczym, wykonanych z róŜnych gatunków materiałów,. −. wykonanie badań metalurgicznych oraz symulacyjnych w celu poszukiwania lepszego niŜ obecnie jest stosowany materiału na walce,. −. określenie prognozowanych czasów przebudów walców,. −. wyznaczenie czasów nagrzewania oraz wygrzewania wlewków w piecu grzewczym. Realizacja powyŜej przedstawionych zadań pozwoli na budowę modelu symulacyjnego. przy wykorzystaniu symulatora graficznego Dosimis-3, który mając na celu redukcję kosztów wytworzenia wyrobu gotowego, będzie stanowił podstawowe źródło informacji do podejmowania. skutecznych. operacyjnych. decyzji. technologicznych. związanych. z przygotowaniem produkcji w danej walcowni: -. w ramach bieŜących, krótkookresowych podejmowanych decyzji planistycznych (8 godzin),. -. dla potrzeb długookresowego planowania produkcji (1-2 miesiące). Dla zrealizowania tak postawionych celów przyjęto określoną konstrukcję rozprawy,. zawartą w sześciu rozdziałach. W rozdziale pierwszym przedstawiono cele oraz zakres pracy. Rozdział drugi w głównej mierze poświęcono ocenie stanu teorii i osiągnięć praktyki w kwestii technologii produkcji wyrobów płaskich. Przedstawiono w nim podstawowe pojęcia i definicje, aktualne koncepcje i uwarunkowania technologiczne występujące w procesie walcowania taśm stalowych. Rozdział ten przedstawia równieŜ strukturę produkcji płaskich wyrobów walcowanych na gorąco, m.in. charakterystykę techniczną badanej 9.

(11) walcowni, technologię wytwarzania taśm stalowych oraz podstawowe zasady projektowania procesu walcowania. Szczegółowo przeanalizowano równieŜ podsystem planowania produkcji oraz dokonujący się w badanej walcowni taśm postęp techniczny. W rozdziale trzecim zawarto podstawowe hipotezy badawcze realizowanego problemu. Rozdziały czwarty i piąty zawierają część badawczą, w której przedstawiono szerokie spektrum wyników pozyskanych w trakcie prowadzenia eksperymentów i symulacji w warunkach przemysłowych z zakresu eksploatacji i zuŜycia walców w poszczególnych klatkach zespołu walcowniczego oraz prognozowania czasów ich przebudów. W celu słuszności postawionych tez na podstawie zebranych danych empirycznych, przy wykorzystaniu metod symulacyjnych utworzono modele, które porównano i zweryfikowano z wynikami uzyskanymi w warunkach przemysłowych. Rozdział szósty zawiera podsumowanie analizowanego problemu badawczego oraz wnioski końcowe. Praca ma częściowo charakter poznawczo-teoretyczny, ale przede wszystkim wymiar praktyczny. Jest ona systematycznym ujęciem dotychczasowych badań i rozwaŜań teoretycznych autora rozszerzonych o pewne nowe szczegółowe rozwiązania teoretyczne oraz badania wykonane w warunkach przemysłowych. RozwaŜania takie są konieczne do kompleksowej analizy procesu, a dostępna literatura specjalistyczna nie dostarcza dostatecznych informacji na ten temat. Temat pracy jest zgodny z zainteresowaniami naukowo-badawczymi autora. Ponadto, dąŜenie do budowania i wykorzystywania modeli symulacyjnych w celu analizy zachowań złoŜonych procesów technologicznych mieści się w ramach aktualnych tendencji i kierunków badań naukowych dotyczących inŜynierii produkcji.. 10.

(12) 2.. PRZEGLĄD LITERATUROWY DOTYCZĄCY PROCESU WALCOWANIA TAŚM W WALCOWNI GORĄCEJ. Analiza zuŜycia walców w poszczególnych etapach procesu produkcji taśmy stalowej jest zagadnieniem bardzo złoŜonym. W celu określenia dokładnych wartości ich zuŜycia oraz lokalizacji obszarów na jego powierzchni, które są najbardziej naraŜone na zniszczenie, konieczna jest kompleksowa analiza procesu produkcji taśmy stalowej. Do analizy tego procesu coraz częściej wykorzystuje się symulacje komputerowe, które umoŜliwiają przybliŜoną ocenę wartości zuŜycia narzędzi roboczych oraz pozwalają wyznaczyć połoŜenie obszarów na powierzchni walców najbardziej naroŜnych na ich zuŜycie. Analiza tych wielkości pozwala na ciągłe prowadzenie i udoskonalanie badań naukowych w kierunku przedłuŜenia trwałości eksploatacyjnej walców. DuŜym problem rosnących kosztów produkcji w walcowni gorącej taśm stanowią częste przebudowy walców oraz czasy nagrzewania wsadu w piecu pokrocznym. Problem ten wynika z niedostatecznej trwałości eksploatacyjnej beczek roboczych walców oraz z nieodpowiedniego wykorzystania mocy produkcyjnych pieca. Problemy te powodują, Ŝe walcownia ponosi ogromne koszty zuŜycia głównie energii elektrycznej i gazu ziemnego. Straty te powstają z tytułu obowiązkowych postojów walcowni na dokonanie przebudów walców oraz wygrzewania wlewków w strefie wyrównawczej pieca. O ile problem nagrzewania wsadu w omawianej walcowni został rozwiązany i szeroko przedstawiony w literaturze [3-9] oraz w podrozdziale 2.3 niniejszej pracy to problem określania trwałości walców wciąŜ stanowi główny obiekt badań metalurgicznych. Konieczność stosowania coraz lepszych jakościowo. walców, nadających się do pracy w trudnych warunkach. eksploatacyjnych, jest wyzwaniem dla współczesnej nauki. Z uwagi na waŜkość problematyki obniŜania kosztów wytworzenia wyrobu gotowego tj. taśmy stalowej oraz utrzymywania jej wymiarów w wąskich granicach tolerancji, sprawia, Ŝe kaŜdego roku coraz większa rzesza badaczy podejmuje ją publikując swoje prace. Rokrocznie organizowanych jest wiele spotkań, seminariów oraz konferencji naukowych poświęconych tej tematyce i coraz pełniej jest ona dokumentowana na stronach internetowych. Wielu autorów [10-25] podejmowało w swoich pracach badania na temat poszukiwania tworzyw na walce hutnicze o wysokiej odporności na zuŜycie oraz sposobach ich wytwarzania. Zatem dokonanie pełnego przeglądu literatury z tego zakresu jest trudnym zadaniem.. 11.

(13) Jednak literatura specjalistyczna nie dostarcza dostatecznych informacji na temat weryfikacji określonego gatunku walca w warunkach przemysłowych w okresie realizacji produkcji krótko- i długoterminowej. Przy pomocy modelowania symulacyjnego w niniejszej rozprawie podjęto próbę odzwierciedlenia warunków pracy poszczególnych gatunków walców zabudowanych w kolejnych klatkach zespołu walcowniczego. Celem było określenie ich trwałości eksploatacyjnej w zaleŜności od długości realizowanej kampanii walcowniczej oraz ustalonego programu walcowania. PrzedłuŜenie trwałości walców przyczynia się do znacznego wydłuŜenia czasów walcowania, zwiększenia wydajności produkcji oraz obniŜenia kosztów walcowni, związanych z koniecznością częstej wymiany i regeneracją walców. W pracy podjęto równieŜ próbę prognozowania czasów trwających przebudów walców zabudowanych w kolejnych klatkach zespołu walcowniczego w ramach wspomagania operacyjnych decyzji technologicznych związanych z przygotowaniem i planowaniem produkcji. W przypadku innych przedsiębiorstw hutniczych, jeŜeli były prowadzone prace w tych kierunkach, to nie znalazły one odzwierciedlenia w publikacjach naukowych. W pracy dokonano szerokiego przeglądu literatury obcojęzycznej i krajowej, wprowadzając zwęŜające kryterium tematyczne związane z potrzebami rozprawy. Przegląd literatury obejmował ksiąŜki i monografie naukowe, publikacje, czasopisma oraz materiały konferencyjne prezentujące zagadnienia związane z przemysłem hutniczym, co pozwoli uzyskać moŜliwie szerokie spojrzenie na badany problem. Na podstawie dokonanego przeglądu prac naukowych znaczna ich część została uwzględniona w rozprawie i zacytowana. Podstawowym wnioskiem wynikającym z przeglądu literatury z trzech ostatnich dekad jest niezaprzeczalny fakt, Ŝe brak jest dostatecznej literatury dokumentującej osiągnięcia badań eksperymentalnych o tematyce, którą zawiera niniejsza rozprawa. PoniewaŜ walce hutnicze uŜytkowane są w światowym przemyśle metalurgicznym, a brak jest kompleksowych prac na temat określenia trwałości walców w okresie eksploatacji planowania produkcji długoterminowej, podjęto próbę szerszej analizy tego procesu przy uŜyciu technik modelowania symulacyjnego.. 12.

