Производство труб

Форма калибров трехвалковых станов показана на рис. 3.2.

Овальный калибр получают очерчивая его радиусом r с центром, смещенным относительно оси прокатки на величину эксцентриситета e.

Форма калибра

Рис. 3.2

Значения радиусов и эксцентриситета калибров определяют по ширине и высоте калибров по формулам:

Для определения размеров калибра необходимо знать величины его полуосей a и b, а для их определения - величину овальности калибра

Для определения овальности калибра можно использовать формулу:

Степенной показатель q характеризует возможную величину уширения в калибре. При редуцировании в трехвалковых клетях принимают q=1,2.

Величины полуосей калибра определяются зависимостями:

где f-поправочный коэффициент, который можно рассчитать по приближенной формуле

f=0,85+0,15.

Произведем расчет размеров калибра по приведенным выше формулам для первой клети.

Для остальных клетей расчет производится аналогичным образом.

В настоящее время проточку калибров валков проводят после установки валков в рабочую клеть. Расточку ведут на специальных станках круглой фрезой. Схема расточки показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3 - Схема расточки калибра

Для получения калибра с заданными величинами a и b необходимо определить диаметр фрезы D_ф и её смещение относительно плоскости осей валков (параметр Х). D_ф и X определяются следующими математически точными формулами:

Для трехвалковых станов угол равен 60.Di - идеальный диаметр валков, Di=330мм.

Рассчитанные по приведенным выше формулам величины сведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2 - Калибровка валков

3.4 Расчет скоростного режима

Расчет скоростного режима работы стана заключается в определении чисел оборотов валков и по ним чисел оборотов двигателей.

При прокатке труб с натяжением большое влияние на изменение толщины стенки оказывает величина пластического натяжения. В связи с этим в первую очередь необходимо определить коэффициент общего пластического натяжения на стане - z_общ, который бы обеспечил получение необходимой стенки. Расчет z_общ приведен в п.3.3.

Z_общ=0,436.

Далее из условия проволакивания трубы через калибр первой клети определяется максимально возможное переднее натяжение в первой клети - z_п1 по формуле:

,

где - коэффициент учитывающий влияние вне-контактных зон деформации:

;

l_i - длина дуги захвата:

;

- угол захвата:

;

f - коэффициент трения, принимаем f=0,5; а - число валков в клети, а=3.

В первой рабочей клети z_з1=0. В последующих клетях можно принять z_{п i-1}= z_{з i.}

Далее, зная величины z_з1=0 и z_{п 1,} определяем толщину стенки после первой клети по формуле:

,

где А - коэффициент определяемый по формуле:

;

;

z_i - средний (эквивалентный) коэффициент пласти-ческого натяжения

.

Подставляя в выше приведенные формулы данные для первой клети получим:

мм;

;

;

;

;

; ;

мм.

Проведя аналогичные расчеты для второй клети получили следующие результаты: z_п2=0,42, S₂=3,251мм, z_п3=0,426, S₃=3,252мм, z_п4=0,446, S₄=3,258мм. На этом расчет z_пi по приведенной методике прекращаем, т.к. выполняется условие z_п2z_общ.

Из условия полной пробуксовки определяем максимально возможное натяжение z_з в последней деформирующей клети, т.е. z_з21. При этом принимаем, что z_п21=0.

.

мм;

;

;

.

Толщину стенки перед 21-й клетью, т.е. S_20, можно определить по формуле:

.

;

; ;

мм.

Проведя аналогичные расчеты для 20-й клети получили следующие результаты: z_з20=0,357, S₁₉=3,178 мм, z_з19=0,396, S₁₈=3,168 мм, z_з18=0,416, S₁₇=3,151мм, z_з17=0,441, S₁₆=3,151 мм. На этом расчет z_пi прекращаем, т.к. выполняется условие z_з14z_общ.

Рассчитанные значения толщины стенки по клетям стана приведены в табл. 2.20.

