Каузальне моделювання при вдосконаленні виробництва катанки і дроту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дніпровський державний технічний університет, Україна

Дніпровський національний університет ім. О. Гончара, Україна

Каузальне моделювання при вдосконаленні виробництва катанки і дроту

Олександр Нікулін канд. техн. наук, доцент

доцент кафедри металургії чорних металів

та обробки металів тиском

Тетяна Наконечна канд. фіз.-мат. наук, доцент

доцент кафедри обчислювальної математики

та математичної кібернетики

Олексій Нікулін начальник прокатного відділу

технологічного управління ПРАТ«КАМЕТ-СТАЛЬ», Україна

Андрій Бяков

аспірант кафедри

металургії чорних металів та обробки металів тиском

Анотація

каузальний факторизація катанка дріт

Виконано каузальну факторизацію технологічних чинників при вдосконаленні виготовлення катанки і дроту, яка дозволяє визначити причинно-наслідкові зв'язки процесів, а також властивостей металу у виробничих умовах. Побудова графічної моделі починається з використання діаграми Ісікави з визначенням технологічних чинників виробництва з термомеханічною обробкою. До особливостей моделі відноситься врахування на дослідницькій основі впливу факторів на отримання заданої мікроструктури та властивостей з контролем ресурсозбереження. Графічна модель може бути використана для якісного аналізу виробничого процесу, а також як основа при аналітичному моделюванні термообробки при виготовленні дроту, забезпечуючи його адекватність.

Ключові слова: термічна обробка, причинно-наслідкові зв'язки, графічна модель, діаграма Ісікави, факторизація технологічних чинників.

Постановка проблеми

Сталевий дріт широко застосовується для виготовлення різноманітних металовиробів. При цьому, як правило, до нього висуваються конкретні вимоги з механічних властивостей, як у вихідному стані, так і в процесі операцій обробки. Треба забезпечити виконання показників міцності та пластичності продукції. Один з методів розв'язання проблеми - термообробка катанки і дроту. Якщо регулювати режими процесу і роботу нагрівальних пристроїв на основі науково обґрунтованих розрахунків, то можна забезпечити оптимальні, з погляду результатів, умови виробництва [1, 2]. Ресурсозбереження досягається на дослідницькій основі.

Дослідження, які виконуються на різних рівнях підготовки здобувачів вищої освіти, обмежені в ресурсах з контролем часу. Тому при їх проведенні, починаючі з планування робіт, треба забезпечувати ефективність дій. Для цього пропонується використати графічне моделювання, як гарантію різнобічності, глибини і повноти проробки рішень у відповідності з обраною темою роботи.

Аналіз останніх досліджень та публікацій

Термічна обробка металів і сплавів - сукупність строго послідовних операцій нагріву, витримки і подальшого охолодження заготовок або готових виробів по визначеним режимам для зміни структури матеріалів та надання їм необхідних механічних, фізичних, хімічних та інших властивостей [3]. Фізичною основою термообробки є перетворення у внутрішній структурі матеріалів при нагріванні і наступному охолодженні. Залежно від температури, до якої нагрівають метал, часу витримування і способу охолодження розрізняють чотири основних види термічної обробки: відпал, нормалізація, гартування і відпускання.

Для відпалу зразок нагрівають до температури 750...900°С, а потім поступово охолоджують разом із піччю протягом тривалого часу. Температуру нагрівання визначають залежно від марки сталі. Під час відпалювання твердість і пружність металу зменшуються, а пластичність - підвищується, що значно полегшує наступну механічну обробку.

Для дроту з низько-, середньовуглецевих і легованих сталей застосовують операції відпалу - процесу, що полягає в контрольованому нагріванні та охолодженні дроту, який здійснюється в спеціальних печах. Метою відпалу є зняття внутрішніх напруг, що утворюються в результаті процесу деформування при прокатці та волочінні. Структура наклепаної сталі - це витягнуті в одну сторону зерна і спотворена кристалічна решітка, для усунення цього застосуємо відпал при температурі до 950°С, із заданою витримкою і охолодженням на повітрі. В результаті такої обробки знижується твердість і міцність стали, а в'язкість і пластичність значно підвищуються. Відпал здійснюється в шахтних печах, печах ковпакового типу, а також в лінійних печах.

