Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ способов повышения эффективности горячей листовой прокатки с применением систем технологической смазки 9
1.1 Современное состояние и перспективные направления развития процесса горячей прокатки 9
1.2 Износ прокатных валков и факторы, влияющие на него 10
1.3 Влияние смазочного материала на износ прокатных валков при горячей прокатке 12
1.4 Анализ существующих систем, мест нанесения и схем подачи смазочного материала в клеть при горячей прокатке 16
1.5 Система подачи технологической смазки на опорные валки 17
1.6 Анализ классических методов расчета энергосиловых параметров 22
1.7 Математические модели, описывающие процесс изнашивания прокатных валков 28
1.8 Анализ известных статистических подходов в прогнозировании величины износа прокатных валков 33
1.9 Вероятностные модели для прогнозирования ресурса машин и оборудования 36
1.10 Цель и постановка задач исследования 40
2 Исследование и оценка эффективности применения системы подачи технологической смазки для чистовой группы клетей широкополосного стана 2000 горячей прокатки 41
2.1 Экспериментальная оценка эффективности применения смазочного материала в условиях непрерывного широкополосного стана 2000 горячей прокатки 42
2.2 Определение параметров, влияющих на работу системы подачи технологической смазки 2.3 Построение регрессионной зависимости для отображения взаимосвязи между технологическими параметрами 49
2.4 Выводы по главе 54
3 Математическое моделирование процесса изнашивания и прогнозирование ресурса рабочих валков с применением смазочного материала 56
3.1 Методика расчета параметров износа рабочего валка 56
3.2 Прогнозирование ресурса рабочего валка с применением и с отсутствием смазочного материала 67
3.3 Экспериментально-аналитическое определение характеристик изнашивания рабочего валка 68
3.4 Определение фрикционных параметров в системе опорный валок-рабочий валок- полоса 69
3.5 Вероятностная оценка долговечности и повышения ресурса рабочих валков 79
3.6 Выводы по главе 80
4 Математическое описание износа рабочих валков 82
4.1 Статистическая оценка влияния приводной стороны рабочих валков на неравномерность их износа 82
4.2 Математическое описание профиля рабочих валков 88
4.3 Выводы по главе 97
5 Внедрение мероприятий по повышению ресурса рабочих валков на стане 2000 горячей прокатки ОАО «ММК» 99
5.1 Условия работоспособности валков для оценки качества по критерию поперечной разнотолщинности горячекатаных полос 99
5.2 Разработка методологического подхода для оценки работоспособности валков при прокатке с применением смазочного материала 102
5.3 Вероятностная оценка и повышение ресурса рабочих валков 107
5.4 Промышленная апробация результатов исследования на непрерывном широкополосном стане 2000 горячей прокатки ОАО «ММК» 110
5.5 Расчет экономического эффекта 112
5.6 Выводы по главе 114
Заключение 116
Библиографический список 118
- Износ прокатных валков и факторы, влияющие на него
- Определение параметров, влияющих на работу системы подачи технологической смазки
- Прогнозирование ресурса рабочего валка с применением и с отсутствием смазочного материала
- Математическое описание профиля рабочих валков
Износ прокатных валков и факторы, влияющие на него
Горячекатаная сталь относится к одному из наиболее востребованных видов продукции черной металлургии, поэтому полноценное удовлетворение требований потребителя, в частности, обеспечение высокого качества проката является одной из актуальных задач производителя. Наряду с этим, важной задачей является увеличение производительности прокатных станов. Однако, высокие удельные нагрузки, а также расширение сортамента выпускаемой продукции, в том числе прокатка труднодеформируемых сталей (0100 МПа) ведут к износу и поломке оборудования.
Износ валков – важный технологический фактор, величину которого следует учитывать при прокатке листовой стали. Величина и характер износа валков зависят от следующих факторов: силовых, температурных, скоростных условий деформации металла, исходной профилировки прокатных валков и количества прокатываемого металла [1-4]. В этой связи важным является прогнозирование износа рабочих валков при горячей листовой прокатке.
Одним из способов снижения износа прокатных валков и энергосиловых характеристик прокатки является использование в технологическом процессе прокатки систем подачи технологической смазки.
