2.2 Существующая технология производства труб на ТПА-80 ОАО “КресТрубЗавод”

Поступающая в цех заготовка в виде штанг, складируется на внутреннем складе. Перед запуском в производство она на специальном стеллаже подвергается выборочному осмотру, если это необходимо - ремонту. На участке подготовки заготовки установлены весы для контроля за весом, запущенного металла в производство. Заготовки со склада электромостовым краном подаются на загрузочную решетку перед печью и загружаются в нагревательную печь шагающим подом в соответствии с графиком и темпом проката.

Соблюдение схемы укладки заготовок, производится визуально посадчиком металла. Заготовка в печь загружается поштучно в каждый, через один или несколько шагов направляющих плит подвижных балок в зависимости от темпа проката и кратности реза. При смене марки стали, плавки и типоразмера труб посадчик производит разделение марок стали, плавок следующим образом: при длине заготовки 5600-8000мм плавки разделяются путем смещения двух первых штанг по ширине печи; марки стали разделяются путем смещения четырех первых штанг по ширине печи; при длине заготовки 9000-9800мм разделение марок стали, плавок друг от друга производится при посаде с интервалом 8-10 шагов, а также подсчетом количества посаженной в ПШП и выданной заготовки, которые контролируются нагревальщиком металла ПШП и резчиком ножниц горячей резки путем сверки с пультами управления. ТПА-80; при изменении размера (перевалке стана) прокатываемых труб, посад металла в печь прекращается за “5-6 шагов” до остановки стана, при остановке на перевалку металл “отшагивается на 5-6 шагов” назад. Перемещение заготовок через печь осуществляется тремя подвижными балками. В паузах цикла перемещения подвижные балки устанавливаются на уровне пода. Необходимое время нагрева обеспечивается путем измерения времени цикла шага. Избыточное давление в рабочем пространстве должно быть от 9,8 Па до 29,4 Па, коэффициент расхода воздуха ?=1,1 - 1,2.

При нагреве в печи заготовок различных марок сталей, продолжительность нагрева обуславливается тем металлом, время пребывания в печи у которого наибольшее. Качественный нагрев металла обеспечивается равномерным прохождением заготовок по всей длине печи. Нагретые заготовки выдаются на внутренний рольганг выгрузки, и выдаются им на линию горячей резки.

Для уменьшения подстуживания заготовок при простоях предусмотрен термостат на рольганге транспортировки нагретых заготовок к ножницам, а также возможность возврата (включением на реверс) не разрезанной заготовки в печь и нахождение ее в течении простоя.

Во время работы возможна горячая остановка печи. Горячей остановкой печи считается остановка без отключения подачи природного газа. При горячих остановках подвижные балки печи устанавливаются на уровне неподвижных. Окна загрузки и выгрузки закрываются. Коэффициент расхода воздуха с помощью задатчика "топливо-воздух" снижается с 1,1-1,2 до 1,0:-1,1. Давление в печи на уровне пода становится положительным. При остановках стана: до 15 минут - температуру по зонам устанавливают на нижнем пределе, и “отшагивают” металл на два шага; от 15 минут до 30 минут - температуру в зонах III, IV, V снижают на 20-40 ⁰С, в зонах I, II на 30-60 ⁰С от нижнего предела; свыше 30 минут - температуру по всем зонам уменьшают на 50-150 ⁰C по сравнению с нижним пределом в зависимости от продолжительности простоя. Заготовки " отшагивают" назад на 10 шагов. При продолжительности простоя от 2х до 5 часов необходимо освобождать от заготовок IV и V зоны печи. Заготовки из зон I и II выгружают в карман. Выгрузку металла осуществляет посадчик металла с ПУ-1. Температуру в V и IV зонах снижают до 1000-I050⁰С. При остановках более 5 часов вся печь освобождается от металла. Подъем температуры осуществляют ступенчато на 20-30 ⁰С, при скорости подъема температуры 1,5-2,5 ⁰С/мин. При увеличении времени нагрева металла из-за низкого темпа проката, температуру в I, II, III зонах понижают на б0 ⁰С, 40 ⁰С, 20⁰С соответственно от нижнего предела, а температуру в зонах IV, V на нижних пределах. В целом же при стабильной работе всего агрегата температура по зонам распределяется следующим образом (табл. 2.13).