Формулювання мети дослідження

Метою роботи є факторизація чинників термомеханічної обробки катанки і термічної обробки дроту для забезпечення адекватності наступного моделювання процесів. Пропонується посилення наукової складової для застосування інноваційних технологій з використанням досить простих, але наочних методів пошуку, що мають визнану ефективність.

Виклад основного матеріалу

При науковому підході робота починається з розгляду причинно-наслідкових зв'язків між факторами (причинами), які визначають явище або процес, і їх вихідними характеристиками (наслідками). В металургії та зокрема для процесів з обробкою тиском при виготовленні виробів та з їх експлуатацією схему причинно-наслідкових зв'язків можна будувати відповідно до діаграми Ісікави [4] (рис. 1).

Даний інструмент дозволяє швидко впорядкувати за ключовими категоріями (приймається 6М: Man - Людина (М1); Management - Керування (М2); Measurement - Вимірювання (М3); Material - Матеріал (М4); Machines - Обладнання (М5); Manufacturing - Технологія (М6)) причини проблеми [5].

Рис. 1. Узагальнена схема діаграми Ісікави

Відповідно до змісту дослідницької роботи відбувається трансформація діаграми з переходом деяких з 6М категорій в неявну форму, вони не відображаються на рисунку. По явним категоріям, як правило, виконується декомпозиція - гілки перетворюються в дерева.

З урахуванням поточної технологічної спрямованості досліджень категорія «людина» стає неявною тому, що передбачається залучення до робіт персоналу з достатнім рівнем вмінь і компетентностей. Відповідно до теми роботи категорія «обладнання» підрозділяється в першу чергу на волочильні стани і нагрівальні печі: ковпакові, муфельні тощо. У категорії «технологія» вибирається поздовжня прокатка довговимірної сталі або профілів з одночасним використанням термомеханічній обробки (ТМО) і волочіння. Категорія «матеріал» підрозділяється на матеріал катанки або дроту, вид палива тощо.

Початковий крок побудови діаграми причини-слідства для аналізу проблеми «Вдосконалення виробництва катанки і дроту», наведено на рис. 2. Відповідно до побудованої діаграми Ісікави розв'язання проблеми досліджень у конкретному процесі виробництва виконується за явними 5М категоріями. Проводиться факторизація результатів досліджень, як впорядкування за чинниками та їх властивостями, відомими по тематиці з публікацій та розробок.

Рис. 2. Діаграма Ісікави проблеми «Вдосконалення виробництва катанки і дроту»

Матеріал. Сучасне виробництво катанки в світі перевищує 50 млн. т /рік, що пояснюється широким асортиментом та обсягами виробленої з неї готової продукції: канатів, металокорду, пружин, сіток, кріплень, зварювальних електродів та інших металовиробів [6-12]. У фаховій літературі поширений підхід, коли катанкою прийнято вважати круглий прокат з вуглецевих, низько- і високолегованих сталей, вироблених на безперервних дротяних станах або дротяних лініях прокатних станів, що допускає змотування в бунти до діаметру профілю d < 26 мм. Потім основна частка виробленої катанки направляється для подальшої обробки на сталевий дріт [13].

Згідно ГОСТу 30136-95, катанка повинна задовольняти норми механічних характеристик: міцність на розрив не більше 470 Н/мм2, відносне звуження мінімум 66%.

Для катанки зі сталі типу SAE згідно до ASTM A510M стандартизовано тільки хімічний склад, але в контрактах також вказується міцність на розрив. При виробництві катанки діаметром 5,5 мм з низьковуглецевої сталі за основною технологією волочіння в дріт гарантовано допускається тільки діаметром до 2 мм. За даними зарубіжних заводів-споживачів [3-11], катанка з низьковуглецевої сталі типу SAE повинна мати певне співвідношення між міцністю на розрив і діаметром дроту, до якого здійснюється волочіння без

Для вітчизняної металургії запропоновано новий режим ТМО, що включає зменшену швидкість охолодження (~ 1,0Х/с) низьковуглецевої катанки з більш високими температурами (Тво=900 ± 15°С), у порівнянні з базовою технологією (Тво=840±20°С, охолодження зі швидкістю ~ 3,0°С/с). Такий режим обумовлює меншу схильність до деформаційного старіння металу і дозволяє виробляти дріт методом холодної витяжки із загальним обтисненням більше 90% без проміжного пом'якшувального відпалу [14, 15].