Начиная с 60-х годов XX века данные системы начали широко внедряться в различные виды прокатного производства, где в большинстве случаев их использование было оправдано высокой эффективностью. До сегодняшнего дня СМ является важным компонентом в снижении энергосиловых параметров горячей прокатки и продлении ресурса оборудования. Поэтому одним из прогрессивных способов повышения эффективности горячей прокатки является применение технологической смазки [5-7]. 1.2 Износ прокатных валков и факторы, влияющие на него
Износом называют качественные и количественные изменения поверхности тела, вызываемые физическими и химическими процессами, а также механическими воздействиями одного тела на другое. При обработке металлов давлением обычно происходят износ, смятие и окисление рабочей поверхности инструмента [7-9].
Согласно ГОСТу 27674-88 различают: 1) абсолютный износ — результат изнашивания, определяемый в установленных единицах (значение износа может выражаться в единицах длины, объема, массы и др.); 2) изнашивание -процесс отделения материала с поверхности твердого тела и увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и формы тела; 3) износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания. Для оценки величины износа можно руководствоваться «абсолютным износом» и «неравномерностью износа».
Под абсолютным износом подразумевают изменение геометрических размеров валка. Неравномерностью износа называется неравномерное по периметру уменьшение размеров валка, которое не может быть исправлено настройкой стана и может быть определено, если наименее изнашиваемую точку валка принять за нулевую [8]. Абсолютный износ зависит от следующих факторов: - скольжения прокатываемого металла по валку в очаге деформации; - температурных условий трения и охлаждения валков; - наличия подвижного, промежуточного слоя; - химического состава прокатываемой стали; - качества прокатных валков; - применяемых режимов обжатий. На неравномерность износа влияют: - неравномерный нагрев прокатываемого металла по сечению; - неравномерная твердость металла валка по периметру; - неравномерное распределение обжатий; - состояние арматуры и настройки стана; - динамичность нагрузки при захвате металла валками [8].
В очаге деформации в результате попеременного нагрева и охлаждения на поверхности валка появляется сетка трещин. В трещинах происходит интенсивное окисление металла, что способствует дальнейшему их развитию. Могут иметь место и процессы расклинивания оснований крупных трещин и микрощелей на поверхности адсорбированными из окружающей среды поверхностно-активными веществами.
При горячей прокатке между металлом и валком имеется промежуточный слой, состоящий из окалины, покрывающей поверхность прокатываемого металла, продуктов износа и паров воды. Влияние этого слоя на износ валков пока не изучено, хотя можно предположить, что оно довольно существенно [8].
На процесс изнашивания валков влияет химический состав прокатываемой стали. Стали с высоким содержанием углерода истирают валки быстрее, чем «мягкие» стали.
Исследования [10], проведенные с целью определения зависимости величины износа от твердости металла, не дали устойчивых результатов. Это объясняется тем, что сопротивление металлов износу является не функцией каких-либо их свойств, а самостоятельным свойством, присущим каждому типу металла и по-разному проявляющемуся при различных методах испытания.
В работе прокатных валков, как и в общем случае работы деталей машин, существует три периода процесса износа: - первый - период работы валков, когда их поверхность начинает прирабатываться, неровности сминаются и шероховатость снижается; - второй - период работы валков, когда на их поверхности устанавливается меняющийся, одинаковый по всей окружности рельеф, связанный как с условиями работы валков (давление, скорость, температура), так и микроструктурными и прочностными характеристиками металла валков; - третий - период интенсивного износа валков - наступает в результате изменений геометрической формы и связанных с этим резких изменений условий работы поверхностей трения.
Для увеличения ресурса валков известен ряд методов [11], одним из основных является применение технологической смазки, подаваемой на прокатные валки. Поэтому данный метод используют для уменьшения энергосиловых параметров процессов горячей прокатки, сил внешнего трения и снижения износа прокатных валков.
