Тема 16 автоматизація

Чим складніше робочий процес, виконуваний агрегатом, більше продуктивність і розміри агрегату, тим більше необхідна автоматизація.

На сучасних листових станах, наприклад, швидкість прокатки досягає 40–50 м/с, а на дротових станах вона ще більше (60–70 м/с). При таких швидкостях прокатки не тільки дуже важко, але й неможливо управляти процесом вручну. Неминучі неточності керування можуть привести до більших втрат металу, що прокатується: адже за 1 сек. виходить зі стана 15–60 м прокату.

Таким чином, управляти сучасним металургійним устаткуванням повинні автоматичні системи, здатні встановлювати найвигідніший режим роботи агрегатів і підтримувати необхідні параметри з метою одержання продукції високої якості.

Автоматизація металургійних агрегатів вимагає комплексу досить складних приладів і пристроїв. Це

• прилади, що одержують і передають інформацію про хід технологічного процесу й параметри оброблюваного металу;

• різні засоби автоматизації, що сигналізують про положення металу, механізмів і характер їхнього переміщення;

• системи автоматичного керування, включаючи керуючі обчислювальні машини – комп'ютери, що обробляють вступник інформацію й команди, що видають, для керуючого впливу на механізми агрегату.

Автоматичні системи для повинні складатися з ряду об'єднаних локальних автоматичних систем, керуючих всім ходом технологічного процесу, починаючи від подачі вихідного матеріалу з вагона на склад, подачі його зі складу на стан і закінчуючи надходженням прокату на склад готової продукції. Найбільш складна й головна частина цієї системи – це автоматизація регулювання розмірів профілю, що прокатується, і контролю якості готової продукції. Завдяки цій автоматизації забезпечується прокатка профілів більш точних розмірів, і отже, більш високої якості.

Сукупність локальних систем повинна забезпечувати керування всіма операціями, починаючи з подачі злитків або заготовок до нагрівальної печі й закінчуючи надходженням готового прокату на склад. Комп'ютер контролює рух кожної заготовки або сляба й повідомляє безупинно операторові дані про хід технологічного процесу й відповідні інструкції. На листових безперервних станах ця система, наприклад, здійснює оптимальне розміщення слябів у нагрівальних печах, керування їхньою роботою з регулюванням температури й контролем всієї нагрівальної системи, керування приводами чорнових і чистових клітей стану, контроль за їхньою роботою, регулювання натягу й розмірів смуги, що прокатується, температури кінця прокатки, процесу охолодження смуг, змотування й керування рухом рулонів по конвеєру на склад готової продукції.

Наведений короткий огляд систем автоматизації металургійних агрегатів свідчить про їхнє величезне значення в підвищенні якості продукції, що випускається, і продуктивності праці.

У наш час автоматизація металургійних агрегатів (у тому числі автоматизація виконуваних ними технологічних процесів) має повсюдне поширення; кожний металургійний агрегат управляється комп'ютером або системою комп'ютерів.

Було б, однак, неправильно думати, що застосуванням комп'ютерів вирішуються всі проблеми автоматизації. Для успішної роботи системи автоматизації необхідний надійний датчик. Якщо немає надійно працюючого датчика (першої ланки автоматичної системи), то комп'ютер не в змозі успішно виконати своє призначення.

Таким чином, оснащення агрегатів всіма необхідними приладами, які працювали б з достатнім ступенем точності й надійністю в умовах металургійного виробництва, є першочерговим завданням автоматизації.

Автоматизація металургійного агрегату (у тому числі прокатного стану) є одним з головних етапів створення самого агрегату. Вона буде успішної тільки в тому випадку, якщо технологічний процес і конструкція агрегату розроблені одночасно з автоматизацією, тобто коли всі ці три основні складові частини вирішуються одночасно. Однак раніше заводи металургійного машинобудування нерідко видавали завдання на автоматизацію агрегату після виконання проекту й навіть після початку його будівництва. Порушення принципу спільної роботи конструктора, фахівця з електропривода й автоматники над створенням агрегату приводить іноді до того, що окремі механізми по конструкції або якості не відповідають сучасним вимогам автоматичного керування.

