Реферат: Hазработка системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей печью скоростного нагрева

Дополнительным фактором, который ограничивает Т_Н сверху, является отрицательное влияние перегрева на рост зерна аустенита и, следовательно, огрубление структуры мартенсита после закалки. Кроме того, повышение температуры нагрева увеличивает уровень максимальных растягивающих остаточных напряжений. Для стали 90ХФ оптимальной температурой нагрева при ДТО является Т_Н920С, для стали 75ХМ Т_Н950С.

Оптимальный режим нагрева состоит из максимально интенсивного нагрева поверхности бочки до температуры Т_Н и выдержке при данной температуре до прогрева на заданную глубину выше температуры аустенизации А_С3. Ограничивать интенсивность нагрева могут либо возможности оборудования (мощность печи скоростного нагрева - ПСН), либо высокие растягивающие напряжения, которые возникают в центральной зоне валка при интенсивном нагреве.

KOBE STEEL (предприятие-разработчик теории дифференцированной термической обработки прокатных валков - ДТО) рекомендует следующий режим нагрева: до 960С по металлу за 3ч и выдержка в течение 1ч при температуре поверхности валка 960С. скорость нагрева (менее 140С/ч) довольно мала и ограничивается, по-видимому, возможностями применяемой системы отопления с радиационными горелками. При таком нагреве возникающие максимальные растягивающие напряжения, которые формируются в конце выдержки, очень малы (в пределах 180 МПа для всех диаметров). Таким образом, с точки зрения безопасности режим градиентного нагрева существенно менее напряжен, чем режим предварительного подогрева. При заданном режиме поверхностный слой валков разных диаметров прогревается на 140-160 мм.

Проектируемая ПСН, оборудованная скоростными горелками, по данным базового варианта может обеспечить скорость подъема температуры поверхности бочки валка вплоть до 300С/ч (по металлу). Для определения рационального диапазона параметров нагрева разработчиками базового варианта (фирма «Термосталь» г. Санкт-Петербург) выполнен цикл расчетов нагрева валков из стали 75ХМФ до 950С по поверхности бочки с варьированием диаметра валков D=1200, 1600, 2000 мм, температуры предварительного подогрева Т_П=400, 450, 500С и скорости нагрева по металлу V_Н=100, 200, 300С/ч. При этом фиксировался критический размер дефекта для всех режимов.

Результаты расчетов приведены на рисунке 1.2, где хорошо видно влияние масштабного фактора: с ростом диаметра форма зависимости критического дефекта от скорости нагрева меняется на противоположную. Если для диаметра 1200 мм Д_КР уменьшается при увеличении скорости нагрева, для диаметра 1600 мм зависимость немонотонна, то для диаметра 2000 мм размер критического дефекта увеличивается с ростом V_Н.

П
ри выборе оптимального сочетания Т_П и V_Н предварительно можно руководствоваться формальным ограничением на уровень допустимых дефектов по ОСТ 24.023.33-86 «Ультразвуковой контроль ВХП», который допускает для валков диаметром свыше 1200 мм одиночные несплошности с эквивалентным диаметром до 200 мм. Принимая это ограничение, можно видеть из рисунка 1.2, что применение максимально возможной интенсивности нагрева (300С/ч по металлу) допустимо при Т_П=480С, 450С и 400С для валков диаметром соответственно 1200, 1600 и 2000 мм.

Рисунок 1.2 – Распределение температуры в поверхностном слое валков диаметром 1200, 1600 и 2000 мм из стали типа 75ХМФ в конце градиентного нагрева.

Следует подчеркнуть, что реальное проектирование режима нагрева возможно только после определения реально возможной максимальной интенсивности нагрева в ходе теплотехнических испытаний ПСН, а также реальной трещиностойкости металла в сердцевине валков из разных марок стали, подвергнутых улучшению.

Продолжительность выдержки при поддержании температуры бочки валка на уровне температуры нагрева Т_Н зависит от желаемой глубины прогрева поверхностного слоя до температуры аустенизации А_С3. В свою очередь, оптимальная величина прогрева зависит от прокаливаемости стали и интенсивности охлаждения. Суть процесса заключается в следующем.

При увеличении глубины аустенизированного слоя растет и глубина закаленного слоя, но только до определенной величины, ограниченной возможностями стали (прокаливаемостью) и спрейерной установки (максимальной интенсивностью охлаждения).