Определение параметров, влияющих на работу системы подачи технологической смазки
От нормативного ресурса к параметрам распределения фактического ресурса. Выполнить в процессе оценки испытания на долговечность объектов, подобных оцениваемому объекту, обычно не представляется возможным. Поэтому для определения параметров распределения следует воспользоваться доступной информацией. В качестве такой информации могут использоваться общие сведения относительно объекта оценки и нормативный ресурс, заданный в эксплуатационной технической документации. Как отмечалось, если отсутствуют данные о ресурсе, можно воспользоваться нормами критического значения износа инструмента, которые также несут информацию об оцениваемом объекте. 1.10 Цель и постановка задач исследования
На основе изученных исследований и анализа известных способов повышения эффективности горячей листовой прокатки с применением СТС было выявлено, что для достижения максимального эффекта от применения СТС в условиях НШСГП 2000 ОАО «ММК» необходимо провести дополнительные экспериментальные и теоретические исследования.
Целью настоящей работы является повышение ресурса рабочих валков чистовой группы клетей станов горячей прокатки при применении СТС.
Для реализации и достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Исследовать и оценить влияние смазочного материала на изменение технологических параметров процесса горячей прокатки для всей непрерывной чистовой группы клетей стана.
2. Выполнить математическое моделирование процесса (объемного) изнашивания рабочих валков чистовой группы клетей станов горячей прокатки с применением СМ и вероятностную оценку безотказной работы прокатных валков по предельному значению их износа.
3. Разработать математическую модель профиля износа рабочих валков для чистовой группы клетей широкополосных станов горячей прокатки, в основу которой положены статистические методы.
4. Разработать технические предложения, направленные на повышение ресурса рабочих валков за счет применения СМ. Внедрение предлагаемых мероприятий в промышленных условиях и анализ эффективности их применения.
На сегодняшний день СТС работает в постоянном режиме, количество подаваемого СМ для клетей №7-9 НШСГП 2000 определено экспериментальным путем специалистами ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и составляет:
Эффективность работы СТС на производстве сводится к поддержанию условий, обеспечивающих устойчивость процесса горячей прокатки. Количественная оценка изменений энергосиловых и технологических параметров при этом отсутствует, что не дает возможности правильно оценить экономическую целесообразность применения СТС. В ранее представленной работе [32] рассматривается влияние СМ на изменение энергосиловых параметров тонколистовой прокатки для клетей №7-9. Однако в предложенной формуле не отражается влияние СМ на клети №10-13 чистовой группы стана:
Оценка влияния СМ на изменение энергосиловых параметров сводилась к сбору массива экспериментальных данных, в котором фиксировались такие параметры, как удельный расход энергии (а, кВтч/ т), усилие прокатки, (Р,кН), толщина (h, мм), ширина (В, мм), температура (Т, С0), скорость прокатки (Vр, м/с), относительное обжатие (,%), сопротивление деформации (0 МПа) и момент на валу главного привода (Мдв, Н м) при работающей и выключенной системе. Обработке было подвергнуто свыше 500 прокатанных полос различных марок стали со средневзвешенным профилем 2.7х1250мм.
На наш взгляд, полученный результат можно объяснить следующим образом:
1. В результате адгезии на поверхности рабочих валков клетей №7-9 СМ попадает на полосу и выгорает. Образовавшиеся зольные осаждения оказы вают влияние на снижение касательных напряжений трения в контакте рабо чий валок-полоса в последующих клетях №10-13.
Поскольку СТС в настоящее время не интегрирована в АСУ и ТП стана, то влияние СМ на изменение технологических параметров можно оце нивать как возмущающий фактор, способствующий перенастройке стана. На основании изложенного можно предположить, что при выгорании СМ образовавшиеся зольные осаждения снижают касательные напряжения трения в контакте рабочий валок – полоса в последующих клетях (№10-13). Однако детального исследования данного вопроса не проводили.
На основе полученных экспериментальным путем данных для всей чистовой группы клетей стана 2000 г.п. ОАО «ММК» с помощью программы «STATISTICA» было выявлено влияние СТС на энергосиловые параметры процессов горячей прокатки. Статистическую оценку влияющих параметров на изменение токовых характеристик процесса горячей прокатки определяли между величинами распределенной погонной нагрузки (P/L0, МН/м), сопротивления деформации (0, МПа), отношения диаметров (Do/Dp) и отношения усилий прокатки (P/P).
