Wpływ asymetrycznego walcowania na poprawę wskaźników techniczno-ekonomicznych procesu walcowania blach na gorąco

Transkrypt

1 S. 316 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 6 Dr inż. Anna KAWAŁEK UKD: : : Prof. dr hab. inż. Henryk Dyja Dr inż. Marcin Knapiński Politechnika Częstochowska Wydział Inżynierii Procesowej Materiałowej i Fizyki Stosowanej al. Armii Krajowej Częstochowa Wpływ asymetrycznego walcowania na poprawę wskaźników techniczno-ekonomicznych procesu walcowania blach na gorąco The effect of asyetrical rolling on the improvement of the technical and economic indices of the hot plate rolling process W pracy przedstawiono efekty ekonomiczne uzyskane w wyniku opracowania i wdrożenia komputerowego systemu kształtowania szczeliny walcowniczej z wykorzystaniem sztucznej sieci neuronowej oraz asymetrycznego walcowania w dwóch ostatnich klatkach układu ciągłego walcowni gorącej blach. Zastosowanie i wdrożenie nowej technologii wpłynęło na zmniejszenie falistości produkcji towarowej w wybraku użytecznym niedowalcowań wypukłości pasma wskaźnika zużycia walców oraz pozwoliło rozszerzyć asortyment walcowanych blach cienkich. The paper presents economic effects achieved as a result of development and implementation of a computer system for roll gap control using an artificial neural network and asyetrical rolling in the last two stands of the continuous hot plate rolling mill system. The application and implementation of the new technology has contributed to reduction of waviness of coodity production in the usable reject misrolling strip convexity and roll wear rate and has enabled to expand the rolled sheet range. Słowa kluczowe: walcowanie asymetryczne blach na gorąco wskaźniki techniczno-ekonomiczne falistość wypukłość Key words: asyetrical hot plate rolling technical and economic indices waviness convexity Wstęp. Podczas opracowywania technologii walcowania blach cienkich na gorąco i projektowania klatek walcowniczych bardzo często zakłada się że proces walcowania jest symetryczny. W wyniku przyjęcia takiego uproszczonego modelu podczas rzeczywistego walcowania blach mogą wystąpić trudności z walcowaniem długich pasm oraz z uzyskaniem płaskich blach o odpowiednim kształcie przekroju poprzecznego. W rzeczywistym procesie walcowania blach często można się spotkać z nierównomiernym nagrzaniem kęsiska nie pokrywaniem się osi obojętnej pasma z osią obojętną kotliny walcowniczej różnymi średnicami górnego i dolnego walca roboczego niedokładnym wykonaniem części składowych klatki walcowniczej różnymi charakterystykami systemów sterowania poszczególnymi napędami walców nierównomiernym zużywaniem się poszczególnych walców roboczych. Z dużym przybliżeniem można przyjąć że wymiary przekroju poprzecznego walcowanego pasma w temperaturze walcowania odpowiadają wymiarom szczeliny walcowniczej podczas trwania przepustu. Od współcześnie wytwarzanych wyrobów płaskich wymaga się jednak małej tolerancji grubości na długości i szerokości pasma przez co takie przybliżenie we współczesnych walcowniach blach jest nie do przyjęcia. Wysokość szczeliny walcowniczej podczas procesu walcowania jest większa od jej wymiaru podczas biegu walcarki bez obciążenia. Wielkość ta ulega też zmianom podczas procesu walcowania powodując wahania ograniczanego przez nią wymiaru walcowanego pasma. Do ograniczenia odchyłek wymiarowych wyrobów walcowanych dąży się poprzez: ulepszenie konstrukcji i wykonania klatek wprowadzenie automatycznych metod kontroli wymiarów pasm i regulacji warunków walcowania. Z prac [1 3] wynika że asymetryczny proces walcowania pozwala poprawić parametry geometryczne walcowanego pasma na jego długości i szerokości. Technologia asymetrycznego walcowania wykorzystuje dodatnie efekty wpływu asymetrycznej kotliny odkształcenia na zwiększenie własności użytkowych wyrobu. Zastosowanie asymetrycznego procesu walcowania powoduje obniżenie siły całkowitego nacisku metalu na walce w wyniku zwiększenia w tym procesie wpływu stycznych sił tarcia na powierzchniach styku walców roboczych z odkształcanym pasmem. Jednocześnie występuje mniejsze sprężyste ugięcie elementów klatki walcowniczej dzięki czemu można uzyskać gotową blachę o mniejszych odchyłkach wymiarowych wzdłuż jej szerokości i długości [4 5]. Obniżenie sprężystego ugięcia elementów klatki walcowniczej pozwoli również na obniżenie minimalnej grubości pasma walcowanego w danej klatce.

