NEROVNOMĚRNOST ZATÍŽENÍ PŘI VÁLCOVÁNÍ NA DVOUSTOLICOVÉ STECKELOVĚ VÁLCOVNĚ UNEVEN ROLLING LOADS DURING ROLLING ON TWIN STAND STECKEL MILL Ing. Ladislav ZELA, CSc. ArcelorMittal Ostrava a.s., Vratimovská 689, 707 02 Ostrava - Kunčice, ČR, Ladislav.Zela@arcelormittal.com Abstrakt Technologie válcování ocelového pásu za tepla na konvenčních Steckelových válcovnách je charakterizována vyššími válcovacími silami při válcování předního a zadního konce pásu ve srovnání s tělem pásu. Tzv. "studené konce " se vytvářejí při nerovnoměrném chladnutí pásu v důsledku technologických podmínek válcování. V minihuti pásové v ArcelorMittal Ostrava a.s. je poprvé použita unikátní technologie válcování ocelového pásu na dvoustolicové Steckelově válcovně. U nové technologie lze pozorovat stejný jev jako u konvenční Steckelovy válcovny. Válcovací síly jsou během každého průchodu měřeny kontinuálně a vyhodnocovány na třech úsecích pásu - předním konci, těle pásu a zadním konci. Řídicí systém vyhodnocuje pro tyto úseky charakteristické hodnoty válcovacích sil. V práci jsou uvedeny konkrétní hodnoty takto vyhodnocených válcovacích sil při válcování mikrolegované oceli a to v procentním vyjádření pro oba konce pásu ve vztahu k těle pásu. Vyhodnocují se válcovací síly z pohledu polohy na páse (hlava - pata) a pořadí vstupu do válců (přední - zadní). Pozorovaná nerovnoměrnost zatížení se zvyšuje směrem ke konci válcování. Analyzují se faktory ovlivňující nerovnoměrnost. Nerovnoměrnost zatížení ovlivňuje rozměrovou přesnost pásu a klade nároky na řídicí systém válcování. Navrhují se opatření k omezení nerovnoměrnosti válcovacích sil. Abstract Hot steel strip rolling technology on conventional Steckel mills features higher rolling loads during rolling of head and tail strip ends in comparison with strip body. It is caused by non uniform cooling of strip along its length due to rolling conditions. So - called "cold ends" are consequencies of technology. New unique hot strip rolling technology on twin stand Steckel mill was applied for the first time on minimill for flats at ArcelorMittal Ostrava a.s. As can be observed, the new technology features the same phenomenon as the old one. Rolling loads are measured continually during each pass and characteristic figures are evaluated by control system for head and tail strip ends and strip body. In the paper there are compared measured loads (for microalloyed steel) for head and tail ends with those for strip body and expressed in percents. Rolling loads on ends are evaluated with respect to the position on the strip (head - tail) and also with respect to the sequence of rolling (front - rare). One can observe that non uniformity of loads in the course of rolling increases towards the end of the process. The influence of various factors on non uniformity of loads is analysed. Geometrical accurancy of strip and requirements on control system are strongly influenced by non uniformity of loads. Measures are proposed in order to minimise the non uniformity of rolling loads. 1