Прогнозирование ресурса рабочего валка с применением и с отсутствием смазочного материала
В основе математической модели процесса изнашивания рабочего валка лежит энергетическая теория изнашивания твердых тел [9,11,87,90,91], которая базируется на пропорциональности объемного износа AV и совершаемой в зоне их контакта работе сил трения Атр[7,9,68]: е - положение валка (верхний/нижний). Для математического описания процесса изнашивания рабочего валка приняты следующие допущения: рабочий валок выходит из строя по износу его рабочих поверхностей; влияние контактных напряжений, пластическая деформация рабочего валка и полосы не учитываются, согласно гипотезе об упругом восстановлении материала после деформации.
Характеристики износа рабочих валков определили, исходя из условия: где Vno- объем валка с заданным профилем; Vni- объем валка с изношенным профилем. Оценка текущего износа рабочего валка в процессе эксплуатации
Объем изношенного материала вычисляли на основе определения объема усеченного конуса, так как валок имеет вогнутую форму: Км =I,-M-i+RP1-iRP1+KX1 , (3.3) І=І з где і — количество участков, на которых производили замеры, /=16. Рассматриваемый валок разбивали на элементарные геометрические фигуры с приращением: RPi - радиус валка в i-й точке; Rpi-i- радиус валка в предыдущей точке; / - длина одной геометрической фигуры (/=125мм). Объем валка как с заданным, так и с изношенным профилем определяется путем разделения поверхности рабочего валка на геометрические фигуры (рис. 3.1).
Рабочий валок, разделенный на геометрические фигуры
Исходными данными для определения объема изношенного материала являются профилировка валков (заданная – изношенная) и геометрические размеры рабочих валков.
Профиль рабочих валков после эксплуатации измеряли с помощью пасометра по 17 равноудаленным точкам по длине бочки валка (рис. 3.2). Рисунок 3.2 – Точки замеров профиля рабочего валка
Температурный фактор расширения прокатных валков был определен экспериментальным путем. На рис. 3.3 приведен характер изменения профиля рабочего валка, который определяли с интервалом 2 часа после вывалки валка из клети. Температуру поверхности валка контролировали при помощи пирометра. Результаты замера профиля валка в зависимости от изменения температуры приведены в таблице 3.1. По полученным данным видно, что измерение профиля валка необходимо производить не менее чем через 6 часов после вывалки. Влияние температуры на профиль рабочего валка
Алгоритм расчета объема изношенного материала для половины бочки верхнего рабочего валка клети №7 представлен в таблице 3.2.
Массив данных для проведения расчетов объема изношенного материала рабочих валков представлен в приложении (В1-В14). Рисунок 3.4 - Замеры профиля рабочего валка чистовой группы клетей Статистическая оценка отклонений от цилиндрического профиля Для определения объемов изношенного материала был собран и статистически обработан массив данных. Массив экспериментальных данных необходим для чистовой группы клетей стана (№7-13) верхних и нижних рабочих валков в количестве не менее 10 пар. Результаты приведены в приложении (В1-В14). Достоверность набранных данных подтверждена актом о приемке научно-технической продукции (Приложение В15). Погрешность измерений цеховыми приборами составляет ±0,5%. Таким образом, обработка и анализ выборки предусматривает выявление и устранение грубых погрешностей.
Математическое описание профиля рабочих валков
С нашей точки зрения, определив энергетический показатель изнашивания для чистовой группы клетей (№7-13) стана, можно спрогнозировать путь трения, подставляя в него соответствующие значения параметров:
На основе закона нормального распределения величины длины горячекатаной полосы при применении СМ (V) определяем вероятность выхода из строя валка до критического значения длины горячекатаной полосы по параметру объема изношенного материала:
Вероятностная оценка максимально допустимой длины проката при соблюдении условий безотказной работы прокатных валков представлена в таблице 3.12, где за максимальную длину проката для каждой клети принимаются минимальные из рассчитанных значений (например, для клети №9 принимаем значение, равное 86,42 км).
