14
РАЗРАБОТКА, ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОКАТКИ ОСОБО ТОНКИХ СТАЛЬНЫХ ПОЛОС
Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
КОЖЕВНИКОВА Ирина Александровна
Череповец 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет».
Научный консультант доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Гарбер Эдуард Александрович
Официальные оппоненты Бельский Сергей Михайлович доктор технических наук, ОАО «НЛМК», главный специалист по качеству
Роберов Илья Георгиевич доктор технических наук, ФГУП «НИИСУ», главный технолог
Чиченев Николай Алексеевич доктор технических наук, профессор, НИТУ «МИСиС», профессор
Ведущая организация - Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский, проектный и конструкторский институт сплавов и обработки цветных металлов (ОАО «Институт Цветметобработка»)
Защита диссертации состоится 26 декабря 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.060.02 при ФГБУН Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) по адресу: 117334, г. Москва, Ленинский пр., 49.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМЕТ РАН.
Автореферат разослан «___»__________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Шелест А.Е.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Под воздействием развития ряда отраслей машиностроения, особенно автомобильной промышленности, а также строительной индустрии, в сортаменте, технологии и оборудовании широкополосных станов горячей и холодной прокатки произошли большие изменения. Одно из них - уменьшение освоенной толщины как горячекатаных, так и холоднокатаных полос. На многих действующих станах стали прокатывать особо тонкие полосы, толщина которых меньше, чем было предусмотрено при их проектировании.
Так, на ряде широкополосных станов горячей прокатки освоили технологию производства стальных полос толщиной 0,8-1,5 мм, ранее относившихся к сортаменту станов холодной прокатки, так как многие предприятия машиностроения и строительной индустрии перешли на использование более дешевых тонких горячекатаных полос после того, как увеличились их прочность, пластичность и улучшилось качество поверхности. В 2010-2011 г.г. объем производства особо тонких горячекатаных полос на ЧерМК ОАО «Северсталь» составил 10-12% от общего объема выпускаемого металла. Следует отметить, что с 2008 г. спрос на горячекатаный прокат толщиной менее 1,5 мм увеличился в 2 раза.
На станах холодной прокатки, предназначенных для производства полос автомобильного и конструкционного сортамента с минимальной проектной толщиной 0,45-0,5 мм, например, на 5-клетевом стане «1700» ЧерМК ОАО «Северсталь», освоили прокатку особо тонких полос с конечной толщиной 0,2-0,3 мм. В общем объеме производства холоднокатаного металла выпуск полос указанных толщин стабилен и составляет 35-40%, в то время как полосы толщиной 0,5-0,8 мм производятся в объемах, не превышающих 25%.
На Череповецком металлургическом комбинате ОАО «Северсталь» особо тонкий горячекатаный прокат производится по европейскому стандарту EN 10025-2 и техническим условиям ТУ 14-105-767-06, особо тонкий холоднокатаный прокат - по российским стандартам ГОСТ 9045-93, ГОСТ 19904-90 и ряду зарубежных стандартов (EN 10130-91, ASTMA 620, JIS G3 141-90).
Одновременно с расширением сортамента тонколистовых станов, под воздействием требований потребителей продукции существенно уменьшены допуски на разнотолщинность и неплоскостность, установлены более жесткие нормативы чистоты поверхности полос.
Указанные изменения сортамента тонких листов и требований к показателям их качества привели к возникновению ряда проблем в эксплуатации действующих широкополосных станов. Отметим наиболее существенные из них.
1. Возросшие требования к точности размеров и плоскостности полос привели к необходимости повышения точности расчета режимов прокатки на непрерывных станах. Эти расчеты основывались на методах теории прокатки, разработанных в 40х-70х годах прошлого века применительно к сортаменту и технологии того периода. Проверка их точности при прокатке особо тонких полос ранее не производилась.
2. Уменьшение освоенной толщины полос привело к росту суммарных и частных обжатий на действующих станах, что вызвало увеличение усилий прокатки и расхода энергии, при этом в ряде случаев нагрузки на узлы рабочих клетей и мощность двигателей главного привода повысились до значений, превышающих допустимые, указанные в конструкторской документации разработчиков и изготовителей оборудования.
Необходимо было проанализировать точность наиболее распространенных методов энергосилового расчета процессов тонколистовой прокатки, оценить их пригодность для изменившихся условий работы широкополосных станов, чтобы на основании этого анализа решать вопросы о допустимости использования действующих узлов главных линий привода рабочих клетей или о необходимости их замены. Подобный анализ точности классических методов энергосилового расчета на широком диапазоне марок стали, ширин и толщин полос сортамента современных станов ранее не проводился. Как правило, точность расчета энергосиловых параметров проверяли либо на натурных моделях, либо на ограниченном объеме промышленных данных путем установки в рабочие клети специальных датчиков и измерительной аппаратуры.
Большинство современных станов оснащены стационарными автоматизированными системами контроля и управления параметрами технологии, что открывает новые возможности для совершенствования методов их энергосилового и технологического расчетов при прокатке особо тонких полос.
3. Основываясь на практическом опыте совершенствования технологии тонколистовой прокатки, специалисты ЧерМК ОАО «Северсталь» совместно с учеными Череповецкого государственного университета выдвинули гипотезу о влиянии положения нейтрального сечения в очаге деформации рабочей клети стана холодной прокатки на чистоту поверхности холоднокатаных полос. Перед учеными-прокатчиками была поставлена задача - проверить эту гипотезу в производственных условиях.
Для преодоления указанных проблем в эксплуатации и технологии широкополосных станов и для решения задачи повышения точности определения их технологических и энергосиловых параметров необходимо было разработать и применить для действующих станов такие методы расчета, которые определяли бы с минимальными погрешностями не только усилия и мощность прокатки, но и положения нейтральных сечений в их очагах деформации.