Слід зазначити, що прокатка є одним з найперших виробництв, у якому ще в ХІХ сторіччі почалося застосування потокових ліній. Це обумовлено масовістю виробництва однотипної продукції, наприклад листів, рейок, дроту або труб. Тому прокатка й прокатні стани були першими об'єктами, де знайшла практичне застосування автоматизація при мінімальній кількості людей. Всі операції, від складу вихідних матеріалів до складу готової продукції, виконуються механізованими й автоматизованими системами машин без участі людини, керованими за допомогою комп'ютерів. Такі агрегати повинні стати прокатними станами найближчого майбутнього.

ПИТАННЯ ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ МАШИН І ЗНИЖЕННЯ ЇХНЬОЇ МЕТАЛОМІСТКОСТІ

Якість металургійних машин і агрегатів, створених за останні роки, істотно покращилася. Про це свідчать наведені вище характеристики машин доменних печей, нових конвертерів, машин для безперервного лиття, прокатних і трубних станів, а також вісепрокатних та інших деталепрокатних станів і, разом із цим, більш стислий термін освоєння їхньої проектної продуктивності. Велика заслуга в рішенні цієї проблеми належить конструкторам, їхнім творчим здатностям, знанням і активній участі у виготовленні й налагоджувальних роботах.

Сучасність параметрів машини є одним з основних показників її якості й неодмінною умовою підвищення виробничої ефективності, як машини нового покоління.

Становлячи технічне завдання, як підставу для проектування машини або агрегату, необхідно завжди враховувати не тільки світові досягнення в даній області, але також і хід технічного прогресу. Параметри агрегату, наприклад, його потужність або швидкість прокатки, повинні бути обрані такими, щоб через кілька років, які будуть потрібні на розробку креслень, виготовлення, будівництво будинку, прокладку комунікацій і монтаж, агрегат до моменту його пуску по своєму технічному рівню був найбільш передовим у світовій практиці.

Тому в індивідуальному або дрібносерійному виробництві машин, яким є металургійне машинобудування, головна увага при забезпеченні високої якості машин і агрегатів повинна бути приділена технічному рівню проектно-конструкторської документації.

Підвищення якості машин, тобто їхньої конкурентоспроможності й надійності, рівнозначно зниженню витрат на експлуатацію, збільшенню продуктивності машин і праці обслуговуючого персоналу, поліпшенню інших економічних показників. Успішне вирішення цих питань, що є головними для всіх галузей машинобудування й основою технічного прогресу народного господарства, залежить, насамперед, від конструкторів. Однак ця роль конструктора, а вона особливо значна в умовах заводу індивідуального або дрібносерійного машинобудування, на заводах металургійного машинобудування, недооцінюється й не є провідною на всіх етапах створення машини, включаючи її виготовлення, випробування й здачу замовникові. Експериментальні цехи в більшості випадків не перебувають у підпорядкуванні головного конструктора.

Для підвищення надійності й збільшення ресурсу машин необхідно вивчення їх в умовах експлуатації й організація правильного ремонту. У наш час ремонт металургійного устаткування все ще здійснюється замовником, але надалі намічений розвиток централізованого ремонту машин і устаткування, для чого повинні бути організовані спеціальні служби, тобто фірми для ремонту машин. Досвід свідчить, що найкращі результати по якості й вартості ремонтних робіт досягаються, коли ці фірми носять галузевий характер і перебувають у віданні тих підприємств, де виготовляються машини даного призначення.

Для виконання цього завдання необхідно на заводах металургійного машинобудування створювати відповідні потужності й служби.

Економія металу шляхом зниження конструктивної металоємності, тобто маси машини, без зменшення її надійності більш ефективна, ніж зниження технологічної металоємності. Відходи металу при виробництві у вигляді скрапу можуть бути знову швидко використані. Метал же, витрачений на машини, вертається тільки після вичерпання терміну її експлуатації (який у деяких випадках досягає 50 років і більше).