Таблица 3.12 – Вероятностная оценка безотказной работы с целью увеличения ресурса рабочих валков
Номер клети Фактическиезначениянаработок,км Положение валка Прогнозные значения длины прокатываемой полосы с применением СМ и учетом ограничений, км Вероятность безотказной работыP(L )-0 5 Ф\Ь МЛ P{L ) = 0.8
1. Разработана математическая модель процесса изнашивания рабочих валков для всей непрерывной чистовой группы клетей (№7-13) стана 2000 г.п. ОАО «ММК», применяя которую можно определять текущее значение износа и ресурс рабочих валков. 2. Для реализации математической модели процесса изнашивания аналитическим путем на основе экспериментальных данных определены численные значения энергетического показателя изнашивания рабочих валков.
3. Путем сравнения расчетных данных с экспериментальными произведена проверка адекватности модели процесса изнашивания рабочих валков. Погрешность составляет 8…13%, что позволяет считать ее адекватной.
4. Выполнено исследование момента прокатки на чистовой группе клетей НШСГП 2000, особенностью которого является применение СТС. По результатам исследований с доверительной вероятностью 95% получены регрессионные зависимости, описывающие изменение коэффициента плеча () от технологических параметров процесса горячей прокатки. На основе экспериментальных и теоретических исследований установлено, что технологическая смазка оказывает влияние на изменение напряженно – деформированного состояния металла в очаге деформации, которое характеризуется относительным смещением нейтрального сечения (0,53...6,95% от суммарной величины зон упругого сжатия (х1упр) и пластического отставания (хпл.отст) полосы) в направлении прокатки.
5. Разработана вероятностная модель формирования постепенных отказов рабочих валков по достижению критического объема изношенного материала рабочих валков. Практические данные и результаты аналитического расчета подтверждают, что при подаче СМ возможно увеличение ресурса рабочих валков в среднем на 25%. Для реализации численных результатов исследования была создана компьютерная модель, на которую получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011618127
С целью оценки и анализа износа валков в ходе прокатки партий металлопродукции в зависимости от подачи технологической смазки на НШСГП 2000 ОАО «ММК» были произведены замеры выработки рабочих валков и выполнено сравнение полученных результатов с заданной на вальцешлифовальном отделении профилировкой.
Чтобы провести анализ износа валков, необходимо построить регрессионную зависимость и предварительно определить количество зон взаимодействия рабочего валка с металлом. Для этого необходимо установить, будут ли зоны располагаться симметрично относительно середины бочки валка. Существует вероятность того, что привод валка влияет на его износ и тем самым способствует большему истиранию с приводной стороны. Это, возможно, обусловлено его скручиванием в ходе прокатки. Свидетельством асимметричности износа валка могут быть различия средних выборочных значений выработки валка по каждому из монтажей.
Для оценки вероятности влияния приводной стороны валка на его износ было произведено сравнение средних по двухвыборочному t-тесту, считая, что дисперсии сравниваемых групп неизвестны. Сущность используемого t-теста состоит в следующем. Выдвигается нулевая гипотеза Н0:х1 =х2и рассчитывается статистика Далее для заданного уровня значимости ОС определяются одностороннее tа и двустороннее tai2 критические значения распределения Стьюдента и производится их сравнение со статистикой t. Если выполняются условия ta или 11 ta/2 , нулевая гипотеза должна быть отвергнута. Это означает, что существует различие между средними выборочными значениями, следовательно, приводная сторона оказывает влияние на износ рабочих валка при прокатке.
Расчеты выполняли в среде MS Excel с применением инструмента «Двухвы-борочный t-тест с различными дисперсиями» из надстройки «Анализ данных». Критические значения распределения Стьюдента находили при доверительной вероятности 95%, что соответствует уровню значимости =5% (или =0,05). Результаты тестов представлены в таблицах 4.1-4.4.
Из приведенных таблиц видно, что соотношения (4.1) и (4.2) не выполняются, и гипотеза о равенстве средних принимается.
Таким образом, с вероятностью не менее 95% можно утверждать, что различия в выработке приводной и не приводной сторон рабочего валка при прокатке являются несущественными и ими можно пренебречь. Следовательно, можно принять допущение о симметричности величины износа по длине бочки валка относительно его центра.
