Обґрунтування параметрів профілювання широких граней та форми розкатів при прокатці товстих листів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний вищий навчальний заклад

«Донецький національний технічний університет»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.03.05 «Процеси та машини обробки тиском»

Обґрунтування параметрів профілювання широких граней та форми розкатів при прокатці товстих листів

Юр'єв Олег Михайлович

Донецьк 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор РУДЕНКО Євген Олексійович, Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет» (м. Донецьк), професор кафедри «Обробка металів тиском».

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор НІКОЛАЄВ Віктор Олександрович, Запорізька державна інженерна академія (м. Запоріжжя), професор кафедри «Обробка металів тиском»;

кандидат технічних наук, КОРОХОВ Володимир Григорович, ЗАТ «Донецьксталь-МЗ» (м. Донецьк), головний спеціаліст технічного відділу листопрокатного виробництва.

Захист відбудеться « 19 » червня 2008 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.01 Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, I навч. корпус, малий актовий зал.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, II навч. корпус.

Автореферат розісланий « 15 » травня 2008 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.052.01, д.т.н., проф. О.В. Яковченко

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Рівень виробництва листового прокату побічно визначає ступінь промислового розвитку країни в цілому. У розвинених країнах частка виробництва листового прокату перевищує 60% від загального виробництва прокату. Найважливішою складовою сортаменту листового прокату є товсті листи (товщина 4мм і більш). Частка товстих листів в загальному обсязі виробництва готового прокату в розвинених країнах складає: в Японії (12-15)%, у США (7-10)%, у ФРН (20-23)%, у Великобританії (10-13)%, у Франції (13-15)%, в Італії (14-16)%, в Україні (15-18)%.

Середній витратний коефіцієнт металу на товстолистових станах в країнах з сучасними технологіями прокатки знаходиться на рівні 1175 кг/т, а в Японії на станах 5500 - 1085 кг/т. Тоді як на реверсивних товстолистових станах України витратний коефіцієнт знаходиться в межах 1180 - 1285 кг/т.

Скорочення витрат металу при прокатці товстих листів досягають в більшості випадків зниженням кінцевої і бічної обрізі шляхом управління формою розкатів в плані на етапі чорнової прокатки. Способи прокатки, що управляють формою розкатів в плані, які існують на сьогоднішній день, на підприємствах України не реалізовані. Тому існує актуальна науково-технічна задача обґрунтування раціональних параметрів профілювання широких граней і форми розкатів в плані при прокатці товстих листів з метою зменшення витрат металу в обрізь. Виконані в дисертації дослідження направлені на рішення поставленої задачі, що свідчить про актуальність теми дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Проведені в роботі дослідження виконані в рамках «Державної програми розвитку та реформування гірничо-металургійного комплексу Україні на період до 2011 року» (постанова Кабінету Міністрів Україні від 28 липня 2004 року № 967), а також в рамках «Програми перспективного розвитку підприємств металургійного комплексу Донецької області до 2010 року» (затверджена рішенням Донецької обласної Ради від 22 березня 2002 року № 3/25-656).

Тема дисертації безпосередньо пов'язана з планами науково-дослідних робіт Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет». Базовими для підготовки дисертації з'явилися науково-дослідні роботи, виконані на кафедрі «Обробка металів тиском»: «Аналіз стану і тенденцій розвитку обтискно-заготівельного та товстолистового виробництва», «Узагальнення і подальший розвиток теоретичних основ ресурсозберігаючих технологій виробництва листового і сортового прокату та залізничних коліс», «Створення теоретичних і технологічних основ ресурсозберігаючих процесів прокатки і пресування чорних і кольорових металів», (номери державної реєстрації: 0103U002210, 0103U002203, 0106U001264) при безпосередній участі претендента як виконавця робіт. профілювання обтиск прокатка формозміна

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є обґрунтування раціональних параметрів профілювання широких граней і форми розкатів в плані при прокатці товстих листів, що дозволяють зменшити витрату металу в обрізь за рахунок наближення форми готових листових розкатів в плані до прямокутної, і створення нових металозберігаючих способів прокатки.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі:

- дослідити процеси формозмінення розкатів в плані при прокатці в горизонтальних валках на етапі чорнової прокатки з використанням різних способів профілювання широких граней;

- дослідити формозміну увігнутого й утягнутого торця розкату при заповненні металом осередку деформації;

- розробити залежності для розрахунку параметрів формозмінення розкатів в плані при профільованій прокатці, що враховують всі найбільш значущі параметри прокатки в реальних діапазонах зміни відповідних для більшості існуючих товстолистових станів;

- розробити базову математичну модель процесу формозмінення і алгоритм розрахунку параметрів форми розкатів в плані при реверсивній прокатці з кантуванням і профілюванням широких граней розкатів змінним обтиском товщини за їх довжиною;

- розробити нові металозберігаючі способи прокатки товстих листів і виконати оцінку їх ефективності.

Об'єкт дослідження. Процес формозмінення розкатів з непрямокутними контуром поперечного перетину і формою в плані при виробництві товстолистового прокату.

Предмет дослідження. Формозміна кінців розкатів в плані на етапі чорнової прокатки товстих листів з профілюванням широких граней. Математична модель процесу формозмінення розкатів в плані, способи прокатки товстих листів.

Методи дослідження. Для дослідження процесів формозмінення розкатів в плані на різних етапах чорнової прокатки в горизонтальних валках з профілюванням широких граней використаний метод фізичного моделювання на лабораторному і напівпромисловому станах ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» і метод математичного моделювання, а при дослідженні течії металу в осередку деформації - метод координатної сітки. В основу досліджень покладені базові закони теорії обробки металів тиском, положення теорії розмірностей і подібності. Результати досліджень оброблено на основі методів кореляційного і регресійного аналізів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уперше виявлено чотири етапи в динаміці формозміни розкатів у плані, що мають початкову увігнутість й утяжку переднього кінця за шириною, по мірі заповнення металом осередку деформації. Встановлено, що перший етап відповідає локальній деформації кутових ділянок торця розкату й характеризується їхнім розширенням переважно в напрямку центра розкату за шириною. Другий етап характеризується незначним зменшенням стріли увігнутості торця й утяжки за шириною приблизно з однаковою швидкістю, що пояснюється збільшенням розширення в напрямку до кромок розкату. На третьому етапі від 0,3-0,35 до 0,7-0,75 довжини осередку деформації значення стріли увігнутості різко зменшується, що обумовлено найбільш інтенсивним розширенням металу в напрямку до кромок розкату. Цей інтервал відповідає відомому в технічній літературі розташуванню «зони прилипання». На останньому четвертому етапі спостерігається зниження інтенсивності як поздовжньої, так і поперечної течії металу у зв'язку із закінченням процесу зміни розширення й вирівнювання поздовжніх витяжок за шириною розкату.

