Введение к работе
Актуальность работы
В последние десятилетия 20 века в сортаменте, технологии и конструкции широкополосных станов горячей и холодной прокатки произошли значительные изменения. Появились новые марки сталей, в том числе - с повышенными характеристиками прочности и пластичности. Освоен выпуск горячекатаных полос толщиной 0,8-1,5 мм, ранее относившихся к сортаменту станов холодной прокатки. На станах по производству холоднокатаных автомобильных и конструкционных полос и листов освоен выпуск особо тонких полос толщиной до 0,2-0,25 мм, чему способствовало внедрение новых смазочно-охлаждающих жидкостей с существенно лучшими смазочными свойствами. В результате эти станы по сортаменту сблизились со специализированными станами, производящими тонкую жесть.
Эти процессы привели к изменениям структуры очагов деформации и условий трения между полосой и валками.
Снижение толщины горячекатаных полос привело к увеличению суммарных обжатий в чистовых группах клетей широкополосных станов горячей прокатки (ШПСГП) до 97 %, увеличению частных обжатий до 63 %, и, как следствие, к увеличению протяженности упругих участков очагов деформации и повышению контактных напряжений между полосой и валками до опасного уровня - 800-1100 МПа, соответствующего уровню напряжений при холодной прокатке.
Анализ распределения касательных напряжений по длине очага деформации в рабочих клетях ШПСГП показал, что в преобладающей части очага имеет место прилипание, в расчетах по классической теории это не учитывалось.
Снижение толщины холоднокатаных полос в широкополосных станах холодной прокатки (ШПСХП) привело к увеличению длины упругих участков с 30-40 % до 70 % длины очагов деформации, то есть в рабочих клетях современных ШПСХП в значительной части очагов деформации, вместо условий пластичности, действуют законы упругости. Кроме того, изменилось соотношение между длинами зон отставания и опережения в пользу зоны отставания, которая в ряде случаев стала занимать весь очаг деформации. Более того, последние исследования показали, что имеются очаги деформации, в которых вблизи выхода полосы из валков возникают второе нейтральное сечение и дополнительная зона отставания.
Указанные изменения не могли быть учтены в рамках классической теории прокатки. Логика технического развития листопрокатного производства потребовала пересмотра ряда устаревших положений теории, приводящих в новых условиях к значительным погрешностям
энергосиловых, технологических и конструкторских расчетов непрерывных широкополосных станов горячей и холодной прокатки. А это, в свою очередь, приводит к неоправданным потерям энергии, повышенным эксплуатационным расходам и снижению качества проката. В частности, на основе положений классической теории прокатки на современных станах неточно определяются следующие параметры:
длина очага деформации, особенно ее упругая часть;
сопротивление деформации полосы и распределение нормальных контактных напряжений по длине очага деформации, без учета того факта, что на его упругих участках законы пластичности не действуют;
- распределение касательных напряжений в очагах деформации
ШПСГП, без учета закономерностей трения в зонах прилипания;
- мощность прокатки, вычисляемая без учета работы касательных сил,
противоположно направленных в зонах отставания и опережения;
- момент главного привода стана, вычисляемый без достоверного
учета затрат энергии на трение качения.
Эти данные свидетельствуют об актуальности дальнейшего развития теории тонколистовой прокатки и разработки моделей процессов горячей и холодной прокатки, отвечающих современным условиям, с целью их внедрения в инженерную и технологическую практику.
Задачи работы.
Исходя из указанного выше анализа недостатков классических методов расчета процессов тонколистовой прокатки, задачами диссертационной работы являлись.
А) В области горячей прокатки.
разработка упругопластической модели напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации при горячей прокатке, учитывающей, что преобладающую часть длины очага занимает зона прилипания;
разработка новой методики энергосилового расчета процесса горячей прокатки на широкополосном стане, основанной на упругопластической модели очага деформации, включающей определение сопротивления металла деформации, контактных напряжений, усилий и мощности прокатки, момента и мощности двигателей главного привода стана;
промышленная апробация на действующем стане разработанной методики энергосилового расчета с целью оценки ее точности и достоверности;
исследование влияния основных факторов процесса горячей прокатки на структурные и энергосиловые параметры очага деформации;
исследование влияния режима обжатий в чистовой группе ШПСГП на контактные напряжения, мощность двигателей главной линии привода и точность размеров горячекатаных полос;
разработка и промышленная апробация способа горячей прокатки в
чистовой группе ШПСГП, обеспечивающего снижение расхода рабочих
валков и экономию энергии.
Б) В области холодной прокатки.