Обладнання. Відносно до підходів роботи [16] високошвидкісна гаряча прокатка в дротяних блоках повинна бути віднесена до процесів, які характеризуються переважним впливом на напруження текучості температури та ступеню деформації. Для поліпшення структури і властивостей катанки з різних марок сталі розроблені гнучкі регульовані двоступеневі лінії охолодження. Зі збільшенням продуктивності станів, швидкості прокатки і маси рулонів якість катанки дещо погіршилася. Так, зі збільшенням швидкості прокатування температура прокатки підвищувалася до 1100°С, що призводило до погіршення мікроструктури, зростання вторинної окалини і декарбонізації поверхні катанки [17]. Серед засобів, що забезпечують необхідну якість катанки в умовах безперервного швидкісного виробництва, великий ефект дає ТМО, що включає також регульоване прискорене охолодження гаряче деформованого прокату в лінії дротяного стану. Відомо, що у світі розроблено близько 20 технологічних методів такого охолодження [18-27].

Введення в експлуатацію нового обладнання розширює можливості для вдосконалення технологічного процесу. Змінюються методи видалення окалини і оксидних плівок з поверхні металу перед волочінням. Волочильні стани магазинного типу замінюються на прямоточні. Нерегульований електропривод змінюється на автоматизований.

Все це відкриває нові проблемні ситуації для дослідників і практиків, визначає нові горизонти діяльності, дозволяє вирішувати питання підвищення ефективності виробництва металевого дроту і підняти його якість на новий рівень [28].

Керування. В статті [29] отримані рівняння, які дозволяють визначити умови стійкості розкату в проміжку між валками безперервного стану та зв'язати це з параметрами налагодження режимів роботи сусідніх прокатних клітей. Зміна питомих натягів вздовж розкату та зміна його прогину у вертикальній площині являє собою динамічні перехідні процеси, пов'язані один з одним.

В статті [30] на основі використання розв'язків рівняння Кармана розроблена методика оцінювання енергозбереження та стійкості руху розкату при прокатці з натягом металу. Розрахунки показали, що зі збільшенням питомого натягу сумарний момент прокатки зменшується, тобто зменшуються енерговитрати на процес. Проте одночасно стійкість розкату в валках прокатного стану зменшується. Таким чином показано, що режим натягів слід призначати, виходячи не тільки зі зниження енерговитрат, а також з урахуванням поздовжньої стійкості розкату.

Технологія. З робіт [31,32] випливає, що низьковуглецеві киплячі та напівспокійні сталі не відповідають підвищеним вимогам метизного виробництва через підвищену неоднорідність і забрудненості неметалевими включеннями, високої чутливості до механічного старіння в процесі холодної деформації. Тому добитися стійкого глибокого волочіння катанки у високо швидкісних процесах обробки низьковуглецевих спокійних сталей [33] з високою однорідністю, низьким забрудненням неметалевими включеннями можна технологією ТМО, яка включає в себе регульоване двоступеневе охолодження катанки після прокатки, що забезпечує формування структури і властивостей, які в сукупності повинні знижувати чутливість до деформаційного старіння при проведенні волочіння [33-36].

