Hệ thống lực lăn: quan trọng đối với độ chính xác trong quy trình cán thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Hệ thống lực lăn là tập hợp tích hợp các thành phần cơ khí và điều khiển chịu trách nhiệm áp dụng và quản lý lực tác dụng bởi các máy cán trong quá trình cán nóng hoặc cán nguội thép. Các hệ thống này là nền tảng cho quá trình biến dạng, cho phép giảm các mặt cắt ngang của tấm, phôi hoặc phôi thành các kích thước dải hoặc tấm mong muốn.

Trong chuỗi sản xuất thép, Hệ thống lực lăn được định vị trong các giai đoạn hoàn thiện của quá trình xử lý sơ cấp, cụ thể là trong các nhà máy cán như nhà máy cán dải nóng, nhà máy cán tấm và nhà máy cán nguội. Chúng đóng vai trò là cơ chế cốt lõi ảnh hưởng trực tiếp đến độ dày dải, chất lượng bề mặt và các đặc tính luyện kim bằng cách kiểm soát áp suất và biến dạng tác dụng lên thép.

Mục đích chính của Hệ thống lực lăn là đảm bảo biến dạng chính xác, ổn định và đồng đều của vật liệu thép dưới tải trọng cơ học cao. Chúng tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển đổi nguyên liệu thô đầu vào thành sản phẩm hoàn thiện hoặc bán thành phẩm có kích thước và tính chất được chỉ định, tạo thành một liên kết quan trọng giữa các quy trình đúc hoặc nung nóng thượng nguồn và các hoạt động hoàn thiện hoặc phủ hạ nguồn.

Thiết kế kỹ thuật và vận hành

Công nghệ cốt lõi

Các nguyên lý kỹ thuật cơ bản của Hệ thống lực lăn dựa trên cơ chế biến dạng đàn hồi và dẻo, ma sát và truyền lực. Hệ thống phải tạo ra đủ lực để biến dạng dẻo thép trong khi vẫn kiểm soát được tốc độ biến dạng và tính đồng nhất.

Các thành phần công nghệ chính bao gồm:

• Bộ truyền động thủy lực hoặc cơ học: Chúng cung cấp lực chính, thông qua xi lanh thủy lực hoặc cơ cấu trục vít cơ học, để ép các con lăn vào phôi.
• Con lăn và chặn con lăn: Con lăn là những xi lanh gia công chính xác được lắp bên trong các chặn con lăn để hỗ trợ và dẫn hướng các con lăn trong quá trình hoạt động.
• Thiết bị đo lực: Cảm biến lực, máy đo ứng suất hoặc cảm biến áp suất thủy lực theo dõi lực tác dụng theo thời gian thực.
• Hệ thống điều khiển: Bộ điều khiển kỹ thuật số và thuật toán phần mềm điều chỉnh lực dựa trên phản hồi, đảm bảo hoạt động ổn định và thông số kỹ thuật mong muốn của sản phẩm.

Cơ chế hoạt động chính bao gồm việc áp dụng lực được kiểm soát thông qua áp suất thủy lực hoặc đòn bẩy cơ học, truyền qua các con lăn để làm biến dạng thép. Vật liệu chảy dẻo dưới lực này, làm giảm diện tích mặt cắt ngang trong khi vẫn duy trì độ chính xác về kích thước.

Các thông số quy trình

Các biến quy trình quan trọng bao gồm:

• Lực lăn tác dụng: Thông thường dao động từ 50 MN (meganewton) trong các nhà máy cán nguội nhỏ đến hơn 300 MN trong các nhà máy cán nóng lớn.
• Tốc độ lăn: Thường nằm trong khoảng từ 0,1 m/giây đến 10 m/giây, tùy thuộc vào giai đoạn xử lý.
• Khoảng cách cuộn: Khoảng cách giữa các cuộn, có thể điều chỉnh từ vài mm đến vài cm.
• Bôi trơn và làm mát: Cần thiết để giảm ma sát và ứng suất nhiệt, với lưu lượng được điều chỉnh phù hợp với điều kiện quy trình.

Các thông số này phụ thuộc lẫn nhau; ví dụ, tăng lực lăn thường làm tăng biến dạng nhưng có thể dẫn đến tải nhiệt cao hơn và hao mòn thiết bị. Hệ thống điều khiển sử dụng cảm biến thời gian thực để điều chỉnh lực và các thông số khác một cách linh hoạt, duy trì chất lượng sản phẩm và an toàn thiết bị.

