Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих технологий и оборудования для производства прямоугольной сортовой заготовки в гладких валках 6
1.1.. Недостатки получения сортовой заготовки прокаткой в калибрах 6
1.2. Анализ технологии получения прямоугольной сортовой заготовки в гладких валках 8
1.2.1. Способы реализации бескалибровой прокатки 8
1.2.2. Проблемы устойчивости полосы 15
1.2.3. Анализ известных критериев потери устойчивости 22
1.3. Существующие конструкции валковой арматуры для реализации бескалибровой прокатки 25
1.4. Цель и задачи исследования 30
2. Экспериментальные исследования прокатки высоких полос в гладких валках 31
2.1. Экспериментальная база и методика проведения экспериментов 31
2.2. Анализ полученных результатов 36
2.3. Исследование уширения при прокатке высоких полос 39
2.4. Исследование эффективности работы проводковой арматуры 42
2.5. Выводы 45
3. Моделирование и исследование процесса бескалибровой прокатки 46
3.1. Анализ известных математических моделей процесса бескалибровой прокатки 46
3.2. Методика теоретического исследования устойчивости полосы 50
3.2.1. Определение моментов, действующих на полосу по длине очага деформации 53
3.2.2. Определение текущих значений площади очага деформации и плеча приложения равнодействующих 57
3.3. Анализ устойчивости при прокатке высоких полос в гладких валках 61
3.4. Разработка рекомендаций по проектированию арматуры и осуществлению прокатки 67
3.5. Выводы 68
4. Промышленное освоение производства прямоугольной заготовки в гладких валках 69
4.1. Разработка промышленных конструкций проводковой арматуры . 69
4.2. Опытно-промышленное опробование оборудования и технологии бескалибровой прокатки 77
4.3. Внедрение технологии прокатки высоких полос в условиях стана 150ОАОБМК 84
Заключение 91
Библиографический список
- Анализ технологии получения прямоугольной сортовой заготовки в гладких валках
- Исследование уширения при прокатке высоких полос
- Методика теоретического исследования устойчивости полосы
- Опытно-промышленное опробование оборудования и технологии бескалибровой прокатки
Введение к работе
Повышение эффективности производства продукции - основное направление развития черной металлургии. Оно характерно для всего мирового сообщества в условиях существующей системы рыночных отношений и основано на разработке новых и совершенствовании существующих технологий. Это позволяет получать продукцию высокого качества при одновременном снижении затрат на ее производство.
В прокатном производстве наиболее перспективной является политика совершенствования существующих технологических процессов, не требующая значительных затрат на приобретение дорогостоящего оборудования, но приводящая повышению производительности, улучшению качества, снижению себестоимости и, как результат,, к повышению потребительских свойств.
Одной из таких технологий, предполагающей значительную экономию энергоресурсов, сменного оборудования и трудозатрат, является прокатка заготовки в обжимных и черновых группах клетей на гладкой бочке взамен калиброванных валков (бескалибровая прокатка), применяемая в прокатном производстве ряда стран и получившая развитие в России.
Большой вклад в развитие теории и практики бескалибровой прокатки внесли А.Ф. Головин, И.М. Павлов, А.П. Чекмарев, Б.П. Бахтинов, М.М. Штернов, Н.Ф. Грицук, Т. Янадзава, Чжан Вэйган, В.Н. Выдрин, Ф.С. Дубинский, Ф. Флеминг, B.C. Берковский, В.А. Харитонов, Б.А. Никифоров, А.А. Морозов, Л.Е. Кандауров и многие другие отечественные и зарубежные исследователи.
Основной проблемой при реализации бескалибровой прокатки (БКП) является обеспечение устойчивости полос в гладких валках при прокатке с различными режимами на станах разного состава оборудования.
Несмотря на существующий опыт применения БКП, ее использование сдерживается отсутствуем единого мнения о выборе технологических режимов прокатки. Имеющаяся информация дает неоднозначные рекомендации по выбору режимов бескалибровой прокатки, обеспечивающих устойчивость полосы в очаге деформации.
