Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудівна академія

УДК 621.771.014: 621.771.23

Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення технології гарячої прокатки товстих листів шляхом керування швидкісними режимами деформування

Данько Андрій Володимирович

Краматорськ - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА, м. Краматорськ) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Кулік Олександр Миколайович, Донбаська державна машинобудівна академія, доцент кафедри автоматизованих металургійних машин та обладнання

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Руденко Євген Олексійович, Донецький національний технічний університет (м. Донецьк), професор кафедри "Обробка металів тиском";

- кандидат технічних наук Коноводов Дмитро Володимирович, Національна металургійна академія України (м. Дніпропетровськ), доцент кафедри "Обробка металів тиском".

Захист відбудеться "20" листопада 2008 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 із захисту дисертацій у Донбаській державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус, ауд.1319).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус).

Автореферат розісланий "__" жовтня 2008 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 Ю.К. Доброносов.

Анотація

Данько А.В. Удосконалення технології гарячої прокатки товстих листів шляхом керування швидкісними режимами деформування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 "Процеси та машини обробки тиском". - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2008.

У роботі виконано комплекс досліджень і розробок з удосконалення технології гарячої прокатки товстих листів з метою зменшення поздовжньої і поперечної різнотовщинності за допомогою керування швидкісними режимами деформування. Для стабілізації пружних деформацій чистових клітей товстолистових станів використано кінематично асиметричну прокатку і зміну швидкості прокатки.

У теоретичній частині розроблені чисельні математичні моделі локальних і інтегральних параметрів прокатки в низькому осередку деформації за наявності кінематичної асиметрії на основі енергетичного і силового підходів. Проведено математичне моделювання прокатки з кінематичною асиметрією за умов, характерних для чистових клітей ТЛС. Встановлені основні закономірності впливу ступеня розузгодження швидкостей робочих валків на силу прокатки.

Експериментально поляризаційно-оптичним методом і методом штифтових месдоз досліджено характер зміни контактних напружень при розузгодженні швидкостей валків. Методом фізичного моделювання досліджена залежність сили прокатки від ступеня кінематичної асиметрії і ступеня деформації. Трьома вказаними методами встановлено, що ефект кінематичної асиметрії посилюється при збільшенні ступеня деформації, і зменшення сили прокатки може досягати 1,3 рази.

Розроблено нові способи і технології усунення поздовжньої і поперечної різнотовщинності товстих листів за допомогою розузгодження швидкостей робочих валків і змінення швидкості прокатки.

Ключові слова: гаряча прокатка, товстолистові стани, чистові кліті, різнотовщинність, швидкість прокатки, кінематично асиметрична прокатка, напружений стан, поляризаційно-оптичний метод, метод штифтових месдоз, фізичне моделювання.

Аннотация

Данько А.В. Усовершенствование технологии горячей прокатки толстых листов путем управления скоростными режимами деформирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 "Процессы и машины обработки давлением". - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2008.

В работе выполнен комплекс исследований и разработок по усовершенствованию технологии горячей прокатки толстых листов с целью уменьшения продольной и поперечной разнотолщинности посредством управления скоростными режимами деформирования. Для стабилизации упругих деформаций чистовых клетей толстолистовых станов использованы кинематически асимметричная прокатка и изменение скорости прокатки.

В теоретической части разработана численная математическая модель локальных и интегральных параметров прокатки в низком очаге деформации при наличии кинематической асимметрии на основе энергетического и силового подходов. Проведено математическое моделирование прокатки с кинематической асимметрией при условиях, характерных для чистовых клетей ТЛС. Установлены основные закономерности влияния степени кинематической асимметрии на силу прокатки.

Осуществлен одномерный сравнительный анализ напряженного состояния при симметричной и кинематически асимметричной прокатке с использованием в качестве статических граничных условий экспериментально найденных контактных напряжений. Подтвержден вывод, полученный математическим моделированием, о неравномерном распределении напряжений и сопротивления деформации по длине очага деформации. При симметричной прокатке на входе и выходе из него они минимальны, а максимальной величины достигают около нейтрального сечения. Столь же неравномерно распределена и пластическая постоянная K: на длине очага деформации она изменяется в 5,4 ч 7,1 раз, в зависимости от степени деформации и толщины полосы. При кинематически асимметричной прокатке характер изменения исследуемых параметров качественно сохраняется, но максимальные величины и K существенно уменьшаются.

Теоретическим расчетом доказано, что изменение скорости прокатки в интервале, присущем ТЛС, изменяет упругую деформацию в рабочей клети достаточной степени для того, чтобы устранять продольную разнотолщинность максимальной величины. Найдены зависимости для определения скорости, обеспечивающей устранение разнотолщинности.

В экспериментальной части поляризационно-оптическим методом и методом штифтовых месдоз исследован характер изменения контактных напряжений при рассогласовании скоростей валков. Исследована погрешность определения напряжений поляризационно-оптическим методом от сплющивания валков из органического стекла. Методом физического моделирования исследована зависимость силы прокатки от степени кинематической асимметрии KV и степени деформации. Найдена регрессионная зависимость относительного изменения силы прокатки от указанных факторов. Установлено, что при степени деформации е = 0,4 и KV = 1,18 сила прокатки может уменьшаться в 1,3 раза.

Тремя указанными методами установлено, что эффект кинематической асимметрии усиливается при увеличении степени деформации, и уменьшение силы прокатки может достигать значительно больше достигнутых в промышленности ДР = 10%.

Проведено исследование эффективности нового способа устранения продольной разнотолщинности изменением скорости прокатки. Показана возможность его технической реализации на существующем оборудовании. Разработаны технологии предупреждения и устранения продольной разнотолщинности новым способом, защищенные патентами Украины.

Разработаны новый способ и технология устранения поперечной разнотолщинности листов посредством применения специальной профилировки валков и регулирования силы прокатки рассогласованием скоростей валков в зависимости от ширины раската, темпа прокатки и износа валков.

