Агрегаты резки с роторными пилами

В металлургическом производстве технологический процесс протекает в следующей последовательности:

  • разливка жидкого металла в слитки на машинах непрерывного литья (МНЛЗ) или в изложницы,
  • разделение слитка на мерные длины,
  • прокатка или прессование,
  • разделение полученных изделий (сортового и профильного проката, труб и др.) на мерные товарные длины.

Среди механических способов разделения горячего проката, используемых в металлургии, различают ножницы и пилы. Когда требуется сохранить геометрию разрезаемого сечения, резка производится пилами.

Начиная с конца прошлого столетия в металлургии для резки заготовок крупного сечения получили распространение роторные пилы, разработанные в России. Обладая уникальными техническими характеристиками (время реза заготовки диаметром 500 мм - менее секунды), они получили признание в России и за рубежом. По производительности роторным пилам нет альтернативы при резке заготовок крупного сечения.

Работы по созданию технологии и оборудования агрегатов резки с роторными пилами до 1995 года велись во ВНИИМЕТМАШ. После этого периода исследования данной тематики основными разработчиками роторных пил велись в ЗАО «ИНКОММЕТ», выделившегося в 1994 году из состава ВНИИМЕТМАШ в самостоятельную организацию. В последние годы ИНКОММЕТ выполнил ряд работ по совершенствованию технологии и оборудования агрегатов резки заготовок на базе роторных пил, а также для производства пильных дисков. Работы по внедрению роторных пил ИНКОММЕТ ведет совместно с НКМЗ (в рамках созданного консорциума) и МОЗ ВНИИМЕТМАШ.

Cравнение характеристик ножниц и пил горячей резки приведено в таблице:

Параметры Ножницы Пилы
Традиционные Роторные
Технология
Искажение профиля
Косина 5 – 15 % Нет
Шероховатость поверхности торца Нет Риски глубиной до 0,5 мм
Заусенец До 10 мм До 12 мм До 5 мм
Время цикла реза 10-20 с 1-2 мин 10-20 с
Мощность приводов (для ■ 400 мм) До ~ 1 МВт ~ 500 КВт ~ 250 КВт
Опыт применения в металлургии Сортовой прокат сечением до 200-400 мм Сорт, трубы сечением до 200 мм Любой профиль сечением до 600 мм
Отходы Обрезка торца Стружка скола мелкая Стружка сливная крупная
Стойкость инструмента Удовлетворительная Низкая Удовлетворительная

Роторные пилы (патент РФ № 2429951) используют для резки заготовок диаметром до 560 мм и профильного проката с габаритом по ширине до ~ 750 мм. Были разработаны серии пил, отличающихся конструкцией привода, с диаметром режущего диска от 1200 до 3200 мм. Более 30 агрегатов резки с роторными пилами (многие более 20 лет) успешно эксплуатируются в России и за рубежом, в том числе в Японии, США и других странах.

Резание металлов на пилах является одним из способов обработки металлических деталей, заключающимся в отделении слоя металла с поверхности заготовки движущимся резцом – зубом режущего диска. В процессе резания наблюдаются следующие явления: усадка стружки, выделение тепла, образование нароста на контактной поверхности резца, наклеп, износ резца. При резании горячего металла наклепом можно пренебречь.

В результате давления поверхности резца на разрезаемый материал деформированный слой металла отделяется от основной массы в виде стружки. При резании материалов в горячем состоянии на больших скоростях с достаточно большими подачами образуются сливные стружки. Ширина среза остается неизменной, толщина стружки увеличивается по сравнению с толщиной среза, а длина стружки уменьшается по сравнению с длиной срезанного слоя. Это явление называется усадкой. При резании углеродистых сталей коэффициент усадки стружки находится в пределах 2 – 3.

В результате деформаций, происходящих в процессе резания, а также трения между контактными поверхностями резца и срезаемого металла и стружки происходит нагревание обрабатываемой детали, поверхности резца и стружки. Количество выделяющегося тепла эквивалентно работе, затраченной на резание. По данным разных публикаций при обычных режимах резания холодного металла тепло, выделяющееся в процессе резания, распределяется следующим образом: 50—86% уходит со стружкой; 40—10% переходит в резец; 9—3% остается в детали; около 1% излучается в окружающую среду.