1. ÚVOD Nerovnoměrnost zatížení při válcování pásu na konvenčních Steckelových válcovacích tratích je známým jevem, který vzniká v důsledku podmínek válcování. Zatížení při válcování předního a zadního konce pásu je vyšší než při válcování těla pásu. Existence tzv. studených konců je považována za charakteristiku válcoven teplého pásu Steckelova typu [1] a dnes je lze i predikovat matematickým modelováním válcovacího procesu [2]. Dvoustolicová Steckelova válcovna, na které se válcuje teplý pás v minihuti pásové v ArcelorMittal Ostrava, představuje inovační stupeň vývoje Steckelových válcoven [3], který je v současné době realizován ve světě pouze ve dvou závodech a to v ČR a v Číně [4], [5]. I u této inovační technologie se referuje o jevu studených konců [4]. Protože nerovnoměrnost zatížení pásu při válcování znamená ve svém důsledku rozměrově a strukturně nehomogenní finální pás, je vhodné provést rozbor a kvantifikaci tohoto nepříznivého jevu, aby bylo možné navrhnout opatření k jeho omezení, resp. odstranění. Cílem válcování je vždy rozměrově a strukturně homogenní pás. 2. ÚBĚROVÝ PLÁN PRO VYHODNOCENÍ NEROVNOMĚRNOSTI ZATÍŽENÍ Pro vyhodnocení byl vybrán úběrový plán pro válcování pásu 3 x 1300 mm z mikrolegované oceli, který byl použit pro rozbor zatížení válců v již dříve publikovaném článku [6]. Zmíněný článek se zabýval pouze zatížením při válcování těla válce. Pás 3 x 1300 mm je válcován z bramy o rozměrech 150x1295x9000 mm 7 dvojprůchody, tj. celkem 14 průchody. Deformace v jednotlivých průchodech se pohybují od 15 do 34%. Naměřená válcovací síla F [MN] 16 14 12 10 8 6 4 2 0 14,3 11,1 9,7 10,2 13 13,1 12,8 12,2 11,7 11,7 11,6 12,4 10,9 7,9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Válcovací průchod č. Obr.1. Naměřené válcovací síly pro tělo pásu při válcování pásu tloušťky 3mm z mikrolegované oceli na dvoustolicové Steckelově válcovně [6]. Fig.1. Measured rolling loads for strip body during rolling of 3 mm thick strip from microalloyed steel on Twin Stand Steckel Hot Strip Mill [6]. 2
Obr.2. Schéma vratného válcování pásu na dvoustolicové Steckelově válcovně (použití pecních navíječek PN1, PN2). Fig.2. Scheme of reverse hot strip rolling on Twin Stand Steckel Hot Strip Mill (application of Coiling Furnaces PN1, PN2). Naměřené válcovací síly F pro tělo pásu jsou znázorněny na Obr.1. a pohybují se v rozmezí od 7,9 do 14,3 MN (tj. +81%), přičemž nevykazují jednoznačný trend. Maximální válcovací síla byla naměřena v 6.válcovacím průchodu a byla pouze 40% max. povolené hodnoty 35 670 kn. Na pracovní válce působí také předohybové síly používané pro řízení rovinnosti pásu. Mikrolegovaná ocel je legovaná vanadem a niobem a má orientační obsah 0,05% C, 1,27% Mn, 0,2% Si, 0,03% V a 0,05% Nb. Mikrolegované oceli mají vyšší deformační odpory ve srovnání s běžnými uhlíkovými ocelemi, zvláště v posledních průchodech úběrového plánu, kde působí navíc ještě vliv zpomaleného odpevnění tohoto typu ocelí. Schéma válcování je znázorněno na Obr.2. a znázorňuje mj. způsob použití pecních navíječek PN1, PN2 v průběhu válcování konkrétního úběrového plánu. Pecní navíječky jsou vyhřívané a jejich účelem je zpomalení chladnutí tenčích rozvalků během válcování [7]. 