(14) 2.1. Technologia produkcji wyrobów płaskich. W walcowniach wyrobów płaskich walcuje się blachy i taśmy stalowe o róŜnych wymiarach. Wyroby płaskie charakteryzują się w przybliŜeniu prostokątnym przekrojem poprzecznym i szerokością znacznie większą niŜ ich grubość. Ze względu na temperaturę walcowania wyróŜnia się blachy i taśmy walcowane na: zimno i na gorąco. Zgodnie z Normą PN-EN 10079, w zaleŜności od postaci wyroby płaskie dzielą się na: blachy, blachy uniwersalne, taśmy. Blachą nazywa się wyrób walcowany na gorąco lub na zimno, płaski o brzegach swobodnie formowanych, dostarczany w postaci arkuszy czworokątnych o szerokości 600 mm i większej. MoŜe być ona otrzymywana: bezpośrednio w procesie walcowania lub przez podział taśmy odwalcowanej w walcowni ciągłej. Blachą uniwersalną nazywa się wyrób płaski o szerokości powyŜej 150 mm do 1250 mm, grubości poniŜej 4 mm i dostarczany w postaci pasów. Taśmą określany jest wyrób płaski walcowany na gorąco lub na zimno, który bezpośrednio po końcowej operacji walcowania, wytrawiania lub ciągłego wyŜarzania jest zwijany w krąg.. 2.1.1. Podstawy teoretyczne obróbki plastycznej. Produkcja hutnicza obejmuje procesy wytopu oraz przetwarzania metali i ich stopów na róŜnorodne wyroby walcowane. Niemal połowę stalowych wyrobów walcowanych na gorąco w świecie stanowią wyroby płaskie, tj. blachy i taśmy, a cześć tej produkcji jest dalej przetwarzana w procesie walcowania na zimno. Wyroby te słuŜą z kolei do produkcji licznych dóbr konsumpcyjnych, takich jak samochody, artykuły gospodarstwa domowego, opakowania itp. Obróbka plastyczna ma na celu zmianę właściwości i kształtu materiałów w wyniku odkształcenia plastycznego. JeŜeli odkształcenie plastyczne nastąpi w temperaturze otoczenia, to moŜna zauwaŜyć, Ŝe niektóre metale, np. stal, miedź i srebro oraz ich stopy zmieniają swe właściwości. Stają się twardsze i wytrzymalsze i wraz ze wzrostem wartości odkształceń są coraz mniej plastyczne oraz zmieniają swoje właściwości elektryczne. Zjawisko to nazywa się umocnieniem metalu. Dalsze ich odkształcanie prowadzi do ich pękania. Aby metal mógł być odkształcany dalej bez obawy, Ŝe ulegnie pękaniu naleŜy przywrócić mu jego wcześniejsze właściwości plastyczne. 13.

(15) Zjawisko odbudowy struktury komórkowej prowadzące do odzyskania właściwości plastycznych materiału nazywa się rekrystalizacją. Temperaturę rekrystalizacji w skali bezwzględnej moŜna w przybliŜeniu określić wg empirycznego wzoru [26]:. Tr = (0,4-0,6) Ttop. (2.1). w którym: Tr – temperatura rekrystalizacji, K Ttop – temperatura topnienia, K Wartość 0,4 przyjmuje się dla czystych metali natomiast 0,6 dla stopów o budowie roztworów stałych. Obróbkę plastyczną realizuje się jako: 1.. obróbkę plastyczną na gorąco przebiegającą w temperaturze przekraczającej temperaturę rekrystalizacji,. 2.. obróbkę plastyczną na zimno przebiegającą w temperaturze niŜszej od temperatury rekrystalizacji. Obróbkę plastyczną na gorąco przeprowadza się w odpowiednio dobranym zakresie. temperatur, gdyŜ dzięki odpowiedniemu nagrzaniu materiału jego opór plastyczny moŜe się zmniejszyć kilka a nawet kilkanaście razy. Zakres temperatury powinien być tak dobrany, aby cały proces kształtowania przebiegał w zakresie jednej fazy. Obecność obok siebie ziaren dwóch faz, wskutek ich róŜnej zdolności do odkształceń plastycznych, moŜe wywołać znaczne napręŜenia własne, a nawet lokalne pęknięcia. Podstawową zaletą obróbki plastycznej na gorąco jest wielokrotne zmniejszenie nacisków jednostkowych potrzebnych do kształtowania półwyrobu, przy jednoczesnym wzroście zdolności materiału do odkształceń plastycznych bez utraty spójności. Przeróbka plastyczna na gorąco umoŜliwia [26]: -. zniszczenie niekorzystnej struktury metalu lanego i wytworzenie nowej struktury o duŜo lepszych własnościach wytrzymałościowych i plastycznych,. -. odkształcanie metalu, które moŜe być realizowane za pomocą znacznie mniejszych nacisków narzędzia, co pozwala na stosowanie większych odkształceń,. -. stosowanie bardzo duŜych odkształceń, gdyŜ ze wzrostem temperatury zwiększa się plastyczność metalu, 14.

(16) -. zachowanie własności plastycznych metalu odkształconego na gorąco – wskutek spontanicznej rekrystalizacji,. -. zmniejszenie kosztów wytwarzania wyrobów walcowanych, koszty walcowania na gorąco są duŜo mniejsze niŜ koszty walcowania na zimno. Obróbce plastycznej na zimno poddaje się niemal wyłącznie wyroby uprzednio. obrobione na gorąco. Obróbkę na zimno stosuje się wtedy, gdy podczas obróbki na gorąco zachodziłoby bardzo szybkie stygnięcie wyrobów o małych przekrojach lub o duŜym stosunku powierzchni do objętości, jak blachy i taśmy itp., co uniemoŜliwia lub bardzo utrudnia obróbkę na gorąco. Przyczynami, dla których moŜe być stosowana obróbka na zimno, jest zmiana struktury metalu, polepszenie jego własności wytrzymałościowych lub fizycznych oraz dąŜność do osiągnięcia wysokiej gładkości powierzchni wyrobów i duŜej dokładności wymiarów. Procesy przeróbki plastycznej na zimno prowadzi się między innymi w następujących przypadkach [26]: -. gdy wymiary odkształcanego metalu są bardzo małe i w związku z tym następuje bardzo szybkie odprowadzenie ciepła. Praktycznie nie ma wtedy moŜliwości prowadzenia przeróbki plastycznej w wysokich temperaturach, czyli na gorąco. Do procesów takich naleŜą między innymi walcowanie i tłoczenie cienkich blach, ciągnienie drutu,. -. gdy chce się otrzymać dobrą powierzchnię i dokładne wymiary, czego nie da się uzyskać w procesach plastycznej przeróbki na gorąco,. -. gdy po przeróbce plastycznej chce się otrzymać wysokie własności wytrzymałościowe gotowych wyrobów,. -. w procesach ciągnienia rur, prętów i drutów, gdy maksymalna siła potrzebna do odkształcenia ograniczona jest wytrzymałością ciągnionego metalu po jego wyjściu z ciągadła. PodwyŜszenie temperatury w procesach ciągnienia powoduje zmniejszenie odkształcenia plastycznego. Do podstawowych procesów obróbki plastycznej zalicza się: walcowanie, kucie,. ciągnienie, wyciskanie, hydroforming, tłoczenie. Obróbka plastyczna jest technologią, za pomocą, której moŜna uzyskać trwałą zmianę kształtów róŜnych przedmiotów bez naruszenia ich spójności poprzez przyłoŜenie do nich odpowiednich napręŜeń.. 15.