2. Уперше досліджена утяжка ширини на кінцях розкату при нерівномірному обтиску за шириною, що має початкову ввігнутість поперечного переріза. Отримано залежності для визначення значень утяжки ширини на передньому й задньому кінцях розкатів у плані, що враховують основні фактори прокатки. Уточнено залежності для визначення значень стріл увігнутості кінців розкатів у плані за рахунок обліку факторів В0/Н0 (відношення ширини до товщини заготовки) і D/H0 (відношення діаметра робочих валків до товщини заготовки).

3. Уперше отримані залежності параметрів формозміни розкатів у плані від кута задачі й обтиску при їх задачі в валки на кут та профілюванні широких граней слябів постійним і змінним обтиском кутових ділянок.

4. Одержав подальший розвиток метод розрахунку параметрів формозміни кінців розкату в плані у реверсивних проходах за рахунок обліку в рекурентному виразі складових параметрів формозміни з нерівномірним обтиском за шириною.

Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення мають нові розроблені способи прокатки товстих листів з профілюванням широких граней, що забезпечують зниження витрати металу в обрізь.

Отримані в роботі залежності для розрахунку параметрів форми розкатів в плані відповідно до способу профілювання широких граней розкатів змінним обтиском товщини за їх довжиною, а також практичні рекомендації, що направлені на підвищення техніко-економічних показників, були використані в НВТ «Донікс» при розробці комп'ютерної програми розрахунку режимів прокатки в кліті товстолистового стана і передані у вигляді технічних пропозицій ЗАТ «НКМЗ». Програма призначена для вдосконалення процесів прокатки товстих листів з профілюванням широких граней розкатів, проектування гідравлічних натискних пристроїв (ГНП) чорнової кліті стана, розробки систем автоматизованого управління формою розкатів в плані і заходів щодо реконструкції чорнових клітей товстолистових станів.

Результати досліджень і розроблені на їх основі нові металозберігаючі способи прокатки використовуються на кафедрі «Обробка металів тиском» ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» в навчальному процесі в рамках викладання дисципліни «Технологія прокатки» за фахом 7.090404, 8.090404 «Обробка металів тиском».

Отримала подальший розвиток класифікація компенсуючих способів управління формою розкатів в плані за рахунок їх розділення на технологічні і такі, що управляють. Запропонований також комбінований (що виправляє - компенсує) спосіб управління формою розкатів в плані, який забезпечує зниження профілюючих обтисків в 2-10 разів за рахунок їх виконання на пізніших етапах чорнової прокатки.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно виконав експериментальні дослідження параметрів формозмінення металу при прокатці з профілюванням широких граней розкатів різними способами, здійснив обробку результатів, сформулював і науково обґрунтував нові способи прокатки товстих листів. Розроблені автором залежності увійшли до складу базової математичної моделі процесу формозмінення розкатів в плані при прокатці в горизонтальних валках чорнової кліті з профілюванням їх широких граней. Результати досліджень, виконаних спільно з працівниками ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», і розроблені на їх основі практичні рекомендації, що направлені на підвищення техніко-економічних показників, опубліковані із співавторами. Конкретний особистий внесок претендента в цих роботах представлений у вигляді коротких анотацій після вказівки їх номерів в списку опублікованих робіт по темі дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи обговорені на: міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні методи моделювання процесів обробки матеріалів тиском», 25-28 квітня 2006 р., Краматорськ; XXXIII міжнародній науково-технічній конференції молоді, 16-17 листопада 2006 р., Запоріжжя; науково-технічній раді НВТ «Донікс», 22 січня 2007 р., Донецьк; міжнародній науково-технічній конференції «Фізико-механічні проблеми формування структури і властивостей матеріалів методами обробки тиском», 24-27 квітня 2007 р., Краматорськ; наукових семінарах кафедри «Обробка металів тиском» ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» 2007, 2008г.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 6 наукових роботах, зокрема в 3 статтях наукових журналів, 2 статтях збірників наукових праць і 1 патенті України на винахід. З них 4 статті опубліковано у фахових виданнях ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається з введення, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел (98 найменувань) і 1 додатку. Повний обсяг дисертації - 149 сторінок, загальний обсяг - 122 сторінки. У розділах дисертації 36 рисунків (зокрема 4 на окремих сторінках) і 15 таблиць (зокрема 10 на окремих сторінках).

2. Основний зміст роботи

У розділі 1 «Формозміна металу і способи управління формою розкатів в плані при прокатці товстих листів» міститься огляд робіт, присвячених процесу формозмінення розкатів в плані при прокатці товстих листів у циліндричних горизонтальних валках, аналізу існуючих підходів і залежностей для опису параметрів формозмінення розкатів в плані, аналізу існуючих металозберігаючих способів прокатки товстих листів і їх класифікації за способами реалізації.

Велику наукову і практичну цінність мають наукові роботи, що направлені на підвищення виходу придатного при виробництві товстолистового прокату, цілого ряду учених, серед яких насамперед слід зазначити: І.М. Павлов, М.Я. Бровман, Г.Е. Аркуліс, І.Я. Тарновський, В.М. Кліменко, А.І. Герцев, Ф.Є. Долженков, Ю.В. Коновалов, Є.О. Руденко, В.О. Ніколаєв, В.С. Горелік, В.Г. Корохов, Е.Л. Філіппов, Ю.І. Юрченко, В.М. Данько, Ю.В. Фурман, О.П. Воропаєв та ін.