Результаты исследований и разработок переданы ЗАО "НКМЗ" и ОАО "АМК", где они применяются для повышения точности прокатки, а также при проектировании новых листовых станов и реконструкции существующих с целью снижения стоимости оборудования.

Ключевые слова: горячая прокатка, толстолистовые станы, чистовые клети, разнотолщинность, скорость прокатки, кинематически асимметричная прокатка, напряженное состояние, поляризационно-оптический метод, метод штифтовых месдоз, физическое моделирование.

Annotation

Andrew V. Danko. Improvement of technology of the hot rolling of hot-rolled plates by the management by the speed modes of deformation. - Manuscript.

Dissertation for a Candidate`s degree of Engineering, speciality 05.03.05 Process and Machines of a plastic working. Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk, 2008.

The complex of researches and developments on the improvement is executed in work technologies of the hot-rolled plates with the purpose of diminishment of longitudinal and transversal grow-back by means of management by the speed modes of deformation. For stabilization of elastic deformations of finishing stands of plate mills the kinematics asymmetric rolling and change of speed of rolling is used.

The numeral mathematical models of local and integral parameters of rolling in the low hearth of deformation at presence of kinematics asymmetry on the basis of power and force approaches are developed in theoretical part. The mathematical design of rolling with kinematics asymmetry subject to the condition, characteristic for the finishing stands of plate mills is conducted. Basic conformities to the law of influencing of degree of speed discord of working rollers on force of rolling are set.

Experimentally a polarization-optical method and method of pin pressure capsuleexplores character of change of contact tensions at discord of speeds of rollers. By the method of physical design the explored dependence of force of rolling on the degree of kinematics asymmetry and degree of deformation. It is set by three indicated methods, that the effect of kinematics asymmetry increases at the increase of degree of deformation, and diminishment of force of rolling can arrive at 30%. New methods and technologies of removal of longitudinal and transversal grow-back hot-rolled plates by discordof speeds of working rollers and change of speed of rolling are developed.

Keywords: hot rolling, plate mills, finishing stands, grow-back, speed of rolling, kinematics asymmetric rolling, tense state, polarization-optical method, method of pin pressure capsule, physical design.

1. Загальна характеристика роботи

Одним з основних напрямків розвитку прокатного виробництва є підвищення точності геометричних характеристик і зниження собівартості готового металопрокату. Це повною мірою відноситься до виробництва товстих листів на реверсивних товстолистових станах, продукція яких складає значну частину всієї продукції металургійного комплексу України. Проте морально і фізично застаріле устаткування більшості вітчизняних станів знижує конкурентоспроможність продукції наших підприємств на світовому ринку, а відсутність значних фінансових коштів стримує технічне переозброєння і реконструкцію підприємств. Все це примушує шукати нові підходи до вдосконалення технологій виробництва товстих листів, що забезпечують сучасний рівень якості прокату.

Актуальність теми. Отримання листів з мінімальною поздовжньою і поперечною різнотовщинністю при забезпеченні їх високої площинності є достатньо складними проблемами листопрокатного виробництва. В даний час ці проблеми в основному вже розв'язані завдяки створенню гідравлічних натискних механізмів, різноманітним системам протизгину, зсуву робочих валків і подібним механізмам. Але виробництво має сенс тільки за умови, що продукція не поступається конкуруючим фірмам по показнику ефективність - якість. Щодо виробництва товстих листів це означає, що висока точність прокату повинна досягатися з мінімальними питомі капітальними витратами.

Проте всі відомі ефективні способи зменшення поздовжньої і поперечної різнотовщинності є конструкційними, оскільки вони пов'язані з удосконаленням існуючого або встановленням нового устаткування, отже, із значними витратами. Тому із усіх діючих вітчизняних товстолистових станів тільки один має засоби для зменшення поздовжньої і поперечної різнотовщинності. От чому задача вдосконалення технології прокатки з метою підвищення точності геометричних розмірів листового прокату на базі існуючого устаткування є вельми важливою.

Реалізація даного напряму вимагає науково-обгрунтованих методів розрахунку і практичних рекомендацій з вдосконалення технологічних режимів прокатки. Тому подальші теоретичні і експериментальні дослідження локальних і інтегральних параметрів прокатки в низькому осередку деформації, характерному для чистових клітей товстолистових станів, є актуальними і мають важливе наукове і практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає тематичним планам і науковому напряму "Створення нових і вдосконалення діючих технологій, устаткування і засобів автоматизації в прокатному виробництві" однієї з провідних наукових шкіл Донбаської державної машинобудівної академії. Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт відповідно до координаційних планів Міністерства освіти і науки України (№ держ. реєстрації 0108U001649, наказ №1044 від 27.11.2007), а також у рамках науково-дослідних робіт с ЗАТ "Новокраматорській машинобудівний завод" (ЗАТ "НКМЗ", м. Краматорськ, № держ. реєстації 0108U005803 та № держ. реєстації 0105U007248) і з ВАТ "Алчевській металургійний комбінат" (ВАТ "АМК", м. Алчевськ). В цих роботах автор приймав участь як виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення якості і зниження собівартості продукції металургійних і машинобудівних підприємств за рахунок підвищення точності товстолистового прокату на основі розвитку методів розрахунку і реалізації процесів управління швидкісними режимами деформування.