(17) Wyprodukowane w hucie metale i stopy, o ile nie są przeznaczone na odlewy, poddaje się obróbce plastycznej głównie przez walcowanie. W procesie walcowania przedmiot uzyskuje zamierzony kształt w wyniku odkształcenia plastycznego metalu naciskami wywieranymi przez dwa obracające się w przeciwnych kierunkach walce. Walcowanie wzdłuŜne jest najprostszym przypadkiem walcowania. W czasie takiego procesu walcowania zmniejsza się przekrój poprzeczny materiału, a wzrasta jego długość. Proces walcowania składa się na ogół z wielu przepustów, których liczba zaleŜy od kształtu i wielkości przekroju poprzecznego materiału wsadowego i gotowego wyrobu po walcowaniu. Proces walcowania odbywa się w urządzeniach zwanych walcarkami. Są to maszyny do obróbki plastycznej metodą walcowania wsadu na półfabrykat lub wyrób ostateczny. Walcarka składa się z klatki roboczej i elementów napędowych przenoszących ruch obrotowy od silnika na walce oraz elementów mocujących je do fundamentów. W przemyśle stosuje się wiele typów tych urządzeń, róŜniących się znacznie miedzy sobą. RóŜnice te jednak nie dotyczą charakteru pracy i zasady działania głównych elementów roboczych. Podstawowymi elementami konstrukcyjnymi decydującymi o przebiegu procesu są walce, których zadaniem jest odkształcenie metalu przez walcowanie. Walce zaleŜnie od rodzaju walcowania mogą mieć róŜne kształty i wymiary. Klatką roboczą nazywa się zespół roboczy walców wraz z łoŜyskami, ich obudową, urządzeniem do nastawiania i wyrównowaŜenia walców, urządzeniem smarującym i chłodzącym. Walce klatki roboczej (rys. 2.1) są napędzane za pomocą silnika elektrycznego przez przekładnię zębatą zmniejszającą prędkość obrotową. Ze skrzynki przekładniowej ruch obrotowy przenosi się na klatkę walców zębatych, która słuŜy do rozgałęziania napędu i przenoszenia go na poszczególne walce klatki roboczej. Napęd ten przenosi się na klatkę roboczą za pomocą łączników.. Rys. 2.1. Schemat walcarki [27] 1 – walce klatki roboczej, 2 – łączniki, 3 – walce zębate, 4 – sprzęgło, 5 – przekładnia zębata, 6 – koła zamachowe, 7 – silnik elektryczny. 16.

(18) Klatka walców roboczych moŜe być wyposaŜona w walce gładkie lub bruzdowe. Do produkcji taśmy stalowej uŜywa się walców gładkich, które szczegółowo omówione będą w podrozdziale 2.2. niniejszej pracy. Do walcowania cienkich taśm stalowych i blach stosuje się walcarki wielowalcowe, najczęściej pracujące w układzie czterech walców, tzw. kwarto . Układ walców kwarto przedstawiono na rysunku 2.2.. Rys. 2.2. Układ walców kwarto [27]. Dwa środkowe walce robocze o małej średnicy wykonują pracę walcowania. Stosowanie walców roboczych o małych średnicach umoŜliwia uzyskanie duŜych nacisków jednostkowych przy małych siłach dociskających walce. Podyktowane jest to faktem, Ŝe ze zmniejszaniem grubości pasma wzrasta wyraźnie nacisk jednostkowy metalu na walce, co przedstawiono schematycznie na rys. 2.3. Nacisk w stanie plastycznym jest sumą granicy plastyczności aσ p oraz napręŜenia zwanego oporem płynięcia σ f .. p = aσ p + σ f. Rys. 2.3. ZaleŜność nacisku jednostkowego p od grubości pasma h0 przy jednakowych pozostałych warunkach walcowania [28]. 17. (2.2).

(19) Doświadczalnie stwierdzono, Ŝe średnie naciski jednostkowe moŜna ograniczyć, stosując mniejsze średnice walców roboczych, co przedstawiono na rysunku 2.4.. Rys. 2.4. Wpływ róŜnic średnic walców D1 > D2 > D3 na wielkość nacisku jednostkowego p [28]. Jak wynika z rys. 2.4, zastosowanie walców roboczych o mniejszej średnicy wpływa na zmniejszenie powierzchni styku metalu z walcami przy równoczesnym zmniejszaniu nacisku jednostkowego. Walce robocze wspierają się na walcach oporowych o duŜej średnicy. Dzięki temu podczas walcowania blach i taśm stalowych walce robocze nie wyginają się pod naciskiem materiału i moŜna uzyskać cienką taśmę stalową i blachę. Metody obróbki plastycznej mają wiele zalet, którym zawdzięczają swój rozwój: -. ekonomika procesu wynikająca z oszczędności materiału, robocizny oraz narzędzi,. -. przystosowanie technologii do produkcji masowej np. szyn, blach, taśm itp.,. -. polepszenie właściwości mechanicznych materiałów przerobionych. plastycznie. (wytrzymałości, udarności, obrabialności i innych).. 2.1.2. Podstawowe parametry i zasady projektowania procesu walcowania. Teorie walcowania blach i taśm stalowych zbudowano na podstawie analizy prostego procesu walcowania (rys. 2.5 i 2.6), który opiera się na następujących załoŜeniach [28]: -. płynięcie metalu w płaszczyźnie wejścia i w płaszczyźnie wyjścia z walców jest równomierne (dotyczy to ustalonego stanu walcowania, a materiał wypełni przestrzeń między walcami), 18.

(20) -. na odkształcany metal nie działają inne siły zewnętrzne, oprócz sił pochodzących od walców (nie występuje działanie naciągu i przeciwciągu na pasmo),. -. obydwa walce są cylindryczne o stałej i równej sobie średnicy D = 2R,. -. obydwa walce są napędzane z równą prędkością kątową ω , mają, zatem równe prędkości obwodowe vw = ω R,. -. na powierzchniach styku metalu z walcami występują takie same warunki tarcia,. -. walcowane pasmo charakteryzują jednorodne właściwości mechaniczne,. -. pasmo posiada przekrój prostokątny.. Rys. 2.5. Geometryczna kotlina odkształcenia i siły działające na walce podczas prostego procesu walcowania [28]. W procesie tym, w którym pasmo dzięki siłom tarcia wprowadzane jest samoczynnie między walce, występują równości sił, momentów powierzchni styku metalu z walcami oraz rozkład odkształceń i prędkości płynięcia metalu na grubość walcowanego pasma, co oznacza, Ŝe mam się tu do czynienia z symetrycznym procesem walcowania, w którym kierunek wydłuŜenia metalu jest zgodny z kierunkiem wektora prędkości obwodowej walców o osiach wzajemnie równoległych i przeciwnych kierunkach obrotu (rys. 2.6).. 19.

(21) Rys. 2.6. Schemat prostego procesu walcowania wzdłuŜnego [28]. W procesie walcowania taśm stalowych waŜną rolę spełniają parametry technologiczne: stopień przerobu λc oraz temperatura, które w bezpośredni sposób wpływają na właściwości gotowego wyrobu [29, 30]. Przyjmuje się, Ŝe im stopień przerobu jest większy, tym lepsze właściwości posiada gotowy wyrób.. λC =. So h ≈ o Sn hn. (2.3). Przykładowo, taśmy otrzymywane w walcowni gorącej taśm w ArcelorMittal odział w Krakowie cechują się bardzo duŜym stopniem przerobu, osiągającym wartości rzędu 50-200 i więcej, dzięki czemu uzyskiwane są wyroby o wysokiej jakości i Ŝądanych parametrach. Z kolei wysoka temperatura wlewków sadzanych do pieca grzewczego pozwala na lepsze wykorzystanie ciepła pochodzącego z ciekłej stali, a przez to na oszczędność energii niezbędnej do nagrzewania. Do istotnych cech wyrobu gotowego, mających wpływ na projektowanie schematu walcowania, a w szczególności na rozkład odkształceń na poszczególne przepusty, naleŜą parametry geometryczne gotowej taśmy, tj. gatunek walcowanej stali, tolerancje wymiarowe, powtarzalność wymiarów oraz profil i płaskość. W nowoczesnych walcowniach konieczne jest utrzymanie odchyłek wymiarów gotowej taśmy w granicach: na grubości ±0,04-0,05 mm oraz szerokości 0-6 mm. PoŜądany profil względny zaleŜy od ich przeznaczenia i stosowania w dalszych operacjach technologicznych np. dla taśm poddawanych rozcinaniu wzdłuŜnemu wynosi 0-0,5% [29]. Przy projektowaniu procesów walcowania naleŜy zwrócić szczególną uwagę równieŜ na odkształcenia stosowane. 20.