Аналіз робіт, присвячених процесу формозмінення розкатів в плані, дозволив встановити, що теоретичні дослідження формозмінення кінців розкату в плані виконані тільки для умови одноразового обтиску прямокутної в плані заготівки з прямокутним і опуклим поперечним перетином. Розглядається тільки один параметр - опуклість або увігнутість торців розкату. Роботи по експериментальному дослідженню формозмінення розкатів в плані найчастіше направлені на вивчення одного параметра - увігнутості або опуклості торців розкату. У них не в повному обсязі врахований вплив геометричних параметрів процесу прокатки, зокрема, такі критерії як відношення ширини до товщини, діаметру валків до товщини. Не знайдено робіт по дослідженню формозмінення розкатів в плані при прокатці «на кут», а також по дослідженню течії металу за довжиною і шириною осередку деформації в процесі його заповнення після захоплення нерівних кінців розкату.

В результаті проведеного аналізу встановлено, що способи управління формою розкатів в плані при прокатці в чорновій кліті ТЛС розділяють на ті, що виправляють і компенсуючі. Найбільш ефективними є компенсуючі способи, що управляють, зокрема, спосіб з профілюванням широких граней розкату за довжиною.

Встановлено, що відомі математичні моделі і алгоритми розрахунку параметрів формозмінення кінців розкатів після профілюючих обтисків засновані на умові рівності зміщених об'ємів металу на прикромочних потовщеннях об'ємам металу на кінцях розкату, що некоректно, оскільки не враховується змушене розширення основної частини довжини розкату. Відомі математичні моделі не враховують утяжку і розширення кінців розкату.

У розділі 2 «Дослідження зміни форми розкатів в плані з профілюванням їх широких граней при прокатці в горизонтальних валках чорнової кліті» отримала подальший розвиток класифікація способів управління формою розкатів в плані за принципами їх реалізації, за рахунок розділення групи компенсуючих способів на дві підгрупи: технологічні і такі, що управляють. Відома класифікація припускає дві основні групи способів: що виправляють і компенсуючі. Для класифікації компенсуючих способів послужила їх відмінність за принципом реалізації. Якщо при реалізації технологічних прийомів протягом проходу міжвалковий зазор в горизонтальній або вертикальній кліті постійний, то компенсуючі способи називаються технологічними, а якщо змінний - тими, що управляють.

При дослідженні утворення форми розкатів в плані, їх подовжнього і поперечного перетину встановлено, що:

- для реалізації способу прокатки з профілюванням широких граней кутовими обтисками доцільно проводити профілювання із змінним обтиском кутових ділянок. При такому профілюванні форма діагонального перетину розкату набуває плавного опуклого контуру, що дозволяє в подальших проходах отримати раціональну форму компенсаційної увігнутості торців розкату. Крім того, такий спосіб профілювання забезпечує можливість застосування підшипників рідинного тертя, які не допускають зупинки робочих валків під навантаженням при постійному обтиску кутових ділянок;

- для реалізації способу прокатки з профілюванням товщини за довжиною розкату компенсаційну форму торців розкатів в плані у вигляді дзеркальної параболічної увігнутості доцільно отримати шляхом профілювання товщини за довжиною розкатів у вигляді трапеції з відношенням короткої основи до довгої рівним 1/3. Таке профілювання забезпечує достатньо точне наближення до параболічної компенсаційної форми.

Розглянуто поперечний перетин розкату при профілюванні широких граней перехрещенням робочих валків. Геометричним методом отримані формули для розрахунку складової поперечної різнотовщинності при схрещуванні осей робочих валків (1) і від вигину робочих валків (2), що дозволяє розраховувати загальну поперечну різнотовщинність розкату (3) при прокатці в перехрещених циліндричних робочих валках кліті кварто

; (1)

; (2)

, (3)

де , - радіуси робочого і опорного валків; - товщина розкату посередині ширини; B - ширина розкату; - кут перехрещення робочих валків.

Отримано вираз для визначення кута перехрещення осей робочих валків, необхідного для компенсації поперечної різнотовщинності

. (4)

Розроблена математична модель поперечної різнотовщинності розкату, яка заснована на геометричних співвідношеннях вузла перехрещених робочих валків кліті кварто, є спрощеною в порівнянні з відомими моделями і може бути використана в програмному забезпеченні АСУ ТП. Модель адекватна для умов прокатки, коли робочий валок згинаючись притискається за всією довжиною до опорного.

Шляхом фізичного моделювання умов прокатки товстих листів з нерівномірним обтиском за шириною вперше досліджена утяжка кінців розкатів. В результаті кореляційного і регресійного аналізів масивів експериментальних даних на ЕОМ з використанням методу найменших квадратів програми «Регресія» отримані залежності для розрахунку відносної угнутості і утяжки кінців розкатів, що враховують основні параметри прокатки, зокрема відношення діаметру робочих валків до товщини розкату D/H0

; (5)

; (6)

; (7)

. (8)

Аналіз результатів математичної обробки експериментальних даних показав, що отримані залежності адекватні, середня помилка апроксимації складає = 5,8-10,1%, коефіцієнт множинної кореляції R = 0,91-0,917.

Розроблені залежності можуть бути використані в алгоритмах розрахунку параметрів формозмінення розкатів в плані в умовах профільованої прокатки для товстолистових станів, на яких прокатуються листи шириною до 4000 мм.

Фізичним моделюванням умов прокатки розкатів з вуглецевої і низьколегованої сталі в горизонтальних валках чорнової кліті промислових товстолистових станів виконано дослідження динаміки течії металу за довжиною і шириною осередку деформації в процесі його заповнення після захоплення нерівних кінців. Масштаб моделювання 1:10. Використаний метод координатної сітки. Контроль формозмінення розкату в плані по мірі його просування уздовж осередку деформації здійснювали шляхом його зупинок після захоплення валками в певні моменти входу в осередок деформації переднього кінця розкату. Зупинки проводили через кожних 6-7 мм за допомогою упору спеціальної конструкції.