В литературе не описаны принципы работы проводковой арматуры для реализации бескалибровой прокатки. Отсутствует исчерпывающая информация о методике расчета и проектировании проводковой арматуры для бескалибровой прокатки, без которой невозможна реализация этой технологии.
Перечисленное требует проведения дополнительных исследований, направленных на разработку режимов обжатий, обеспечивающих устойчивость полосы в очаге деформации при БКП, и создание надежных конструкций валковой арматуры для устойчивого осуществления процесса БКП.
Решение перечисленных задач должно способствовать совершенствованию процесса бескалибровой прокатки, что и является целью настоящей работы.
Автор выражает глубокую благодарность работникам ОАО ММК, ОАО БМК, Магнитогорского государственного технического университета за помощь в проведении исследований, обсуждение результатов работы и полезные консультации.
Особо хотелось бы поблагодарить профессора, д.т.н. Никифорова Б.А., профессора, д.т.н. Анцупова В.П. и ст. преподавателя, к.т.н., Терентьева Д.В. за неоценимую помощь в выполнении отдельных этапов исследований и разработок, а также ценные советы и замечания.
Анализ технологии получения прямоугольной сортовой заготовки в гладких валках
Из существующих и наиболее применимых в настоящее время следует отметить следующие разновидности бескалибровой прокатки (БКП), различающиеся величинами обжатий по проходам: - "квадрат-полоса" - способ прокатки, где сечению полосы через каждые два прохода придается форма квадрата [13]; - RER-процесс - способ, в котором свободная поверхность полосы во всех проходах во время прокатки имеет форму одинарной бочки [25]; - TRIPLET- способ, при котором в каждом проходе подкатом является прямоугольная полоса [11, 18, 19].
Перечисленные схемы бескалибровой прокатки могут реализовываться на существующих как на реверсивных, так и на непрерывных станах [11, 12]. В последнее время за рубежом наметилась тенденция строительства прокатных станов изначально предназначенных для применения технологии прокатки в гладких валках.
Фирмой "Morgan Construction (США) изготовлен четырехклетевой прокатный стан для прокатки по схеме RER полос 76x76 мм и 50x100 мм из заготовки 180x180мм в клетях с чередующимися горизонтальными и вертикальными валками [19]. Такое техническое решение снизило габариты стана на 85% (для освоения этого производства требовался шестиклетевой прокатный стан традиционной компоновки) [20].
На заводе Едельштальверк (Венгрия) работает мелкосортный стан фирмы СКЕТ, состоящий из 18 чередующихся вертикальных и горизонтальных клетей. В пяти клетях черновой группы технологией БКП способом БКП из заготовки 100x84 мм получают раскаты 52x51 мм [24]. В последующих группах клетей традиционной прокаткой получают круглые профили диаметром 8- -50 мм, квадратные со стороной 1СН-41 мм, полосовые шириной 2СН-70 мм и толщиной 5+30 мм и арматурная сталь диаметром 10+40 мм. В работе отмечается хорошее качество проката и существенное снижение износа валков, что повышает эффективность работы стана. В работе [23] отмечается, что применение технологии БКП повышает выход бездефектного проката на 8 - 10%, что подтверждается результатами дефектоскопии металла.
Обзорная информация показывает, что в сортамент материалов, прокатываемых в гладких валках, входят углеродистые, легированные стали и сплавы. С применением БКП производят заготовку, сортовой прокат простой формы, катанку и арматурные профили для железобетонных конструкций.
Бескалибровая прокатка освоена и широко применяется за рубежом фирмами " Process Metallurgy ", " Scandinavian Engineering", " Morgan Construction ", "Кавасаки сэйтэцу". Из квадратных заготовок сторонами от 42 до 250 мм за разное число проходов (от 3 до 17) получают готовый прокат круглого или квадратного сечения в размерном диапазоне от 8 до 150 мм. Отмечается, что при переходе от прокатки в калибрах на БКП, количество проходов не увеличивалось [20-24].