Cấu hình thiết bị

Hệ thống lực lăn điển hình được cấu hình với nhiều bộ truyền động thủy lực hoặc cơ học được sắp xếp để tác dụng lực đồng đều trên toàn bộ chiều rộng của cuộn. Kích thước vật lý của hệ thống phụ thuộc vào kích thước máy nghiền, với các máy nghiền dải nóng lớn có máy ép thủy lực lớn có khả năng tác dụng lực vượt quá 300 MN.

Các biến thể thiết kế bao gồm:

• Hệ thống lực lăn thủy lực: Phổ biến nhất trong các nhà máy hiện đại, cung cấp khả năng kiểm soát lực chính xác và phản ứng nhanh.
• Hệ thống lực lăn cơ học: Được sử dụng trong các nhà máy cũ hoặc chuyên dụng, dựa trên cơ cấu trục vít hoặc đòn bẩy.
• Hệ thống lai: Kết hợp các yếu tố thủy lực và cơ học để tối ưu hóa hiệu suất.

Hệ thống phụ trợ bao gồm:

• Bộ phận làm mát và bôi trơn để quản lý tải nhiệt.
• Tấm phân phối lực đảm bảo lực tác dụng đồng đều.
• Hệ thống dừng khẩn cấp và khóa an toàn để ngăn ngừa hư hỏng hoặc tai nạn thiết bị.

Quá trình hóa học và luyện kim

Phản ứng hóa học

Trong quá trình cán, các phản ứng hóa học chính là tối thiểu; tuy nhiên, quá trình này ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và tính chất hóa học bề mặt của thép. Trong quá trình cán nóng, quá trình oxy hóa bề mặt thép xảy ra do nhiệt độ cao và tiếp xúc với oxy trong khí quyển, tạo thành các lớp oxit như magnetit (Fe₃O₄) và hematit (Fe₂O₃).

Nguyên lý nhiệt động lực học chỉ ra rằng phản ứng oxy hóa diễn ra thuận lợi ở nhiệt độ cao, thường là trên 1000°C. Động học phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất riêng phần của oxy và điều kiện bề mặt, với sự hình thành cặn oxit tăng theo nhiệt độ và thời gian tiếp xúc.

Trong quá trình cán nguội, các phản ứng hóa học không đáng kể, nhưng hiện tượng ô nhiễm bề mặt hoặc oxy hóa có thể xảy ra nếu môi trường không được kiểm soát.

Biến đổi luyện kim

Quá trình cán tạo ra những thay đổi đáng kể về mặt luyện kim, bao gồm:

• Tinh chỉnh cấu trúc vi mô: Biến dạng làm cho hạt kéo dài và cứng hơn, tăng độ bền và độ cứng.
• Chuyển đổi pha: Ở một số loại thép nhất định, việc làm nguội có kiểm soát sau khi cán nóng có thể thúc đẩy các thay đổi pha như hình thành bainit hoặc martensit, ảnh hưởng đến độ dẻo dai và độ dẻo dai.
• Kết tinh lại: Xử lý nhiệt sau biến dạng hoặc làm mát có kiểm soát có thể tạo ra sự kết tinh lại, phục hồi độ dẻo và giảm ứng suất dư.

Những chuyển đổi này tác động trực tiếp đến các tính chất cơ học như độ bền kéo, độ dẻo, độ dai và khả năng chống mỏi.

Tương tác vật liệu

Sự tương tác giữa thép, xỉ, vật liệu chịu lửa và khí quyển rất quan trọng:

• Sự hình thành cặn oxit: Như đã đề cập, các lớp oxit có thể ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và quá trình xử lý tiếp theo.
• Xỉ và sự mài mòn vật liệu chịu lửa: Xỉ nóng chảy và nhiệt độ cao gây ra sự phân hủy vật liệu chịu lửa, có thể làm ô nhiễm bề mặt thép.
• Tác động đến khí quyển: Oxy và độ ẩm có thể dẫn đến ăn mòn hoặc oxy hóa nếu không được kiểm soát đúng cách.

Việc kiểm soát những tương tác này bao gồm duy trì các điều kiện khí quyển tối ưu (ví dụ: khí trơ), áp dụng lớp phủ bảo vệ và lựa chọn vật liệu chịu lửa có khả năng chống ăn mòn cao.

