Оборудование для намотки сортового проката и катанки. Теория и конструкции


В. С. НЕКИПЕЛОВ







ОБОРУДОВАНИЕДЛЯ НАМОТКИ СОРТОВОГО ПРОКАТА И КАТАНКИ. ТЕОРИЯ И КОНСТРУКЦИИ

Учебное пособие













Инфра-Инженерия Москва-Вологда 2018

УДК 621.771.068
ББК 34.6
    Н 47

  ФЗ №436-Ф3

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп. 1ч.4ст. 11



      Некипелов В. С.
Н 47 Оборудование для намотки сортового проката и катанки. Теория и конструкции. Учебное пособие. /В.С. Некипелов. - М.: Инфра- Инженерия, 2018.- 140 с.
ISBN 978-5-9729-0206-4

     Показана ретроспектива развития намоточных устройств. Сформулированы и охарактеризованы достоинства и недостатки современных конструкций. Показаны различные модификации конструкций современных виткообразователей проволочных прокатных станов, а также особенности технологии виткообразования для целей термообработки. Показаны направления развития оборудования для намотки и виткообразования.
     Проанализированы существующие теоретические воззрения на процесс и изложены основы теории процессов виткообразования проката для различных типов устройств, включающие математические модели процессов и методику определения основных технологических параметров. Введено понятие зоны формирования витка и технологического критерия виткообразования. Приведена методика расчета энергетического баланса процессов и расчета мощности виткообразующих устройств. На этой базе построено теоретическое обоснование инновационного процесса виткообразования действием инерционных (динамических) сил.
     Изложена и обоснована методика экспериментального масштабного моделирования процессов виткообразования и намотки.
     Приводятся конкретные примеры использования теории для моделирования и проведения промышленных испытаний процесса виткообразования, результаты исследований износостойкости выходных проводок роторных моталок. Сформулированы основные требования к конструкциям современных виткообразователей с учетом требований технологии производства катанки. Изложены общие требования к трайб-аппаратам сортовых и проволочных станов и дана кинематическая схема конструкции трайб-аппарата для надежного виткообразования и укладки витков термоупрочненного и высокопрочного проката. Показана инновационная конструкция моталки для аморфных металлических лент, выполненная на основе теоретических расчетов. Приведен словарь терминов на русском и английском языках, дана классификация намоточных устройств для сортового проката, их конструктивные особенности и границы применения.
     Книга адресована конструкторам прокатного оборудования и может быть полезна ученым, инженерам, аспирантам и студентам вузов металлургических и машиностроительных специальностей.





© Некипелов В.С., автор, 2018
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2018



ISBN 978-5-9729-0206-4

UDC 621.771.068




     Nekipelov V.
     Equipment For Coiling Long Products and Wire Rod. Theory and Design. Textbook.-Infra-Ingeneria, 2018. -144 p.
ISBN 978-5-9729-0206-4

     This is the first publication of book dedicated entirely to the design, processes, technology and theory of coiling and ring forming of long products, based on more than thirty years of experience ofthe author.
     The book contains a glossary of terms for Russian and English languages, the classification of coilers for long products, their design features and application limits. Formulated and described the advantages and disadvantages of modern designs. Showing the various modifications of the design of modern wire laying heads for rolling mills, as well as technology features of ring forming for heat treatment. Shown the directions of development of equipment for the coiling and ring forming.
     The book analyzes the current theoretical views on the process and the fundamentals of the theory of processes ring forming for different types of devices, including mathematical models of processes and methodology for determining the main technological parameters. Introduced the concept of the zone of formation of the ring and the criterion of ring forming. The methodology of calculation of the energy balance of the processes and the laying devices power calculation. On this basis, a process of ring forming by the action of inertial (dynamic) forces has been grounded theoretically.
     Presented and grounded methodology of the scale simulating of ring forming and coiling.
     Specific examples of using the theory of simulating and testing of industrial process of ring forming. The results of investigations for wear of rotary coilers guides.
     The basic requirements for the design of modern laying head to meet the requirements of production technology of wire rod. A construction of laying head with a maximum speed of 170 mps. Sets out the general requirements for modern pinch rolls for wire rod and long product mills and given the kinematics of the pinch rolls design for reliable rings forming and laying, and for heat-strengthened or high-strength steel. Shown the design of coilerfor amorphous metal tapes, made on the basis oftheoretical calculations.
     The book is addressed to designers of rolling equipment and may be useful to scientists, engineers, graduate students and university students of metallurgical specialties.