(22) w poszczególnych przepustach w zespole walcowniczym. W grupie wstępnej zaleŜą one od średnic walców, prędkości walcowania, od temperatury i rodzaju (gatunku) walcowanej stali, a takŜe od dopuszczalnej wielkości kąta chwytu, określonego zaleŜności:.   . α = arccos  1 −. ∆ h  D . (2.4). Dla umoŜliwienia łatwego chwytu pasma przez walce kąt chwytu nie moŜe być większy od kąta tarcia (α / 2 < ρ ) . Współczynnik całkowitego wydłuŜenia w grupie wstępnej waha się w granicach λ = 6-10, w zaleŜności od stosowanej grubości wsadu i końcowej grubości taśm. Dobór schematu przepustów polega na stosowaniu w poszczególnych przepustach odkształceń rzędu 20-40%, zazwyczaj w układzie rosnącym i sprawdzeniu nacisku spowodowanego tym gniotem. W grupie wstępnej realizowane są równieŜ odkształcenia na szerokości pasma. Proces ten przebiega w walcarkach typu duo z walcami pionowymi, które w jednym przejściu mogą nadawać maksymalne odkształcenie dochodzące do 300 mm. Walcowanie w układzie współpracujących walcarek (pionowa-pozioma) przebiega zgodnie z zasadą ciągłości strugi. Wielkość gniotu w walcarce pionowej odpowiada wielkości poszerzenia w walcarce poziomej i w efekcie szerokość pasma pozostaje taka sama. W grupie wykańczającej pasmo, poza odcinkiem początkowym i końcowym, walcowane jest w sposób ciągły – równocześnie we wszystkich sześciu walcarkach. Przy minimalnej grubości taśm 1-1,2 mm osiągany jest całkowity współczynnik wydłuŜenia λ>25. W poszczególnych walcarkach stosuje się odkształcenie 15-55% w układzie malejącym z przepustu na przepust. Między klatkami stosowany jest niewielki naciąg pasma, niezbędny do prawidłowego działania pętlownic w systemie regulacji prędkości obrotowych walców. Cały proces produkcji sterowany jest przez specjalne automatyczne modele i algorytmy, które czuwają nad poprawną pracą walcowni [29].. 2.2. Zasada pracy walców. Walec jest narzędziem, za pomocą, którego odbywa się odkształcenie plastyczne metalu. Walce hutnicze naleŜą do elementów pracujących w wyjątkowo trudnych warunkach, powstają w nich podczas pracy duŜe napręŜenia zginające i ścinające spowodowane naciskiem walców na materiał walcowany, napręŜenia skręcające powstałe w wyniku przenoszenia momentu obrotowego z mechanizmu napędowego na walce. Dochodzą do tego 21.

(23) napręŜenia cieplne wynikające ze zmian temperatury walca przy walcowaniu na gorąco i silne działania ścierające roboczej powierzchni beczki walca. Materiał walca jest poddawany w czasie procesu walcowania zmiennym napręŜeniom ściskającym i rozciągającym, co moŜe prowadzić do jego pęknięć zmęczeniowych [24]. Dobór materiału i struktury walców, które spełniałby wszystkie wymagania, nie jest łatwym zadaniem, to samo dotyczy technologii wykonania walców. NaleŜy równieŜ podkreślić, Ŝe wzrastające wymagania odbiorców utrzymania wymiarów wyrobów walcowanych w wąskich odchyłkach wymiarowych stawiają określone wymagania, co do jakości walców.. 2.2.1. Budowa walców. Walce do produkcji wyrobów płaskich moŜna podzielić na dwie grupy: walce uŜywane w walcowniach do walcowania na gorąco oraz walce uŜywane w walcowniach do walcowania na zimno, a w nich grupy walców roboczych i oporowych. Do przerobu na gorąco uŜywane są jako robocze walce Ŝeliwne, bardziej wytrzymałe na ścieranie i działanie wysokich temperatur. Jak wspomniano wcześniej, w klatkach walcowniczych walcowni wyrobów płaskich, oprócz walców roboczych o małych średnicach, są stosowane walce oporowe o średnicach znacznie większych. Ze względu na toczenie się walców oporowych po walcach roboczych smaruje się beczki walców specjalnym olejem, co zapewnia zmniejszenie zuŜycia walców. Trwałość walców ściśle łączy się z ich ścieralnością i twardością oraz głębokością zalegania warstwy twardej, przy zachowaniu wymaganej wytrzymałości na zginanie i skręcanie. W związku z tym, ze względu na twardość, walce dzielą się na [31]: -. nieutwardzalne o twardości beczki 150-200 HB,. -. półutwardzone o twardości beczki 250-300 HB,. -. utwardzone specjalnie o twardości beczki 550-650 HB,. -. z węglików spiekanych o twardości beczki powyŜej 650 HB. Podstawowymi wymiarami walca są średnica teoretyczna Dt (dla walców nowych) oraz. długość beczki LB. W czasie kampanii pracy walców średnica walców ulega zmianie wskutek przetaczania lub szlifowania. W czasie przetaczania walców usuwa się warstwę o grubości 0,5-3,0 mm, a w czasie szlifowania 0,1-0,5 mm, wskutek czego średnica walców stopniowo się zmniejsza. Po osiągnięciu minimalnej średnicy walec zostaje wycofany z ruchu. Warstwa usunięta wynosi 5-7% średnicy nowych walców. W zaleŜności od typu walcowni i konstrukcji klatek roboczych do walcowania blach i taśm stalowych grubych stosuje się 22.

(24) walce robocze o moŜliwie duŜych średnicach (1000 mm). Do walcowania blach i taśm średnich oraz cienkich uŜywa się walców o średnicy 700-800 mm. Im mniejsza jest średnica walców, tym mniejszy metraŜ taśm moŜe być nimi odwalcowany, z czego wynika konieczność częstszej ich wymiany [32]. W celu zwiększenia sztywności układu, stosuje się walce oporowe zapewniające mniejsze wartości strzałek ugięcia walców roboczych, umoŜliwiają zwiększenie długości beczki walców oraz ich przeginanie. Aby walce robocze i oporowe spełniały stawiane im wymagania musi następować równomierne zuŜycie beczek tych walców na szerokości styku metalu z walcem oraz nie moŜe występować łuszczenie się ich powierzchni. W walcarkach zespołu wykańczającego walce robocze powinny przewalcować ok. 2000-3000 Mg, po czym wymienia się je na inne, a zuŜyte oddaje się do przeszlifowania. Walce robocze składają się z części roboczej, tzw. beczki, czopów, którymi osadzony jest w łoŜyskach klatki walcowniczej i tzw. rozet, słuŜących do przenoszenia na walce momentu obrotowego z silnika napędowego. Walec, aby mógł być przygotowany do pierwszej zabudowy w rejon klatek wstępnych bądź wykańczających musi zostać poprawnie opomiarowany. NaleŜy dokonać pomiaru jego średnicy oraz twardości w specjalnie wyznaczonych do tego miejscach na powierzchni walca. W tablicy 2.1 zestawiono wyniki wykonanych pomiarów dla przykładowego walca przedstawionego na rysunku 2.7 oraz ustalony dla niego zakres tolerancji.. Rys. 2.7. Schemat budowy i pomiaru walca [33]. Wale przyjmowany jest za dobry pod względem technicznym, jeŜeli wyniki pomiarów mieszczą się w danym określonym zakresie i spełniają wymagania pod względem przyjętych norm. 23.