После нагрева заготовка попадает на линию горячей резки заготовки. В состав оборудования линии горячей резки входят сами ножницы для резки заготовки, передвижной упор, транспортный рольганг, защитный экран для предохранения оборудования от теплового излучения из окна выгрузки печи с шагающим подом. После нагрева штанги и выдачи ее, она проходит через термостат, доходи до передвижного упора и разрезается на заготовки необходимой длины. После производства реза передвижной упор поднимается с помощью пневмоцилиндра, заготовка транспортируется по рольгангу. После ее прохода за упор он опускается в рабочее положение и цикл реза продолжается.

Таблица 2.13 - Распределение температуры в печи по зонам

Мерная заготовка рольгангом за ножницами передается к зацентровщику. Зацентрованная заготовка выбрасывателем передается на решетку перед прошивным станом, по которой скатывается к задержнику и при готовности выходной стороны передается в желоб, который закрывается крышкой. С помощью вталкивателя, при поднятом упоре заготовка задается в зону деформации. В зоне деформации осуществляется прошивка заготовки на оправке, удерживаемой стержнем. Стержень упирается в стакан упорной головки упорно-регулировочного механизма, открытие которой не допускает замок. Продольный изгиб стержня от осевых усилий, возникающих при прокатке, предотвращается закрытыми центрователями, оси которых параллельны оси стержня.

В рабочем положении ролики сводятся вокруг стержня пневмоцилиндром через систему рычагов. По мере приближения переднего торца гильзы ролики центрователей последовательно разводятся. После окончания прошивки заготовки, пневмоцилиндром сводятся первые ролики, которые перемещают гильзу от валков для возможности захвата рычагами перехватчика стержня, затем откидывается замок и передняя головка, сводятся ролики выдающие и гильза на повышенной скорости выдается на повышенной скорости выдается за упорную головку на рольганг за прошивным станом.

После прошивки гильза по рольгангу транспортируется до передвижного упора. Далее гильза перемещается цепным транспортером на входную сторону непрерывного стана. После транспортера гильза по наклонной решетке скатывается к дозатору, задерживающему гильзу пред входной стороной непрерывного стана. Под направляющими наклонной решетки расположен карман для сбора бракованных гильз. С наклонной решетки гильза сбрасывается в приемный желоб непрерывного стана с прижимами. В это время в гильзу при помощи одной пары фрикционных роликов вводится длинная оправка. По достижении передним концом оправки переднего торца гильзы прижим гильзы отпускается, на гильзу сводятся две пары тянущих роликов и гильза с оправкой задается в непрерывный стан. При этом скорость вращения тянущих роликов оправки и тянущих роликов гильзы рассчитана таким образом, чтобы в момент захвата гильзы первой клетью непрерывного стана выдвижение оправки из гильзы составляло 2,5-3,0 м. В связи с этим, линейная скорость тянущих роликов оправок должна быть в 2,25-2,5 раза выше линейной скорости тянущих роликов гильзы.

Прокатанные трубы с оправками попеременно передаются на ось одного из оправкоизвлекателей. Головка оправки проходит через люнет извлекателя и захватывается вставкой захвата, а труба в кольцо люнета. При движении цепи оправка выходит из трубы и попадает на цепной транспортер, который передает ее на сдвоенный рольганг, транспортирующий оправки от обоих извлекателей в ванну для охлаждения.

После извлечения оправки черновая труба поступает на пилы для обрезки заднего разлохмаченного конца.

Далее труба транспортируется к индукционным нагревателям, через которые она передается с помощью шести пар тянущих роликов. Индукционный подогрев перед редукционным станом.