Для досягнення вказаної мети в роботі були поставлені і вирішені наступні основні задачі:

· розробити нові способи зменшення і попередження поздовжньої і поперечної різнотовщинності в чистових клітях товстолистових станів з індивідуальним приводом за допомогою кінематично асиметричної прокатки, і в клітях з груповим приводом - за рахунок зміни швидкості прокатки;

· розробити чисельні математичні моделі локальних і інтегральних параметрів прокатки в низькому осередку деформації за наявності кінематичної асиметрії на основі енергетичного і силового підходів і провести математичне моделювання прокатки з кінематичною асиметрією за умов, характерних для чистових клітей товстолистових станів;

· провести експериментальну перевірку результатів математичного моделювання шляхом аналітичного розрахунку напруженого стану по контактним напруженням, що використовуються як статичні граничні умови; розробити необхідні для цього методику і програмні засоби;

· експериментально дослідити характер контактних напружень при кінематично асиметричній прокатці, експериментально вивчити вплив ступеня деформації і ступеня кінематичної асиметрії на силу прокатки, знайти залежність сили прокатки від цих параметрів і встановити верхню межу регулюючої дії ефекту кінематичної асиметрії;

· провести аналіз нових способів зменшення різнотовщинності на товстолистових станах, оцінити їх ефективність і розробити технічні рішення і практичні рекомендації, спрямовані на підвищення точності товстолистового прокату.

Об'єкт дослідження. Технологічні процеси гарячої прокатки товстих листів.

Предмет дослідження. Особливості напруженого стану в осередку деформації і закономірності зміни сили прокатки при кінематичній асиметрії, технологічні режими при виробництві товстих листів з керуванням швидкісними умовами деформації.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження напруженого стану при кінематично асиметричній прокатці були виконані чисельно, за допомогою рекурентного рішення кінцево-різницевих форм балансу енергетичних витрат і балансу сил. Математичне моделювання залежності сили від параметрів прокатки здійснено з використанням планування математичного експерименту. Зміна напруженого стану внаслідок кінематичної асиметрії досліджена методом сумісного рішення рівнянь рівноваги і пластичності по експериментально знайдених контактних напруженнях, які були використаним в якості статичних граничних умов.

Експериментальні дослідження виконані методом фізичного моделювання на свинцевих і сталевих моделях. Дослідження інтегральних параметрів прокатки проведено із застосуванням тензометрії та перетворення аналогових сигналів в цифрову форму. Контактні напруження досліджено поляризаційно-оптичним методом і методом штифтових месдоз. Експериментальні дані оброблені методами математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи складають наступні її основні результати і положення:

· на основі вперше розробленої чисельної математичної моделі напруженого стану металу в низькому осередку деформації при кінематично асиметричній прокатці з використанням рекурентного рішення кінцево-різницевих форм балансу енергетичних витрат і балансу сил уточнені закономірності впливу кінематичної асиметрії на напружений стан при lд/hср = 2ч4;

· вперше в результаті математичного експерименту одержані залежності ступеня кінематичної асиметрії від основних параметрів прокатки, що забезпечують стабілізацію сили прокатки і товщини розкатів;

· вперше експериментально одержані розподіли контактних напружень при кінематично асиметричній прокатці для низького осередку деформації при lд/hср = 2ч4;

· вперше експериментально встановлена можливість зменшення сили прокатки за рахунок кінематичної асиметрії при збільшенні ступеня деформації до 40% в 1,3 рази;

· вперше експериментально одержана регресійна залежність відносної зміни сили прокатки від ступеня деформації і ступеня кінематичної асиметрії.

Практична цінність одержаних результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи складають наступні її основні результати:

· методики моделювання напруженого стану при кінематично асиметричній прокатці в низькому осередку деформації і програмні засоби для їх реалізації;

· технологічні рекомендації по зменшенню поздовжньої різнотовщинності в клітях з індивідуальним приводом за рахунок зміни ступеня кінематичної асиметрії залежно від сили прокатки, і в клітях з груповим приводом - за рахунок зміни швидкості прокатки;

· технологічні рекомендації по зменшенню поперечної різнотовщинності за рахунок вживання випуклої профіліровки валків і регулювання сили прокатки зміною ступеня кінематичної асиметрії.

Результати дисертаційної роботи у вигляді практичних рекомендацій і технічних рішень використані на ЗАТ "НКМЗ" (м. Краматорськ) і на ВАТ "АМК" (м. Алчевськ); програмні засоби і нові дані про напружений стан у осередку деформації і на контактних поверхнях при кінематично асиметричній прокатці використані в навчальному процесі ДДМА (м. Краматорськ) і ДонДТУ (м. Алчевськ).

У результаті впровадження на ЗАТ "НКМЗ" практичних рекомендацій і технічних рішень, одержаних в результаті виконання науково-дослідної роботи, був одержаний економічний ефект з урахуванням пайової участі автора при рівні цін 2007 р. в 297000 гривень.

Особистий внесок претендента. Автор самостійно розробив математичні моделі напруженого стану при гарячій прокатці в низькому осередку деформації з кінематичною асиметрією, виконав чисельне моделювання і провів аналіз результатів. Розробив математичне і програмне забезпечення для аналітичного визначення напруженого стану за експериментально знайдених граничних умов і здійснив порівняльний аналіз напружень при симетричній і кінематично асиметричній прокатці, провів експериментальні дослідження локальних і інтегральних силових параметрів при кінематично асиметричній прокатці, здійснив їх статистичну обробку і виконав аналіз результатів. Брав участь в розробці нових способів зменшення поздовжньої і поперечної різнотовщинності і проведенні їх експериментальної перевірки, сформулював науково обґрунтовані практичні рекомендації з вдосконалення технології прокатки товстих листів за допомогою зміни швидкісних умов деформування. Особистий внесок претендента в роботах, опублікованих у співавторстві, викладено в списку робіт за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи повідомлені і обговорені: на 7-й міжнародній науково-технічній конференції "Пластична деформація металів" м. Дніпропетровськ, 2005; 6-й науково-технічній конференції молодих фахівців ВАТ "АМК" м. Алчевськ, 2005; Міжнародної науково-технічної конференції "Сучасні методи моделювання процесів обробки матеріалів тиском", м. Краматорськ, 2006; 1-й міжнародній науково-технічній конференції молодих фахівців "Азовмаш 2006", м. Маріуполь, 2006; Науково-практичній конференції "Розвиток методів розрахунку, вдосконалення технологій і устаткування процесів обробки металів тиском", м. Краматорськ, 2007; на Міжнародній науково-технічній конференції "Фізико-механічні проблеми формування структури і властивостей матеріалів методами обробки тиском" м. Краматорськ, 2007; на Міжнародній науково-технічній конференції "Машини і пластична деформація металів", м. Запоріжжя, 2008; на Міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційні технології в обробці тиском", м. Краматорськ, 2008; на 2-й Науково-технічній конференції молодих фахівців "Енергомашспецсталь 2008", м. Краматорськ, 2008; на наукових семінарах кафедри АММ ДДМА (2006-2008 рр.) і об'єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском ДДМА, 2008.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи викладені у 10 статтях з наукової тематики, з яких 6 опубліковані в 6 спеціалізованих виданнях згідно переліку ВАК України. За результатами роботи одержано два патенти України.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний об'єм роботи 246 сторінок, зокрема 142 сторінки основного тексту, 96 малюнків і 25 таблиць, з них 50 малюнків на 28 сторінках і 4 таблиці на 4 сторінках, список використаних джерел з 139 найменувань і 3 додатки на 58 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми і показаний зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами і темами. Сформульовані поставлена мета і задачі, що вирішуються, дана характеристика об'єкту, предмету і методів дослідження. Показані наукова новизна і практична цінність одержаних результатів, особистий внесок претендента, а також апробація і промислове використання результатів роботи.