разработка упругопластической модели напряженного состояния полосы в очаге деформации при холодной прокатке, описывающей очаги с одним, двумя нейтральными сечениями или целиком состоящие из зоны отставания;
разработка новой методики энергосилового расчета процесса холодной прокатки на широкополосном стане, включающей определение структурного типа очага деформации, протяженности упругих и пластических участков, сопротивления металла деформации, контактных напряжений, усилий и мощности прокатки, коэффициентов опережения при прокатке;
разработка новой методики расчета момента и мощности двигателей главного привода станов холодной прокатки, учитывающей затраты энергии на трение качения в очагах деформации с двумя нейтральными сечениями;
промышленная апробация на действующих станах разработанной методики энергосилового расчета с целью проверки ее точности и достоверности;
исследование влияния основных факторов процесса холодной прокатки на структурные и энергосиловые параметры очага деформации;
исследование влияния положения нейтрального сечения в очаге деформации на качество холоднокатаных листов и расход энергии при прокатке;
разработка и промышленная апробация способа холодной прокатки на непрерывном стане, повышающего чистоту поверхности полос и обеспечивающего экономию энергии двигателей главного привода стана посредством корректировки режимных параметров по положению нейтрального сечения;
разработка и промышленное применение математической модели, определяющей взаимосвязь технологических и энергосиловых параметров стана с вибрационными процессами в рабочих клетях, позволяющей прогнозировать и предотвращать их опасную резонансную фазу;
разработка и промышленная апробация новой методики настройки скоростного режима непрерывного широкополосного стана холодной прокатки;
использование новых методов расчета энергосиловых параметров процесса прокатки для анализа эффективности уменьшения диаметра бочки рабочих валков.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем.
1. Разработана упругопластическая модель напряженно-
деформированного состояния полосы в очаге деформации при прокатке
тонких полос на непрерывных широкополосных станах. При этом
установлено, что расчет энергосиловых параметров в чистовой группе
станов горячей прокатки необходимо вести с учетом напряженного
состояния полосы в упругих участках, занимающих 10-21 % общей длины
очага деформации, что не учитывалось в расчетах по классической теории.
2. С использованием новой модели напряженно-деформированного
состояния полосы установлено, что при горячей прокатке в очаге
деформации всегда есть нейтральное сечение, а длина зоны отставания не
превышает 74 % длины пластической области. При холодной прокатке
относительная длина зоны отставания составляет 64-100 %, то есть впервые
в теории прокатки установлено, что имеются такие очаги деформации, в
которых зона опережения и нейтральное сечение отсутствуют. Более того,
на станах холодной прокатки имеются очаги деформации с двумя
нейтральными сечениями (второе - на участке упругого восстановления
части толщины полосы).
3. Впервые установлено, что на современных станах холодной
прокатки, использующих эффективные смазочно-охлаждающие жидкости
новых поколений, зоны прилипания в очагах деформации рабочих клетей
полностью отсутствуют.
Напротив, в очагах деформации станов горячей прокатки условие, характеризующее зону прилипания, имеет место на 98-99 % длины очагов деформации первых клетей и на 83-90 % длины очагов деформации последних клетей чистовых групп ШПСГП. Следовательно, в первых клетях чистовых групп практически весь очаг деформации расположен в зоне прилипания, а в последних клетях - его преобладающая часть.
Установлено, что при горячей прокатке закон трения скольжения действует только на упругих участках очага деформации, на ббльшей, преобладающей части длины этих очагов напряжения трения изменяются по закону трения покоя. Предложен новый закон изменения этих напряжений в зоне прилипания, учитывающий влияние сопротивления чистому сдвигу материала полосы и разности между средней по сечению скоростью полосы и окружной скоростью бочки валков.
Разработаны новые методики расчета энергосиловых параметров непрерывных широкополосных станов горячей и холодной прокатки, включающие определение напряжений и деформаций отдельно на каждом участке очага деформации и учитывающие, что в упругих участках действуют законы упругости, а не пластичности. Впервые получено условие (уравнение) упругости для упругих участков очага деформации.
Разработана новая методика расчета мощности процессов горячей и холодной прокатки, которая имеет следующие отличия от известных методик:
- учитывает работу сил, возникающих в очаге деформации под
воздействием как нормальных, так и касательных контактных напряжений;
- учитывает противоположное направление касательных напряжений
в зонах отставания и опережения, вследствие чего валки совершают
полезную работу только в зоне отставания, а в зоне опережения полоса
возвращает валкам часть энергии, полученной ею при прохождении зоны
отставания.
7. Впервые разработана достоверная методика идентификации типа
очага деформации при холодной прокатке, позволяющая в процессе
энергосилового расчета стана определить, сколько нейтральных сечений
имеет очаг деформации каждой рабочей клети. Впервые получены формулы
коэффициентов опережения для очагов деформации без нейтральных
сечений и с двумя нейтральными сечениями. Получена уточненная формула
коэффициента опережения для очага деформации с одним нейтральным
сечением.