2 2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 317 Badania własne. Celem pracy było określenie wpływu asymetrii prędkości obwodowych walców roboczych na wartości sił i momentów walcowania oraz na wartość promienia i kierunek wygięcia pasma wypływającego z kotliny odkształcenia. Wyznaczono optymalne współczynniki asymetrii uwzględniające takie parametry jak: rodzaj walcowanego materiału kąt podania pasma do walców współczynnik kształtu kotliny walcowniczej gniot względny współczynnik tarcia. Wyniki badań uzyskane podczas analizy posłużyły do uczenia sztucznej sieci neuronowej służącej do przewidywania kształtu szczeliny walcowniczej w grupie wykańczającej walcowni gorącej blach. W dalszym etapie przeprowadzono analizę stosowanego systemu kalibrowania walców oraz analizę sztywności klatek i na tej podstawie opracowano konwencjonalny model oparty na metodzie elementów skończonych pozwalający określić sprężyste odkształcenie walca uwzględniający jego ugięcie i przeciwugięcie. Model ten został wykorzystany do uczenia sztucznej sieci neuronowej. Nauczona sieć neuronowa pozwoliła na dobór wstępnego profilu walców w poszczególnych klatkach walcowni ciągłej blach oraz na określenie zakresu sił walcowania i przeginania walców gwarantujących uzyskanie prawidłowej płaskości blach dla danego profilu. Wyniki badań i ich analiza. Ostatnim etapem pracy było wdrożenie wyników badań uzyskanych w poprzednich etapach. Wdrożenie opracowanej technologii przyczyniło się do uzyskania szeregu efektów ekonomicznych związanych ze zmniejszeniem ilości wybraków z tytułu wypukłości falistości niedowalcowań oraz zmniejszeniem wskaźnika zużycia walców. 1. Efekt E 1 zmniejszenia wybraków z tytułu wypukłości. Po wdrożeniu opracowanej technologii wykonano analizę wpływu asymetrycznego złożenia walców roboczych na wypukłość gotowej blachy. W tym celu badane profile pasma pogrupowano według grubości końcowej blach oraz zastosowanego złożenia walców. Dla poszczególnych grup wyznaczono wartość średnią oraz odchylenie standardowe zmierzonej wypukłości blachy. Przykładowe wyniki badań zamieszczono w tabl.1. Najbardziej miarodajną grupę do oceny wpływu asymetrycznego walcowania na wypukłość blach stanowiły pasma walcowane na grubość końcową 22. Podczas walcowania przy jednakowych średnicach walców roboczych w klatce ostatniej i przedostatniej średnia wartość wypukłości blachy wyznaczona z 21-elementowej próby wynosiła 39 μm przy odchyleniu standardowym około 5 μm. Natomiast zastosowanie złożeń asymetrycznych walców roboczych o różnicach średnic wynoszących 12 w klatce ostatniej oraz 3 w klatce przedostatniej spowodowało spadek wypukłości której średnia wartość wyznaczona z 22-u elementowej próby wynosiła 22 μm przy odchyleniu standardowym około 6 μm. Na podstawie przeprowadzonej analizy wypukłości gotowych blach stwierdzono że zastosowanie nowej technologii walcowania asymetrycznego w ostatniej i przedostatniej klatce wpłynęło na zmniejszenie wypukłości blachy nawet do 50 %. 