                                                       ©V.S. Nekipelov, author, 2018 © Infra-Ingeneria, 2018



ISBN 978-5-9729-0206-4

ВВЕДЕНИЕ

     Сегодня, и в обозримом будущем, прокатка останется одним из основных видов производства металлургической продукции, в первую очередь, для нужд строительства и машиностроения. В литературе приводятся различные цифры объемов производимого проката, но большинство авторов сходятся в том, что, по крайней мере, не менее 70% всего выплавляемого в мире металла перерабатывается методами прокатки. Сегодня ни одна другая технология, в том числе новейшая, не позволяет производить металлопродукцию такой разнообразной номенклатуры и в таком массовом количестве. Прокатные технологии постоянно совершенствуются, позволяя выпускать более точный продукт и с заданными механическими свойствами. Усилия ученых и конструкторов направлены на повышение скоростей производства, расширение номенклатуры изделий, сокращение издержек производства.
     Одним из направлений снижения отходов и повышения выхода годного, а также сокращения издержек на производство, является производство проката в бунтах. В бунтах получают стальную катанку [1,25] и катанку из цветных металлов и сплавов [2], мелкий сорт [2,4,5], лист, полосы, ленты [33,69,73,90,92,94], а также трубы [6]. Из этой заготовки производят канаты и металлокорд, иглы, крепежные изделия, струны, пружины, электроды и многие другие изделия.
     В последние годы, наблюдается устойчивая тенденция к росту скоростей прокатки и массы заготовок [10-14,67,76]. Это обеспечивает рост производительности и снижение затрат, как при производстве, так и у потребителя [1,8,25]. При этом намоточные и виткообразующие машины играют роль не только оборудования, позволяющего получать продукт в компактном виде, но и обеспечивающего технологию получения заданного качества продукта [1,4,5,14,67].
     В настоящее время годовой объем производства круглого проката в мире превышает 120 млн. тонн [99], более половины этого количества -катанка в бунтах, что составляет более 10% от общего производства проката. Рентабельность производства катанки превышает рентабельность производства любого другого вида продукции по металлургической отрасли [4]. Масса получаемых бунтов сегодня на большинстве станов со

ставляет около 2,0 т и тенденция к повышению массы бунтов устойчива [67,68]. Применение проката в бунтах повышает коэффициент использования металла у потребителя за счет сокращения немерной обрези и некондиционных концов при волочении. При этом, чем выше масса бунта, тем ниже потери как при производстве, так и у потребителя [1,4].
     Возросшие за последние годы скорости прокатки, что особенно характерно для проволочных прокатных станов (декларируемые компаниями рекордные скорости прокатки доходят до 140 м/с и массы заготовок до 3...3,5 тонн), а также строительство станов непрерывной прокатки -все это диктует необходимость снижения потерь, связанных как с аварийными, так и с профилактическими простоями [8,34,35], требует высокой надежности всего оборудования прокатного стана. Поскольку бунты формируют непосредственно в линии стана, надежность работы оборудования участка виткообразования во многом определяет надежность работы прокатного стана в целом. Оборудование для формирования витков, термообработки и сбора их в бунт сегодня можно смело отнести к основному технологическому оборудованию.
     Намотка получаемого металлического продукта может применяться и в различных других типах производственных линий, причем скорости производства могут быть достаточно высокими. Для аморфных металлических лент они, например, могут составлять до 45 м/с. Рассматривается также возможность формирования витков и их термообработки на конвейере после волочильныхстанов.
     По данным Российского союза поставщиков металлопродукции, в России в период до 2009 года на душу населения потреблялось 220 кг металла. Это в два раза ниже, чем в США и в 3 раза ниже, чем в Японии [98,99]. Учитывая наметившиеся в последние годы тенденции в строительстве и машиностроении, можно прогнозировать дальнейший рост потребления металла в России, и в частности - получаемого в бунтах.
     В связи с этим, разработка надежных и высокоскоростных машин для намотки и формирования витков в линиях металлургического оборудования является важной задачей машиностроения.
     Поскольку ранее намоточное оборудование в литературе системно не рассматривалось, здесь следует оговорить терминологию, которая будет применяться ниже.

СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ *

Барабан моталки (coiler drum) - узел моталки с цилиндрической наружной или внутренней поверхностью для накопления витков с целью формирования бунта.
Бунт (coil) - компактированный в виде цилиндрического полого мотка прокат.
Бунтоприемник/бунтосборник (coil forming chamber) - цилиндрическое устройство, обычно шахтного типа, применяемое для накопления витков и укладки их в бунт необходимой массы.
Виткообразователь/укладывающая головка (laying head) - комплектная машина для формирования из прямолинейно движущегося проката спиральных витков и укладки их на конвейер.
Виткоформующий узел (ring/coil forming unit/member) - вращаемый узел, содержащий один или несколько элементов проводковой системы, закрепляемый на роторе виткообразователя и предназначенный для формирования и укладки витков проката.
Виткоформующая проводка/труба (laying guide/tube) - пространственно спрофилированная проводка, закрепленная в виткоформующем узле и предназначенная для изгиба проката в виток.
Витки раската передние/задние (front/tail end rings/coils of a rolled billet length) - несколько витков, сформированных из переднего/заднего конца раскатанной до размеров готового продукта заготовки.
Гаррета типа моталка (Garrett type coiler) - машина с вращаемым полым барабаном, внутрь которого прокат подается тангенциально и где формируемый бунт вращается совместно с барабаном.
Зона формирования витка (Ring forming zone) - траектория движения проката от начала изгибного деформирования его в виток до полностью сформированного витка.
Моталка (coiler) - комплектная машина для формирования бунтов проката.
Проводковая система (guide system) - комплект проводок моталки или виткообразователя, предназначенный для подачи движущегося проката в барабан моталки или для формирования витков.