После индукционного нагрева трубы задаются в редукционный стан, имеющий двадцать четыре трехвалковые клети. В редукционном стане количество работающих клетей определяется в зависимости размеров прокатываемых труб (от 9 до 24 клетей), причем исключаются клети, начиная с 22 в сторону уменьшения номеров клетей. Клети 23 и 24 участвуют во всех программах прокатки.

Во время прокатки валки непрерывно охлаждаются водой. При перемещении труб по охладительному столу в каждом звене его должно находиться не более одной трубы. При прокатке передельных горячедеформированных труб, предназначенных для изготовления насосно-компрессорных труб группы прочности "К" из стали марки 37Г2С после редукционного стана осуществляется ускоренное регулируемое охлаждение труб в спрейерах.

Скорость прохождения труб через спрейера должна быть стабилизирована со скоростью редукционного стана. Контроль за стабилизацией скоростей осуществляет оператор согласно эксплуатационной инструкции.

После редуцирования трубы поступают на реечный охладительный стол с шагающими балками где они охлаждаются.

За охладительным столом трубы собираются в однослойные пакеты для обрези концов и порезки на мерные длины на пилах холодной резки.

Готовые трубы поступают на стол осмотра ОТК, после осмотра трубы увязывают в пакеты и отправляют на склад готовой продукции.

2.3 Обоснование проектных решений

При поштучном редуцировании труб с натяжением на РРС возникает существенная продольная разностенность концов труб. Причиной концевой разностенности труб является нестабильность осевых натяжений в нестационарных режимах деформации при заполнении и освобождении рабочих клетей стана металлом. Концевые участки редуцируются в условиях значительно меньших продольных растягивающих напряжений, чем основная (средняя) часть трубы. Увеличение толщины стенки на концевых участках, превосходящее допустимые отклонения, делает необходимым удаление в обрезь значительной части готовой трубы

Нормы концевой обрези редуцированных труб на ТПА-80 ОАО “КресТрубЗавод” приведены в табл. 2.14.

Таблица 2.14 - Нормы обрези концов труб на ТПА-80 ОАО “КресТрубЗавод”

где ПК-передний утолщенный конец трубы; ЗК- задний утолщенный конец трубы.

Ориентировочно годовые потери металла в утолщенные концы труб в цехе Т-3 ОАО “КресТрубЗавод” составляют 3000 тонн. При сокращении длины и веса обрезаемых утолщенных концов труб на 25%, годовой прирост прибыли составит около 20 миллионов руб. Кроме того, будет обеспечена экономия затрат на инструмент пил пакетной резки, электроэнергию и т.д..

Кроме того, при производстве передельной заготовки для волочильных цехов можно снизить продольную разностенность труб, сэкономленный металл за счет снижения продольной разностенности использовать для дальнейшего увеличения объемов производства горячекатаных и холоднодеформированных труб.

2.4 Обоснование проектных решений

При поштучном редуцировании труб с натяжением на РРС возникает существенная продольная разностенность концов труб. Причиной концевой разностенности труб является нестабильность осевых натяжений в нестационарных режимах деформации при заполнении и освобождении рабочих клетей стана металлом. Концевые участки редуцируются в условиях значительно меньших продольных растягивающих напряжений, чем основная (средняя) часть трубы. Увеличение толщины стенки на концевых участках, превосходящее допустимые отклонения, делает необходимым удаление в обрезь значительной части готовой трубы.

Нормы концевой обрези редуцированных труб на ТПА-80 ОАО “КресТрубЗавод” приведены в табл. 2.15.

Таблица 2.15 - Нормы обрези концов труб на ТПА-80 ОАО “КресТрубЗавод”

где ПК-передний утолщенный конец трубы; ЗК- задний утолщенный конец трубы.

Ориентировочно годовые потери металла в утолщенные концы труб в цехе Т-3 ОАО “КресТрубЗавод” составляют 3000 тонн. При сокращении длины и веса обрезаемых утолщенных концов труб на 25%, годовой прирост прибыли составит около 20 миллионов руб. Кроме того, будет обеспечена экономия затрат на инструмент пил пакетной резки, электроэнергию и т.д..