2. Efekt E 2 zmniejszenia wybraków z tytułu falistości. W celu określenia wpływu asymetrycznego walcowania w dwóch ostatnich klatkach walcowni gorącej na falistość blach wykorzystano zestawienie wyrobów odrzuconych i gładzonych (przekroczona dopuszczalna falistość) w okresie przed wprowadzeniem nowej technologii (walcowanie symetryczne) oraz po wdrożeniu nowej technologii (walcowanie symetryczne i asymetryczne). Przed wdrożeniem nowej technologii w okresie obliczeniowym ilość wybraków z tytułu falistości wynosiła: F 1 = f 1 T 2 Mg (1) gdzie: f 1 wskaźnik procentowy wybraków z tytułu falistości wyznaczony dla produkcji towarowej w okresie bazowym. Wartość wskaźnika f 1 = 016 % T 2 produkcja towarowa w okresie obliczeniowym Mg. Ilość F 1 Mg zostałaby sprzedana z opustem jako wyrób II klasy. Po wdrożeniu nowej technologii ilość wybraków z tytułu falistości była mniejsza i wynosiła F 2 Mg dlatego równoważna masa F 1 ton została sprzedana: w części F 2 Mg jako wyrób klasy II w pozostałej części (F 1 ) jako wyrób klasy I. Z przeprowadzonej analizy wynika że: w przypadku zastosowania nowej technologii ilość (F 1 ) została sprzedana jako wyrób klasy I w cenie zbytu C zł/mg w przypadku nie zastosowania nowej technologii ilość (F 1 ) została sprzedana z opustem % jako wyrób klasy II w cenie C kl.ii zł/mg. Pozostała część F 1 zostanie sprzedana w obu przypadkach za tę samą kwotę w takich samych ilościach jako wyroby klasy II. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń stwierdzono że efekt zmniejszenia wybraku z tytułu falistości wynosi: E 1 = (F 1 ) C (F 1 ) C kl.ii (2) W tablicy 2 przedstawiono zestawienie wyrobów odrzuconych i gładzonych (przekroczona dopuszczalna falistość) w okresie 1 roku przed wprowadzeniem nowej technologii (walcowanie symetryczne) oraz w pierwszym miesiącu po wdrożeniu nowej technologii (walcowanie symetryczne i asymetryczne). Na podstawie danych zamieszczonych w tabl. 2 można stwierdzić że zastosowanie asymetrycznego walcowania w dwóch ostatnich klatkach walcowni gorącej blach wpłynęło na zmniejszenie ilości blach poddawanych gładzeniu dla tzw. produkcji towarowej o około 50 % oraz na pięciokrotne zmniejszenie ilości odrzuconych blach z powodu falistości. W przypadku blach dla walcowni zimnych z powodu falistości odrzucono o blisko 30 % blach mniej. 3. Efekt E 3 zmniejszenia wybraku z tytułu niedowalcowań. Przed wdrożeniem nowej technologii

3 S. 318 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 6 Ta b l i c a 1. Wpływ asymetrycznego walcowania na wypukłość gotowej blachy Ta b l e 1. The effect of asyetrical rolling on the convexity of finished plate Nr pasma Wypukłość μm Klin μm Grubość Szerokość Klatka 10 R g R d Klatka 9 R g R d OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC Średnia 391 Odch. stand OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC OC Średnia 219 Odch. stand w okresie obliczeniowym ilość wybraków z tytułu niedowalcowań wynosiła: = n 1 W 2 Mg (3) n 1 wskaźnik procentowy wybraku z tytułu niedowalcowań wyznaczony dla wsadu przewalcowanego w okresie bazowym; n 1 = 035 %