Теория прокатки, созданная работами выдающихся отечественных ученых, обеспечила конструкторов прокатных станов и технологов прокатных цехов надежными методами расчета технологии и оборудования, благодаря чему в 20 веке в России, Украине и других республиках бывшего СССР были введены в действие и успешно работают высокопроизводительные прокатные станы, в том числе - широкополосные, производящие горячекатаные и холоднокатаные тонкие полосы.
Однако для решения изложенных выше новых задач листопрокатного производства потребовалось дальнейшее развитие теории листовой прокатки, особенно в части повышения точности расчета технологических и энергосиловых параметров широкополосных станов при производстве особо тонких полос. При этом необходимо было реализовать вновь открывшиеся возможности по использованию баз данных АСУ ТП действующих станов для отладки и обеспечения необходимой точности всех расчетных методик.
Цели работы.
1. Теоретическое обоснование и совершенствование методов энергосилового и технологического расчетов процессов горячей и холодной прокатки особо тонких широких полос.
2. Применение разработанных методов расчета для исследования и внедрения высокоэффективных технологий прокатки, обеспечивающих производство особо тонких высококачественных полос в необходимых объемах. прокатка точность широкополосный станок
Задачи работы.
1. Анализ основных положений теории листовой прокатки для выявления причин, вызывающих уменьшение точности расчета энергосиловых и технологических параметров процессов производства наиболее тонких полос.
2. Разработка усовершенствованных методов расчета, обеспечивающих повышение точности вычисления технологических и энергосиловых параметров при горячей и холодной прокатке особо тонких полос на широкополосных станах.
3. Промышленная апробация и отработка усовершенствованных методов энергосилового и технологического расчетов процессов прокатки с использованием баз данных АСУ ТП действующих станов.
4. Исследование влияния основных факторов технологии на геометрические и энергосиловые параметры очагов деформации при прокатке особо тонких полос.
5. Использование результатов исследований и усовершенствованных методов расчета для разработки эффективных технологических режимов широкополосных станов, обеспечивающих экономию энергии и улучшение качества полос.
6. Испытания и внедрение на действующих станах эффективных технологических режимов.
Научная новизна результатов работы.
1. Разработана упругопластическая модель напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации при прокатке тонких полос на непрерывных широкополосных станах. Установлено, что при переходе действующих широкополосных станов на прокатку особо тонких полос существенно возрастает длина упругих участков очагов деформации рабочих клетей: при холодной прокатке до 50-70%, при горячей прокатке до 17-21% от общей длины очага деформации.
2. Разработаны уточненные методы расчета энергосиловых параметров непрерывных широкополосных станов горячей и холодной прокатки. Их отличие от известных методов состоит в том, что контактные напряжения и удельные работы прокатки определяются отдельно на каждом из участков очага деформации, при этом уравнение пластичности используется только на пластических участках, а на упругих участках оно заменено уравнением упругого состояния, структура которого впервые предложена в данной работе.
3. Установлено, что при холодной прокатке в промышленных условиях имеются такие очаги деформации, в которых зона опережения и нейтральное сечение отсутствуют. Предложены критерии идентификации типа очага деформации, позволяющие в процессе энергосилового расчета определить наличие или отсутствие в нем нейтрального сечения.
4. При холодной прокатке статистически достоверно доказана зависимость чистоты поверхности холоднокатаных полос от положений нейтральных сечений в очагах деформации рабочих клетей.
5. Получены математические выражения для соотношений между силами, действующими на узел рабочих валков, исключающих резонансные вибрации в рабочей клети. В отличие от работ зарубежных специалистов, предлагающих для борьбы с вибрациями методы конструктивного характера (изменение динамических свойств клети путем введения демпфирующих устройств или активных элементов) и технологические мероприятия (подача дополнительной смазки, снижение скорости прокатки), представленная в данной работе методика позволяет разрабатывать режимы прокатки, полностью исключающие возможность возникновения вибраций.
Практическая ценность результатов работы.
1. Разработана эффективная технология холодной прокатки на непрерывном стане, обеспечивающая повышение чистоты поверхности полос посредством корректировки режимных параметров по положению нейтрального сечения в очаге деформации.
2. Разработан способ холодной прокатки, обеспечивающий снижение энергозатрат на 3-8% посредством целенаправленной корректировки технологических параметров (перераспределения частных обжатий и натяжений между клетями).
3. Разработана технология холодной прокатки на 4-клетевом стане, обеспечивающая снижение обрывности, поверхностной загрязненности холоднокатаных полос и энергозатрат.
4. Разработаны усовершенствованные режимы холодной прокатки на непрерывном стане, обеспечивающие устранение резонансных вибраций и существенное повышение скорости прокатки.
5. Разработаны усовершенствованные режимы горячей прокатки, обеспечивающие снижение уровня контактных напряжений, расхода энергии при прокатке и повышение точности размеров горячекатаных полос.
6. Разработана усовершенствованная методика настройки скоростного режима непрерывных станов холодной прокатки, в которой скорости вращения валков рассчитаны с использованием представленных в работе формул коэффициентов опережения, при этом, за счет стабилизации скоростного режима, обеспечено уменьшение колебаний толщины полосы в 1,5-2 раза.
Обоснованность и достоверность основных положений и результатов диссертации подтверждена комплексом исследований и экспериментов на действующих широкополосных станах горячей и холодной прокатки, использованием современных методов исследования и корректных методов статистической обработки данных измерений и расчетов. Сформулированные научные положения отвечают современным представлениям о природе деформирования металлов, положениям теории пластичности и теории продольной прокатки, а также согласуются с известными работами по рассматриваемой проблеме.