Нагревание резца приводит к потере им режущих способностей. Металл сходящей стружки нагревается особенно сильно в зоне контакта с резцом, и частицы его, отделяясь от стружки, спрессовываются на поверхности резца. При длительном соприкосновении обрабатываемого металла с поверхностью резца такое наслоение становится значительным и, прикрывая собой режущую кромку резца, предохраняет его частично от износа, но ухудшает при этом чистоту обработанной поверхности. Вырастая до некоторых размеров, нарост отрывается и уносится со стружкой, вместе с наростом отрываются и микрочастицы поверхности резца, таким образом, постепенно ее разрушая.

Резание горячих стальных заготовок пилами имеет ряд отличий от традиционных процессов резцом. Существенное значение имеет температура в зоне контакта режущего клина и разрезаемого металла. Так, при резании точением сталей и сплавов с предварительным подогревом до 800 – 850 ºC температура резания достигает 1250 ºC уже при скорости резания 0,5 м/с. С возрастанием скорости резания резец начинает плавиться. В случае работы пильным диском рез прерывистый, и в период паузы между вхождениями в контакт с разрезаемым металлом зуб успевает несколько охладиться.

Согласно общепринятой гипотезе, силы, возникающие при резании металла способом снятия стружки, действуют на режущий клин зуба пильного диска по передней и задней граням. Силы на передней грани осуществляют процесс образования стружки. Силы на задней грани, являясь следствием упругопластического контакта резца с поверхностью разрезаемого металла, в процессе образования стружки не участвуют, но неизбежны при резании.

В роторных пилах по сравнению с традиционными пилами на порядок (до 1-2 м/с) повышены скорости подачи. Зуб режущего диска роторной пилы находится в контакте с горячим металлом в течение тысячных долей секунды и до повторного вхождения в контакт с металлом успевает охладиться. Толщина снимаемой стружки горячего металла (величина подачи на зуб) составляет 0,6-1,2 мм. В традиционных пилах работа резания в большей мере затрачивается на трение, сопровождающее процесс реза. В роторных пилах трение осталось в тех же величинах, а усилия деформации, хотя и растут, но находится в пределах, доступных дискам, изготовленным из углеродистых низколегированных сталей.

Фотография стружки, получающейся в результате разрезания заготовки, показана ниже. Такая стружка в дальнейшем может быть переплавлена в печах.

Торец заготовки после реза остается плоским и перпендикулярен оси заготовки.

Гарантированная стойкость пильных дисков составляет не менее 120 - 150 м2 разрезанного сечения. Например, регламентируемая стойкость дисков до заточки при резке заготовок диаметром 340-410 мм с температурой ~1000º С на пиле РЗ-2500 Волжского трубного завода достигает 1500 резов. Число заточек достигает 4-5, после чего диск можно переточить на меньший диаметр.

Вместе с роторными пилами решались задачи создания агрегатов резки, включающих механизмы транспортировки и позиционирования заготовки с заданной точности, поддержание заготовки для восприятия усилий резания, выдачу отрезанной части, удаление отходов и стружки, охлаждение диска и защита от случайных выбросов стружки и пр. Были разработаны разные схемы компоновок таких агрегатов для прокатных и заготовочных цехов, трубопрокатных агрегатов, кольцепрокатного производства.

Современное производство пильных дисков на основе лазерных технологий разработано и освоено на производственной базе ЗАО «ЛАЗТЕХ». Уникальный технологический лазерный комплекс позволяет производить обработку режущих дисков диаметром до 3200 мм. По опыту эксплуатации дисков на ВМЗ «Красный Октябрь» стойкость дисков до заточки увеличилась в 2-3 раза, а общий ресурс вырос в 5-6 раз.