Для определения чисел оборотов валков необходимо знать катающие диаметры валков. Для определения катающих диаметров можно использовать формулы приведенные в [2]:

, (1)

, (2)

где D_вi - диаметр валка по вершине;

.

Если , то расчет катающего диаметра валков следует вести по уравнению (1), если это условие не выполняется то надо использовать (2).

Величина характеризует положение нейтральной линии в том случае, когда её принимают параллельной (в плане) оси прокатки. Из условия равновесия сил в очаге деформации для такого расположения зон скольжения

,

где .

Задавшись входной скоростью прокатки V_вх=1,0 м/с, рассчитали число оборотов валков первой клети

об/мин.

Обороты в остальных клетях нашли по формуле:

.

Результаты расчета скоростного режима приведены в табл.3.3.

Таблица 3.3 - Результаты расчета скоростного режима

По данным табл.3.3. построен график изменения оборотов валков (рис. 3.4.).

Частота вращения валков

Рис. 3.4

3.5 Силовые параметры прокатки

Отличительной особенностью процесса редуцирования по сравнению с другими видами продольной прокатки является наличие значительных по величине межклетевых натяжений. Наличие натяжения оказывает значительное влияние на силовые параметры прокатки - давление металла на валки и моменты прокатки.

Усилие металла на валок Р является геометрической суммой вертикальной Р_в и горизонтальной Р_г составляющих:

Вертикальная составляющая усилия металла на валки определяется по формуле:

,

где р - среднее удельное давление металла на валок; l - длина зоны деформации; d - диаметр калибра; а - число валков в клети.

Горизонтальная составляющая Р_г равна разности усилий переднего и заднего натяжений:

,

где z_п, z_з - коэффициенты переднего и заднего пластического натяжений; F_п, F_з - площадь поперечного сечения переднего и заднего концов трубы; _S - сопротивление деформации.

Для определения средних удельных давлений рекомендуется пользоваться формулой В.П. Анисифорова:

.

Момент прокатки (суммарный на клеть) определяют по формуле:

.

Сопротивление деформации определяется по формуле:

,

где Т - температура прокатки,С; Н - интенсивность скоростей деформации сдвига, 1/с; - относительное обжатие; К₁, К₂, К₃, К₄, К₅ - эмпирические коэффициенты, для стали 10: К₁=0,885, К₂=7,79, К₃=0,134, К₄=0,164, К₅=(-2,8).

Интенсивность скоростей деформации определяется по формуле

,

где - степень деформации сдвига:

;

- время деформации:

.

Угловую скорость валка находится по формуле:

,

Мощность находится по формуле:

N=M_*w.

В табл. 3.4. приведены результаты расчета силовых параметров прокатки по приведенным выше формулам.

Таблица 3.4 - Силовые параметры прокатки

По данным табл. 3.4 построены графики изменения силовых параметров прокатки по клетям стана (рис.3.5., 3.6., 3.7.).

Изменение среднего удельного давления

Рис. 3.5

Изменение усилия металла на валок

Рис. 3.6

Изменение момента прокатки

Рис. 3.7

3.6 Исследование влияния переходных скоростных режимов редуцирования на величину продольной разностенности концевых участков готовых труб

3.6.1 Описание алгоритма расчета

Исследование проводилось с целью получения данных о влиянии переходных скоростных режимов редуцирования на величину продольной разностенности концевых участков готовых труб.

Определение коэффициента межклетевого натяжения по известным оборотам валков, т.е. зависимости Zn_i=f(n_i/n_i-1) проводилось по методике решения так называемой обратной задачи, предложенной Г.И. Гуляевым [10], с целью получения зависимости толщины стенки от оборотов валков.

Суть методики заключается в следующем.

Установившийся процесс редуцирования труб можно описать системой уравнений, отражающих соблюдение закона постоянства секундных объемов и равновесия сил в очаге деформации:

 (3.1.)