Кроме того, при производстве передельной заготовки для волочильных цехов можно снизить продольную разностенность труб, сэкономленный металл за счет снижения продольной разностенности использовать для дальнейшего увеличения объемов производства горячекатаных и холоднодеформированных труб.

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ РЕДУКЦИОННЫМ СТАНОМ ТПА-80

Непрерывные трубопрокатные агрегаты являются наиболее перспективными высокопроизводительными установками для производства горячекатаных бесшовных труб соответствующего сортамента.

В состав агрегатов входят прошивной, непрерывный оправочный и редукционные растяжные станы. Непрерывность технологического процесса, автоматизация всех транспортных операций, большая длина прокатываемых труб обеспечивают высокую производительность, хорошее качество труб по поверхности и геометрическим размерам

В последние десятилетия продолжалось интенсивное развитие производства труб способом непрерывной прокатки: построены и введены в эксплуатацию (в ''Италии, Франции, США, Аргентине), реконструированы (в Японии) цехи непрерывной прокатки, поставлено оборудование для новых цехов (в КНР), разработаны и внедрены проекты строительства цехов (во Франции, Канаде, США, Японии, Мексике) [1].

По сравнению с агрегатами, введенными в эксплуатацию в 60-е года, новые станы имеют существенные отличия: на них изготовляют, в основном, трубы нефтяного сортамента, в связи с чем в цехах сооружаются крупные участки для отделки этих труб, включающие оборудование для высадки их концов, термообработки, нарезки труб, производства муфт и т.п.; значительно расширился диапазон размеров труб: максимальный диаметр возрос с 168 до 340 мм, толщина стенки - с 16 до 30 мм, что стало возможным благодаря освоению на непрерывных станах процесса прокатки на длинной оправке, перемещающейся с регулируемой скоростью, взамен плавающей. На новых трубопрокатных агрегатах используют непрерывно-литую заготовку (квадратную и круглую), что обеспечило существенное улучшение технико-экономических показателей их работы.

Для нагрева заготовок по-прежнему широко применяются кольцевые печи (ТПА 48-340, Италия), наряду с этим начинают использовать печи с шагающим подом (ТПА 27-127, Франция, ТПА 33-194, Япония) [2]. Во всех случаях высокая производительность современного агрегата обеспечивается путем установки одной печи большой, единичной мощности (производительность до 250 т/ч). Для подогрева труб перед редуцированием (калиброванием) применяют печи с шагающими балками.

Основным станом для получения гильз продолжает оставаться двухвалковый стан винтовой прокатки, конструкция которого совершенствуется, например, путем замены неподвижных линеек приводными направляющими дисками. В случае применения квадратных заготовок стану винтовой прокатки в технической линии предшествует либо прессвалковый стан (ТПА 48-340 в Италии, ТПА 33-194 в Японии), либо стан для калибровки граней и пресс для глубокой зацентровки (ТПА 60-245, Франция) [2].

Одним из основных направлений дальнейшего развития способа непрерывной прокатки является применение оправок, перемещающихся с регулируемой скоростью в процессе прокатки, взамен плавающих. С помощью специального механизма, развивающего усилие удерживания 1600-3500 кН, оправке задается определенная скорость (0,3-2,0 м/с), которая поддерживается либо до полного снятия трубы с оправки в процессе прокатки (удерживаемая оправка), либо до определенного момента, начиная с которого справка перемещается как плавающая (частично удерживаемая оправка). Каждый из этих способов может применяться в производстве труб определенного диаметра. Так, для труб малого диаметра основным является способ прокатки на плавающей оправке, среднего (до 200 мм) - на частично удерживаемой, большого (до 340 мм и более) - на удерживаемой.

Применение на непрерывных станах оправок, перемещающихся с регулируемой скоростью (удерживаемых, частично удерживаемых) взамен плавающих обеспечивает значительное расширение сортамента, увеличение длины труб и повышение их точности. Представляют интерес отдельные конструктивные решения; например, использование стержня прошивного стана в качестве частично удерживаемой оправки непрерывного стана (ТПА 27-127, Франция), внестановый ввод оправки в гильзу (ТПА 33-194, Япония) [3].