(25) Tablica 2.1. Podstawowy zakres wymiarowy tolerancji przykładowego walca [33]. Pomiary Czop walca (strona zabudowy) LØZ , mm 1226. LB, mm. 2500. ØZ , mm. ØA, mm. 82500. 73. 74. ØB, mm. 82500. 74. 74. ØC, mm. 82500. 74. 73. 509,70. Twardość, Sh. 38. 37. Beczka walca Twardość (Sh). Czop walca (strona napędu) LØN, mm 1611 ØN, mm Twardość, Sh. 509,70 40. 41. Zakres tolerancji dla danego walca. Lp.. średnica idealna walca, mm min max. Lp.. średnica idealna walca, mm min. max. 11. 515,28. 515,324. 12. 509,67. 509,74. 13. 382,208. 382,244. 14. 379,733. 379,79. 509,74. 15. 376,881. 376,938. 515,28. 515,324. 16. 346,7. 346,9. 8. 725. 725,025. 17. 50,1. 50,3. 9. 824. 825. 18. 50,1. 50,3. 10. 725. 725,025. 19. 260. 260,052. 1. 371,786. 371,875. 2. 499,5. 500,5. 3. 502,8. 502,85. 4. 479,7. 479,9. 5. 508,854. 508,924. 6. 509,67. 7. Walce są podstawowym narzędziem walcarek, gdyŜ bezpośrednio formują pasmo metalu, nadając mu kolejne kształty, aŜ do osiągnięcia wyrobu gotowego o odpowiednio dokładnych wymiarach i zadawalającej powierzchni. ZuŜycie walców jest jednym z najwaŜniejszych zagadnień ekonomiki procesu walcowania i uznane jest jako jedno z podstawowych materiałowych kryteriów, ilości walcowanego materiału powodującego konieczność wymiany walców. Kształt, jak i wymiary walcowanego pasma uzaleŜnione są od zastosowanego kalibrowania beczek walców [34]. Dokładność wykonania walców przenosi się na dokładność wymiarów pasma. Widok pasma między walcami przedstawia rysunek 2.8. Wymagania dotyczące dokładności wymiarów, jak i kształtu pasma zaleŜą w znacznym stopniu od umiejscowienia przepustu w danym procesie walcowania. Przepustem nazywa się jednorazowe przejście metalu między współpracującymi ze sobą walcami. 24.

(26) Rys. 2.8. Widok pasma między walcami: a) widok z boku (z walcami), b) rzut aksonometryczny (bez walców) [28]. Głównym celem początkowych przepustów jest nadanie walcowanemu pasmu jak największego stopnia przerobu. W tym etapie pasmo ma najwyŜsze temperatury, co powoduje powstawanie na jego powierzchni znacznej ilości zgorzeliny. Warunki takie w znacznym stopniu przyśpieszają zuŜycie walców. Z tego powodu przyjmuje się, Ŝe naczelnym zadaniem staje się moŜliwie największe przedłuŜenie Ŝywotności walca, nawet gdyby miało się to odbywać kosztem mniejszej dokładności walcowanego pasma.. 2.2.2. Eksploatacja a mechanizmy zuŜywania się walców. ZuŜycie walców jest zagadnieniem bardzo istotnym i uznaje się go - jako kryterium określania wielkości jednej z podstawowych jednostek materiałowych tj. ilości materiału, której walcowanie powoduje konieczność wymiany walców. Na zuŜycie walców wpływają: temperatura walcowania, zastosowane w zaleŜności od programu walcowania wielkości gniotów, skład chemiczny walców oraz naturalne zjawiska fizyczne występujące w procesie walcowania. Wyroby walcowane, aby były uznane za dobrej jakości, muszą mieć wymiary mieszczące się w ściśle określonych tolerancjach, podanych w odpowiednich normach lub uzgodnieniach oraz spełniać wymagania odnośnie do jakości powierzchni i właściwości technologicznych. Czynniki te wpływają decydująco na określenie momentu, w którym zuŜycie walców nie daje moŜliwości uzyskiwania poprawnych pod względem dokładności i jakości powierzchni wyrobów. Określają, więc one bezpośrednio dopuszczalną wielkość zuŜywania się powierzchni beczki walca. W miarę wzrostu ilości walcowanych taśm 25.

(27) stalowych ulega pogorszeniu stan powierzchni beczki walca, który w pierwszej kolejności objawia się utratą wymaganej gładkości powierzchni, a przez to walcowanych wyrobów i następnie zróŜnicowaniem grubości pasma na jego przekroju. ZuŜycie powierzchni roboczej beczki walca podczas walcowania wynika ze zjawisk fizycznych procesu walcowania, które uwidaczniają się przez równoczesne oddziaływanie trzech zasadniczych mechanizmów: 1.. ścierania się powierzchni beczki wskutek tarcia przemieszczającego się względem jego powierzchni odkształcanego gorącego pasma metalu,. 2.. zmęczenia mechanicznego warstwy powierzchniowej walca w skutek działania cyklicznych zmian napręŜeń mechanicznych wywołanych naciskami na walcowany materiał,. 3.. zmęczenia. cieplnego. warstwy. powierzchniowej. spowodowanego. cyklicznymi. lokalnymi zmianami temperatury powodującymi powstawanie napręŜeń między miejscami o róŜnych temperaturach. Przy wyjaśnianiu mechanizmów zuŜycia walców w celu określenia wpływu oddziaływania poszczególnych mechanizmów naleŜy rozpatrywać wpływ czynników odnosząc je zawsze do działania określonej, jednakowej ilości materiału. Ścieranie się powierzchni beczki wywołane jest tarciem zachodzącym między powierzchniami roboczej walca a walcowanym materiałem. Mechanizm ten zaleŜy od gładkości powierzchni, kształtu, gniotu jako czynnika decydującego o wartości nacisków, wielkości wyprzedzania, opóźnienia, temperatury oraz prędkości [36]. Rozkład nacisków i prędkości w kotlinie walcowania przedstawia rysunek 2.9.. Rys. 2.9. Rozkład nacisków i prędkości w kotlinie walcowania [36]. 26.

(28) Wzrost temperatury powierzchni walca w czasie powoduje m.in. zmniejszenie jego twardości a zatem i trwałości. Spadek twardości powierzchniowej walców jest przejściowy, występuje podczas stykania się walców z walcowanym pasmem. Po wyjściu pasma z walców, twardość nagrzewanego odcinka powierzchni walca ponownie się zwiększa w wyniku chłodzenia wodą. Zmiany twardości powierzchni walca ze wzrostem średniej jego temperatury przedstawiono na rysunku 2.10. W tym momencie spadek twardości ma znaczenie, gdyŜ powoduje on zmniejszenie odporności walców na ścieranie.. Rys. 2.10. Zmiany twardości walców w klatce wykańczającej w zaleŜności od temperatury [36] 1 – walce zespolone o nieokreślonej warstwie utwardzenia, 2 – walce utwardzone, 3 – walce staliwne. Wzrost zuŜycia walców przez ścieranie powoduje obecność zgorzeliny poprzez zwiększenie współczynnika tarcia. Zgorzelina jest ponadto przyczyną powstawania wad powierzchniowych walcowanego materiału. Ścieranie jest główną przyczyną zuŜywania się walców w klatkach końcowych. Istnieją sposoby pozwalające zmniejszyć ścieranie walców pod wpływem twardych tlenków Ŝelaza. Są nimi [22, 23]: -. utrzymanie temperatury powierzchni walcowanego metalu poniŜej 900 oC, często powyŜszy warunek nie moŜe być spełniony ze względu na konieczność uzyskania wymaganej końcowej temperatury walcowania,. -. zastosowanie dysz natryskowych w celu obniŜenia temperatury powierzchni walcowanego pasma,. -. zmniejszanie szybkości tworzenia się zgorzeliny przez utworzenie atmosfery ochronnej wokół powierzchni walcowanego materiału,. -. utworzenie twardych stopów na powierzchni walców.. 27.