З графіка видно, що у момент підходу середини ширини кінця зразка до лінії входу в осередок деформації, кутові ділянки торця зразка починають витягуватися, що приводить до збільшення значення стріли угнутості. При подальшому просуванні зразка уздовж осередку деформації він отримує витяжку за всією його шириною, і в мить, коли l/lд досягає значення 0,3-0,35 коефіцієнти сумарних витяжок в центральних і прикромочних подовжніх перетинах зразка вирівнюються. Наочніше це можна бачити, де ті ж криві представлені залежно від ступеня заповнення осередку деформації як сімейство кривих по параметру В/2. В ході обробки експериментальних даних відмічено, що по мірі заповнення металом осередку деформації зміни значень стріли угнутості торця і утяжки ширини кінця зразка мали неоднозначний характер. Це наочно ілюструє, на якому можна виділити чотири етапи в динаміці заповнення металом осередку деформації.

Встановлено, що перший етап відповідає локальній деформації кутових ділянок торця зразка і характеризується розширенням цих ділянок переважно у напрямку центру розкату за шириною. Другий етап характеризується незначним зменшенням стріли угнутості торця і утяжки за шириною приблизно з однаковою швидкістю, що пояснюється підвищенням розширення у напрямку до кромок розкату. На третьому етапі від 0,3-0,35 до 0,7-0,75 довжини осередку деформації значення стріли угнутості зменшується різко, що обумовлене найбільш інтенсивним розширенням металу у напрямку до кромок розкату. Цей інтервал відповідає відомому в технічній літературі розташуванню «зони прилипання», яка характеризується інтенсивним розширенням. На останньому четвертому етапі спостерігається зниження інтенсивності як подовжньої, так і поперечної течії металу у зв'язку із закінченням процесу зміни розширення і вирівнювання подовжніх витяжок за шириною зразка.

При розрахунках також встановлено, що у момент заповнення осередку деформації на величину l/lд = 0,71 поточне значення критерію lд/hср дорівнювало 1, що багато в чому визначає такий характер зміни значень стріли угнутості торця і утяжки ширини зразка.

Запропонована математична модель, що заснована на відомому рекурентному виразі, згідно якому параметри форми кінців розкату після будь-якого проходу в горизонтальних валках запропоновано визначати, застосовуючи принцип суперпозиції, як суму двох складових. Перша складова є результатом деформації зовнішньої частини кінця (КZi Zi-1), друга (КZoi Zoi) - умовного прямокутного кінця розкату. Особливістю формозмінення кінців вписаного прямокутного кінця розкату є наявність перед ними неповних жорстких зон, що зменшують нерівномірність течії металу за шириною.

Для випадку прокатки розкатів, які після певних проходів мають увігнутий поперечний перетин (обумовлений профілюванням) у відомий рекурентний вираз додана третя складова формозмінення (Zhi).

Відповідно до описаного механізму для розрахунку параметрів форми fi і i переднього і заднього кінця розкату (fi - стріла опуклості/угнутості кінця, i - розширення/звуження на кінці) слід використовувати рекурентний вираз наступного вигляду

Zi = КZi Zi-1 + КZoi Zoi + Zhi, (9)

де Кzi, - коефіцієнти передачі параметрів форми переднього (заднього) кінця зовнішнього контуру розкату в i-тому проході; Kzoi - коефіцієнти передачі (утримки неповними жорсткими зонами зовнішнього контуру) параметрів форми переднього (заднього) кінця вписаного прямокутного розкату в i-тому проході.

Визначено вплив на параметри формозмінення кінців розкатів в плані таких параметрів як відношення ширини до довжини сляба, кута завдання сляба у валки, а також відносного обтиску кутових ділянок сляба при профілюванні його широких граней. Отримано залежності для розрахунку параметрів формозмінення розкатів в плані після профілювання широких граней слябів постійними і змінними обтисками їх кутових ділянок.

У розділі 3 «Дослідження і розробка нових металозберігаючих способів прокатки листів на товстолистових станах з профілюванням широких граней» визначено параметри профілювання широких граней слябів постійним і змінним обтисками їх кутових ділянок, що забезпечують мінімальне відхилення форми в плані від прямокутної.

За результатами даних, отриманих при прокатці на задану витяжку заздалегідь спрофільованих і прогладжених пластилінових зразків, встановлено, що торці розкату після етапу «розбивки ширини» можуть мати увігнуту, опуклу і рівну форму, що обумовлене нерівномірністю витяжок по осі і краям розкату, тобто зростанням витяжки металу від країв до осі.

На основі обробки дослідних даних розроблено залежності параметрів форми кінців розкату після «розбивки ширини» розкатів, спрофільованих постійним обтиском кутових ділянок

=-0,204+0,257()+0,237-0,148 +0,119 -0,294()2 + 0,535()+0,364()+0,022()-1,032-0,977 - 0,165-0,058 -0,01()2; (10)

і змінним обтиском кутових ділянок

=-0,0685-0,0783()-0,124+0,151+0,192()+0,143()-0,384-0,124-0,0782-0,0158()2+0,173, (11)

де - відносна опуклість (угнутість) торців розкату після «розбивки ширини»; - постійний/змінний відносний обтиск кутових ділянок сляба; - кут задачі сляба у валки; - відношення ширини до довжини слябу; - коефіцієнт сумарної витяжки при «розбивці ширини».

Отримані залежності мають наступні статистичні оцінки: середня помилка апроксимації = 9,8 і 10,1 %, коефіцієнт множинної кореляції R = 0,96 і 0,962 (відповідно).