8. С использованием новой методики расчета энергосиловых
параметров установлены следующие существенно новые закономерности,
отличающиеся от положений классической теории прокатки:
8.1. Величина мощности прокатки зависит исключительно от
касательных контактных напряжений, противоположно направленных в
зонах отставания и опережения. Поэтому большое влияние на величину
мощности прокатки оказывает положение нейтральных сечений в очагах
деформации рабочих клетей.
При увеличении коэффициента трения мощность не обязательно увеличивается, как это следует из положений классической теории прокатки, а может уменьшаться, оставаться постоянной или скачкообразно изменяться (резко возрастать и так же резко уменьшаться при небольшом уменьшении коэффициента трения).
При увеличении заднего удельного натяжения полосы мощность прокатки, обеспечиваемая приводом валков, не уменьшается, как это следует из классической теории, а возрастает до тех пор, пока в очаге деформации полностью не исчезнет зона опережения.
8.4. При увеличении переднего удельного натяжения полосы
мощность прокатки, обеспечиваемая приводом валков, снижается, что не
противоречит положениям классической теории, однако, темп снижения
мощности многократно больше, чем получается при расчете по известным
методикам.
9. Впервые получено статистически достоверное регрессионное
уравнение, выражающие зависимость коэффициента плеча момента трения
качения между рабочим и опорным валками в рабочих клетях станов
горячей прокатки от максимального нормального напряжения в
межвалковом контакте и относительной угловой скорости вращения
рабочего и опорного валков.
Уточнено регрессионное уравнение для определения коэффициента трения качения между рабочим и опорным валками при холодной прокатке посредством учета возможности появления в очаге деформации второго нейтрального сечения.
С использованием новой модели энергосиловых параметров процесса холодной прокатки впервые статистически достоверно доказана зависимость чистоты поверхности холоднокатаных полос от положений нейтральных сечений в очагах деформации рабочих клетей.
На основе новой методики энергосилового расчета процесса холодной прокатки впервые получены математические выражения для соотношений между силами, действующими на узел рабочих валков, исключающих резонансные вибрации в рабочей клети. При этом, 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 организационно-технологического (подача дополнительной смазки, снижение скорости прокатки), представленная в данной работе методика позволяет разрабатывать усовершенствованные режимы прокатки, исключающие возможность возникновения явления резонанса в рабочих клетях.
Практическая ценность.
Применение новых теоретических положений и математических моделей процессов горячей и холодной прокатки позволило получить ряд практически значимых технических решений:
Разработана, испытана и внедрена новая технология холодной прокатки на непрерывном стане, обеспечивающая повышение чистоты поверхности полос посредством корректировки режимных параметров по положению нейтрального сечения полосы между рабочими валками.
Разработан и успешно испытан на непрерывных станах способ холодной прокатки, обеспечивающий снижение энергозатрат на 4-8 % посредством целенаправленной корректировки технологических параметров (перераспределения частных обжатий и натяжений между клетями).
Разработана, испытана и внедрена технология холодной прокатки на 4-клетевом стане, обеспечивающая снижение обрывности, поверхностной загрязненности холоднокатаных полос и энергозатрат.
Разработаны, испытаны и внедрены усовершенствованные режимы холодной прокатки на непрерывном стане, обеспечивающие устранение резонансных вибраций и существенное повышение скорости прокатки.
Разработаны и успешно испытаны усовершенствованные режимы горячей прокатки, обеспечивающие снижение уровня контактных напряжений, расхода энергии при прокатке и повышение точности размеров горячекатаных полос.
6. Разработаны и успешно испытаны усовершенствованные режимы настройки скоростного режима непрерывных станов холодной прокатки, в которых скорости вращения валков рассчитаны с использованием новых формул коэффициентов опережения, при этом обеспечено, за счет стабилизации скоростного режима, уменьшение колебаний натяжений и толщины полосы в 1,5-2 раза.
Суммарный экономический эффект от внедрения технических решений (за семь лет использования разработок на ЧерМК ОАО «Северсталь») составил более 70 млн.руб. Планируемый экономический эффект от внедрения испытанных разработок составляет 300 млн.руб./год.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 16 международных научно-технических конференциях, 5 из которых проходили за рубежом.
Публикации
По материалам диссертации опубликована 51 статья, в том числе 14 в журналах, рекомендованных ВАК, 4 в зарубежном журнале «Russian Metallurgy» (США), 2 в монографии издательства «CRC Press Taylor & Francis Group» (США), 22 в сборниках трудов международных конференций, получено 3 патента на изобретения Российской Федерации, выпущено 3 учебных пособия с грифом Учебно-методического объединения по образованию в области металлургии, получены положительные решения по двум заявкам на патенты Российской Федерации и Украины.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 200 наименований. Объем диссертации составляет 277 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 73 таблицы и приложения.