3. METODIKA VYHODNOCENÍ ZATÍŽENÍ PŘI VÁLCOVÁNÍ KONCŮ PÁSU Pro vyhodnocení jsou použity hodnoty válcovacích sil, které pro přední konec pásu, tělo pásu a zadní konec pásu vyhodnotil řídící systém válcovací tratě a vytiskl do protokolu o válcování daného svitku. Aby bylo možné srovnávat nárůsty zatížení při válcování konců mezi jednotlivými průchody, bylo zvoleno poměrné vyjádření v % zatížení těla pásu. Z takto zpracovaných hodnot byly nakresleny v závislosti na čísle válcovacího průchodu grafy na Obr.3. a Obr.4. V Obr.3. a Obr.4. je v každém průchodu srovnáváno zatížení při válcování předního a zadního konce pásu, přičemž v Obr.3. je za přední konec v daném průchodu pokládán vždy ten konec pásu, který jako první vstupuje do válcovací stolice. Na rozdíl od tohoto způsobu jsou v Obr.4. stejné hodnoty prezentovány tak, že za přední konec pásu je považován ten konec pásu, který odpovídá původnímu konci A na páse ve válcovacím průchodu č.1 a 2. Je možno říci, že Obr.3. je zpracován z hlediska válcovacích stolic, Obr.4. pak z hlediska válcovaného pásu. Pro snazší orientaci možno využít Obr.2. 3
Válcovací síla pro přední a zadní konec pásu v % síly pro tělo pásu 250 200 150 100 50 0 106 105 99 101 96 84 86 107 112 120 116 147 144 159 182 174 191 153 213 141 169 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Válcovací průchod č. Přední konec pásu Zadní konec pásu Obr.3. Válcovací síly při válcování předního a zadního konce pásu ve srovnání s tělem pásu (posuzováno podle pořadí vstupu konců pásu do válcovací stolice). Fig.3. Rolling loads during rolling of front and rare strip ends in comparison with the strip body (according to the sequence of rolling in the mill stands). Válcovací síla pro přední a zadní konec pásu v % síly pro tělo pásu 250 200 150 100 50 0 105 106 101 99 96 107 112 84 86 120 116 147 144 182 159 191 174 153 213 141 169 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Válcovací průchod č. Konec pásu A Konec pásu Z Obr.4. Válcovací síly při válcování předního a zadního konce pásu ve srovnání s tělem pásu (posuzováno podle polohy konců na páse A, Z). Fig.4. Rolling loads during rolling of front and rare strip ends in comparison with the strip body (according to the position of the strip ends on the strip A, Z). 4
4. NEROVNOMĚRNOST ZATÍŽENÍ Pro vyhodnocení nerovnoměrnosti zatížení při válcování pásu je vhodné využít Obr.3. a Obr.2. 4.1 Úsek válcování bez použití pecních navíječek Z Obr.3. je patrné, že v průchodech č.1 až 6, kde se válcuje bez použití pecních navíječek, je nerovnoměrnost zatížení velmi malá. Rozdíly zatížení mezi konci pásu a tělem pásu jsou v rozmezí +6% až -4%. K první větší nerovnoměrnosti zatížení dochází při válcování v průchodu č.7 a 8, kde je rozmezí +12% až -16%, zajímavý je však velký rozdíl mezi zadním a předním koncem až 23%. To naznačuje, že rozvalek po 6. průchodu na výběhovém valníku je již tenký a rychle chladne. Zadní konec je při válcování mnohem chladnější než přední. 4.2 Úsek válcování s použitím pecních navíječek Po 8. průchodu se proto začínají používat pecní navíječky, které zpomalují chladnutí stále tenčího rozvalku a zároveň zrovnoměrňují jeho teplotní pole. V dalších průchodech nerovnoměrnost zatížení stále roste (rozdíly jsou už jen v plusové oblasti) až do průchodu č.13, kde dosahuje maxima +113% u zadního konce, tedy více než dvojnásobek zatížení odpovídající tělu pásu! Ve 13. průchodu je také nejvyšší rozdíl mezi oběma konci a to 60%, jinak v absolutní hodnotě nepřekračuje hodnoty uvedené pro 7. a 8. průchod. Rychlý růst nerovnoměrnosti je dán zrychleným chlazením konce pásu, který se postupně ztenčuje a při ukončení navíjení musí zůstat mimo navíječku, aby se po reverzaci umožnilo bezproblémové zavedení do válcovací stolice. Také teplota konce pásu, který je ve styku s trnem navíječky postupně klesá. 