(29) W czasie walcowania na walce działają obciąŜenia okresowo zmienne. Przy duŜych prędkościach działanie sił moŜna traktować jako dynamiczne uderzenia w bezwładną masę. Przy zbyt duŜych napręŜeniach przekraczających granicę wytrzymałości materiału walec ulega złamaniu w miejscu działania siły [36]. Uszkodzenia powierzchni beczki walca są najczęściej przyczyną wpływającą na zmniejszenie trwałości walców. Na stan ten wpływają zmieniające się obciąŜenia normalne, styczne i napręŜenia własne. Od wielkości sił normalnych i stycznych jest zaleŜne ścieranie powierzchni beczki i powstawanie wykruszeń, gdy wielkość napręŜeń przekroczy wytrzymałość zmęczeniową metalu walca. Zmęczenie cieplne jest wywołane cyklicznymi zmianami temperatury powierzchniowej warstwy. walca.. Zmiany. temperatury. spowodowane. intensywnym. nagrzewaniem. i chłodzeniem powierzchni walca powodują powstawanie napręŜeń. NapręŜenia te mogą doprowadzić do powstawania pęknięć cieplnych. Element powierzchni walca stykając się z nagrzanym pasmem metalu podczas pierwszego obrotu walca zostaje nagrzany i usiłuje zwiększyć swoje wymiary. JednakŜe przeciwstawiają się temu sąsiednie nienagrzane partie powierzchni, co prowadzi do powstawania w elemencie napręŜeń ściskających. NapręŜenia ściskające zmniejszają się po wyjściu rozpatrywanego elementu walców poza kotlinę walcowniczą, element ten jest wówczas intensywnie chłodzony i powstają w nim napręŜenia rozciągające [36]. Rysunek 2.11 przedstawia wykres zmian napręŜeń cieplnych w warstwie powierzchniowej walca.. Rys. 2.11. Wykres zmian napręŜeń cieplnych w powierzchniowej warstwie walca o grubości 10 mm dla czterech połoŜeń walca podczas jednego obrotu [36]. 28.

(30) NapręŜenia powstające w beczce walców są tym większe, im większe są wahania temperatury podczas jednego obrotu walca. Efektem tych ciągłych zmian napręŜeń, którym mogą towarzyszyć odkształcenia plastyczne, jest zmęczenie cieplne materiału walców. Część ciepła przekazanego przez walcowane pasmo do powierzchni walca jest odprowadzana z wodą chłodzącą, natomiast pozostała rozchodzi się w kierunku środka walca, podwyŜszając jego temperaturę. Maksymalne róŜnice temperatur istnieją przy pierwszym obrocie walca roboczego, natomiast podczas walcowania przy kolejnych obrotach róŜnice te zmniejszają się. Po pewnym czasie powstaje stan równowagi, wewnątrz walca ustala się równomierna temperatura. Natomiast w warstwie powierzchniowej temperatura zmienia się okresowo w dalszym ciągu. Temperatura warstwy powierzchniowej walca dochodzi do 500-700 oC, wywołuje to duŜe napręŜenia cieplne, obniŜenie twardości i wytrzymałości tej warstwy walca, a w konsekwencji obniŜenie odporności walca na zuŜycie. Niszczenie powierzchni walca na skutek zmęczenia cieplnego polega na stałym powstawaniu i rozrastaniu się pęknięć podpowierzchniowych, powodujących odpadanie materiału: wykruszenia, złuszczenia, wyłomy z powierzchniowej warstwy walca. Wpływ pęknięć potęgowany jest poprzez inne czynniki, takie jak: napręŜenia mechaniczne i działanie wody chłodzącej, która przy kontakcie z nagrzanym metalem przechodzi w parę, a powstające wysokie ciśnienie powiększają istniejące juŜ pęknięcia. W czasie procesu walcowania zmieniają się takie parametry jak: temperatura, naciski, czas działania obciąŜeń. Powoduje to, Ŝe w miarę przebiegu procesu od pierwszej do ostatniej klatki zmienia się ilość walcowanego metalu będąca przyczyną zuŜycia walców. Podsumowując dotychczasowe rozwaŜania moŜna stwierdzić, Ŝe powierzchnie walców roboczych walcowni gorących zuŜywają się w wyniku stykania z nagrzanym walcowanym pasmem oraz z walcami oporowymi. Na zuŜycie wpływają następujące czynniki [33, 38]: -. materiał walców i skład chemiczny walcowanej stali,. -. przewalcowana długość łączna w czasie jednej zabudowy,. -. temperatura walcowanego materiału i walców,. -. wartość jednostkowego i całkowitego nacisku metalu na walce,. -. prędkość walcowania,. -. wartość poślizgu walcowanego metalu względem walców w kotlinie walcowniczej,. -. jakość powierzchni walcowanego materiału,. -. stan powierzchni i twardość walców.. 29.

(31) Im większa jest twardość walców, tym mniejsze jest ich zuŜycie. Zwiększenie długości walcowanego pasma powoduje zwiększenie zuŜycia walców, tym tłumaczy się większe zuŜycie walców w ostatnich klatkach grup wykańczających. Powierzchnia walców roboczych w czasie zetknięcia się z gorącym pasmem szybko nagrzewa się na niewielkiej głębokości do temperatury bliskiej temperaturze walcowanego pasma, a następnie po opuszczeniu kotliny odkształcenia szybko się ochładza. Pod wpływem wszystkich zmian temperatury na powierzchni walców tworzy się drobna siatka pęknięć cieplnych, która wpływa na zuŜycie powierzchni roboczej beczek walców. Na tribologie ich powierzchni wpływa równieŜ zwiększony poślizg i jednostkowe naciski metalu na walec, a takŜe zmniejszanie dokładności oczyszczania pasma ze zgorzeliny. Zwiększenie całkowitego nacisku metalu na walce powoduje zwiększenie zuŜycia walców [39]. Walce robocze zuŜywają się prawie na całej powierzchni beczki, z tym, Ŝe najintensywniej w środku beczki. Z powodu nierównomiernego zuŜywania się walców i pogarszania stanu ich powierzchni, walce naleŜy, co pewien czas wymieniać i poddawać szlifowaniu w celu nadania odpowiedniego kształtu i usunięcia skutków zuŜycia. ZuŜycie walców zaleŜy od programu produkcyjnego. Im więcej walcuje się taśm szerokich i grubszych, tym mniejsze jest ich zuŜycie, zaś im więcej walcuje się taśm wąskich i cienkich, tym ich zuŜycie jest większe.. 2.2.3. Czynniki wpływające na trwałość walców. Niekorzystnym warunkom wywieranym odkształcanym metalem podczas procesu walcowania (a takŜe naciskami, temperaturą i tarciem) walce muszą przeciwstawiać się swoimi właściwościami: twardością, wytrzymałością, odpornością na ścieranie i działaniem temperatury. Na podstawie przeglądu literatury zestawiono dane przedstawiające wpływ materiału walców i gatunku walcowanego materiału na ich twardość i wytrzymałość. Do czynników wpływających na trwałość i wytrzymałość walców moŜna zaliczyć m.in. wpływ: -. składu chemicznego i obróbki cieplnej materiału walców,. -. ilości i jakości walcowanego materiału. Na podstawie badań wpływu ilości walcowanych wyrobów na bezwzględne zuŜycie. walców określono, Ŝe walce zuŜywają się proporcjonalnie do ilości walcowanego w nim materiału. Z kolei w zaleŜności od zastosowanej obróbki cieplnej i rodzaju materiału uzaleŜnione są właściwości walców. W literaturze [19-23, 40-46] określono znaczenie doboru. 30.