Стан проблеми прокатки листів з мінімальною різнотовщинністю

Рівень якості прокатної продукції визначається низкою показників якості, серед яких одними з найважливіших є показники точності прокату. Від цих показників залежать як конкурентоспроможність продукції на світовому ринку металу, так і собівартість при виробництві. Тому проблемі підвищення точності листового прокату з середини минулого століття надається велика увага.

Великий внесок в рішення цієї проблеми внесли вітчизняні вчені Андріюк Л.В., Бровман М.Я., Будаква А.А., Васильов Я.Д., Гарбер Е.А., Гєрцев А.І., Грудєв О.П., Желєзнов Ю.Д., Классен Е.Я., Клименко П.Л., Коновалов Ю.В., Коцарь С.Л., Мазур В.Л, Погоржельский В.І., Полухін В.П., Потапкін В.Ф., Ромащенко В.О., Сатонін О.В., Сафьян М.М., Третяков О.В., Федорінов В.А., Хлопонін В.Н., Целіков О.І., Чекмарьов О.П., Чепуркін С.С. і ряд інших фахівців. Серед закордонних дослідників потрібно відзначити внесок таких вчених, як Sims R.B., Stone M.D, Ford H., Alexander J.M, Kovalsky B., Тсу-Таолу.

Продовжує залишатися стійкою тенденція до підвищення точності гарячекатаних листів і смуг, причому для підвищення конкурентоспроможності своєї продукції фірми-виробники самостійно встановлюють підвищені, в порівнянні з вимогою стандартів, норми точності. Особливо жорсткими є вимоги до поздовжньої і поперечної різнотовщинності, яка повинна бути менше допусків по товщині.

Причини появи поздовжньої і поперечної різнотовщинності до теперішнього часу вивчено достатньо повно. Розроблені різноманітні способи зменшення різнотовщинності, які можна підрозділити на технологічні і конструкційні. Найефективнішим конструкційним способом усунення поздовжньої різнотовщинності і забезпечення високої точності отримання товщини листів і смуг є гідравлічні натискні пристрої (ГНП). Проте ці пристрої дуже дорогі і при їх роботі виникають високочастотні коливання, що негативно впливають на вузли і деталі робочих клітей. Найбільш перспективним технологічним способом зменшення поздовжньої різнотовщинності в клітях з індивідуальним приводом є асиметрична прокатка, яка не пов'язана із змінами в конструкції клітей. Проте для використання цього способу в чистових клітях товстолистових станів (ТЛС) необхідно уточнити характер впливу параметрів прокатки на ефект кінематичної асиметрії. Оскільки кінематична асиметрія викликає зміну напруженого стану за рахунок зміни умов на контактних поверхнях, і оскільки дослідження контактних напружень для цього випадку прокатки ще не проводилися, то необхідно заповнити цю прогалину експериментальним дослідженням в умовах, характерних для чистових клітей ТЛС.

Для усунення поздовжньої різнотовщинності в клітях з груповим приводом можна використовувати зміну швидкості прокатки. Для цього необхідно визначити діапазон регулюючої дії цього способу, необхідні величини зменшення швидкості прокатки, вплив його на динаміку приводу і продуктивність кліті, а також на зниження температури металу, що прокатується.

Конструкційні способи усунення поперечної різнотовщинності дозволяють одержувати прокат з необхідною точністю, але вартість їх значна. Тому актуальною є задача розробки технологічного способу зменшення поперечної різнотовщинності для ТЛС, який за діапазоном дії не поступається профіліровці валків, за точністю профіліровку перевершує і не вимагає змін в основному устаткуванні станів.

Вибір напряму і методів дослідження

Як основний напрям вдосконалення технології прокатки товстих листів підвищеної точності, що не вимагає корінного технічного переозброєння прокатних станів, слід вважати управління енергосиловими параметрами процесу прокатки за рахунок кінематичної асиметрії і зміни швидкості прокатки.

Впроваджена на ТЛС 3600 комбінату "Азовсталь" і 3000 ММК ім. Ілліча донецькими вченими технологія асиметричної прокатки передбачала постійну величину асиметрії, незалежно від величини різнотовщинності, що усувається. Але оскільки сила прокатки Р по довжині розкату змінюється, то для стабілізації цього параметра необхідно змінювати і ступінь розузгодження швидкостей валків KV (KV - відношення швидкості Vвч ведучого валка до швидкості Vвд веденого валка) залежно від зміни Р. Для цього потрібно знати, як впливає KV на силу прокатки залежно від решти параметрів прокатки, з яких найважливішим є ступінь деформації е.