Особенностью роторных пил является необходимость совершать работу резания на высоких скоростях в короткое время при значительных величинах энергии, потребной для разрезания заготовок крупного сечения. Для реализации процесса резания в роторных пилах принято планетарное движение вращающегося режущего диска с подачей на рез в режиме запуска водила на один оборот. Запас энергии, потребной для реза, накапливается в маховичном аккумуляторе привода вращения режущего диска от отдельного двигателя, а подача на рез осуществляется от двигателя привода водила.

Общий вид и конструктивная схема роторной пилы типа РЗ схематично показаны на рисунках ниже.

Обозначения на рисунке:

  • 1 – диск;
  • 2 – защитный кожух;
  • 3 – рабочий механизм;
  • 4 – корпус;
  • 5 – двигатель привода водила;
  • 6 – двигатель привода диска;
  • 7 – рама;
  • 8 – прижим.

Обозначения на рисунке:

  • D1 – двигатель привода диска;
  • D2 – двигатель привода водила;
  • С1 - муфта привода диска;
  • С2 – муфта привода водила;
  • S1…S4, S6…S8 – валы;
  • S5 – водило;
  • G1, G2, G6, G7, G8 – шестерни;
  • BL1,…BL4, BL6,…BL8 –подшипники;
  • BR5, BL5 –подшипники;
  • F6, F8 – маховики;
  • SD – режущий диск.

Схема взаимодействия диска пилы и заготовки во время реза:

Кинематическая схема роторных пил новой модели типа РЗМ:

Пила работает следующим образом. Перед пуском водило 1 находится в исходном положении, а режущий диск 2 - на максимальном удалении от заготовки 16. При повороте водила 1 вал 3 совершает планетарное движение относительно центрального вала 5, осуществляя подачу диска 2 в направлении резания. При этом режущий диск 2 вращается вокруг оси вала 3 и вместе с ним вокруг центрального вала 5. Двигатели 14 приводят во вращение маховики 13 через систему зубчатых передач 12, центральный вал 5, зубчатую пару 11 с валом 3, на котором посредством планшайб 4 закреплен режущий диск 2. Энергию, требуемую для реза заготовки 16, накапливают с помощью вращающихся маховиков 13 и двигателей 14. Конструкция пилы не накладывает ограничений на количество маховиков 13 и двигателей 14. На схеме в приводе диска показаны 2 двигателя, хотя на практике, как правило, используется один.

После установки водила 1 в исходное положение и достижения заданной скорости вращения диска 2 в пределах от 80 до 120 м/с пила готова к резу. Если заготовка 16 зафиксирована в требуемом для реза положении, система автоматики пилы разрешает рез. Водила 1 посредством двигателя 10 разгоняется до заданной скорости подачи 1,2 – 2 м/с к моменту достижения угла поворота, при котором диск 2 начнет контактировать с заготовкой, поддерживает скорость подачи до момента конца реза и затем переходит в режим торможения с остановкой в исходной точке.

Управление приводами диска и водила производят микропроцессорными контроллерами, обеспечивающими разгон водила до рабочей скорости, поддержание скоростей в заданных параметрах в зонах реза и выхода диска из контакта с заготовкой, торможение водила и установку его в начальной точке движения.

Ниже на анимированных рисунках проиллюстрирована работа роторной пилы при резе заготовок круглого сечения:

и прямоугольного сечения:

Общий вид роторной пилы РЗМ-2500 представлен ниже:

Рабочий механизм (водило) роторной пилы РЗМ-2500:

Редуктор главного привода роторной пилы РЗМ-2500:

Техническая характеристика роторной пилы РЗМ-2500 и требования к вспомогательному оборудованию агрегата резки приведены ниже в таблице:

Роторная пила
Диаметр диска, (номинальный), мм 2500
Толщина диска, мм 12
Шаг зубьев, мм 50-100
Материал (стали марок) 9Х, 75Х, 60ХМФ, 51CrV4
Регламентная стойкость диска до заточки (суммарная площадь разрезаемого сечения), м2 120 - 150
Возможное число заточек 4-5
Возможное число переточек на меньший диаметр 2-3
Скорость подачи диска на рез, м/с 0,8÷1,5
Скорость резания (окружная скорость диска), м/с 80-100
Охлаждение диска водяное
Давление воды для охлаждения диска, атм до 10
Максимально разрезаемое сечение при заданном ниже пределе прочности:
Круг, мм 410
Квадрат, мм 360
Минимальная температура разрезаемой заготовки, ºС 750
Предел прочности разрезаемых сталей при указанной температуре резки не выше, Н/мм2 150
Расчётное время между резами, с 20
Габариты пилы (длина, ширина, высота), м 4,8 x 4,1 x 3,5
Масса пилы с защитным кожухом и рамами, тонн 40
Максимальная масса монтажного узла, тонн 15
Электродвигатели приводов вращения диска и водила:
Род тока Переменный
Частота, Гц 50 (60)
Напряжение, В 380 (400)
Мощность двигателя привода диска, кВт 90 (уточняется при заказе)
Мощность двигателя привода водила, кВт 160 (уточняется при заказе)
Условия эксплуатации оборудования:
Температура окружающей среды, ºС -40/+60
Влажность без образования конденсата, % 95
Температура внутри шкафов с электрооборудованием и автоматикой Согласно требованиям производителей аппаратуры
Система смазки рабочего механизма Жидкая заливная
Рольганг
Основное назначение Транспортировка заготовок
Упор
Основное назначение Установка заданной длины реза
Точность позиционирования, мм 5 (уточняется при заказе)
Скорость передвижения, мм/с Должны обеспечивать заданное время между резами
Скорость опускания/скорость подъёма, с
Прижимы
Основное назначение Удержание и выравнивание заготовки при резе
Скорость передвижения, м/с Должна обеспечивать заданное время между резами

Основные характеристики размерного ряда роторных пил модели РЗМ приведены ниже в таблице:

Модель пилы РЗМ-1200 РЗМ-1600 РЗМ-2000 РЗМ-2500 РЗМ-2800 РЗМ-3200
Диаметр режущего диска, мм 1200 1600 2000 2500 2800 (2500) 3200 (2800)
Толщина режущего диска, мм 6 8 10 12 14 14
Материал режущего диска
Стали марок 9Х, 9ХФ, 75ХФ, 60ХМФ, 51CrV4
Диаметр заготовки (мaкс.), мм 160 240 320 400 500 560
Ширина разрезаемого профиля (мaкс.), мм 240 250 400 500 600 760
Площадь поперечного сечения заготовки, м2 0.02 0.045 0.08 0.13 0.2 0.25
Материал разрезаемых заготовок
Углеродистые и легированные стали
Температура заготовок, ºС
Не ниже 750
Предел прочности материала, Н/мм2
Не выше 150 (при температуре реза)
Регламентная стойкость диска до заточки
150 м2 суммарной площади разрезанного сечения
Возможное число заточек диска
4-6
Возможное число переточек диска
2-3 и выше
Радиус вращения водила, мм 200 250 380 450 500 600
Расчетное время между резами, с 10 10 10 20 20 30
Мощность электроприводов, кВт 120 160 200 250 300 350
Масса, т 8 16 25 36 45 48
Максимальная масса монтажного узла, т 8 8 14 14 15 15
Габариты в плане, м 2,9х1,9 3х2,4 4х3,2 4,8х4 6,6х5,6 6,6х6,8

Типовой агрегат резки металлургического завода включает роторную пилу, механизмы транспортировки и позиционирования заготовки с заданной точностью, поддержание заготовки для восприятия усилий резания, выдачу отрезанной части, удаление технологических проб, отходов и стружки и защиту от случайных выбросов стружки.

Разные схемы компоновок агрегатов резки с роторными пилами сортопрокатных и трубопрокатных агрегатов, кольцепрокатного и других производств предусматривают:

  • транспортировку заготовки по рольгангу к пиле в зону реза,
  • установку заготовки упором на заданную длину,
  • фиксацию разрезаемого сечения прижимом,
  • резку проката на товарные длины и технологические отходы,
  • удаление из зоны реза образцов - темплетов, технологической обрези и стружки,
  • транспортировку по рольгангу к холодильнику.