Стелмор процесс (Stelmor process) - процесс двустадийного охлаждения катанки с прокатного нагрева, с целью получения необходимой структуры материала (чаще - сорбитной).
Стойкость/износостойкость (wear resistance) - продолжительность работы проводок или деталей до потери ими работоспособности, выражаемая в часах работы или тоннах произведенного проката.
Температура прокатки (rolling temperature) - температура, с которой прокат выходит из последней чистовой клети.
Температура виткообразования/укладки (temperature of ring forming/ laying) - температура, которую имеет прокат при входе в моталку или виткообразователь.
Трайб-аппарат/подающие ролики (pinch rolls) - комплектная машина для подачи проката в намоточное устройство или виткообразователь, без пластического деформирования проката.
Участок виткообразования (site of formation of rings/coils) - участок линии стана, включающий трайб-аппарат и виткообразователь с первой секцией конвейера витков или моталку с приемным барабаном/кон-тейнером и устройствами выгрузки бунта.
Шпульная моталка (reel coiler) - комплектная машина с захватом переднего конца проката и последующей намоткой его на внешнюю поверхность барабана.
Эденборна типа моталка/виткообразователь (Edenborn type coiler/ laying head) - комплектная машина, в которую прокат подается по оси ее вращения, и внутри проводки формируются неподвижные относительно земли бунт или витки проката.










  в скобках приведены термины на английском языке

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НАМОТКИ ПРОКАТА

    1.1. Классификация оборудования

     Сказанное во введении показывает обоснованность рассмотрения намоточных и виткообразующих машин в качестве основного технологического оборудования, надежность работы и технологические возможности которого определяют качество проката, сортамент и производительность прокатного стана.
     Хотя семейство машин для намотки и виткообразования довольно обширно, его можно подразделить на два основных класса, а каждый класс - на две группы. Классифицировать указанные машины удобно по основному признаку - условию подачи проката в устройство. В соответствии с этим, существуют два больших класса таких машин.
     Отличительный признак первого класса - тангенциальная подача проката на вращаемое приемное устройство (барабан). В свою очередь, этот класс подразделяется на две группы:
  -  машины, в которых прокат наматывают во внутреннюю полость барабана (моталки типа Гаррета);
  -  машины, в которых прокат наматывается на наружную поверхность барабана (шпульные моталки).
     В этих устройствах собираемый бунт вращается совместно с барабаном моталки.
     Отличительный признак второго класса машин - подача проката вдоль оси вращения моталки. Сформированный бунт и/или каждый отдельный виток неподвижны относительно земли. Этот класс также можно подразделить на две группы:
  -  машины, формирующие целиком бунт (моталки типа Эденборна);
  -  машины, формирующие спираль отдельных витков проката (вит-кообразователи типа Эденборна).
     Все основные конструкции намоточных машин были разработаны еще в конце Х1Х века (см. п.1.2) и, как ни парадоксально, принципиально не изменились за прошедшее время. Главная причина, по моему мнению, это то, что данный вид оборудования не считался основным технологическим оборудованием, а относился к вспомогательному. Внимание к нему появилось только в 60-е...70-е годы, когда скорости производства проката резко возросли, при этом возросли и требования к надежности оборудования и качеству производимого проката.

1.2. Конструктивные и технологические особенности машин для намотки и виткообразования

     Рассмотрим конструктивные и технологические особенности классов и групп намоточных машин.
    Машины, относящиеся к первому классу устройств.
     Отличительным конструктивным признаком первой группы является тангенциальная подача проката в полый вращаемый барабан (рис.1.1-1.4). В литературе такие машины часто именуют моталками типа Гаррета (W.Garrett) [6]. Хронологически, однако, они появились позже второй группы этого класса.
     Указанные машины могут наматывать прокат диаметром до 38 мм [25], а также арматурную сталь, квадрат, шестигранник, и некоторые другие профили. Кроме того, моталки, снабженные гибочным устройством и/или специальной конструкции барабаном и подающим устройством, могут наматывать прокат из сталей и сплавов с высоким пределом текучести [25]. Эти моталки допускают изменение натяжения в прокате, в зоне формирования витка, в продольном направлении в процессе работы, от положительных до отрицательных значений. То есть, в прокате могут безаварийно появляться как растягивающие, так и сжимающие напряжения. Данное обстоятельство обеспечивает высокую надежность процессов намотки на этих машинах. Также к достоинствам этой группы следует отнести то, что витки проката формируются за пределами проводковой системы моталки. Последнее обстоятельство позволяет изменять радиус кривизны формируемых витков в соответствии с зависимостью (1.1) и получать компактный бунт за счет циклического изменения скорости вращения барабана, согласно зависимости:
„ V
R =— ,                         (1.1)
т

где: V - скорость прокатки;
    т-угловая скорость вращения барабана моталки.

(No Model.)                                2 Sheets—Sheet 1.
H. A. YOUNG.
WIRE ROD REELING MACHINE.
No. 369,307.                   Patented Aug. 30, 1887.