(32) materiału stosowanego na walce na ich trwałość. Jako kryterium trwałości, w tych procesach przyjmuje się odporność na ścieranie, określoną twardością i strukturą tworzywa. Wielkości zuŜycie walców staliwnych ZŚr-ST w porównaniu do zuŜycia walców Ŝeliwnych ZŚr-śEL utwardzonych przedstawia się następująco [36]: Z Śr − ST Z Śr − śEL. =. 0,03978 = 0,6344 0,06270. (2.5). Otrzymana wartość tego stosunku jest duŜa, poniewaŜ walce staliwne pracowały w zespole półciągłym z walcami Ŝeliwnymi i często były przetaczane wcześniej niŜ wynikało to z ich zuŜycia, co było wynikiem szybszego wyrobienia się powierzchni walców Ŝeliwnych. Zastąpienie walców staliwnych w jednej z klatek, walcami staliwnymi hartowanymi pozwoliło zmniejszyć stosunek średniego zuŜycia walców staliwnych ZŚr-ST do średniego zuŜycia walców staliwnych hartowanych ZŚr-HART [36]: Z Śr − ST Z Śr − HART. =. 0,0021 = 5,2 0,00038. (2.6). Z powyŜszych zaleŜności wynika, Ŝe zuŜycie walców w tej klatce zmniejszyło się 5-cio krotnie. Badania wpływu stosowanej obróbki cieplnej na trwałość walców przeprowadzało wielu autorów [10-25]. Dla określenia optymalnych parametrów walca zbadano wpływ róŜnych wariantów obróbki cieplnej staliw na ich twardość, wytrzymałość, granicę plastyczności, wytrzymałość na zginanie, udarność, pracę rozprzestrzeniania się pęknięcia oraz współczynnik intensywności napręŜeń KIC dla dwóch gatunków staliw uŜywanych na walce hutnicze: G155CrMoNi4-6-3, G200CrMoNni4-6-3. Badania te wykazały, Ŝe na ogół, ze wzrostem twardości materiału wzrasta jego odporność na zuŜycie ścierne. JednakŜe, po przekroczeniu twardości ok. 300 HV wzrost twardości tylko w niewielkim stopniu poprawia odporność na ścieranie walców hutniczych. Dlatego waŜne jest, aby po obróbce cieplnej twardość walców hutniczych wynosiła ok. 300 HV [47]. Dalsze zwiększanie twardości będzie znacznie zwiększało ryzyko pęknięcia walca, nie zwiększając równocześnie znacząco odporności na zuŜycie ścierne. Często parametrem wymaganym przez odbiorców walców hutniczych jest odpowiednia wytrzymałość na rozciąganie. W stanie dostawy po odlaniu badane staliwa cechuje dość wysoka wytrzymałość na rozciąganie (tabl. 2.2).. 31.

(33) Tablica 2.2. Wpływ obróbki cieplnej na wytrzymałość na rozciąganie Rm badanych staliw [47]. Staliwo. Wariant obróbki cieplnej. Rm, MPa. Stan dostawy:. 593±46*. krótki. 642±56. średni. 603±30. długi. 550±16. Stan dostawy:. 599±87*. krótki. 501±23. średni. 560±64. długi. 523±43. G155CrMoNi4-6-3. G200CrMoNni4-6-3. * próbki uległy zerwaniu przed osiągnięciem granicy plastyczności Podczas badań próbki ulegały zerwaniu przed osiągnięciem granicy plastyczności. Powoduje to duŜą wielkość rozrzutu wyników statycznej próby rozciągania dla próbek nie obrobionych cieplnie. Obróbka cieplna, zwłaszcza w przypadku staliwa G200CrMoNni4-6-3, powoduje, więc jego znaczne ujednorodnienie i zmniejszenie rozrzutu własności wytrzymałościowych. Ponadto, w przypadku staliwa G155CrMoNi4-6-3, krótki wariant obróbki cieplnej powoduje wzrost Rm o ok. 50 MPa w porównaniu ze stanem dostawy. Zastosowana obróbka cieplna spowodowała, Ŝe oba staliwa podczas odkształcania wskazują zakres płynięcia plastycznego. Granica plastyczności badanych staliw poddanych obróbce cieplnej zawsze przekracza 400 MPa. W wyniku odpowiednio dobranej obróbki cieplnej moŜna dla staliwa G200CrMoNni4-6-3 zwiększyć wytrzymałość na zginanie o ponad 200 MPa, przez co otrzymuje się umowną granicę plastyczności na poziomie 700 MPa. MoŜna ją zwiększyć do wartości powyŜej 800 MPa, lecz kosztem odporności na pękanie. Odpowiednio dobrana obróbka cieplna potrafi równieŜ znacząco zwiększyć udarność z 10 do ponad 30% [47]. Podsumowując moŜna przyjąć, Ŝe odpowiednio dobrana obróbka cieplna moŜe w znacznym stopniu poprawić parametry wytrzymałościowe oraz odporność na pękanie walców hutniczych. Pozwoli to na rozszerzenie ich zastosowania w kierunku zarówno klatek wstępnych, jak i wykańczających zespołu walcowniczego, co wpłynie w znaczący sposób na zmniejszenie ryzyka ich pęknięcia.. 32.

(34) 2.3. Modelowanie przepływu ciepła w piecu pokrocznym. Nagrzewanie wsadu przed przeróbką plastyczną jest jednym z istotnych etapów wytwarzania produktu finalnego w postaci wyrobów walcowanych. Celem zapewnienia prawidłowej pracy ciągu technologicznego konieczne jest osiągniecie przez wsad wymaganej temperatury w całej objętości oraz zapewnienie odpowiedniej równomierności nagrzewania przy moŜliwie niskim koszcie. Na wydajność pieca moŜna wpłynąć między innymi przez prawidłowe określenie czasu nagrzewania oraz zmiany temperatury w przestrzeni roboczej pieca. Rozkład temperatury w przestrzeni pieca jest limitowany cechami konstrukcyjnymi pieca, kształtem i wymiarami wsadu oraz właściwościami fizycznymi nagrzewanego materiału. Niewłaściwe dobrane parametry nagrzewania mogą spowodować nieprawidłowe nagrzewanie wsadu, zakłócenie pracy pieca lub zwiększyć czas nagrzewania, co jest równoznaczne ze wzrostem wskaźników zuŜycia energii i gazu słuŜącego do opalania pieca oraz wpływają na zmniejszenie wydajności pieca. Zatem określenie krzywej nagrzewania i czasu nagrzewania stanowi istotny element technologii umoŜliwiający nadanie końcowemu produktowi. wymaganej. jakości,. przy. minimalizacji. kosztów. wytwarzania. [3,8].. W nagrzewanym wsadzie powstają napręŜenia cieplne wywołane nierównomiernym rozkładem temperatury i przemianami fazowymi. W przypadku przekroczenia granicznej odkształcalności materiału prowadzą one do lokalnych pęknięć, co skutkuje pęknięciem nagrzewanego wsadu i w konsekwencji powoduje to uszkodzenie powierzchni roboczej beczki walców. Te niekorzystne zjawiska oprócz start walców, skutkują nieplanowanym postojem walcowni na przebudowę walców, co powoduje powstanie znacznych strat mediów potrzebnych do wytworzenia wyrobu finalnego, a ponadto w znaczącym stopniu zakłóca proces planowania produkcji.. 2.3.1. Budowa i zasada działania pieców pokrocznych. Piec grzewczy jest urządzeniem, w którym wsad metalowy podlega Ŝądanym zmianom temperatury w odpowiednim okresie czasu tak, aby metal osiągnął wymagane właściwości technologiczne. Dla procesów grzewczych istotne jest nie tylko osiągniecie przez wsad. Ŝądanej temperatury, lecz takŜe odpowiedni przebieg zmiany temperatury w czasie i w przestrzeni komory roboczej oraz wytworzenie w niej Ŝądanego składu chemicznego gazów, czyli tzw. atmosfery piecowej.. 33.

(35) Walcownia gorąca taśm Huty ArcelorMittal Poland odział w Krakowie do nagrzewania wsadu wykorzystuje piec pokroczny. W piecu takim nagrzewany wsad porusza się ruchem skokowym od strony wsadowej do wyładowczej, przenoszony ruchomą częścią trzonu. Piece te pracują w sposób ciągły. Wsad do nagrzewania ładuje się do pieca w sposób osiowy, układając go na nieruchomych częściach trzonu. Część ruchoma trzonu podnosząc się do góry zabiera wsad i przesuwa w kierunku okna wyładowczego, a następnie opuszczając się w dół kładzie znowu na części nieruchomej. Następnie dołem wraca do pierwotnego połoŜenia i cykl zaczyna się od nowa. Ciepło spalin uchodzących z przestrzeni roboczej pieca wykorzystywane jest do podgrzewania czynników płynących do spalania. Schemat zasilania mediami pieca pokrocznego przedstawiono na rysunku 2.12. Piec grzewczy pokroczny opalany jest gazem ziemnym, o zdolności produkcyjnej 450 Mg/h. Maksymalna temperatura nagrzewania 1250±10 oC. Szerokość robocza pieca wynosi 11 m, natomiast długość robocza 58,6 m. Zasilanie gazem odbywa się 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 [33].. Rys. 2.12. Piec pokroczny - zasilanie mediami [33]. Piec pokroczny umoŜliwia równomierne nagrzewanie wsadu poprzez automatyczne prowadzenie procesu nagrzewania z kontrolą spalin, ciągłą rejestracją temperatur nagrzewania, temperaturę wyjścia wlewka z pieca oraz precyzyjną identyfikacją materiału. Doprowadzenie ciepła realizowane jest przez palniki usytuowane w czołowej ścianie pieca bezpośrednio ponad trzonem. Regulacja temperatury pieca odbywa się w strefach w systemie ciągłym. Zapalanie palników, kontrola płomienia, sterowanie dopływem gazu i powietrza odbywa się automatycznie w kaŜdej ze stref. Gaz doprowadzany jest do palników z sieci zakładowej, a powietrze spalania za pomocą wentylatora. Regulacja ciśnienia w piecu odbywa się automatycznie. Piec posiada kilka stref cieplnych, które przedstawia tablica 2.3.. 34.