Quy trình dòng chảy và tích hợp

Vật liệu đầu vào

Các vật liệu đầu vào chính bao gồm:

• Tấm thép, phôi hoặc phôi thép: Thường được cán nóng, có thành phần hóa học được điều chỉnh theo thông số kỹ thuật của sản phẩm.
• Chất bôi trơn và chất làm mát: Để giảm ma sát và ứng suất nhiệt.
• Vật liệu chịu lửa: Dùng để lót và hỗ trợ thiết bị.

Chất lượng đầu vào, chẳng hạn như thành phần hóa học, độ sạch bề mặt và nhiệt độ, ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của quy trình và chất lượng sản phẩm cuối cùng. Đầu vào chất lượng cao giúp giảm khuyết tật và cải thiện hiệu quả quy trình.

Trình tự quy trình

Trình tự hoạt động điển hình bao gồm:

• Làm nóng: Phôi thép được nung trong lò đến nhiệt độ cán (khoảng 1100–1250°C để cán nóng).
• Tẩy cặn: Loại bỏ cặn oxit bằng tia nước áp suất cao hoặc ngâm axit.
• Cán: Cán liên tục qua máy cán, mỗi lần cán làm giảm độ dày và tăng chiều dài.
• Lực tác dụng: Hệ thống lực lăn tác dụng lực trong mỗi lần di chuyển, kiểm soát sự biến dạng.
• Làm mát và hoàn thiện: Làm mát sau khi cán, xử lý bề mặt và kiểm tra.

Thời gian chu kỳ thay đổi từ vài giây cho mỗi lần cán nguội đến vài phút cho mỗi lần cán nóng, với tốc độ sản xuất lên tới hàng trăm mét mỗi phút.

Điểm tích hợp

Quá trình này liên quan đến các hoạt động đầu nguồn như đúc và nung, và các quá trình hoàn thiện cuối nguồn như ủ, phủ hoặc cắt.

Luồng vật chất và thông tin bao gồm:

• Cung cấp vật liệu đầu vào: Cấp phôi/tấm liên tục hoặc theo từng đợt.
• Truyền dữ liệu quy trình: Dữ liệu lực, nhiệt độ và tốc độ theo thời gian thực để điều khiển hệ thống.
• Xử lý sản phẩm: Cuộn, cắt hoặc xếp chồng để xử lý tiếp theo.

Hệ thống đệm, chẳng hạn như kho lưu trữ trung gian hoặc trạm xử lý cuộn dây, có thể thích ứng với những thay đổi về tốc độ xử lý và đảm bảo hoạt động trơn tru.

Hiệu suất hoạt động và kiểm soát

Thông số hiệu suất	Phạm vi điển hình	Các yếu tố ảnh hưởng	Phương pháp kiểm soát
Lực Lăn	50–300 triệu	Độ dày vật liệu, tốc độ, nhiệt độ	Phản hồi lực thời gian thực, thuật toán điều khiển thích ứng
Tốc độ lăn	0,1–10 m/giây	Tính chất vật liệu, thiết kế nhà máy	Cảm biến tốc độ, tự động hóa quy trình
Khoảng cách cuộn	0,5–50mm	Thông số kỹ thuật sản phẩm, mức độ biến dạng	Hệ thống điều chỉnh thủy lực hoặc cơ học
Nhiệt độ bề mặt	100–1250°C	Lò nung, giai đoạn xử lý	Cảm biến hồng ngoại, cặp nhiệt điện, điều khiển tự động

Các thông số vận hành có liên hệ chặt chẽ với chất lượng sản phẩm; ví dụ, lực quá mạnh có thể gây ra khuyết tật bề mặt hoặc ứng suất bên trong, trong khi lực không đủ sẽ dẫn đến biến dạng không đủ.

Giám sát thời gian thực sử dụng cảm biến, hệ thống thu thập dữ liệu và thuật toán điều khiển tiên tiến để duy trì các điều kiện tối ưu. Các chiến lược tối ưu hóa bao gồm mô hình dự đoán, mô phỏng quy trình và kiểm soát quy trình thống kê (SPC) để giảm sự thay đổi và cải thiện năng suất.