4 2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 319 Ta b l i c a 2. Wielkość produkcji i ilość wybraków spowodowany falistością Ta b l e 2. Production volume and the number of rejects due to waviness Blachy arkuszowe - produkcja towarowa Wielkość Okres produkcji Odrzucone Gładzone Mg Mg % Mg % produkcja roczna Po wprowadzeniu nowej technologii Blachy dla walcowni zimnych produkcja roczna Po wprowadzeniu nowej technologii W 2 wsad przewalcowany w okresie obliczeniowym Mg. Ilość Mg zostałaby sprzedana w części blachy Mg z opustem jako wyrób II klasy oraz w pozostałej części złom Mg jako złom: = złom + blachy (4) Nie można przyjąć że w przypadku nie zastosowania nowej technologii ilość blachy (a przez to również ilość złom ) byłaby w danym okresie obliczeniowym takim samym ułamkiem wsadu przewalcowanego jak w okresie bazowym ponieważ w każdym okresie obliczeniowym ilość sprzedanych wybrakowanych blach jest przypadkowa uwarunkowana zamówieniami nabywców. Dlatego przyjęto że ilość blachy w danym okresie obliczeniowym w przypadku niezastosowania nowej technologii byłaby taka sama jak w przypadku jej wdrożenia: blachy = N 2 blachy (5) gdzie N 2 blachy ilość wybraków z tytułu niedowalcowań sprzedana jako wyrób klasy II w danym okresie obliczeniowym po wdrożeniu nowej technologii. Zatem można zapisać: = złom (6) Po zastosowaniu nowej technologii ilość wybraków z tytułu niedowalcowań była mniejsza i wynosiła N 2 Mg. Równoważna masa Mg została sprzedana: w części N 2 Mg jako wyrób klasy II lub złom: N 2 = N 2 złom (7) w pozostałej części ( ) = N 2 blachy kl. I (8) jako wyrób klasy I. Masa towarowa po zastosowaniu nowej technologii jest równa: = N 2 blachy kl. I + N 2 złom. (9) Z porównania składowych wynika że: w przypadku zastosowania nowej technologii ilość ( ) została sprzedana jako wyrób klasy I w cenie zbytu C zł/mg w przypadku niezastosowania nowej technologii ( ) została sprzedana jako złom w cenie złomu C złom zł/mg. Pozostała część całości została w obu przypadkach sprzedana za tę samą kwotę w takich samych ilościach jako złom i jako wyrób klasy II. W związku z powyższym efekt zmniejszenia wybraku z tytułu niedowalcowań wynosi: E 3 (100%) = ( ) C ( ) C złom (10) Ponieważ na zmniejszenie wybraków z tytułu niedowalcowań mają wpływ również inne czynniki (zmniejszenie awarii mechanicznych elektrycznych w grupie klatek wykańczających) wdrożenie nowej technologii przyczyniło się do uzyskania 50 % efektu E 3 : E 3 = 50 % [( ) C ( ) C złom ] (11) 4. Efekt E 4 zmniejszenia wskaźnika zużycia walców Ẇ wyniku wdrożenia nowej technologii walcowania asymetrycznego nastąpiło zmniejszenie ilości magazynowanych walców ponieważ do walcowania asymetrycznego można było wykorzystywać walce robocze o różnych średnicach co pozwoliło wyeliminować operację przetaczania walców w celu dopasowania średnic walców współpracujących.