Розроблена залежність для визначення кута задачі сляба у валки, що дозволяє з достатньою для інженерних розрахунків точністю визначати оптимальний кут задачі сляба при його профілюванні змінним обтиском кутових ділянок для вибраних в діапазоні від 0,1 до 0,3 значень початкового відносного обтиску кутових ділянок сляба

и = -0,03 + 0,124B0/L0 - 2,113 + 0,489 . (12)

На підставі проведених досліджень впливу профілювання широких граней слябів змінним обтиском їх кутових ділянок на форму розкатів в плані розроблено новий спосіб прокатки товстих листів. Суть пропонованого способу полягає в тому, що він включає поперечні проходи, у перших чотирьох з яких по черзі обжимають кутові ділянки сляба шляхом задачі на кут і зменшення обтиску до нуля в кожному поперечному проході при вході у валки 0,45-0,55 довжини передньої грані сляба, потім проводять подовжні проходи і подальшу прокатку до отримання заданих розмірів листа

За новим способом прокатку кутових ділянок сляба в кожній парі реверсивних проходів здійснюють із змінним, що зменшуються від заданого в діапазоні 0,1...0,3 до нуля обтиском по лінійному закону. Потім транспортують сляб в розведених валках у напрямку прокатки, реверсують, і здійснюють другий поперечний прохід на ту ж діагональ з обтиском, що зменшується, протилежної кутової ділянки. Після профілюючих проходів здійснюють два подовжніх реверсивних проходи, що прогладжують , поперечні проходи для «розбивки ширини» і подальшу прокатку до заданих розмірів готового листа, причому кут задачі сляба визначають по формулі (12).

Такий спосіб прокатки забезпечує отримання рівномірно увігнутих бічних граней сляба, що сприяє зниженню витратного коефіцієнта, а також унаслідок зменшення обтиску дозволяє знизити силу і момент прокатки при профілюванні, а реверс валків здійснюється без навантаження в паузи між проходами. На розроблений спосіб прокатки отримано патент України.

Виконано дослідження параметрів формозмінення розкатів в плані при прокатці з профілюванням товщини розкатів за їх довжиною на стадії «розбивки ширини». За планом експерименту після подовжніх профілюючих проходів в першому поперечному проході робили умовне прогладжування з обтиском рівним профілюючому в подовжньому проході. Після умовного прогладжування і «розбивки ширину» робили обведення і вимірювали параметр форми - від'ємна (додатна) величина стріли угнутості (опуклості) торців розкату після поперечних проходів «розбивки ширини» . При цьому встановлено вплив відношення ширини до товщини сляба В0/H0 і відносного обтиску при профілюванні на формування компенсаційної форми. При регресійній обробці дослідних даних отримана залежність для розрахунку параметра форми торців розкату після «розбивки ширини»

. (13)

При = 0, отримали

. (14)

Аналіз результатів математичної обробки експериментальних даних показав, що отримані залежності адекватні, середня помилка апроксимації = 15 %, коефіцієнт множинної кореляції R = 0,953.

З метою розробки універсальної методики розрахунку параметрів профілювання розкатів в плані, придатної для умов ТЛС, на яких прокатують листи шириною до 4000 мм, виконано дослідження процесу профілювання розкатів в плані в лабораторних умовах. Масштаб моделювання прийняли 1:10. Прокатку проводили на лабораторному стані 250 ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». Діаметр робочих валків стана 50 і 100 мм.

За планом експерименту профілювання здійснювали в першому подовжньому проході із співвідношенням довжини спрофільованої частини розкату з однієї його сторони і загальної довжини рівним 1/3, потім проводили кантування розкату на 900 і робили поперечні проходи згідно реально існуючих режимів прокатки до тих пір, поки кінці розкату не наближалися до рівних. В результаті проведених досліджень отримані наступні залежності для визначення значень профілюючих обтисків широких граней розкату, що забезпечують мінімальне відхилення форми в плані від прямокутної для умов:

B0/H0 = 4,7-22 и л = 1,2-2,5: ;

B0/H0 = 10-48 и л = 1,7-15: ,

де л - коефіцієнт сумарної витяжки на етапі, наступному після профілювання і кантування розкату на 900.

Середня помилка апроксимації для отриманих залежностей склала о = 4,2 - 10,2%, коефіцієнт множинної кореляції R = 0,95 - 0,963.

Встановлено, що профілювання широких граней товстих і відносно вузьких слябів необхідно проводити з найбільшим профілюючим обтиском. Розрахунки показали, що для умов прокатки на ТЛС 3000 оптимальний профілюючий обтиск в останньому проході при «протяжці» знаходиться в межах 10-80 мм (конкретне значення обтиску з цього діапазону визначається залежно від коефіцієнта сумарної витяжки при «розбивці ширини») і в межах 1-20 мм в останньому проході «розбивки ширини» залежно від коефіцієнта сумарної витяжки після «розбивки ширини».

Для удосконалення технології прокатки товстих листів за подовжньо-поперечною схемою з профілюванням товщини розкатів за довжиною в подовжньому проході шляхом підвищення ефективності профілюючих обтисків за рахунок зменшення їх величини, швидкості зміни і силових параметрів прокатки, отже, зниження вимог до ГНП і забезпечення прямолінійних бічних кромок листів розроблено новий спосіб прокатки товстих листів

Відповідно до запропонованого способу спочатку здійснюють поперечну прокатку сляба до довжини розкату рівною 0,8-0,9 довжин бочки валків, потім подовжню прокатку до отримання заданої ширини листів з профілюванням товщини за довжиною розкату в останньому подовжньому проході, при цьому змінний обтиск при профілювання здійснюють у вигляді рівнобедреної трапеції з відношенням довгої до короткої основи рівному трьом, після чого прокатку закінчують поперечними проходами

Такий спосіб слід віднести до комбінованого (що виправляє - компенсує) способу управління формою розкатів в плані, оскільки профілювання, перенесене на подальші етапи, забезпечує як виправлення спотвореної на першому етапі прокатки форми торців розкату, так і її подальшу компенсацію унаслідок подальшої прокатки на задану товщину розкату. На даний спосіб прокатки подана заявка на патент.