В свою очередь, как известно,

Dкат_i=(Zз_i, Zп_i, А_i),

_i=( Zз_i, Zп_i, B_i),

где А_i и B_i - величины, не зависящие от натяжения, n_i-число оборотов в i-ой клети, ?_i- коэффициент вытяжки в i-ой клети, Dкат_i -катающий диаметр валка в i-ой клети, Zп_i, Zз_i- коэффициенты переднего и заднего пластического натяжения.

Учитывая, что Zз_i= Zп_i-1 систему уравнений (3.1.) можно записать в общем виде следующим образом:

(3.2.)

Систему уравнений (3.2.) решаем относительно переднего и заднего коэффициентов пластического натяжения методом последовательных приближений.

Принимая Zз1=0 задаем значение Zп1 и из первого уравнения системы (3.2.) методом итерации определяем Zп₂, потом из второго уравнения - Zп₃ и т. д. Задаваясь величиной Zп₁, можно отыскать такое решение, при котором Zп_n = 0.

Зная коэффициенты переднего и заднего пластического натяжения, определяем толщину стенки после каждой клети по формуле:

(3.3.)

где А - коэффициент определяемый по формуле:

;

;

z_i - средний (эквивалентный) коэффициент пласти-ческого натяжения

.

3.6.2 Результаты исследования

Используя результаты расчетов калибровки инструмента (п. 3.3.) и скоростной настройки стана (скоростей вращения валков) при установившемся процессе редуцирования (п. 3.4.) в программной среде MathCAD 2001 Professional осуществили решение системы (3.2.) и выражения (3.3.) с целью определения изменения толщины стенки.

Сократить длину утолщенных концов можно за счет увеличения коэффициента пластического натяжения путем изменения оборотов валков при прокатке концевых участков трубы.

В настоящее время на редукционном стане ТПА-80 создана система управления скоростным режимом непрерывной безоправочной прокатки. Эта система позволяет динамически регулировать обороты валков клетей РРС при прокатке концевых участков труб согласно заданной линейной зависимости. Такое регулирование оборотов валков при прокатке концевых участков труб называется “клин скоростей”. Обороты валков при прокатке концевых участков трубы рассчитываются по формуле:

, (3.4.)

где n_i-обороты валков в i-ой клети при установившемся режиме, K_i-коэффициент снижения оборотов валков в %, i-номер клети.

Зависимость коэффициента снижения оборотов валков в данной клети от номера клети является линейной

К_i= (рис.3.8.).

Зависимость коэффициента снижения оборотов валков в клети от номера клети.

Рис. 3.8

Исходными данными для использования этого режима регулирования являются:

- количество клетей, в которых изменяется скоростная настройка ограничивается длиной утолщенных концов (3…6);

- величина снижения оборотов валков в первой клети стана ограничивается возможностью электропривода (0,5…15 ).

В данной работе для исследования влияния скоростной настройки РРС на концевую продольную разностенность было принято, что изменение скоростной настройки при редуцировании переднего и заднего концов труб осуществляется в первых 6 клетях. Исследование проводилось путем изменения скорости вращения валков в первых клетях стана по отношению к установившемуся процессу прокатки (варьирование угла наклона прямой на рис. 3.8).

В результате моделирования процессов заполнения клетей РРС и выхода трубы из стана трубы получили зависимости толщины стенки переднего и заднего концов труб от величины изменения скорости вращения валков в первых клетях стана, которые представлены на рис.3.9. и рис.3.10. для труб размером 33,7х3,2 мм. Наиболее оптимальным значением “клина скоростей” с точки зрения минимизации длины концевой обрези и “попадания” толщины стенки в поле допусков стандарта DIN 1629 (допуск по толщине стенки ±12,5%) является K₁=10-12%.

На рис. 3.11. и рис. 3.12. приведены зависимости длин переднего и заднего утолщенных концов готовых труб при использовании “клина скоростей” (K₁=10%), полученные в результате моделирования переходных процессов. Из приведенных зависимостей можно сделать следующее заключение: использование “клина скоростей” дает заметный эффект только при прокатке труб диаметром меньше 60 мм с толщиной стенки меньше 5мм, а при большем диаметре и толщине стенки трубы необходимое для достижения требований стандарта утонение стенки не происходит.