В Российской металлургии для условий действующего оборудования разработана технология бескалибровой прокатки для стана 300-2 ЧМК (г. Челябинск) и стана 250/150 ПО "ИЖСТАЛЬ" (г. Ижевск) без уменьшения сортамента стана, а также для производства мелких профилей из сплавов титана на сортовых станах ВИЛС (г. Москва) и ВСМПО (г. Верхняя Салда) [25]. С 1991 года бескалибровая прокатка используется в обжимной группе клетей стана 150 ОАО БМК (г. Белорецк) [6, 15]. Во всех случаях отмечается ряд реальных технических, организационных и экономических преимуществ БКП по сравнению с традиционной технологией [6, 8, 16, 25], однако что сведения о сравнении производства проката в калибрах и с применением БКП в литературе отсутствуют.
В реальных промышленных условиях производство прямоугольной заготовки может реализовываться несколькими способами, имеющими различие, как в режимах прокатки, так и в составе применяемого оборудования.
Согласно патентам [27-30] прокатывать полосу в гладких валках следует с начальным соотношением сторон h0/ba = 1,5-ь 2,5 и с таким обжатием, чтобы у полученного раскат достигалось такое же соотношение сторон. Оптимальным является соотношение сторон h0/b0 -hxjbx =2,1, а использование валковой арматуры специальной конструкции, предотвращает потерю устойчивости полосы.
В патенте [31] кроме обжатия, обеспечивающего соотношение сторон полосы до и после прокатки h0/bQ = hjb} 1,5 для предотвращения возможного двойного бочкообразования регламентируются отношение диаметра валка D к межвалковому зазору t должно составлять Djt (lOO/f) + 5.
В работах [32, 33] теоретически обоснованы рекомендации производить деформацию полосы до размеров, определяемых из соотношения b j/hj = (1,6 -2,6)xb(/ho при отношении D/ho = 2,3 - 5,0, что позволяет получить максимально возможную вытяжку полосы за один проход.
В патенте ЧССР [34] предложена схема прокатки: квадрат - прямоугольник "на ребро" - прямоугольник "плашмя" - прямоугольник "на ребро".... Реализация такой схемы осуществляется в чередующихся вертикальных и горизонтальных клетях с гладкими валками, причем перед клетями, в которых прямоугольная полоса имеет соотношение йо/&0 = 2, для удержания полосы установлены проводки с фасонными роликами. Патентом отмечается возможность прокатки металла любого исходного сечения без ограничений по размерам.
Аналогичное решение предложено в работе [35], где рекомендуется прокатка исходной полосы с соотношением сторон / o/&o - 2,0 -J- 5,0. Прокатка производится в реверсивной клети с горизонтальными рабочими валками, снабженной на входе и на выходе поддерживающими вертикальными валками, причем диаметры всех валков и расстояния между их осями определяются исходя из высоты обжимаемой полосы.
Исследование уширения при прокатке высоких полос
Общая зависимость определялась как сумма отдельных зависимостей, с последующей проверкой адекватности: Уг=Ъ/Аъ)+Ъ/г(ъ)+ з(ъ)+ / )+asfsM- (2.1) Оптимальную зависимость находили перебором 10 приведенных уравнений. Критерием выбора вариантов являлись минимально-возможные значения дисперсии (а) и коэффициента вариации, определяемых по экспериментальным значениям.
При задаче набора управлений под номерами 1,3,5,5,2 получили а = 0,0350; v = 0,0335, т.е. ошибка составила 3%.
Другие переборы давали большие значения о; и v. Значения коэффициентов для описанного набора составили: а = 0,954219; а, = 0,0205959; а2= 53,52744; а3 = -6,30955x10"24; а4 = -5,175924х10"4; а5 = 13,2632, где а - свободный член; al — коэффициент при D/H; а2- коэффициент при г; а3 - коэффициент при Н/г; а4 - коэффициент при Н/В; а5 - коэффициент при t/H.