Вимірювання. Інтенсивне охолодження високовуглецевої катанки потоком повітря зменшує кількість доевтектоїдного фериту, що утворюється на кордонах зерен при перетворенні, який зменшує можливість утворення мікротріщин при волочінні завдяки різній здатності до подовження перліту і фериту. В результаті виходить дрібнодисперсна структура з розміром зерен 6...10 балів по ГОСТ 5639-82, а кількість сорбітоподібного перліту (1-й бал по ГОСТ 8233-56) в поперечному перерізі катанки становить 30... 50%. Кількість окалини зменшується до 2... 5 кг/т, вона складається в основному з вюститу (FeO), який легко знімається, в результаті знижуються витрати на травлення катанки. Максимальне значення декарбонізованого шару не перевищує 3,0%, при середньому показнику 2,5%. Високовуглецева катанка з охолодженням Стелмора має середню структуру між структурами, отриманими шляхом нормалізації та патентування [37]. Це в деяких випадках виключає операцію первинного патентування у виробництві сталевого дроту, підвищує ступінь деформації і швидкість волочіння, а також зменшує кількість обривів при обробці.

Висновки

Побудована діаграма Ісікави, яка дає змогу детальніше охарактеризувати умови впливу технологічних факторів при вдосконаленні виробництва катанки і дроту. До можливих труднощів застосування діаграми можна віднести складність кількісного визначення взаємозв'язку досліджуваної проблеми і чинників тому, що проблема є комплексною, потрібна подальша декомпозиція і деталізація.

Для подальшої конкретизації чинників та їх впливу виконана факторизація досліджень і розробок процесів виробництва катанки і дроту. Наприклад, встановлена актуальність кількісного дослідження впливу зміни режимів ТМО і термообробки на властивості та якість дроту.

Актуальне використання сучасних розрахункових методів адекватного визначення технологічних параметрів виготовлення катанки і дроту, наприклад ТМО, для досягнення заданих властивостей продукції.

Список використаних джерел

1. Коковіхін Ю.І. (1995). Технологія сталедротового виробництва. К.:«ВІПОЛ».

2. Шахпазов, Х.С., Недовизий, И.Н. & Ориничев В.И. (1977). Производство метизов. М.: Металлургия.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П.(1980). Материаловедение. М.: Машиностроение.

4. Исикава К. (1988). Японские методы управления качеством. М.: Экономика.

5. Nikulin, A., Nakonechnay, T., & Peremitko,V.(2021). System approach in modeling and research of metal processes. LAP LAMBERT Academic Publishing.

6. Зиновьева Н. Г. & Овчинников, А. М. (2011). Черная металлургия стран СНГ. Бюллетень научно-технической и экономической информации «Черная металлургия». (4). 5-17.

7. Kot, K., Morgan, J. & Palmer, K. (1998). Tyres with high strength reinforcement. GOODYER TIRE & RUBBER (US).

8. Lehnert, W. (1987). Warmumformung und gesteuerte Amkuhiung ausgewahlter Drahtsortiment. Neue Hutte. (11). 412-417.

9. Lehnert, W., Cuong, N. & Wehage H. (1993). Simulation der Austenitkornfeinung bein Walzen. Stahl und Eisen. (6), 103-109.

10. Флик, А. (2014). Стратегическая оценка перспектив металлургии. Черные металлы. (6), 81-84.

11. Большаков, В.И. & Тубольцев, Л.Г. (2011). Украинская металлургия: как не зайти в тупик. Металлы Евразии. (5), 45-49.

12. Керкхофф, Х.Ю. (2014). Черная металлургия на пределе возможностей. Черные металлы. (11), 87-92.

13. Яранцев, Б.М. (2013). Метизная отрасль России вчера и сегодня. Черные металлы. (10), 13-20.

14. Парусов, В.В., Луценко, В.А. & Черниченко, В.Г. (2002). Освоение производства катанки стандарта SAE на комбинате «Криворожсталь». Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. К.: Наукова думка. (5), 179-182.

15. Козачёк, А.С., Приходько, Э.В. & Луценко, В.А. (2014). Влияние степени легирования на прочностные свойства конструкционных сталей. Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. Днепропетровск: "Візіон". (29), 196-201.

16. Моторыгин, М.Е., Белан, А.К. (2007). Разработка модели расчета межклетевых натяжений при непрерывной прокатке в блоке клетей с групповым приводом. ОАО «Черметинформация». Бюллетень «Черная металлургия». (9), 56-60.

17. Исии, Х. (1982). Новейшие проволочные станы и тенденции их развития. Сангё Кикай. (3), 33-38.