Теоретичне рішення цієї задачі було виконано за допомогою чисельного одновимірного математичного моделювання локальних і інтегральних параметрів процесу прокатки за допомогою рекуррентного рішення кінцево-різницевих форм балансу енергетичних витрат і, паралельно, балансу сил, з використанням планування математичного експерименту.

Підтвердження теоретичних результатів було здійснено визначенням напруженого стану в осередку деформації по експериментально знайденим контактним напруженням, які було використано в якості статичних граничних умов.

З метою підвищення достовірності результатів експериментальне дослідження контактних напружень симетричній і асиметричній прокатці провели двома методами - поляризаційно-оптичним і методом штифтових месдоз.

Для експериментального визначення залежності сили прокатки від параметрів прокатки і ступеня розузгодження швидкостей був використаний лабораторний міні-стан 100Ч100Г, валковий комплект якого забезпечує геометричну подібність при фізичному моделюванні прокатки на ТЛС, а конструкція шестерінчастої кліті дозволяє встановлювати і суворо підтримувати три різних ступеня кінематичної асиметрії: 1,08; 1,16 і 2,0.

Дослідження ефективності нового способу усунення поздовжньої різнотовщинності зміною швидкості прокатки провели теоретичними розрахунками з використанням достатньо апробованих і широко розповсюджених методів теорії прокатки. Перевірка працездатності цього способу була здійснена на промислово-лабораторному стані 105/260Ч250 ДДМА, привод якого дозволяє плавно змінювати швидкість прокатки в широкому діапазоні: від 80 до 872 мм/с.

При проведенні експериментальних досліджень застосовувалася тензометрія механічних параметрів з перетворенням сигналів в цифрову форму, що дозволило зменшити вплив електричних перешкод. Обробка емпіричних даних була проведена методами математичної статистики.

Теоретичне дослідження локальних і інтегральних параметрів прокатки при зміненні швидкісних умов деформації

З метою порівняльного аналізу напруженого стану при симетричній і кінематично асиметричній прокатці розроблена чисельна кінцево-різницева математична модель напружено-деформованого стану металу при прокатці в низькому осередку деформації на основі рекурентного рішення кінцево-різницевих форм балансу енергетичних витрат і балансу сил.

В основу моделі покладено такі припущення: деформація є плоскою і сталою у часі, при цьому нормальні напруження уxi і показники подвоєного опору зсуву 2Kxi, змінюючись по довжині зони пластичного формозмінення, по висоті кожного окремого її поперечного перетину залишаються величинами постійними; зміни поточних значень товщини ,а також нормальних і дотичних контактних напружень по довжині кожного окремого i-го кінцевого перетину носять лінійний характер; аналітичні описи дотичних контактних напружень на ведучому і веденому робочих валках, що ведеться, підкоряються закону Амонтона-Кулона.

Умову балансу енергетичних витрат, які розглядали в рамках кожного окремого виділеного i-го елементарного об'єму, одержали у вигляді:

прокат товстолистовий деформування

, (1)

де , - швидкості переміщення металу в початковому і кінцевому граничних перетинах;

vb1, vb2 - швидкості ведучого валка і веденого робочого валків;

, - поточні значення кутів контакту на верхньому ведучому і нижньому веденому валку;

- коефіцієнт немонотонності пластичної деформації;

, - значення подвоєного опору зсуву металу, що прокатується, в початковому і кінцевому граничних перетинах.

Був одержаний наступний вираз для нормальної напруги на контакті:

 (2)

де - коефіцієнти зовнішнього тертя на ведучому і веденому робочих валках;

Дх - довжина скінченого перетину, на які розбивається осередок деформації.

Проведено математичне моделювання процесів симетричної і кинематично асиметричної прокатки з використанням розробленої моделі. Знайдено характер зміни нормальних напружень і , дотичного напруження , опору зсуву K і коефіцієнта тертя по довжині осередку деформації.

Встановлено, що енергетичний і силовий підходи дають практично ідентичні результати. На основі одержаних даних уточнений механізм впливу кінематичної асиметрії на силу прокатки: в низькому осередку деформації з появою зони різноспрямованих на верхньому і нижньому валках відбувається їх взаємне врівноваження, що еквівалентне зменшенню коефіцієнта тертя при симетричній прокатці. Останнє, як відомо, супроводжується зменшенням , що веде до зниження , отже, і сили прокатки Р.

Розроблена методика планування математичного експерименту і одержані багаточинникові залежності сили Р від основних параметрів прокатки і ступеню кінематичної асиметрії KV для різних марок сталей. Рішенням цих залежностей відносно KV знайдені формули для визначення ступеня розузгодження швидкостей валків, що забезпечує стабілізацію Р.

У результаті одновимірного порівняльного аналізу напруженого стану при симетричній і кінематично асиметричній прокатці з використанням експериментально знайдених контактних напружень як статичних граничних умов, підтверджено одержаний математичним моделюванням висновок щодо нерівномірного розподілу стискаючого напруження по довжині осередку деформації як при симетричній, так і при асиметричній прокатці.

За наслідками чисельного моделювання зменшення максимуму напружень і при е = 40%, KV = 1,18 склало 1,95 і 2,79 раз відповідно. При визначенні напружень за експериментальних граничних умов при е = 23,01%, lд/hср = 5,51, KV = 1,18 максимум зменшився в 1,38 раз, - в 2,1 рази. При е = 40,2%, lд/hср = 1,76, KV = 1,07 відповідно в 1,48 і 1,75 раз. Таким чином результати, одержані обома методами порівнянні і свідчать як про зменшення напружень при кінематичній асиметрії, так і про те, що із зростанням ступеня деформації ефект кінематичної асиметрії посилюється.

Цим же дослідженням встановлено, що при симетричній прокатці пластична постійна K, яка знаходилася з умови пластичності Губера-Мізеса, по довжині осередку деформації змінюється в 5,4ч7,1 разів. При кінематично асиметричній зміна K склала 4,6 ч 7,1 рази, тобто асиметрія на нерівномірність розподілу цього параметра практично не впливає.