Thiết bị và bảo trì

Các thành phần chính

Các thành phần chính bao gồm:

• Bộ nguồn thủy lực: Bao gồm máy bơm, bể chứa và van, được chế tạo từ thép cường độ cao và vật liệu chống ăn mòn.
• Cảm biến lực: Máy đo ứng suất hoặc cảm biến lực làm từ thép hợp kim hoặc vật liệu tổng hợp, được hiệu chuẩn thường xuyên.
• Chốt chặn và vòng bi: Được gia công chính xác từ thép cứng hoặc hợp kim, được thiết kế để có khả năng chịu tải cao và ổn định nhiệt.
• Hệ thống làm mát và bôi trơn: Máy bơm, bộ trao đổi nhiệt và vòi phun được chế tạo từ hợp kim chống ăn mòn.

Các bộ phận hao mòn quan trọng là:

• Cuộn: Có thể bị mài mòn bề mặt, tuổi thọ thông thường là 6–12 tháng tùy thuộc vào điều kiện quy trình.
• Phớt và van thủy lực: Cần thay thế định kỳ do bị mòn và rò rỉ.
• Lớp lót chịu nhiệt: Cần kiểm tra và thay thế thường xuyên để ngăn ngừa ô nhiễm và duy trì tính toàn vẹn về nhiệt.

Yêu cầu bảo trì

Bảo trì thường xuyên bao gồm:

• Kiểm tra và hiệu chuẩn các cảm biến lực và hệ thống điều khiển hàng tuần.
• Bôi trơn ổ trục và các bộ phận chuyển động hàng ngày.
• Kiểm tra khả năng chịu lửa sau mỗi 3–6 tháng.
• Bảo dưỡng hệ thống thủy lực sau mỗi 6–12 tháng, bao gồm thay thế chất lỏng và thay bộ lọc.

Bảo trì dự đoán sử dụng phương pháp giám sát tình trạng thông qua phân tích độ rung, hình ảnh nhiệt và phân tích xu hướng áp suất thủy lực để ngăn ngừa hỏng hóc.

Việc sửa chữa hoặc xây dựng lại lớn bao gồm:

• Tái chế hoặc thay thế các con lăn để phục hồi chất lượng bề mặt.
• Đại tu hệ thống thủy lực để giải quyết tình trạng rò rỉ hoặc sụt áp.
• Xây dựng lại hệ thống điện tử điều khiển để kết hợp phần mềm hoặc nâng cấp phần cứng mới.

Thách thức hoạt động

Các vấn đề phổ biến bao gồm:

• Phân bổ lực không đều: Do các con lăn không thẳng hàng hoặc độ mòn không đều.
• Rò rỉ thủy lực: Do phớt bị hỏng hoặc linh kiện bị mỏi.
• Ứng suất nhiệt: Dẫn đến biến dạng hoặc hỏng hóc thiết bị.

Xử lý sự cố bao gồm kiểm tra hệ thống, phân tích dữ liệu cảm biến và mô phỏng quy trình. Các thủ tục khẩn cấp bao gồm dừng hoạt động, giảm áp hệ thống thủy lực và kiểm tra hư hỏng.

Chất lượng sản phẩm và lỗi

Đặc điểm chất lượng

Các thông số chính bao gồm:

• Độ dày đồng đều: Đo bằng máy đo laser hoặc siêu âm, với dung sai thường là ±0,1 mm.
• Độ hoàn thiện bề mặt: Đánh giá bằng mắt thường và bằng máy đo độ nhám, hướng tới bề mặt nhẵn, không có khuyết tật.
• Cấu trúc vi mô: Phân tích thông qua phương pháp kim loại học để đảm bảo kích thước hạt và phân bố pha mong muốn.
• Tính chất cơ học: Độ bền kéo, độ dẻo và độ cứng được thử nghiệm theo tiêu chuẩn công nghiệp.

Các hệ thống phân loại chất lượng, chẳng hạn như tiêu chuẩn ASTM hoặc EN, phân loại sản phẩm dựa trên các thông số này, hướng dẫn khách hàng chấp nhận.

Những khiếm khuyết thường gặp

Các lỗi điển hình liên quan đến Hệ thống lực lăn bao gồm:

• Nứt bề mặt: Do lực tác động quá mức hoặc ứng suất nhiệt.
• Nếp nhăn ở cạnh: Do lực tác dụng không đều hoặc con lăn không thẳng hàng.
• Ứng suất bên trong: Do biến dạng nhanh hoặc nhiệt độ thay đổi đột ngột.
• Ô nhiễm bề mặt: Từ các hạt vật liệu chịu lửa hoặc xỉ.