У розділі 4 «Розробка базової математичної моделі процесу формозмінення і алгоритму розрахунку параметрів форми розкатів в плані при реверсивній прокатці з кантуванням і профілюванням широких граней» розроблена базова математична модель і алгоритм розрахунку параметрів форми розкатів в плані по проходах при реверсивній прокатці з кантуванням і профілюванням широких граней розкатів змінним обтиском товщини за їх довжиною. Розроблений алгоритм заснований на рекурентному виразі для i-го проходу з використанням технологічних передавальних коефіцієнтів. Вираз складається з трьох складових: перша враховує зміну вхідних параметрів форми розкатів в плані; друга враховує параметри формозмінення основної частини розкату; третя складова враховує вплив нерівномірного обтиску за шириною (після умовного прогладжування).

Для підвищення точності розрахунку профілюючих обтисків в розробленому алгоритмі передбачено два етапи розрахунку. На першому етапі проводять прогнозуючий розрахунок з використанням розроблених залежностей параметрів формозмінення. На другому етапі виконують адаптацію коефіцієнтів моделі шляхом визначення відхилення прогнозованих значень параметра форми торця розкату від заданих.

Запропоновано показник форми торців розкатів, що враховує їх металоємність, зокрема для випадку отримання готових листових розкатів з різними знаками передніх і задніх торців.

У розділі 5 «Оцінка ефективності розроблених металозберігаючих способів прокатки товстих листів» отримано дані по ефективності нових способів прокатки по відношенню до відомих аналогів.

Для способу прокатки з профілюванням широких граней змінним обтиском кутових ділянок ступінь відхилення форми розкату в плані від прямокутної оцінювали по умовному (теоретичному) витратному коефіцієнту Кр, що визначається за формулою

Кр = V0/Vл, (17)

де V0 - об'єм початкового зразка; Vл -об'єм листа з широкою гранню, вписаною в обведення розкату.

Встановлено, що для нового способу прокатки товстих листів з профілюванням широких граней змінним обтиском кутових ділянок слябів умовний витратний коефіцієнт склав Кр = 1,035, тоді як для відомого способу з профілюванням кутових ділянок слябів постійним обтиском Кр = 1,06, що свідчить про більшу ефективність за дією на форму проміжного розкату і готового листа в плані нового способу прокатки товстих листів по відношенню до відомого і дозволяє істотно скоротити витрату металу на обрізь.

Оцінка ефективності нового способу прокатки товстих листів з профілюванням широких граней розкатів змінним обтиском товщини за їх довжиною по відношенню до відомого способу проведена на прикладі прокатки товстих листів на стані 3600 «Азовсталь» завтовшки 22 мм і шириною 1000 мм за подовжньою схемою, а також шириною 2000 мм за поперечною схемою. При цьому сляби мали розміри HxBxL = 300x1100x2100 мм. Встановлено, що ефект від профілювання призначеного на пізніших стадіях прокатки за умовою можливості кантування розкату практично однаковий (або трохи вище), проте значення профілюючих обтисків на порядок менше, ніж за відомим способом, що обумовлює зниження вимог до ГНП, необхідних для реалізації профілюючих обтисків в процесі прокатки. Так, при прокатці за подовжньою схемою профілюючий обтиск склав 56,89 мм, а за поперечною схемою - 5,61 мм, що в 1,56 і 9,61 разів менше, ніж за відомим способом. Відповідно відносне зниження обрізі складає 14,7 і 15,1 кг/т.

Розрахунки, виконані по розробленому алгоритму і програмі, показали, що для забезпечення управління формою готових розкатів в плані при прокатці по всіх схемах (згідно відомим способам прокатки) максимальний профілюючий обтиск, а отже, максимальний хід плунжера гідроциліндра ГНП слід приймати рівним 100-120 мм.

Процес профілювання широких граней за довжиною сляба (розкату) може бути реалізований тільки за допомогою спеціальної підсистеми автоматизованого управління технологічним процесом прокатки АСУ ТП. Підсистема управління ГНП має бути оснащена спеціальними датчиками положення кінців слябу (розкату), за допомогою яких визначаються моменти початку і кінця роботи ГНП за довжиною розкату.

На підставі попередніх розрахунків зроблено ряд висновків: по-перше, профілюючий обтиск доцільно суміщати з робочим, якщо це можливо; по-друге, профілювання слід виконувати не в першому проході (на слябі), а в проході, коли розкат після кантування перед профілюванням має довжину на 200-400 мм менше довжини бочки робочих валків.

У разі прокатки товстих листів за новим способом за рахунок зниження величини профілюючих обтисків для чисто подовжньої або чисто поперечної схем прокатки (що характеризуються найбільшими значеннями опуклостей торців) швидкість профілювання можна понизити приблизно в 2 рази (до 40-60 мм/с), що не більше ніж в 1,2 рази вище за швидкість електромеханічних НП (50 мм/с). Таку швидкість переміщення ГНП повинні мати при швидкості прокатки в профілюючому проході рівною 0,5 м/с і ході плунжера гідроциліндра 50-60 мм. При цьому прискорення, яке повинне забезпечити ГНП за час руху металу від моменту пуску ГНП до виходу металу з валків (~ 0,1с) повинно бути не нижче 400-600 мм/с2. Таким чином, при профілюванні широких граней розкатів за новим способом знижується завантаження електродвигуна і ГНП, а відповідно знижуються сила і момент прокатки. Або можна підвищити швидкість прокатки при профілюванні.

Висновки

У роботі вирішена важлива науково-технічна задача по обґрунтуванню раціональних параметрів профілювання широких граней і форми розкатів в плані при прокатці товстих листів з метою зменшення витрати металу в обрізь за рахунок наближення форми готових листових розкатів в плані до прямокутної, і створення нових металозберігаючих способів прокатки.

Основні наукові положення і практичні результати полягають в наступному.

1. З аналізу науково-технічної літератури випливає, що теоретичні і експериментальні дослідження параметрів формозмінення виконані або після одноразового обтиску прямокутної в плані заготівки, або після останнього проходу на окремих етапах чорнової прокатки. Вони не враховують умови прокатки з профілюванням широких граней. Це визначає необхідність проведення подальших теоретичних і експериментальних досліджень в даній області в частині обґрунтування параметрів профілювання широких граней і форми розкатів в плані при прокатці товстих листів за новими металозберігаючими способами.