(36) Tablica 2.3. Pojemność cieplna stref pieca pokrocznego walcowni gorącej taśm w Hucie ArcelorMittal Poland oddział w Krakowie [33] Palnik Numer strefy 1 2 3 4 5 6 7 8 9. Umiejscowienie Wstępnego grzania Górna, pierwszego grzania Dolna, pierwszego grzania Górna, drugiego grzania Dolna, drugiego grzania Górna, trzeciego grzania Dolna, trzeciego grzania Górna, wstępnego wygrzewania Dolna, wstępnego wygrzewania. 10. Prawa górna, wygrzewania. 11. Lewa górna, wygrzewania. 12 13. Prawa dolna, wygrzewania Lewa dolna, wygrzewania. Strefa ciepło doprowadzone, kJ/h. Typ. Liczba. Boczny Boczny Boczny Boczny Boczny Boczny Boczny Promienisty sklepieniowy. 14 6 6 8 8 8 8. Strefa ciepło doprowadzone, kJ/h 1 800 000 2 400 000 3 000 000 2 400 000 3 000 000 2 400 000 3 00 0000. 32. 480 000. 15 360 000. 6. 3 000 000. 18 000 000. 16. 380 000. 6 080 000. 16. 380 000. 6 080 000. 6 5. 1 500 000 1 500 000. 9 000 000 7 500 000. Boczny Promienisty sklepieniowy Promienisty sklepieniowy Przedni Przedni. Ogólna pojemność cieplna górnych stref Ogólna pojemność cieplna dolnych stref Ogólna zainstalowana moc cieplna pieca. 25 200 000 14 400 000 18 000 000 19 200 000 24 000 000 19 200 000 24 000 000. 91 120 000 114 900 000 206 020 000. W skład kaŜdej strefy wchodzi kilka palników pracujących z wykorzystaniem gorącego powietrza podgrzanego w centralnym rekuperatorze. Wszystkie palniki wyposaŜone są w zespół urządzeń zabezpieczających i regulujących. Gaz z sieci zakładowej redukowany jest do odpowiedniego poziomu w stacji stabilizacji ciśnienia i następnie kierowany poprzez zespół zaworów elektromagnetycznych do kolektora zbiorczego umieszczonego na piecu, a stamtąd do palników. Walcownia posiada redukcyjne stacje gazowe wyposaŜone w systemy zabezpieczeń, które działają automatycznie i odcinają dopływ gazu w przypadku zaniku energii elektrycznej, powietrza spalania, gazu oraz w przypadku nadmiernego wzrostu ciśnienia gazu. Ponadto, stacje wyposaŜone są w układ kontroli szczelności instalacji gazowej. Dodatkowo, kaŜdy palnik posiada niezawodny układ kontroli płomienia oraz układ kontroli przepływu powietrza spalania. Parametry nagrzewania, walcowania i chłodzenia materiału są tak dobrane dla gatunku stali, aby gwarantowały uzyskanie Ŝądanych właściwości mechanicznych i technologicznych danego wyrobu [9].. 35.

(37) 2.3.2. Algorytm właściwego nagrzania i wygrzania wlewków w piecu pokrocznym. W piecach pokrocznych występuje często niedogrzanie wlewka od strony trzonu pieca. Problem ten spowodowany jest kilkoma czynnikami. Do najwaŜniejszych naleŜy zaliczyć: -. chłodzenie od szyn ślizgowych,. -. konstrukcję pieca umoŜliwiającą podniesienie temperatury dołu pieca w strefie grzewczej,. -. nie ogrzewany trzon w strefie wyrównawczej.. Czynniki te powodują, Ŝe występuje konieczność wydłuŜenia czasu nagrzewania oraz czasu wygrzewania wlewków w strefie wyrównawczej, co wiąŜe się ze znacznymi startami mediów, głównie gazu oraz energii elektrycznej, potrzebnych do wytworzenia wyrobu finalnego. W celu usprawnienia procesu planowania produkcji w danej walcowni taśm, naleŜy poszukiwać alternatywnych wariantów rozwiązujących ten problem. Na podstawie pomiarów atmosfery pieca i obliczeń symulacyjnych nagrzewania wlewka, autor pracy [3] proponuje krzywą nagrzewania dla pieca pokrocznego w walcowni taśm stalowych huty ArcelorMittal oddział w Krakowie przedstawioną na rysunku 2.13.. Rys. 2.13. Krzywe nagrzewania wlewków w piecu pokrocznym walcowni gorącej taśm dla niesymetrycznego rozkładu temperatury pieca nad wsadem i pod wsadem [3]. Realizacja tego celu została osiągnięta na podstawie zbudowanego algorytmu polegającego na wykorzystaniu zastępczych współczynników wymiany ciepła. Według autora wariant ten zakłada utrzymanie wysokich temperatur, leŜących na granicy moŜliwości pieca w poszczególnych strefach pieca. Skutkiem tego jest brak symetrii temperatury pieca nad 36.

(38) i pod wsadem. Do osiągnięcia wymaganego pola temperatury zimnego wsadu konieczne jest podniesienie temperatury pieca w strefach III i V nad wsadem oraz utrzymanie wysokich temperatur w strefach IV i VI pod wsadem. Czas nagrzewania wsadu zimnego dla tego wariantu moŜna skrócić wówczas z 220 do 180 minut, w tym nagrzewanie na trzonie stałym do 45 minut, co przedstawiono w tablicy 2.4. Tablica 2.4. Strefy nagrzewania wlewka w piecu pokrocznym [33]. Grupa nagrzewania nr. I. II. III. IV. V. VI. Całkowity czas nagrzewania minimum, minuty. 100. 145. 160. 180. 200. 220. Czas wytrzymania w strefie wyrównawczej minimum, minuty. 20. 25. 30. 45. 50. 55. Wsad nagrzany według tego wariantu osiąga po 180 minutach pole temperatury takie jak po nagrzewaniu w ciągu 220 minut dla krzywej nagrzewania przedstawionej na rysunku 2.13. Wpływa to na mniejsze zuŜycie gazu potrzebnego do opalania pieca. Dostaje się wyrób finalny Ŝądanej jakości oraz w pełni optymalnie moŜna zarządzać procesem przygotowania produkcji w danej walcowni taśm stalowych walcowanych na gorąco bez zmian konstrukcji pieca. Wyniki badań zaproponowane w pracy [3] zostaną wykorzystane do budowy modelu, który będzie miał na celu przedłuŜenie trwałości walców w procesie walcowania określonej długości kampanii walcowniczej oraz minimalizację kosztów wytworzenia wyrobu gotowego w zaleŜności od realizowanego programu walcowania.. 2.4.. System planowania produkcji w walcowni taśm na gorąco. 2.4.1. Pojęcie i istota procesów planowania produkcji. Jednym z głównych narzędzi skutecznego zarządzania przedsiębiorstwem jest planowanie produkcji. Przez pojęcie „planowanie produkcji” naleŜy rozumieć wszystkie działania zmierzające do uruchomienia produkcji przemysłowej wyrobu, w tym przypadku taśmy stalowej, a takŜe prace naukowo – badawcze, nadzór nad produkcją bieŜącą oraz dalsze. 37.