Розрахунком доведено, що зміна швидкості прокатки в інтервалі 0,5 ч5 м/с, який властивий ТЛС, зменшує силу прокатки на 5,79 ч 6,74МН, що при модулі жорсткості сучасних чистових клітей 6ч7МН/мм змінює пружну деформацію на 0,83ч0,96мм. Цього цілком достатньо для усунення поздовжньої різнотовщинності дhL максимальної величини. Необхідна величина зміни швидкості вельми залежить від реологічних властивостей металу, що прокатується. Знайдена залежність для визначення кутової швидкості щi, що забезпечує усунення поздовжньої різнотовщинності в довільному i-тому перетині розкату:

, (2)

де - номінальна кутова швидкість прокатки, с-1;

, - номінальна температура розкату и температура в i-тому перетині, 0С;

, - ступінь деформації при номінальній товщині і при ;

Lн, Li - довжина осередку деформації при номінальних умовах і при , мм;

, - коефіцієнт напруженого стану при номінальних умовах і при дhL;

a, b, c, - реологічні параметри сталі по Л. Андріюку и Г. Тюленеву.

Встановлено, що ефективність цього способу нелінійно залежить від швидкості і істотно підвищується при значному пониженні швидкості прокатки, проте навіть при самих екстремальних реологічних властивостях металу зменшувати швидкість менш, ніж до 0,53 м/с, не потрібно.

Експериментальне дослідження впливу швидкісних умов деформації на локальні і інтегральні енергосилові параметри при кінематично асиметричній прокатці

З метою з'ясування впливу кінематичної асиметрії на розподіли нормальних і дотичних напружень на поверхні контакту металу з валками при прокатці листів з товщиною, характерною для чистових клітей ТЛС, проведено дослідження поляризаційно-оптичним методом з одночасним тензометруванням сили і моментів прокатки на ведучому і веденому валках.

Характерною для асиметричної прокатки є поява на веденому валку негативного моменту. Виникає також падіння нормального контактного напруження і сили прокатки Р у порівнянні з симетричним процесом.

Вплив кінематичної асиметрії збільшується із збільшенням ступеня деформації. Зменшення Р при е = 22ч23% і KV = 1, 18 склало 23,8%, а при е = 40% і KV = 1,18 - 30,1%. Отже, при усуненні різнотовщинності розузгодженням швидкостей бажано вести прокатку з великими обтисненнями. Одержані розподіли контактних напружень були використана при аналітичному дослідженні впливу кінематичної асиметрії на напружений стан.

Малий модуль пружності валків з органічного скла в порівнянні з модулем пружності свинцю, з якого були виготовлені зразки, приводить до істотного спотворення геометрії осередка деформації при дослідженні поляризаційно-оптичним методом.

Для оцінки впливу цього ефекту провели таке ж дослідження методом штифтових месдоз. Використовувався пристрій для пластичної деформації ДДМА, в якому сегменти радіусом 750 мм із сталі деформували свинцеві зразки.

Цим методом підтверджено зменшення напружень рх при кінематичній асиметрії, хоча кількісно результати виявилися дещо іншими. Знайдено систематичне заниження величин рх, одержаних поляризаційно-оптичним методом, порівняно із знайденими методом штифтових месдоз: від 7,05% до 23,8%. Це дослідження також показало, що із збільшенням е вплив KV на зниження рх збільшується.

З метою отримання регресійної залежності сили прокатки від KV і ступеня деформації провели дослідження методом фізичного моделювання на лабораторному стані 100Ч100Г ДДМА з використанням як матеріалу моделі свинцю марки С1. Встановлено, що при кінематично асиметричній прокатці з відносними обтисненнями е = 0,3ч0,4 сила прокатки зменшується в 1,2ч1,3 рази. Із зростанням величини розузгодження швидкостей валків вплив цього чинника на силу прокатки зменшується. Використовуючи пластометричні дані свинцю, знайшли залежності коефіцієнта напруженого стану nу від KV і е.

Отримана регресійна залежність відносної зміни сили прокатки від основних параметрів, що визначають її при прокатці в чистових клітях ТЛС, придатна для використання на промислових станах:

, (3)

де - зміна Р внаслідок кінематичної асиметрії.

Коефіцієнт множинної кореляції залежності (3) R = 0,976. Дисперсія неадекватності дорівнює 0,0111. Абсолютна похибка визначення відгуку дорівнює 0,0339, середня відносна (при р = 0,95) 6,22% в дослідженому діапазоні зміни чинників: е = 0,08ч0,40, KV = 1ч1,16.

Таким чином трьома різними експериментальними способами показано, що для збільшення ефективності регулюючої дії кінематично асиметричної прокатки процес слід вести з максимально можливими обтисненнями, що дозволить зменшувати Р більш, ніж на 10%, досягнутих до теперішнього часу на ТЛС.

На напівпромисловому стані 105/260Ч250 ДДМА була проведена експериментальна перевірка можливості зменшення товщини розкатів зменшенням швидкості прокатки. Використовувався метод фізичного моделювання процесу гарячої прокатки в чистових клітях ТЛС.

Результати наведені в табл. 1. З неї видно, що експериментальні значення зміни товщини розкатів і сили прокатки достатньо близькі до розрахункових.

Тому можна вважати, що теоретично одержані результати про вплив симетричної зміни швидкості валків на товщину можна вважати близькими до дійсних і використовувати їх при розробці нових технологій.