На рис. 3.13., 3.14., 3.15., приведены зависимости длин переднего утолщенного конца от наружного диаметра готовых труб для значений толщин стенок равных 3,5, 4,0, 5,0 мм, при различных значениях “клина скоростей” (приняли коэффициент снижения оборотов валков K₁ равной 5%, 10%, 15%).

Зависимость толщины стенки переднего конца трубы от величины

“клина скоростей” для типоразмера 33,7х3,2 мм

Рис. 3.9

Зависимость толщины стенки заднего конца трубы от величины “клина скоростей” для типоразмера 33,7х3,2 мм

Рис. 3.10

Зависимость длины переднего утолщенного конца трубы от D и S (при K₁=10%)

Рис. 3.11

Зависимость длины заднего утолщенного конца трубы от D и S (при K₁=10%)

Рис. 3.12

Зависимость длины переднего утолщенного конца трубы от диаметра готовой трубы (S=3,5 мм) при различных значениях “клина скоростей”.

Рис. 3.13

Зависимость длины переднего утолщенного конца трубы от диаметра готовой трубы (S=4,0 мм) при различных значениях “клина скоростей”

Рис. 3.14

Зависимость длины переднего утолщенного конца трубы от диаметра готовой трубы (S=5,0 мм) при различных значениях “клина скоростей”.

Рис. 3.15

Из вышеприведенных графиков видно, что наибольший эффект с точки зрения уменьшения концевой разностенности готовых труб дает динамическое регулирование оборотов валков РРС в пределах K₁=10…15%. Недостаточно интенсивное изменение “клина скоростей” (K₁=5%) не позволяет утонить толщину стенки концевых участков трубы.

Также при прокатке труб со стенкой толще 5 мм натяжение, возникающее при действии “клина скоростей”, неспособно утонить стенку из-за недостаточной тянущей способности валков. При прокатке труб диаметром больше 60 мм коэффициент вытяжки в редукционном стане небольшой, поэтому утолщение концов практически не происходит, следовательно использование “клина скоростей ” нецелесообразно.

Анализ приведенных графиков показал, что применение “клина скоростей” на редукционном стане ТПА-80 ОАО “КресТрубЗавод” позволяет сократить длину переднего утолщенного конца на 30%, заднего утолщенного конца 25%.

Как показали расчеты Мочалова Д.А. для более эффективного применения “клина скоростей” для дальнейшего сокращения концевой обрези необходимо обеспечить работу первых клетей в тормозном режиме с почти полным использованием силовых возможностей валков за счет использования более сложной нелинейной зависимости коэффициента снижения оборотов валков в данной клети от номера клети. Необходимо создать научно обоснованную методику для определения оптимальной функции K_i=f(i).

Разработка такого алгоритма оптимального управления РРС может служить целью для дальнейшего развития УЗС-Р в полноценную АСУТП ТПА-80. Как показывает опыт использования подобных АСУТП регулирование числа оборотов валков при прокатке концевых участков труб, по данным фирмы Маннесманн (пакет прикладных программ CARTA), позволяет сократить величину концевой обрези труб более чем на 50%, за счет системы автоматического управления процессом редуцирования труб, которая включает в себя как подсистемы управления станом и измерительную подсистему, так и подсистему вычисления оптимального режима редуцирования и управление процессом в режиме реального времени.

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА

4.1 Сущность планируемого мероприятия

В данном проекте предлагается внедрение оптимального скоростного режима прокатки на редукционно-растяжном стане. За счет данного мероприятия планируется уменьшение расходного коэффициента металла, причем вследствие уменьшения длины отрезаемых утолщенных концов готовых труб ожидается увеличение объемов производства на 80 тонн в месяц в среднем.

Капитальные вложения необходимые для осуществления данного проекта составляют 0 руб.

