Содержание к диссертации
Введение
1. Методы расчета показателей формоизменения и энергосиловых параметров при сортовой прокатке 6
1.1. Методы определения показателей формоизменения при прокатке в калибрах 6
1.2. Основные положения структурно-матричного подхода 14
1.3. Современные требования к адаптивным моделям 17
1.4. Основные подходы к определению энергосиловых параметров 20
1.5. Постановка целей и задач исследования 24
2. Разработка математической модели для проволочных станов с двух- и трехвалковыми калибрами 26
2.1. Принципы моделирования 26
2.1.1. Расчет показателей формоизменения при прокатке в калибрах 27
2.1.2. Ограничения и сфера применения разработанных методик 34
2.1.3. Сопротивление деформации при прокате в калибрах 35
2.1.4. Температурный режим при прокате в калибрах 37
2.2. Разработка программного обеспечения 44
2.3. Алгоритмы программы 46
2.4. Инструкция по работе с программным продуктом "Derag" 49
2.5. Выводы по главе 55
3. Моделирование прокатки катанки на проволочных станах при расширении марочного и размерного сортамента 57
3.1. Определение технологических возможностей стана 300 №3 ОАО «ММК» 57
3.2. Исследование технологических возможностей стана 250 №2 ОАО «ММК» 65
3.3. Выводы по главе 69
4. Разработка методик и программного обеспечения, обеспечивающего рациональное использование валковых шайб 71
4.1. Адаптация структурно-матричной модели формоизменения к условиям стана 300№3 ОАО «ММК» 71
4.2. Разработка математической модели описания и учета износа валковых шайб 72
4.3. Определение рациональной последовательности перехода валковых шайб по мере их службы по позициям клетей и профилеразмерам 77
4.4. Принцип перемещения шайб (клетей) на предыдущую позицию 79
4.4.1. Блок клетей «500» 79
4.4.2. Блок клетей «370» 81
4.4.3. Блок клетей «290» 84
4.5. Планирование программы прокатки от малых сечений к большим 85
4.6. Применение клетей различных типов с использованием шайб большего диаметра 88
4.7. Выводы по главе 95
Выводы о работе 97
Список литературы 98
Приложение 108
- Основные подходы к определению энергосиловых параметров
- Инструкция по работе с программным продуктом "Derag"
- Исследование технологических возможностей стана 250 №2 ОАО «ММК»
- Разработка математической модели описания и учета износа валковых шайб
Введение к работе
Актуальность работы. Современное прокатное производство, наряду с ростом производительности, требует одновременного освоения новых видов проката и улучшения качества выпускаемой продукции. Конкурентоспособность проката характеризуется качеством непосредственно продукции и технологического процесса производства.
Наряду с введением в строй на российских металлургических заводах все большего количества новых современных прокатных станов, на ряде металлургических предприятий отсутствует возможность проведения коренной реконструкции с заменой всего устаревшего оборудования. При этом предприятие сталкивается со сложной технологической проблемой, связанной с необходимостью обеспечивать требуемый уровень качества продукции и широкий профильно-марочный сортамент. В том случае, если данная проблема не находит своего решения, то сортовые и проволочные станы, не позволяющие обеспечивать выпуск проката, отвечающего современным требованиям, неизбежно консервируются или демонтируются, теряя традиционные рынки сбыта продукции.
В качестве одного из малобюджетных вариантов улучшения качества продукции (помимо совершенствования систем управления, методов контроля производимой продукции и других аспектов контроля качества) можно рассматривать совершенствование технологии производства.
При этом важнейшими вопросами совершенствования технологии для проволочных станов с двух- и многовалковыми калибрами являются расширение сортамента на основе совершенствования технологических возможностей калибровок валков и оборудования, а так же режимов прокатки и новых методик эксплуатации валкового парка, особенно при использовании дорогостоящих прокатных шайб в клетях с многовалковыми калибрами.
Решение этих вопросов во многом зависит от соответствующих математических моделей, поэтому разработка и применение таких моделей в условиях проволочных станов для повышения эффективности производства бунтового круглого проката и катанки является актуальным.
Цель и задачи исследования. Целью работы является расширение сортамента проволочных станов на основе математического моделирования и совершенствования технологических режимов прокатки катанки, а также эксплуатации калибровок.
Указанная цель реализуется путём решения следующих задач:
- создание универсальной математической модели проволочных станов, учитывающей особенности прокатки в двух- и трехвал-ковых калибрах;
обоснование возможных эффективных технологических схем производства профилей простой формы на основе методик расчета показателей формоизменения и энергосиловых параметров;
совершенствование действующих технологических режимов прокатки и разработки новой методики в организации эксплуатации калибровки.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана модель калибровки непрерывного стана, впервые позволившая осуществлять «сквозное» моделирование всей калибровки как в двух- так и в трех- валковых калибрах для комплексного расчета геометрических и энергосиловых параметров прокатки.
На основе экспериментальных исследований установлены особенности температурных режимов прокатки на проволочных станах в клетях с двух- и трехвалковыми калибрами.