4.3 Vliv vlastností válcovaného materiálu Za zmínku rovněž stojí, že v oblasti použití pecních navíječek je nerovnoměrnost zatížení pro daný konec pásu vždy vyšší pro sudý průchod ve srovnání s předchozím lichým průchodem. To může naznačovat dominantní vliv kumulace deformace v důsledku zpomaleného odpevnění mikrolegované oceli. Výjimkou jsou poslední dva průchody, kde pravděpodobně dochází ke změně chování materiálu v důsledku fyzikálněmetalurgických podmínek (nízká teplota, malá deformace, kumulace deformace, vysoká def. rychlost). Zmíněné vlivy se budou projevovat s různou intenzitou podle vlastností válcovaných ocelí a nelze je zobecňovat.. 4.4 Další vlivy působící na nerovnoměrnost zatížení Pro detailnější vyhodnocování nerovnoměrnosti zatížení je nutno vzít v úvahu i další vlivy, které zatím nebyly zmíněny. Základní příčinou nerovnoměrnosti zatížení je nerovnoměrnost teplot rozvalku, která vzniká v důsledku kombinace reverzního způsobu válcování a použití pecních navíječek. Z dalších vlivů, které mohou mít vliv na nerovnoměrnost zatížení lze uvést: - teplota v pecních navíječkách - způsob použití pecních navíječek - způsob ostřiku okují - dynamická zatížení při vstupu předního konce do stolice - rychlostní poměry při válcování konců ve vztahu k tělu pásu (zaváděcí rychlost u předního konce pásu, zadní konec s plnou resp. sníženou rychlostí) - osové síly v provalku v úsecích PN1 H1 (tahy), H1 H2 (tahy i tlaky), H2 PN2 (tahy) 5
- spojité válcování v úseku H1 H2 - délka rozvalku (doba styku konce pásu s trnem pecní navíječky) - doba reverzace (doba chladnutí konce pásu vně pecní navíječky) Výše zmíněné vlivy jsou technologického charakteru, dále je možno mezi vlivy zařadit i způsob vyhodnocení zatížení na jednotlivých úsecích pásu prováděný řídícím modelem. 5. OMEZENÍ NEROVNOMĚRNOSTI ZATÍŽENÍ Protože nerovnoměrnost zatížení negativně ovlivňuje jak vlastnosti finálního pásu (rozměry, mechanické vlastnosti), tak i technologické faktory (návrh úběrového plánu, působení předohybových sil, životnost válců), je žádoucí ji omezit. 5.1 Technologie Z provedeného rozboru konkrétního válcování pásu vyplývá, že nerovnoměrnost zatížení se snižuje se zkracováním bramy a s omezením použití pecních navíječek. Naše konstrukční řešení pecních navíječek sice zpomaluje chladnutí tenkého rozvalku, ale zvyšuje nerovnoměrnost teploty po délce pásu (rozdíly teplot konců a těla pásu). Jako technologické opatření lze doporučit, v případech kde je to možné, přechod na kratší úběrový plán, např. ze 7 dvojprůchodů na 5 dvojprůchodů. 5.2 Zařízení válcovny Výrobci zařízení válcoven vyvinuli pro Steckelovy válcovny nové typy pecních navíječek, které odstraňují některé nevýhody dosavadních. Nový typ umožňuje navinout do navíječky celou délku pásu [7] a tím omezit nerovnoměrnost teplot po délce pásu. Tento typ navíječky již byl provozně uplatněn jak při výstavbě nové Steckelovy válcovny v Číně [7], tak při rekonstrukci stávající Steckelovy válcovny v Brazilii [8]. Obě zmíněné válcovny jsou sice jednostolicové, nic však nebrání použití těchto navíječek i u dvoustolicových Steckelových válcoven. Ve vývoji jsou další inovace pecních navíječek, které odstraňují další nevýhodu stávajícího typu chlazení konce pásu stykem s trnem navíječky. Tento typ navíječek umožňuje navíjet pás bez použití trnu [9]. Podobný princip byl již úspěšně využit u coilboxů. Popsaná inovace je teprve ve stadiu ověřovacích laboratorních zkoušek principu. 