Таблиця 1

Усереднені результати експерименту по гарячій прокатці на стані 105/260/250

№ оп.	V, мм/с	H, мм	h, мм	е, %	l/hср -	u, с-1	уи, МПа	рср, МПа	Рр, кН	Рэ, кН
1	656	2,066	1,133	44,90	4,357	40,09	228,5	378,5	158,2	156,4
2	130	2,070	0,974	52,95	4,986	8,73	190,8	326,0	148,4	141,5
3	656	3,225	1,648	48,90	3,735	33,59	194,5	296,1	161,6	167,5
4	130	3,227	1,469	54,01	4,094	7,09	160,9	247,2	142,5	144,2

Дослідження ефективності способу зменшення поздовжньої різнотовщинності зміною швидкості прокатки

Для дослідження ефективності нового способу зменшення поздовжньої різнотовщинності дhL розроблена методика визначення швидкісного режиму при прокатці із зменшенням дhL і проведений аналіз ефективності. Показано, що при прокатці стали з середніми реологічними властивостями (3сп) для повного усунення дhL кутову швидкість прокатки потрібно змінювати приблизно в два рази: з 11с-1 до 5,77 с-1. Приблизно удвічі також потрібно збільшувати і максимальне кутове прискорення: з 4ч5 с-2 до 7ч8 с-2.

Прискорення, необхідні для реалізації нового способу на розкатах із сталі 3сп при усуненні максимальної дhL, що дорівнює 0,38мм, збільшують динамічний момент приводу всього в 1,17 раз. Збільшення сумарного моменту ще менше - в 1,013 раз. Тривалість останнього проходу, в якому усувається різнотовщинність, збільшується на 26,9%.

Зменшення швидкості прокатки пов'язано із збільшенням тривалості контакту металу з валками, отже, з додатковим його охолодженням внаслідок теплообміну з валками і збільшенням різнотовщинності. Проте розрахунком встановлено, що найбільша величина не усуненої з цієї причини дhL дорівнює 0,03 мм, що складає 7,9% від початкової. Отже, зменшення швидкості прокатки істотно не впливає на ефективність нового способу. Зниження температури в критичних перетинах дорівнює 290С, а середньомасової температури металу від випромінювання через збільшення тривалості проходу складає 1,7⁰С.

Вплив реологічних властивостей металу на необхідну величину зменшення швидкості значний - цей параметр може змінюватися в 15 разів. Проте при прокатці сталей навіть з самими екстремальними реологічними властивостями мінімальна швидкість для усунення максимальної дhL повинна бути більш 0,5 м/с. Отже, даним способом у принципі можна усувати поздовжню різнотовщинність при прокатці практично всіх марок сталей.

Але зниження швидкості до 0,5 м/с приводить до збільшення машинного часу в 1,93 рази, зменшення температури металу в критичних перетинах на 51⁰С, внаслідок чого ?75% різнотовщинності залишається не усуненою. Зниження середньомасової температури внаслідок випромінювання складе 5,9⁰С. Таким чином встановлено, що ефективність даного способу обмежена, і його доцільно застосовувати при прокатці тільки вуглецевих і низьколегованих марок сталей, у яких відношення реологічних параметрів с/а (по Л. Андріюку і Г. Тюленеву) не більш 30. Проведена експериментальна перевірка даного способу (див. табл. 1) показала достатньо добру відповідність розрахункових і емпіричних даних.

Удосконалення технології гарячого прокатки в чистових клітях товстолистових станів

На основі теоретичних і експериментальних досліджень і для підвищення ефективності кінематично асиметричної прокатки на ТЛС розроблені спосіб і пристрій для зменшення дhL розузгодженням швидкостей валків залежно від відхилення сили прокатки від її номінального значення (заявка на винахід №2008 05543. Пріоритет від 29.04.2008 р.).

Розроблені спосіб (патент України №73831) і технологія попередження дhL за допомогою зменшення швидкості прокатки залежно від температури металу. Для реалізації даної технології розроблені схема системи автоматичного управління і програма розрахунку швидкісного режиму прокатки, що попереджає появу різнотовщинності від нерівномірного розподілу температури по довжині розкату. Розроблені також спосіб (патент України №u 2008 03228) і технологія зменшення поздовжньої різнотовщинності за допомогою одночасного вимірювання температури і товщини по довжині розкатів і подальшої зміни швидкості прокатки

Зміна швидкості прокатки для усунення поздовжньої різнотовщинності пов'язана з неодноразовими прискореннями і уповільненнями валків протягом проходу. Крім збільшення динамічної складової моменту приводу чистової кліті ТЛС, в цьому випадку повинні виникати коливальні процеси, що ускладнюють відпрацювання системою управления завдання по швидкості. Тому було здійснено дослідження динаміки приводу при прокатці за новим способом. Встановлено, що електропривод здатний забезпечити програму зміни швидкості, необхідну для усунення поздовжньої різнотовщинності. Коливальні процеси в шпинделях приводять до підвищення моменту в них на 40ч60% від номінального, але цей сплеск є короткочасним і не вимагає підвищення потужності двигуна. Оскільки згасання коливальних процесів відбувається на довжині меншій, аніж відстань між перетинами, в яких змінюється знак прискорення, то багатократні прискорення і уповільнення приводу на довжині одного розкату можливі внаслідок своєї динамічної автономності.

Розроблена технологія усунення поперечної різнотовщинності листів за допомогою спеціального випуклого профілювання валків і регулювання сили прокатки зміною ступеня кінематичної асиметрії залежно від ширини розкату, темпу прокатки і ступеня зносу валків (заявка на винахід №2008 04774. Пріоритет від 14.04.2008 р.). Стосовно умов ТЛС 3000 ВАТ "АМК" показана можливість реалізації нового способу.

Висновки

У дисертації виконані науково-технічні розробки, спрямовані на підвищення точності товстолистового прокату технологічними методами, без змін в конструкції основного устаткування, і рішенню на цій основі задачі підвищення конкурентоспроможності вітчизняних металургійних підприємств.

1. У результаті аналізу науково-технічної літератури встановлено, що зменшення поздовжньої і поперечної різнотовщинності в чистових клітях листових станів можливе загальною технологічною дією - зміною швидкісних умов деформації. В клітях з індивідуальним приводом для цього може бути використана кінематично асиметрична прокатка, а в клітях з груповим приводом - зміна швидкості прокатки.