Значения коэффициента аз очень мало, что позволило пренебречь влиянием фактора Н/r. В конечном итоге была получена обобщенная зависимость перекоса поперечного сечения полосы от воздействия исследуемых факторов, имеющая вид:
Полученное в результате экспериментальных исследований регрессионное уравнение, позволяет с высокой точностью прогнозировать перекос сечений полос, прокатываемых в гладких валках при различных условиях. Кроме того, с использованием приведенного уравнения можно разрабатывать технологии прокатки высокой полосы в гладких валках, обеспечивающие достаточную устойчивость полосы в очаге деформации [104-106].
Анализ полученного уравнения показывает, что наиболее значительное влияние на перекос сечения прокатываемой полосы оказывают обжатия и зазор между полосой и удерживающими элементами арматуры. Это позволяет сделать вывод о необходимости усовершенствовании конструкций арматуры при реализации бескалибровой прокатки.
Экспериментальные исследования показали, что наряду с разработкой режимов обжатия при осуществлении БКП необходимо до минимума уменьшать зазор между полосой и удерживающими элементами арматуры. Аналогичные требования к арматуре предъявляются в работах [12, 28, 30].
Конструирование удерживающей проводковой арматуры с минимальными зазорами между полосой и удерживающими элементами невозможно без достоверной информации о величине и о развитии уширения в процессе прокатки при тех или иных условиях. Расчеты по существующим формулам дают неоднозначные результаты, что объясняется разными условиями, для которых выводилась та или иная зависимость. Кроме того, для случая бескалибровой прокатки должно учитываться влияние вводной проводковой арматуры, удерживающей полосу непосредственно в очаге деформации.
Данные, полученные в ходе проведения экспериментов по оценке влияния технологических факторов на устойчивость высокой прямоугольной полосы в гладких валках при прокатке с применением удерживающей арматуры, позволили провести анализ сходимости результатов расчетов уширения по различным существующим формулам, а также провести их корректировку применительно к этому процессу. РОССИЙСКАЯ , БИБЛИОТЕКА f - коэффициент трения.
По приведенным формулам (табл. 2.2.) рассчитывалось уширение для различных режимов прокатки, и для каждого из них определялись расчетные коэффициенты уширения (Ьр/В) (рис.2.10) и отношения уширения, полученного расчетным путем, к экспериментальному (Ьр/Ьэ) (рис. 2.11). Для большей наглядности на рис. 2.10 приведена зависимость Ь/В, а на рис. 2.11.- b./b3.
Методика теоретического исследования устойчивости полосы
Из исследования модели не получено критическое значение Мсул1 „„,,, ограничивающее условия устойчивого состояния полосы в очаге деформации для различных условий прокатки.
Таким образом, анализ существующих моделей показывает, что для оценки устойчивости высоких полос при прокатке в гладких валках в большинстве случаев производится оценка баланса моментов способствующих и препятствующих сваливанию полосы. Модели, как правило, и проверялись путем экспериментов на модельном материале (пластилин, свинец) на лабораторном оборудовании под конкретную технологию, что затрудняет их практическое применение. Практическое применение существующих моделей, как правило, затруднено из-за сложности определения составляющих уравнений. В балансе моментов известных моделей не учтено наличие проводковои арматуры, определяющей связь «полоса - валковая арматура — прокатная клеть».
Недостаточно изучен вопрос об описании конфигурации свободной поверхности полосы при бескалибровой прокатке, что затрудняет конструирование элементов проводковои арматуры.