5 S. 320 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 6 Podsumowanie i wnioski. Opracowanie i wdrożenie systemu kształtowania szczeliny walcowniczej z wykorzystaniem sztucznej sieci neuronowej oraz asymetrycznego walcowania w dwóch ostatnich klatkach układu ciągłego przyczyniło się do uzyskania następujących efektów ekonomicznych: zmniejszenie o 50 % ilości wybraków z tytułu wypukłość gotowych blach zmniejszenie o 30 % ilości wybraków z powodu falistości i zmniejszenie o 50 % ilości blach gładzonych przeznaczonych do obrotu towarowego zmniejszenie o 10 % ilości wybraków z tytułu niedowalcowań zmniejszenie ilości magazynowanych walców oraz wyeliminowanie operacji przetaczania walców. Z przeprowadzonej analizy wynika że przedsiębiorstwo po wdrożeniu nowej technologii uzyskało znaczne efekty ekonomiczne. L i t e r a t u r a 1. Dyja H. Wilk K.: Asymetryczne walcowanie blach i taśm Wyd. Wydziału Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Politechniki Częstochowskiej Częstochowa Salganik V. M. Pеsin. A. M. Shabalin Yu. A.: Novye sposoby i ustrojstva asietrichnoj prokatki Chernaya metallurgiya Byul. in-ta Chermedinformaciya М vyp. 9 s Sinicyn V. G.: Nesietrichnaya prokatka listov i lent Меtallurgiya 1984 s Kawałek A.: Forming of band curvature in asyetrical rolling process Journal of Materials Processing Technology Volume: November Pages Kawałek A.: The theoretical and experimental analysis of the effect of asyetrical rolling on the value of unit pressure Journal of Materials Processing Technology Volume: December Pages Dr inż. MONIKA POSKART UKD: 669(.061.7)(438):620.1(061.7)(438):620.1(061.7)(438): (061.7)(438) Dr hab. inż. LECH SZECÓWKA prof. P.Cz. Politechnika Częstochowska Katedra Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska al. Armii Krajowej Częstochowa poskart@wip.pcz.pl Zastosowanie metod numerycznych do modelowania emisji NO x w procesie reburningu podczas współspalania biopaliw Application of numerical methods for modelling of NO x emission in reburning process during co-combustion with biofuels Redukcja emisji zanieczyszczeń gazowych np. tlenków azotu jest bezwzględną koniecznością wynikającą z ciągłej intensyfikacji procesów spalania oraz wprowadzania coraz to bardziej rygorystycznych norm w zakresie ochrony środowiska. Wymusza to postęp w pracach naukowo-badawczych a nieodzownym elementem badań eksperymentalnych stają się badania z wykorzystaniem metod numerycznych które umożliwiają oszacowanie efektów ekologicznych z procesów spalania a w konsekwencji opracowywanie nowych konstrukcji palników i specjalnych niskoemisyjnych technik spalania. W niniejszym artykule przedstawiono możliwości numerycznego modelowania emisji NO x podczas współspalania gazu ziemnego z biopaliwami. Analizy numerycznej dokonano przy użyciu programu CHEMKIN wersja The reduction of gas pollution emissions e.g. nitrogen oxides is a necessity arising from continuous intensification of combustion processes as well as introducing more rigorous norms in the range of environmental protection. It extorts the progress of scientific research works. Research witch use of numerical methods is a necessary element of experimental investigations. It makes possible the estimation of ecological effects of combustion processes and in consequence developing new constructions of burners and special low-emission technique of combustion. The article presents usability of numerical modelling of NO x emission during co-combustion of natural gas with biofuels. The numerical analysis was carried out by using CHEMKIN program version Słowa kluczowe: modelowanie numeryczne reburning biopaliwa tlenki azotu Key words: numerical modelling reburning biofuels nitrogen oxides 1. Wprowadzenie. Wśród pierwotnych metod obniżania stężenia (emisji) tlenków azotu obok stopniowania powietrza które do tej pory znalazło najszersze zastosowanie dużym zainteresowaniem cieszy się również stopniowanie paliwa tzw. reburning. Ilość prac badawczych prowadzonych w tym zakresie zarówno za granicą jak i w kraju stale wzrasta a zadowalające wyniki badań skłaniają do dalszego ich udoskonalania i wdrażania na szerszą skalę. Wzrost zainteresowania tą metodą wynika przede wszystkim z możliwości wykorzystania różnych paliw reburningowych w tym biopaliw. W związku