Các chiến lược phòng ngừa bao gồm kiểm soát lực chính xác, bảo trì thiết bị thường xuyên và quản lý môi trường.

Biện pháp khắc phục bao gồm mài bề mặt, xử lý nhiệt hoặc điều chỉnh thông số quy trình để giảm thiểu sự hình thành khuyết tật.

Cải tiến liên tục

Các phương pháp cải tiến quy trình bao gồm:

• Kiểm soát quy trình thống kê (SPC): Theo dõi dữ liệu quy trình để xác định xu hướng và độ lệch.
• Kỹ thuật Six Sigma: Giảm tỷ lệ sai lệch và lỗi.
• Mô phỏng quy trình: Sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để tối ưu hóa ứng dụng lực và đường biến dạng.
• Nghiên cứu tình huống: Những cải tiến được ghi nhận, chẳng hạn như giảm khuyết tật bề mặt bằng cách điều chỉnh cấu hình lực hoặc nâng cấp hệ thống điều khiển.

Những sáng kiến ​​này mang lại tính đồng nhất cao hơn cho sản phẩm, giảm phế liệu và tăng sự hài lòng của khách hàng.

Cân nhắc về năng lượng và tài nguyên

Nhu cầu năng lượng

Cán nóng tiêu thụ một lượng năng lượng đáng kể, chủ yếu từ:

• Lò nung: Thông thường là 4–6 GJ cho mỗi tấn thép.
• Hoạt động của nhà máy cán: Hệ thống thủy lực và truyền động cần 0,2–0,5 GJ cho mỗi tấn.

Các biện pháp tiết kiệm năng lượng bao gồm:

• Hệ thống thu hồi nhiệt để tái sử dụng nhiệt thải.
• Biến tần cho động cơ.
• Tối ưu hóa quy trình để giảm thiểu lực tác dụng không cần thiết.

Các công nghệ mới nổi như truyền động điện và cách nhiệt tiên tiến nhằm mục đích giảm tổng mức tiêu thụ năng lượng.

Tiêu thụ tài nguyên

Các chiến lược sử dụng hiệu quả tài nguyên bao gồm:

• Sử dụng nguyên liệu thô: Kiểm soát chính xác thành phần đầu vào để giảm thiểu lãng phí.
• Sử dụng nước: Tái chế nước làm mát thông qua lọc và xử lý.
• Tái chế xỉ: Sử dụng xỉ luyện thép làm cốt liệu hoặc trong sản xuất xi măng giúp giảm chất thải.

Các kỹ thuật giảm thiểu chất thải bao gồm:

• Tối ưu hóa các thông số quy trình để giảm phế liệu.
• Tái chế chất bôi trơn và chất lỏng thủy lực.
• Triển khai hệ thống vòng kín để tái sử dụng chất làm mát và chất bôi trơn.

Tác động môi trường

Những cân nhắc về môi trường bao gồm:

• Khí thải: CO₂ từ việc sử dụng năng lượng, NOx và SOx từ quá trình đốt cháy.
• Các hạt vật chất: Từ cặn oxit và vật liệu chịu lửa.
• Chất thải rắn: Xỉ, bụi và mảnh vụn chịu lửa.

Công nghệ điều khiển bao gồm:

• Máy lọc bụi tĩnh điện và túi lọc bụi.
• Thiết bị lọc khí thải.
• Làm mát và xử lý xỉ để giảm thiểu tác động đến môi trường.

Tuân thủ quy định bao gồm kiểm tra khí thải thường xuyên, báo cáo và tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường địa phương.

---

Bản tóm tắt

Hệ thống lực lăn là thành phần quan trọng trong các nhà máy cán thép, cho phép biến dạng thép chính xác thông qua ứng dụng lực được kiểm soát. Thiết kế của chúng tích hợp thủy lực tiên tiến, cảm biến và thuật toán điều khiển để tối ưu hóa chất lượng sản phẩm, hiệu quả quy trình và tuổi thọ thiết bị. Hiểu được hoạt động, luyện kim và bảo trì của chúng là điều cần thiết để đảm bảo sản xuất thép hiệu suất cao và đáp ứng các tiêu chuẩn của ngành. Những tiến bộ công nghệ liên tục và các cân nhắc về môi trường thúc đẩy những cải tiến liên tục trong thiết kế và vận hành hệ thống lực lăn, hỗ trợ sản xuất thép bền vững và cạnh tranh.