В применяемые методики определения контактных площадей заложен закон пропорционального развития уширения по длине очага деформации, что не позволяет с достаточной точностью определять плечо сваливающего момента в промежуточных точках очага деформации, загрубляет расчеты при проектировании проводковои арматуры. Успешная реализация бескалибровой прокатки, как отмечалось выше, не возможна без всестороннего изучения вопроса взаимодействия «полоса - валковая арматура - прокатная клеть». Существующие на настоящий момент математические модели [11, 13, 15, 79] рассматривают такую связь с точки зрения износа арматуры и валков, но не учитывают механизма удержания полосы от потери устойчивости в очаге деформации. Разработанных на настоящий момент рекомендаций недостаточно для проектирования специальной вводной провод-ковой арматуры, обеспечивающей устойчивость полосы при реализации процесса БКП.
Разработка математической модели сводилась к учету тех факторов, которые вызваны асимметрией бескалибровой прокатки, обусловленной непрерывным воздействием различного рода возмущений [15]. В работе [112] отмечается, что отсутствие возмущений в технологическом процессе является признаком идеальных условий процесса. В ряде случаев асимметрия вводится целенаправленно для совершенствования процесса прокатки, а ее отрицательные проявления предупреждаются путем совершенствования основного и вспомогательного оборудования [112-115]. В нашем случае рассматривается горизонтальная асимметрия, согласно классификации, предложенной Салгаником В.М. и Песиным А.М.[113], вызванная ромбичностью исходной заготовки и возможным перекосом валков.
Существующие на настоящее время модели бескалибровой прокатки [6, 40, 79] имеют существенный недостаток: они описывают процесс потери устойчивости при БКП для полосы, находящейся в упругом состоянии. При этом все воздействия на полосу, могущие приводить к потере устойчивости, суммируются от плоскости входа металла в валки до плоскости выхода. В то же время известно, что деформация начинается после возникновения напряжений, соответствующих упруго - пластическому и пластическому состояниям материала полосы, а поэтому простое суммирование всех возмущающих воздействий на полосу нельзя считать корректным. В работе Н.Ф. Грицука [40] экспериментально получены данные, подтверждающие, что потеря устойчивости полосы происходит в пластической зоне.
Исходя из пластического состояния материала полосы, в разработанной модели рассматриваются закономерности изменения устойчивости поперечных слоев полосы, последовательно располагающихся от плоскости входа в очаг деформации до плоскости выхода. Полученные в ходе экспериментальных исследованиях данные позволили разработать математическую модель по принципу, изложенному в работах [103, 116], где предложено рассматривать устойчивость полосы, прокатываемой с применением вводной проводковой арматуры, как функцию от воздействия на полосу комплекса нескольких факторов, основные из которых: - исходная ромбичность подката; - отношение толщины подката к его ширине (Н/В); - отношение диаметра валков т высоте подката (D/H); - величина обжатия (є); - коэффициент трения на контактной поверхности валков и полосы; - коэффициент жесткости арматуры Кс.
При построении представленной математической модели были приняты следующие допущения: отсутствует сплющивание валков; материал полосы изотропен и находится в жестко-пластическом состоянии, область очага деформации находится в пластическом состоянии, примыкающие зоны на входе и на выходе - упругие; передача крутящих моментов между слоями происходит с затуханием на два порядка; контактное трение отвечает закону Кулона; контактные напряжения одинаковы на всей площади очага деформации; - уширение в очаге деформации определяется по формуле (3.16); боковые поверхности полосы принимаются прямолинейными.
Опытно-промышленное опробование оборудования и технологии бескалибровой прокатки
Установка на удерживающей арматуре дополнительных опор в плоскости входа полосы в очаг деформации, где на арматуру действует максимальный суммарный сваливающий момент, исключает возможный поворот удерживающих элементов вокруг продольной оси заготовки и одновременно увеличивает жесткость арматуры (Рис. 4.12). Испытания, проведенные в лабораторных условиях, показали целесообразность такого технического решения.
Жесткость упругих элементов определялась по методике, изложенной выше (см. 3 главу) и составила 2700 н/мм, что соответствует рекомендациям работы [111].