З огляду на те, що на створення нового виробництва сталі або чавуну потрібні значні капіталовкладення, зниження металоємності машин стає однієї з актуальних проблем народного господарства.

Крім того, зменшення маси машин важливо не тільки по міркуваннях економії вихідних матеріалів. Воно веде до поліпшення якості машин, зменшенню габаритів і транспортних витрат, полегшенню монтажу, зниженню вантажопідйомності необхідних кранів і полегшенню будівлі.

Найпоширеніший спосіб зниження конструктивної металоємності – це підвищення продуктивності або одиничної потужності машини. Наприклад, трубопрокатний стан типу Штифеля продуктивністю 100 тис. т/рік важить близько 4 тис. т, тобто питомий випуск труб у рік з 1 т встановленого устаткування становить 25 т. Стан 30-102, створений ВНДІметмашем і ЕЗТМ і працюючий на Первоуральскому новотрубному заводі продуктивністю більше 600 тис. т, важить 11 тис. т. Випуск труб з 1 т встановленого устаткування становить у цьому випадку 54 т, тобто він більш ніж у два рази вище, ніж на станах типу Штифеля.

Таких прикладів багато й в інших підгалузях металургійного машинобудування.

Найбільший ефект у зниженні питомої металоємності дає інтенсифікація технологічних процесів, наприклад, у доменних печах – поліпшення к.в.к.о., у конвертерах – прискорення продувки й виконання допоміжних операцій, у машинах для безперервного лиття – підвищення швидкості виходу злитка, у прокатних і трубних станах – збільшення швидкості прокатки й зварювання.

Крім підвищення одиничної потужності, конструктори використовують й інші різноманітні шляхи зниження металоємності машин, вирішуючи цю проблему на базі застосування вихідних матеріалів більше високої якості й економічних профілів прокату, новітніх засобів зміцнення й оптимальних систем і конструкцій машин.

Ефективним напрямком зниження металоємності й габаритів машин є також їх гідрофікація. Застосування гідравлічних механізмів замість зубчастих, гвинтових, важільних і інших чисто механічних елементів дозволяє спростити конструкцію, підвищити її мобільність і зменшити масу. Для реалізації цього напрямку необхідна якнайшвидша організація централізованого виготовлення відповідного гідравлічного устаткування.

Істотне зниження металоємності може бути також досягнуто зміцненням зубів зубчастих передач, що виготовляються. Щорічно заводи металургійного машинобудування виготовляють близько 30–35 тис. т редукторів. Застосовувані при цьому зубчасті колеса характеризуються відносно низкою твердістю зубів – у середньому не вище НВ 280, у той час як при сучасному рівні техніки виробництва зубчастих коліс зуби коліс повинні бути цементованими із твердістю не менш HRC 56, тобто приблизно у два рази вище. Зі збільшенням твердості робочих поверхонь зубів відповідно можуть бути зменшені габарити редуктора. Приблизно можна вважати, що маса редуктора обернено пропорційна квадрату твердості робочих поверхонь зубів при передачі того самого крутного моменту. Отже, при застосуванні редукторів із твердістю робочих поверхонь зубів удвічі більшої, масу редуктора можна зменшити в 4 рази. У цьому випадку загальна річна маса виготовлених редукторів для металургійних агрегатів могла б бути знижена з 30–35 тис. т до 8–10 тис. т.

і зварено-штампованих конструкцій і деталей замість виливків. У середньому така заміна знижує масу деталі на 25–40%; при цьому зменшуються трудомісткість виготовлення й капітальні витрати на організацію самого виробництва. Цікаві результати в цій економії отримані на ЕЗТМ, де група литих деталей загальною масою 5036 т була замінена звареними, маса яких виявилася 3738 т, тобто на 26% менше. Трудомісткість виготовлення виробів при цьому скоротилася з 503 000 до 343 000 людино-годин, тобто більше ніж на 30%.