2. На основі розроблених чисельних математичних моделей локальних і інтегральних параметрів прокатки в низькому осередку деформації за наявності кінематичної асиметрії з використанням енергетичного і силового підходів проведено математичне моделювання і показано, що відмінність у величині сили прокатки, визначена кожним з вказаних підходів, не перевищує похибок округлень. Уточнені основні закономірності впливу ступеня розузгодження швидкостей робочих валків на розподіли напружень і силу прокатки. За наслідками чисельного моделювання зменшення напружень і при е = 40%, KV = 1,18 склало 1,95 і 2,79 раз відповідно. Одержано багаточинникові залежності ступеня кінематичної асиметрії від основних параметрів прокатки, що забезпечують стабілізацію сили прокатки і товщини розкатів.

3. Здійснений одновимірний порівняльний аналіз напруженого стану при сисиметричній і кінематично асиметричній прокатці з використанням в якості статичних граничних умов експериментально знайдених контактних напружень. Встановлено, що при е = 23,01%, lд/hср = 5,51, KV = 1,18 максимум зменшився в 1,38 рази, - в 2,1 рази, при е = 40,2%, lд/hср = 1,76, KV = 1,07 відповідно в 1,48 і 1,75 раз. Таким чином підтверджені одержані математичним моделюванням висновки про ступінь зменшення напружень ух і рх.

4. Теоретичним розрахунком доведено, що зміна швидкості прокатки в інтервалі, властивому ТЛС, внаслідок зниження опору деформації зменшує силу прокатки на 5,79 ч 6,74МН, що при модулі жорсткості сучасних чистових клітей 6ч7МН/мм змінює пружну деформацію на 0,83 ч 0,96мм. Цього цілком достатньо для усунення поздовжньої різнотовщинності максимальної величини. Знайдено залежності для визначення швидкості, що забезпечує усунення різнотовщинності. Проведено дослідження ефективності нового способу усунення поздовжньої різнотовщинності зміною швидкості прокатки, показано, що його доцільно застосовувати при прокатці тільки марок сталей з відношенням реологічних параметрів (по Л. Андрійку і Г. Тюленеву) с/а ?15ч30. Розрахунком доведено, що технічна реалізація запропонованого способу прокатки можлива на існуючому устаткуванні, і що підтверджено експериментальною перевіркою на напівпромисловому стані 105/260Ч250 ДДМА.

5. У результаті дослідження поляризаційно-оптичним методом розподілу контактних напружень при симетричній і асиметричній прокатці листів з товщиною, характерною для чистових клітей ТЛС, уточнений характер впливу швидкісної асиметрії на контактні напруження в цих умовах. Показано, що вплив кінематичної асиметрії на силу прокатки збільшується із зростанням ступеня деформації. Порівняльним дослідженням методом штифтових месдоз знайдені похибки, що виникають від деформування валків з органічного скла. Встановлено, що поляризаційно-оптичний метод дає систематичне заниження величин рх, від 7,05% до 23,8%. Результати досліджень методом штифтових месдоз підтверджують висновок про посилення ефекту кінематичної асиметрії із збільшенням ступеня деформації.

6. Методом фізичного моделювання проведено безпосереднє дослідження впливу кінематичної асиметрії на силу прокатки. Встановлено, що в середньому по висоті осередку деформації при прокатці з відносними обтисненнями 0,3 ч 0,4 сила прокатки знижується в 1,2ч1,3 раз. Одержана регресійна залежність відносної зміни сили прокатки від ступеня деформації і ступені кінематичної асиметрії, придатна для використання на промислових станах.

7. На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблено новий спосіб зменшення подовжньої різнотовщинності товстих листів в клітях з індивідуальним приводом за рахунок кінематично асиметричної прокатки, два нові способи - в клітях з груповим, а також новий спосіб усунення поперечної різнотовщинності із застосуванням кінематично асиметричної прокатки. Результати досліджень і розробок передані ЗАТ "НКМЗ" і ВАТ "АМК", де вони застосовуються для підвищення точності прокатки, а також при проектуванні нових листових станів і реконструкції існуючих з метою зниження собівартості продукції. У результаті впровадження на ЗАТ "НКМЗ" практичних рекомендацій і технічних рішень був одержаний економічний ефект в 297000 грн.

Список опублікованих робіт по темі дисертації

1. Данько А.В. Про можливість усунення поздовжньої різнотовщинності товстих листів зміненням швидкості прокатки / А.В. Данько, М.П. Козін // Сб. научн. тр. ДонГТУ, вып.18. - Алчевск, 2004. - С. 170-177.

2. Данько А. В. Розробка швидкісного режиму прокатки для усунення поздовжньої різнотовщинності товстих листів / А.В. Данько, Г.Г. Шломчак // Наукові вісті. Сучасні проблеми металургії. Том 8. Пластична деформація металів. - Дніпропетровськ, 2005. - С. 260-263.

3. Данько А.В. Дослідження ефективності нового способу усунення подовжньої різнотовщинності / А.В. Данько, Г.Г. Шломчак // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні : тем. зб. наук. праць. - Краматорськ, 2006. - С. 175-179.

4. Данько А.В. Определение диапазона регулирующего воздействия при устранении продольной разнотолщинности изменением скорости прокатки / А.В. Данько, А.Н. Кулик // Вісник ДДМА. - Краматроск, - 2006, №1Е(6). - С. 88-92.

5. Федоринов В.А. Исследование контактных напряжений при асимметричной прокатке методом фотоупругости / В.А. Федоринов, А.В. Данько, Г.Г. Шломчак // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні : тем. зб. наук. праць. - Краматорськ, 2007. - С. 369-373.

6. Кулик А.Н. Влияние кинематической асимметрии на силу прокатки в чистовых клетях толстолистовых станов / А.Н. Кулик, А.В. Данько, К.Ю. Юрков, А.А. Файчак // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: тем. зб. наук. праць. - Краматорськ, 2008. - С. 269-273.

...