Освоение технологии бескалибровой прокатки в обжимной группе прово дили поэтапно. В первой клети гладкие валки были установлены 3 января 1991 г. во второй - 17 января, в третьей - 21 февраля 1991 г. В четвертой клети черновой группы технология БКП была внедрена в сентябре 1996 года и применяется до настоящего времени.
Освоение БКП показало, что размеры полос по проходам близки к размерам полос при прокатке в калибрах. Распределение вытяжек по клетям также незначительно отличалось от расчетного (для прокатки в гладких валках), но обеспечило получение в шестой клети раскатов заданного поперечного сечения.
Исследование формы поперечного сечения показало, что разность диагоналей раскатов, полученных в гладких валках с использованием удерживающей арматуры описанной конструкции, не превышала для всего сортамента 2-3 мм. Кромки полос скругленные (Приложения 8, 9). Было замечено, что при прокатке в гладких валках происходит интенсивное удаление окалины со свободных поверхностей полос, что привело улучшению качества готовой катанки по количеству вкатанной окалины.
Для промышленного освоения БКП использовали валки из стали 50ХН диаметром 500-530 мм, полученные после восстановления отработавших калиброванных валков номинальным диаметром 630 мм. По мере эксплуатации валков производили прямые замеры износа каждого рабочего места, учитывали количество прокатанного металла.
Замечено, что износ валков - равномерный по ширине прокатываемой полосы, однако зависит от величины единичного обжатия. Так, износ рабочего места валков первой клети составлял от 0,08 до 0,1 мм диаметра на тысячу тонн проката, а для второй клети эта величина составляла 0,7 - 0,76. Следует отметить более неравномерный износ рабочего места на валках, а также неодинаковый износ каждого валка в отдельности во второй клети. Смена рабочего места на валке производилась при появлении сетки разгара.
Опыт эксплуатации удерживающей проводковой арматуры показал, что ее применение позволяет прокатывать на гладких валках полосы с разностью диагоналей не превышающей 2-3 мм. Отмечено, что наиболее эффективно (без искажения поперечного сечения раскатов) конструкция работает при минимальных зазорах между полосой и продольными направляющими. Такой режим работы достигался получением из предыдущей клети раскатов соответствующего размера. Замеры показали, что износ удерживающих элементов составляет для разных условий прокатки от 0,03 до 0,2 мм на тыс. тонн проката. Это предполагает необходимость проведения наплавки удерживающих элементов после прокатки 40 тыс. тонн металла (через 30 суток при средней загрузке стана).
Опыт эксплуатации удерживающей проводковой арматуры показал высокую надежность и долговечность устройства. По сведениям Управления главного механика межремонтный период работы арматуры составляет до 150 тонн проката (Приложение 10). Предполагается разработка аналогичных конструкций для других клетей стана 150 ОАО БМК (Приложение 11).
Обобщение опыта промышленного освоение бескалибровой прокатки в комплексе конструкторскими работами, теоретическими и лабораторными исследованиями позволили разработать на уровне изобретения способ прокатки сортовых профилей из заготовки, имеющей исходную ромбичность. Суть способа состоит в том, что перед деформацией полосы ее поворачивают при помощи вводной удерживающей арматуры относительно продольной оси таким образом, чтобы боковые грани стали ортогональны осям валков. При этом удерживание боковых граней полосы осуществляется на некоторой длине от плоскости входа полосы в очаг деформации. Рабочая длина продольных направляющих определяется как функция от отношения диагоналей исходной заготовки и длины очага деформации. При отношении диагоналей 1,01...1,04 длина удерживающих элементов составляет 0,1...0,2 от длины очага деформации, при отношении диагоналей 1,04...1,1 длина удерживающих элементов составляет 0,2...0,45 от длины очага деформации. Предложенный способ может быть применен при проектировании удерживающей арматуры для БКП как на действующих, так и на проектируемых прокатных станах. На способ подана заявка на изобретение.