Про зниження вартості виготовлення можна судити й за собівартістю: собівартість 1 т сталевих виливків становить у середньому близько 300 грн., а зварених – близько 200 грн. Наскрізні капітальні витрати на виробництво 1 т сталевих виливків у рік становлять близько 450 грн., а зварених – близько 400 грн. на 1 т/рік.

Така ж економія виходить і при заміні чавунних виливків зварено-штампованими. У цьому випадку, у порівнянні із заміною сталевих виливків, небагато знижується економія витрат праці на виготовлення, але досягається більший ефект від зниження маси.Незважаючи на більш високу витрату металу при використанні виливків замість зварених деталей, у СРСР частка виливків у загальному обсязі споживаного металу в металургійному машинобудуванні становила 55%, а в USA 25–35%.

Таке невигідне співвідношення було наслідком того, що в СРСР відношення виробництва виливків до прокату становило 25% і воно було менш вигідно, ніж в економічно розвинених капіталістичних країнах, де становило в середньому 18–20%.

Результатом був подвійний збиток: не тільки збільшувалась вага машини, але й підвищувалися капітальні витрати в машинобудуванні, тому що на виробництво 1 т сталевих і чавунних виливків витрати вище, ніж на виробництво 1 т зварених конструкцій, включаючи капітальні витрати на виробництво прокату.

Однак було б неправильно вважати, що зварювання й штампування у всіх випадках вигідніше лиття. Застосування лиття може бути досить ефективним, коли воно є прецизійним методом, по виплавлюваним або спалюваним моделям, що здійснюється, або електрошлаковим методом. Але, на жаль, частка виливків, одержуваних цими методами в металургійному машинобудуванні, дуже мала.

Із сказаного випливає, що зниження металоємності машин багато в чому залежить також і від якості прокату, особливо листового як по його сортаменту, так і по механічних властивостях.

Через відсутність необхідних профілів прокату конструкторові доводиться застосовувати профілі іншої форми або розміру, наслідком чого є підвищена маса або додаткова обробка різанням, що викликає також втрати металу. При цьому, однак, варто враховувати, що сталевий прокат – один із самих економічних вихідних матеріалів у машинобудуванні, тому що він відрізняється найбільшою питомою міцністю, віднесеною до вартості одиниці об'єму. Тому заміна прокату виливками невигідна, за рідкісним винятком, коли вона супроводжується зниженням маси машини.

Більш широке застосування прокату стає особливо ефективним, якщо при цьому використовувати зміцнені види прокату й, зокрема, холоднодеформований.

Цікавим прикладом щодо цього може служити розроблений ВНДІметмашем і Коломенським верстатобудівним заводом спосіб створення важко навантажених деталей шляхом обмотування їх стрічкою або дротом. Цей спосіб набув широкого застосування при виготовленні станин гідравлічних пресів і їхніх контейнерів.

Загальновідомо, що міцність металу, особливо при розтяганні, сильно зростає зі зменшенням перетину. Тому доцільно навантаження на великі силові деталі передавати не самим деталям, а декільком шарам стрічки або дроту малих перетинів, що працюють на розтягання. Створені на цій основі силові деталі мають невеликі розміри й значно меншу металоємність.

Наприклад, маса преса для синтезу алмазів зусиллям 2000 тс (рис. 16.2) 8 т, а для преса звичайної конструкції 30 т. Понад 100 таких пресів успішно експлуатуються протягом багатьох років.

На цьому принципі створені також станини робочої кліті прокатного стана. Результати випробування такого стану свідчать про доцільність застосування станин, обмотаних плющеним дротом. Металоємність станин знижується в цьому випадку в 2 рази. Виникаюче при цьому зменшення жорсткості станин повністю компенсується тим, що конструкція робиться напруженою, подушки стиснуті зусиллям, що перевищує тиск металу на валки, і, таким чином, деформація станини не впливає на точність прокатки.