Новые агрегаты оснащаются современными редукционными и калибровочными станами, причем чаще всего используется один из этих станов. Охладительные столы рассчитаны на прием труб после редуцирования без предварительной разрезки.

Оценивая современное общее состояние автоматизации трубных станов, можно отметить следующие особенности.

Транспортные операции, связанные с перемещением проката и инструмента по агрегату, автоматизированы достаточно полно с помощью традиционных локальных (преимущественно бесконтактных) устройств автоматики. На основе таких устройств и стало возможным внедрение высокопроизводительных агрегатов с непрерывным и дискретно-непрерывным технологическим процессом.

Собственно же технологические процессы и даже отдельные операции на трубных станах автоматизированы пока явно недостаточно и в этой части их уровень автоматизации заметно уступает достигнутому, например, в области непрерывных листовых станов. Если применение управляющих вычислительных машин (УВМ) для листовых станов стало практически широко признанной нормой, то для трубных станов примеры пока единичны в России, хотя за рубежом в настоящее время разработка и внедрение АСУ ТП и АСУП стало нормой. Пока же на ряде трубных станов, в нашей стране имеются в основном примеры промышленной реализации отдельных подсистем автоматизированного управления технологическими процессами с помощью специализированных устройств, выполненных с использованием полупроводниковой логики и элементов вычислительной техники.

Отмеченное состояние обусловлено в основном двумя обстоятельствами. С одной стороны, до недавнего времени требования к качеству, и прежде всего, к стабильности размеров труб, удовлетворялись относительно простыми средствами (в частности, рациональными конструкциями оборудования станов). Эти условия не стимулировали более совершенные и, естественно, более сложные разработки, например, с использованием относительно дорогостоящих и не всегда достаточно надежных УВМ. С другой стороны, применение специальных нестандартных технических средств автоматизации оказывалось возможным лишь для более простых и менее эффективных задач, при этом требовались значительные затраты времени и средств на разработку и изготовление, что не способствовало прогрессу в рассматриваемой области.

Однако возрастающие современные требования к трубному производству, в том числе и к качеству труб, не могут быть удовлетворены традиционными решениями. Более того, как показывает практика, существенная доля усилий в удовлетворении этих требований приходится на автоматизацию, причем, в настоящее время необходимо в процессе прокатки труб автоматически изменять эти режимы.

Современные достижения в области управления электроприводами и различных технических средств автоматизации, прежде всего в области мини-ЭВМ и микропроцессорной техники, позволяют коренным образом совершенствовать автоматизацию трубных станов и агрегатов, преодолеть различные производственные и экономические ограничения.

Применение современных технических средств автоматизации предполагает одновременное повышение требований к корректности постановки задач и выбору путей их решения, и в частности - к выбору наиболее эффективных путей воздействия на технологические процессы Решению этой задачи может способствовать анализ существующих наиболее эффективных технических решений по автоматизации трубных станов.

Исследования непрерывных трубопрокатных агрегатов как объектов автоматизации показывают, что имеются существенные резервы дальнейшего повышенияих технико-экономических показателей за счет автоматизации технологического процесса прокатки труб на этих агрегатах.

При прокатке в непрерывном стане на длинной плавающей оправке также наводится концевая продольная разностенность. Толщина стенки задних концов черновых труб больше середины на 0,2-0,3 мм. Длина заднего конца с утолщенной стенкой равна 2-3 межклетевым промежуткам. Утолщение стенки сопровождается увеличением диаметра на участке, отстоящем на один межклетевой промежуток от заднего конца трубы. Вследствие переходных режимов толщина стенки передних концов на 0,05-0,1 мм меньше середины, При прокатке с натяжением стенки передних концов труб также утолщаются. Продольная разностенность черновых труб сохраняется при последующем редуцировании и приводит к увеличению длины задних отрезаемых утолщенных концов готовых труб.