Рост глубины прогрева свыше этого оптимального значения приводит к накоплению излишнего тепла в валке, что начинает снижать скорость охлаждения на границе закаленного слоя, повышает температуру на оси валка и приводит к росту остаточных напряжений. Вкратце этот принцип следует охарактеризовать так: не следует прогревать валок больше необходимого.

В качестве иллюстрации на рисунке 1.3 для валка диаметром 1200 мм показаны зависимости глубины аустенизированного слоя L_А и закаленного слоя L_З (закаленным слоем условно принят слой с твердостью выше 45HS, что соответствует наличию в структуре не менее 50% бейнитно-мартенситной смеси) от продолжительности нагрева при температуре поверхности Т_Н=950С (сталь 75ХМФ) и Т_Н=920С (сталь 90ХФ). Нагрев до температуры Т_Н проводился со скоростью 300С/ч по металлу, охлаждение – с максимально возможной для данной спрейерной установки, которая допускает проводить охлаждение с максимальной плотностью орошения от 1.14 кг/м²с (валок диаметром 2000 мм) до 1.9 кг/м²с (валок диаметром 1200 мм).

Р
исунок 1.3 – Зависимость глубины аустенизированного слоя L_З (а) и температуры центра Т_Ц (б) от продолжительности прогрева при градиентном нагреве валка диаметром 1200 мм.

Из рисунка 1.3 видно, что увеличение продолжительности прогрева свыше 1 ч практически не увеличивает глубину закаленного слоя для валка из стали 75ХМФ и 90ХФ. При этом прогрев свыше 1.5 ч даже снижает глубину закаленного слоя в валке из стали 90ХФ. Дополнительным аргументом в пользу ограничения продолжительности нагрева служит тот факт, что при выдержке температура центра растет довольно интенсивно, что будет сопровождаться увеличением остаточных напряжений.

При выборе оптимальной продолжительности прогрева следует учитывать, что с ростом выдержки при температуре аустенизации увеличиваются остаточные напряжения в валке после закалки, поэтому этот параметр надо выбирать с учетом ограничений на уровень остаточных напряжений.

В свою очередь, уровень остаточных напряжений можно определить, только выбрав режим охлаждения, который зависит от режима нагрева. Таким образом, параметры нагрева и охлаждения оказываются взаимозависимыми. Это означает необходимость многовариантных (многопараметрических) расчетов на стадии проектирования режима для определения оптимальных значений параметров ДТО.

2. Назначение, структура и состав АСУ ПСН

1.2.1 Назначение

ПСН предназначена для скоростного нагрева бочки валка (предварительно подогретого в печи с выкатным подом до температуры 400-550С) с постоянной скоростью 100-300С/ч (по металлу) до температуры закалки 920-970С и последующей выдержкой в течение 45-60 мин. В результате нагрева в ПСН в валке формируется градиентное распределение температуры с прогревом поверхностного слоя на заданную глубину.

Спрейер предназначен для регулируемого охлаждения бочки валка, при этом на первом этапе используется интенсивное водяное охлаждение с максимальным расходом воды в течение 30-60 мин. На втором этапе применяется мягкое водо-воздушное охлаждение с регулируемым расходом воды в течение 75-145 мин.

Оборудование системы управления (СУ) ПСН предназначено для управления тепловым режимом печи скоростного нагрева в ручном и автоматизированном режиме.

Оборудование СУ спрейера предназначено для управления режимом охлаждения на спрейерной установке в ручном и автоматизированном режиме.

Оборудование системы управления предназначено для работы в следующих условиях:

• номинальное значение климатических факторов внешней среды по ГОСТ 15150-69, ГОСТ 15543-70 для климатического исполнения У;

• температура окружающей среды от +5С до +50С, окружающая среда не взрывоопасная, с содержанием коррозионно-активных агентов в атмосфере типов I и II по ГОСТ 15150-69, верхняя концентрация инертной пыли (в т.ч. токопроводящей) в воздухе не более 10 мг/м^;

• питание осуществляется от трехфазной сети переменного тока;

• колебания напряжения питания относительно номинального в пределах 0,85 – 1,1;

• по способу обслуживания шкафов и пультов с размещенными в них техническими средствами АСУ выполнены одностороннего обслуживания с доступом спереди;

• для защиты персонала от поражения электрическим током при прикосновении к электрооборудованию и для уменьшения помех в цепях управления применена система шин для заземления и выравнивания потенциала PE, заземление экранов кабелей и проводов.