2. Виконане вперше дослідження динаміки процесу формозмінення переднього увігнутого та утягнутого за шириною кінця розкату в процесі заповнення металом осередку деформації дозволило виявити чотири характерні етапи. Встановлено, що перший етап відповідає локальній деформації кутових ділянок торця розкату і характеризується їх розширенням переважно у напрямку центра розкату за шириною. Другий етап характеризується незначним зменшенням стріли угнутості торця і утяжки за шириною приблизно з однаковою швидкістю, що пояснюється збільшенням розширення у напрямку до кромок розкату. На третьому етапі від 0,3-0,35 до 0,7-0,75 довжини осередку деформації значення стріли угнутості різко зменшується, що обумовлене найбільш інтенсивним розширенням металу у напрямку до кромок розкату. Цей інтервал відповідає відомому в технічній літературі розташуванню «зони прилипання». На останньому четвертому етапі спостерігається зниження інтенсивності як подовжньої, так і поперечної течії металу у зв'язку із закінченням процесу зміни розширення і вирівнювання подовжніх витяжок за шириною розкату.

3. Вперше виконаний комплекс досліджень параметрів формозмінення в умовах прокатки з профілюванням широких граней постійними і змінними обтисками кутових ділянок слябів, а також змінним обтиском товщини за довжиною слябів (розкатів), дозволив отримати залежності для розрахунку параметрів формозмінення, що враховують якнайповніший набір критеріїв прокатки і на їх основі розробити нові металозберігаючі способи прокатки.

4. Встановлено, що профілюючі обтиски на проміжних стадіях чорнової прокатки мають більшу ефективність, ніж на перших стадіях, коли товщина і коефіцієнт витяжки розкату на етапі, наступному після профілювання товщини розкату за його довжиною більше, а відношення довжини розкату до товщини перед профілюючим проходом менше. При цьому ефект від профілювання за відомим і новим способах прокатки приблизно однаковий, проте значення профілюючих обтисків за новим способом менше в 2-10 разів.

5. Для реалізації нових способів прокатки з профілюванням широких граней (без зниження їх ефективності по відношенню до відомих способів прокатки) можуть бути використані ГНП з нижчими вимогами до їх характеристик: максимальний хід плунжера гідроциліндра 50-60 мм, швидкість обтиску 40-60 мм/с і прискорення не нижче 400-600 мм/с2. На розроблені способи прокатки отриманий патент України і подана заявка на новий спосіб прокатки товстих листів № а 2007 06740 від 15.06.2007.

6. Отримав подальший розвиток метод розрахунку параметрів формозмінення кінців розкатів в плані по проходах за рахунок обліку в рекурентному виразі складових параметрів формозмінення з нерівномірним обтиском за шириною. Вираз дозволяє розраховувати параметри форми кінців розкатів в умовах профільованої прокатки по проходах з урахуванням кантувань і реверсів.

7. Розроблений спосіб прокатки з профілюванням широких граней змінним обтиском товщини за довжиною розкату дозволить отримати економію металу для листів завтовшки 22 мм і шириною 1000 мм за подовжньою схемою, а також шириною 2000 мм за поперечною схемою, прокатаних із слябів розмірами HxBxL = 300x1100x2100 мм в умовах стана 3600 «Азовсталь», яка складе 15,1 і 26,7 кг/т відповідно. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження даного способу прокатки на ТЛС 3600 «Азовсталь» при прокатці широких штрипсів склав 2625000 грн. Частка претендента 10% (262500 грн.). При цьому можуть бути істотно понижені навантаження на ГНП. Результати роботи у вигляді розроблених залежностей, базової математичної моделі процесу формозмінення розкатів в плані і технологічних рекомендацій використані при розробці алгоритму і комп'ютерної програми в НВТ «Донікс» і передані у вигляді технічних пропозицій ЗАТ «НКМЗ», що підтверджується відповідними документами.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Юрьев О.М. Исследование нового металлосберегающего способа прокатки толстых листов / Е.А. Руденко, П.В. Бурханов, О.М. Юрьев // Металл и литье Украины. - 2004. - №3-4. - С.54-56.

2. Юрьев О.М. Исследование нового металлосберегающего способа прокатки толстых листов с профилированием угловых участков сляба / Е.А. Руденко, О.М. Юрьев, Л.А. Забира // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. ДДМА. - Краматорськ. - 2006. - С.167-169.

3. Юрьев О.М. Исследование течения металла по длине и ширине очага деформации в процессе его заполнения после захвата неровных концов раската / Ю.В. Коновалов, Е.А. Руденко, О.М. Юрьев // Металл и литье Украины. - 2007. - №11-12. - С.33-35.

4. Юрьев О.М. Определение параметра управления при прокатке листов с профилированием широких граней раската при реверсивной прокатке / Е.А. Руденко, О.М. Юрьев, Л.А. Забира // Металл и литье Украины. - 2006. -№11-12.-С.26-28.

5. Юрьев О.М. Влияние перекрещивания рабочих валков клети кварто на поперечный профиль полосы / Е.А. Руденко, С.А. Будаква, О.М. Юрьев // Обработка сплошных и слоистых материалов. - Магнитогорск: МГТУ. - 2004. - С.103-108.

6. Пат. 79692 Україна, МПК В21В 1/38. Спосіб прокатки товстих листів / О.М. Юр'єв, Є.О. Руденко, Ю.В. Коновалов (Україна); Донецький національний технічний університет. - №а2005 09792; Заявл. 18.10.2005; опубл. 10.07.2007. - Бюл. №10. - 8с.

Анотація

Юр'єв Олег Михайлович. Обґрунтування параметрів профілювання широких граней та форми розкатів при прокатці товстих листів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05- Процеси та машини обробки тиском. - Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет», Донецьк, 2008.

Розроблено комплекс залежностей для розрахунку параметрів формозміни в умовах прокатки з профілюванням широких граней постійними й змінними обтисками кутових ділянок слябів, а також змінним обтиском товщини за довжиною слябів (розкатів), які враховують найбільш повний набір критеріїв прокатки. Створено нові металозберігаючі способи прокатки. Отримані математична модель процесу формозміни та алгоритм розрахунку параметрів форми розкатів у плані при реверсивній прокатці з кантуванням і профілюванням широких граней розкатів змінним обтиском товщини за їх довжиною.