Финансирования проекта можно осуществить по статье «текущий ремонт», сметы затрат. Реализовать проект можно в течение одного дня.

4.2 Расчет себестоимости продукции

Калькуляция себестоимости 1т. продукции при существующих нормах обрези утолщенных концов труб приведена в табл. 4.1.

Калькуляция по проекту приведена в табл. 4.2. Поскольку результатом внедрения проекта не является увеличение выпуска продукции, пересчет значений расхода по переделу в проектной калькуляции не осуществляется. Выгодность проекта заключается в снижении себестоимости за счет уменьшения отходов по обрези. Обрезь сокращается из-за уменьшения расходного коэффициента металла.

4.3 Расчет проектных показателей

Расчет показателей проекта производится на основании калькуляции себестоимости, приведенной в табл. 4.2.

Экономия от снижения себестоимости в год:

Эг=(С⁰-С^п)*V_пр=(12200,509-12091,127)*110123,01=12045475,08р.

Прибыль по отчету:

Пр⁰=(Р-С⁰)*V_от=(19600-12200,509)* 109123,01=807454730,39р.

Прибыль по проекту:

Пр^п=(Р-С^п)*V_пр=(19600-12091,127)* 110123,01=826899696,5р.

Увеличение прибыли составит:

Пр=Пр^п-Пр⁰=826899696,5-807454730,39=19444966,11р.

Рентабельность продукции составляла:

Рентабельность продукции по проекту:

Поток наличности по отчету и по проекту представлены в табл.4.3. и 4.4., соответственно.

Таблица 4.1 - Калькуляция себестоимости 1 т проката в цехе Т-3 ОАО ”КресТрубЗавод”

Таблица 4.2 - Проектная калькуляция себестоимости 1 т проката

Совершенствование технологического процесса отразится на технико-экономических показателях деятельности предприятия следующим образом: возрастет рентабельность производства продукции на 1,45%, экономия от снижения себестоимости составит 12 млн. руб. в год, что повлечет рост прибыли.

Таблица 4.3 - Поток наличности по отчету

Таблица 4.4 - Поток наличности по проекту

Финансовый профиль проекта представлен на рис.4.1. Согласно графикам, приведенным на рис. 4.1. кумулятивный ЧДД проекта превышает плановый показатель, что говорит о безусловной выгодности проекта. Кумулятивный ЧДД, рассчитанный для внедряемого проекта, с первого года является положительной величиной, так как проект не требовал капитальных вложений.

Финансовый профиль проекта

Рис. 4.1

Точка безубыточности рассчитывается по формуле:

Точка безубыточности характеризует минимальный объем продукции, при котором заканчиваются убытки, и появляется первая прибыль.

В табл. 4.5. представлены данные для расчета переменных и постоянных затрат.

По отчетным данным сумма переменных затрат на единицу продукции составляет З_пер=11212,8р., сумма постоянных затрат на единицу продукции З_пост= 987,7р. Сумма постоянных затрат на весь объем выпуска по отчету составляет 107780796,98р.

По проектным данным сумма переменных затрат З_пер=11103,5р., сумма постоянных затрат З_пост= 987,7р. Сумма постоянных затрат на весь объем выпуска по отчету составляет 108768496,98р.

Таблица 4.5 - Доля постоянных затрат в структуре плановой и проектной себестоимости

По отчетным данным точка безубыточности составляет:

ТБ^отт.

По проекту точка безубыточности составляет:

ТБ^прт.

В табл. 4.6. проведен расчет выручки и всех видов затрат на производство реализованной продукции, необходимых для определения точки безубыточности. Графики расчета точки безубыточности по отчету и по проекту представлены на рис.4.2. и рис.4.3. соответственно.

Таблица 4.6 - Данные для расчета точки безубыточности

Расчет точки безубыточности по отчету

Рис. 4.2

Расчет точки безубыточности по проекту

Рис. 4.3

Технико-экономические показатели проекта представлены в табл. 4.7.