При встраивании роторной пилы в линию резки важно обращать внимание на взаимное расположение пилы и заготовки в позиции реза. Проведенный в наших работах компьютерный анализ взаимосвязей системы «заготовка - режущий диск - пила» показал, что изменение этих параметров влияет на качество реза, энергоемкость процесса и стойкость режущих дисков. Использование этого метода позволяет управлять качеством в зависимости от роста нагрузок при резе, свидетельствующих о соблюдении заданных режимов резания и наступления момента целесообразности замены диска. Такие требования мы закладываем в АСУ приводами роторной пилы.

Схема агрегата резки с роторной пилой РЗ-2500 для крупносортного прокатного цеха показана на рисунке:

Обозначение на рисунке:

  • 1 – роторная пила;
  • 2 – бункер для стружки;
  • 3 – передвижной откидной упор;
  • 4 – секция рольганга из двух роликов;
  • 5 – механизм отбора проб;
  • 6 – прижим.

К недостаткам пил горячей резки относится образование заусенцев на торце заготовки после реза. Образовавшийся при резе заусенец при дальнейшей обработке может препятствовать последующему переделу и нарушает товарный вид заготовки при отгрузке заготовок на сторону.

Обследование работы агрегатов резки показало, что после резки горячих стальных заготовок, особенно круглого сечения, на пилах пилы образуются заусенцы и не отделившееся перемычка на торце отрезаемых заготовок. При чем перемычка остается на одном из торцев - переднем или заднем. Внешний вид, форма и расположение заусенца после реза на торце заготовок диаметром 410 мм показаны на рисунке ниже. Показаны не самые лучшие результаты резов на роторной пиле РЗ-2500 ТПЦ-3 Волжского трубного завода (г. Волжский Волгоградской обл.)

Заусенец следует удалять, и желательно как можно ближе к точке реза. Аналогичная проблема решалась нами совместно с японскими специалистами при пуске в 2000 году трубопрокатного цеха на заводе Sumitomo в г. Wakayama, где эксплуатируется роторная пила РЗ-2500 и разрезаются круглые заготовки диаметром до 400 мм. Непосредственно на суппорте пилы в зоне реза были установлены неподвижно газовые горелки, обеспечивающие подачу режущего газа вдоль образующей торца отрезанной заготовки. Аналогичное решение мы предлагаем для использования в новых агрегатах резки. При этом возможны разные конструктивные решения с различной конструкцией резака, схематично показанные на следующих рисунках.

Вариант размещения резака по касательной:

Вариант размещения резака по окружности:

В большинстве эксплуатируемых в настоящее время в РФ агрегатов резки автоматизация технологического процесса разделения заготовок на мерные длины ограничивается локальной автоматикой управления приводами отдельных механизмов линии.

Для приводов роторных пил наиболее целесообразным является применение асинхронных двигателей с питанием от трехфазного напряжения переменного тока (например, ~380 В) и приводами, построенными на мощных IGBT-транзисторах (например, фирмы Mitsubishi или Siemens). Двигатели применяют со встроенными (или монтируемыми на хвостовике вала) инкрементными датчиками угловых перемещений (энкодерами), что необходимо для:

  • В системе подачи диска (водило):
    • позиционирования в начальном положении посредством системы автоматики;
    • определения скорости подачи;
    • определения усилия при резе заготовки (для проведения настроек).
  • В системе вращения диска:
    • определения скорости вращения;
    • определения просадки скорости при резе (для проведения настроек).

Наличие энкодеров позволяет получать заданные графики скоростей подачи и реза, что, в свою очередь, позволяет выполнять подбор режимов реза и их проверку на соответствие расчетным, проводить необходимые настройки, гибко перестраивать агрегат резки на другой разрезаемый сортамент.

Для позиционирования водила в начальном положении используется дискретный датчик положения, который служит для установки нулевого угла поворота водила по энкодеру.