18. Owen, J. (1970). Atlantic steel Co's new roll mill. Iron and Steel End. (8), 63-69.

19. Крэмер, Ш., Спрок, А. & Хассель, Х. (2014). Эффективные стратегии охлаждения для производства сталей ответственного назначения. Черные металлы. (4), 93-102.

20. Борисенко, Г.П., Чернобривенко, Ю.С. & Носов, В.Д. (1974). Развитие производства катанки на современных проволочных станах за рубежом. Прокатное производство. Экспресс-информация ЦНИИЧМ. Серия 7. (3), 35.

21. Wilson, N. (1969). High speed rod finishing mill. Kalibreur. (11), 75-78.

22. Wirion, R. (1976). Le train a fill-machine de Burbash. Circulaire d'informations technijuts. Centre documentation sidergijue. (1), 43-54.

23. Dale, I. (1971). Einadrige Schelldrahtstrasse bei Pacific steel Ltd. Kalibreur. (5), 55-62.

24. Горбасев, Н.И., Оратовский, Е.Л. & Сафонова, М.К. (1974). Достижения в области производства катанки и мелкого сорта за рубежом. Черная металлургия. Серия Прокатное производство. Ин-т "Черметинформация". (1974). Kobe's 4-strand rod mill. Iron and Steel End. (7). 34-44.

25. Дарда, Ю.А., Бабенко, М.А. & Смияненко, И.Н. (2004). Пути повышения качества и эффективности производства катанки и сортового проката на современных проволочных и мелкосортных станах. Труды 5-го конгресса прокатчиков. 243-245.

26. Koldmuller, W., Spiecker, K. & Willmann, A. (1981). Entwicklungen and dem Gebiet der Herstellung von Mittelstahl, Stabstahl und Draht. Fachberichte Huttenprazis Metallweiterwerarbeitunj. (10),878-889.

27. Харитонов, В.А., Радионова, Л.В.(2008). Проектирование ресурсосберегающих технологий производства высокопрочной углеродистой проволоки на основе моделирования. Магнитогорск: ГОУ ВПО "МГТУ".

28. Ермократьев, В.А. (2002). Динамическая модель поперечной устойчивости полосы между клетями непрерывного стана. Металлургическая и горнорудная промышленность. Спецвыпуск. (Сентябрь). 284-287.

29. Максименко, О.П., Лобойко, Д.И. & Измайлова, М.К. (2014). Особенности теоретического анализа продольной устойчивости процесса прокатки с натяжением. Пластическая деформация металлов: сб. научн. трудов в 2-х томах. Т. 1. Днепропетровск: Акцент ПП, 33-38.

30. Коковихин, Ю.И., Пинашина, В.А. & Буравлев, И.П. (1995). Производство низкоуглеродистой проволоки. К.: ИСИО.

31. Вихлевщук, В.А., Боровиков, Г.Ф. & Поляков, В.А. (1996). Низко кремнистая спокойная метизная сталь. Бюллетень научно-технической и экономической информации «Черная металлургия». (4), 39-41.

32. Вихлевщук, В.А., Дубина, О.В. & Сокуренко А.В. (2001). Низко- и малокремнистые спокойные стали. К.: Наукова думка.

33. Парусов, В.В., Сычков, А.Б. & Луценко, В.А. (2003). Разупрочняющая термомеханическая обработка проката из углеродистой стали. Металлургическая и горнорудная промышленность. (6), 54-56.

34. Парусов, В.В., Луценко, В.А. & Липская О.П. (1995). Влияние химического состава и структурного состояния на свариваемость низкоуглеродистой катанки. Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. К.: Наукова думка. 229-232.

35. Парусов, В.В., Луценко, В.А. & Черниченко, В.Г. (2002) Освоение производства катанки стандарта SAE на комбинате «Криворожсталь». Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. К.: Наукова думка. (5), 179-182.

36. Копцева, Н.В., Чукин, Д.М. & Ефимова, Ю.Ю. (2014). Исследование влияния скорости охлаждения на формирование структуры катанки из стали 80Р, предназначенной для производства высокопрочной арматуры. Черные металлы, (2), 23-31.

Размещено на Allbest.ru