5.3 Řídicí systém válcovny Homogenitu rozměrů a vlastností vyválcovaného pásu lze zlepšit i použitím sofistikovanějšího řídicího systému, který více respektuje jak specifika válcovacího procesu, tak válcovaného materiálu. Doporučení uvedená v bodě 5.1 se využívají při vývoji technologie válcování zvláště u nových výrobků s vyšší přidanou hodnotou [10]. Soustavný vývoj technologie od uvedení dvoustolicové Steckelovy válcovny do provozu koncem roku 1999 umožnil rozšiřování sortimentu o výrobky s vyšší přidanou hodnotou a přispěl také k postupnému růstu výrobnosti, která v roce 2007 dosáhla hodnoty 1 167 776 tun. Doporučení podle bodů 5.2 a 5.3 lze uplatnit v rámci rekonstrukcí, protože jsou investičního charakteru. 6
6. ZÁVĚR Rozbor naměřených a řídicím systémem vyhodnocených válcovacích sil při válcování pásu na dvoustolicové Steckelově válcovně ArcelorMittal Ostrava prokázal a kvantifikoval zvýšená zatížení při válcování konců pásu (rozdíly jsou až dvojnásobné!), podobně jako je tomu u konvenčních jednostolicových Steckelových válcoven. Tato skutečnost nepříznivě ovlivňuje mj. homogenitu rozměrů a vlastností vyválcovaného pásu. Omezení nepříznivého vlivu nerovnoměrnosti zatížení při válcování pásu lze dosáhnout některými technologickými opatřeními (délka bramy, použití pecních navíječek) a použitím nového typu pecních navíječek. LITERATURA [1] ZELA, L.: Steckelovy válcovny pásu za tepla nové generace. Technická studie. 198 s.,vúhž a.s., Dobrá, 1994. [2] PLOCIENNIK, CH. et al.: A Numerical Model for Heat Transfer Analysis of Strip Rolled in Steckel Mills. In: Modelling of Metal Rolling Processes, p.530 538, 2nd Int. Conference, The Institute of Materials, 9-11 December 1996, London, UK. [3] WENG, S.X. THOMAS, J.E.: Modern Steckel Mills. In: STEEL STRIP 2006, p.31 40, 7th Int. Conference, 4 6 October 2006, Přerov, Czech Republic. [4] CHMELÍK, I.-ZELA, L.: Tandem Steckel hot strip rolling technology, state of the art.in: Steel Rolling 2006, Session 16, Paris, France, June 19-21, 2006. [5] JUNHONG, W. DEYU, N.: Two Stand Tandem Reversing Steckel Mill Performance at KISC. In: STEEL STRIP 2006, p.51 56, 7th Int. Conference, 4 6 October 2006, Přerov, Czech Republic. [6] ZELA, L.: Zatížení válců tandemové Steckelovy válcovny pásů. In:9. mez. konf., TECHNOLÓGIA 2005, Sekce 5 Technologie, stroje a zařízení pro tváření. SF SVŠT Bratislava, Slovensko,13. 14.9.2005. [7] VAI Steckel Mills Hot Solutions for Hot Coils. VAI Rolling Technology, Linz, Austria. [8] OTAVIO, L. et al.: Continuous Steckel Mill Improvements at ACESITA SA, Brazil,La Revue de Metallurgie-CIT, Septembre 2005, p.583-588. [9] POKORNÝ, A. PLCHOVÁ, A.: Využití principu svinování pásu do svitku v prostředí pece In: STEEL STRIP 2006, p.73 80, 7th Int. Conference, 4 6 October 2006, Přerov, Czech Republic. [10] CHMELÍK, I.-ZELA, L.: Vývoj výrobků s vyšší přidanou hodnotou na Minihuti pásové ArcelorMittal Ostrava a.s. In: Sborník přednášek 62. pracovního semináře Společnosti Ocelové pásy - Výrobky s vyšší přidanou hodnotou z Minihutě pásové ArcelorMittal Ostrava a. s., Hotel Golf, Šilheřovice 15. 17. 10. 2007, přednáška P1, 7str. 7