Вирішено актуальну науково-технічну задачу по обґрунтуванню раціональних параметрів профілювання широких граней і форми розкатів в плані при прокатці товстих листів з метою зменшення витрат металу в обрізь за рахунок наближення форми готових листових розкатів в плані до прямокутної, і створення нових металозберігаючих способів прокатки.

Ключові слова: спосіб прокатки товстих листів, профілювання широких граней, форма розкатів у плані.

Аннотация

Юрьев Олег Михайлович. Обоснование параметров профилирования широких граней и формы раскатов при прокатке толстых листов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. - Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет», Донецк, 2008.

Решена важная научно-техническая задача по обоснованию рациональных параметров профилирования широких граней и формы раскатов в плане при прокатке толстых листов с целью уменьшения расхода металла в обрезь за счет приближения формы готовых листовых раскатов в плане к прямоугольной и создания новых металлосберегающих способов прокатки.

Разработана усовершенствованная классификация компенсирующих способов управления формой раскатов в плане за счет их разделения на технологические и управляющие.

Предложены формы продольного и поперечного сечений при различных способах продольного профилирования, обеспечивающие в последующих проходах рациональную форму компенсационной вогнутости торцов раската.

Получены зависимости для расчета относительной вогнутости и утяжки концов раскатов в условиях прокатки с неравномерным обжатием по ширине, учитывающие основные факторы прокатки. Зависимости могут быть использованы в алгоритмах расчета параметров формоизменения раскатов в плане в условиях профилированной прокатки для толстолистовых станов, на которых прокатываются листы шириной до 4000 мм.

Выявлено четыре этапа в динамике формоизменения раскатов в плане, имеющих начальную вогнутость и утяжку переднего конца по ширине, по мере заполнения металлом очага деформации. Установлено, что первый этап соответствует локальной деформации угловых участков торца раската и характеризуется их уширением преимущественно в направлении центра раската по ширине. Второй этап характеризуется незначительным уменьшением стрелы вогнутости торца и утяжки по ширине примерно с одинаковой скоростью, что объясняется увеличением уширения по направлению к кромкам раската. На третьем этапе от 0,3-0,35 до 0,7-0,75 длины очага деформации значение стрелы вогнутости резко уменьшается, что обусловлено наиболее интенсивным уширением металла по направлению к кромкам раската. Этот интервал соответствует известному в технической литературе расположению «зоны прилипания». На последнем четвертом этапе наблюдается снижение интенсивности как продольного, так и поперечного течения металла в связи с окончанием процесса изменения уширения и выравнивания продольных вытяжек по ширине раската.

Усовершенствована математическая модель формоизменения концов раската в условиях профилированной прокатки, которая основана на использовании известного рекуррентного выражения и технологических передаточных коэффициентах. Учет в рекуррентном выражении составляющих параметров формоизменения с неравномерным обжатием по ширине, позволил рассчитывать параметры формы раскатов в последующих проходах после профилирования и кантовки.

Разработаны зависимости для расчета параметров формоизменения после профилирования широких граней слябов постоянными и переменными обжатиями их угловых участков. Определены параметры профилирования, обеспечивающие минимальное отклонение формы в плане от прямоугольной. Разработана зависимость, которая позволяет с достаточной для инженерных расчетов точностью определять оптимальный угол задачи сляба в валки при его профилировании переменным обжатием угловых участков.

Разработаны зависимости для расчета параметров формоизменения раскатов в плане в условиях прокатки толстых листов с профилированием широких граней слябов (раскатов) переменным обжатием их толщины по длине и определения значений профилирующих обжатий широких граней, обеспечивающих минимальное отклонение формы в плане от прямоугольной.

Получена базовая математическая модель и алгоритм расчета параметров формы раскатов в плане по проходам при реверсивной прокатке с кантовкой и профилированием широких граней раскатов переменным обжатием толщины по их длине.

Созданы новые способы прокатки толстых листов, на которые получен патент Украины и подана заявка. Установлено, что:

- разработанный способ прокатки толстых листов с профилированием широких граней слябов переменным обжатием их угловых участков имеет большую эффективность по воздействию на форму промежуточного раската и готового листа в плане по отношению к известному. Он обеспечивает получение равномерно вогнутых боковых граней сляба, что способствует снижению расходного коэффициента (теоретический расходный коэффициент для нового способа составил Кр = 1,06, а для известного способа с профилированием угловых участков сляба постоянными обжатиями - Кр = 1,035). Кроме того, вследствие уменьшения обжатия, способ позволяет снизить силу и момент прокатки при профилировании, а реверс валков осуществляется без нагрузки в паузы между проходами;

- разработанный способ прокатки толстых листов с профилированием широких граней раскатов переменным обжатием толщины по их длине, при котором профилирующее обжатие осуществляется на более поздних этапах прокатки, позволяет снизить требования к ГНУ примерно в 2 раза. Это достигается за счет повышения эффективности профилирующих обжатий (уменьшения их величины), скорости изменения и силовых параметров прокатки. Установлено, что для листов толщиной 22 мм и шириной 1000 мм в условиях прокатки на стане 3600 «Азовсталь» по продольной схеме, а также шириной 2000 мм по поперечной схеме из слябов размерами HxBxL = 300x1100x2100 мм способ обеспечивает уменьшение расхода металла в обрезь на 15,1 и 26,7 кг/т соответственно. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения данного способа прокатки на ТЛС 3600 «Азовсталь» при прокатке широких штрипсов составил 2625000 грн. Доля соискателя 10% (262500 грн.). Результаты работы в виде разработанных математических моделей и технологических рекомендаций использованы при разработке алгоритма и программы в НПО «Доникс» и переданы в виде технических предложений ЗАО «НКМЗ», что подтверждается соответствующими документами.

Ключевые слова: способ прокатки толстых листов, профилирование широких граней, форма раскатов в плане.

...