На основе матричного подхода разработан принцип описания и учета состояния валковых шайб в блоках трехвалковых калибров, как основного критерия оценки дальнейшей пригодности шайбы в занимаемой позиции.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
С помощью разработанного программного продукта, позволяющего проводить расчет и анализ параметров формоизменения и энергозатрат при прокатке в калибрах простой формы оценена возможность расширения марочного и размерного сортамента, рассчитаны калибровки для прокатки новых круглых профилей диаметрами 11, 13, 14 и 15 мм для условий стана 300 №3 ОАО «ММК», выданы рекомендации;
Разработаны технологические рекомендации, заключающиеся в определении схемы движения прокатных шайб для условий стана 300 №3 ОАО «ММК».
Разработан режим обжатий, который позволяет устранить возникновение таких поверхностных дефектов, как закат и невыполнения профиля, при прокатке термоупрочненной арматуры на стане 250 №2 ОАО «ММК».
Реализация работы.
- Промышленное применение для условий сортопрокатных ста
нов 300 №3, 250 №2 ОАО «ММК» разработанного программного продук
та, повышающее результативность поиска рациональных решений (ка
либровка, режим прокатки, разработка новых видов продук
ции).Использование в вальцешлифовальном отделении для условий стана
300 №3 ОАО «ММК» программного продукта по эффективному применению прокатных валков (шайб).
- Использование на сортовом стане 250 №2 ОАО «ММК» режима обжатий при прокатке термоупрочненной арматуры с целенаправленным промежуточным охлаждением раската.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на международной (Магнитогорск 2004 г.), трёх всероссийских (Липецк 2001 г., Пенза 2001 г., Магнитогорск 2005 г.), региональной (Магнитогорск 2003 г.) и ежегодной (Магнитогорск 2003 г.) научно-технических конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликованы: свидетельство об официальной регистрации базы данных и 7 научных публикаций.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 106 страницах (не включая приложения) машинописного текста, содержит 17 таблиц, 43 рисунка и состоит из введения, 4 глав, заключения и 3 приложений. Библиографический список включает 102 наименования.
Основные подходы к определению энергосиловых параметров
Для определения энергосиловых параметров при прокатке имеются два основных подхода. Первый, основанный на решении уравнения статического равновесия, заключается в расчете контактных напряжений и усилия прокатки, через которые определяются остальные параметры, такие как момент прокатки, работа и мощность деформации. Второй - это энергетический подход, связанный с принципом минимума полной мощности, когда сначала определяется мощность деформации, от которой переходят к усилию и моменту прокатки. Первый подход рассмотрен в работах А.И. Целикова, тогда как второй подход получил наибольшее развитие в работах В.И. Выдрина, а также в работах связанных с вариационными принципами.
Среди одних из первых зависимостей для определения контактных напряжений известны формулы С. Экелунда [66], А. Гелей, Хилла, А.Ф. Головина и В.А Тягунова [67], СИ. Губкина [68], А.И. Целикова [69, 70], Р.Б. Симса, А.П. Чекмарева [71, 72], А.А. Королева [73] и др.
Проведены обширные экспериментальные исследования. Подобные опыты в производственных условиях или на лабораторных станах были проведены в большом количестве Л. Пуппе, Е. Зибелем и Е. Фангмайером, А. Помпом и Г. Веддиге, X. Хоффом и Т. Далем [74], О. Эмике и К. Лукасом, Г. Валквистом, Г. Цоухаром [75].
Измерения, произведенные на промышленных прокатных станах, позволили определить усилие прокатки и крутящие моменты непосредственно в производственных условиях, и поэтому они особенно ценны. Эти исследования, также как и исследования, произведенные на лабораторных прокатных станах, дают возможность проверить теоретические соображения.
На основе выполненных исследований промышленных станов был составлен ряд эмпирических формул для подсчета энергосиловых параметров прокатки. Гелей разработал формулу для вычисления мощности привода при прокатке в калибрах на основе опытов Пуппе. Экелунд получил свою известную формулу для определения усилия прокатки и характеристических величин прокатываемого материала также на основании опытов Пуппе.
Проводились многочисленные сравнительные исследования формул для определения давления металла на валки. Из этих исследований известно, что подсчет давления металла на валки при прокатке на гладкой бочке по различным формулам при одинаковых условиях дает различные результаты, и в то же время имеются значительные отклонения расчетных величин от опытных данных. Вусатовский и Бала [76] сравнили, например, формулы для подсчета давления металла на валки, разработанные Тринксом, Целиковым, Экелундом, Орованом, Гелей и Зибелем. Эти исследования распространялись не только на плоские сечения, но также на прокатку в ящичных калибрах и на метод вычисления, предложенный для этого Зибелем [77]. Это сравнение расчетных и опытных данных обнаруживает значительные различия между значениями, полученными разными методами вычислений, и величинами, найденными путем измерения в производственных условиях.
К подобным же результатам привело и второе исследование Вусатовского [76], посвященное сравнению формул для подсчета давления металла на валки некоторых советских авторов. В этой работе рассматривались формулы усилий прокатки Губкина, Головина-Швейкина, Целикова и Самарина.
Лукас и Эмике опубликовали сравнительные исследования по результатам вычислений в соответствии с формулами Гелей, Брёмеля, Орована, Тринкса, Экелунда, Головина-Тягунова, а также Целикова. В этом случае также получились значительные различия между результатами, полученными по приведенным выше формулам, и экспериментальными данными давления металла на валки.
Упомянутые выше эксперименты, проведенные Валквистом по прокатке сталей различного состава, также показали заметное различие между результатами расчетов и опытными данными.
Резюмируя сказанное, можно прийти к выводу, что даже простой процесс прокатки в валках с гладкой бочкой нельзя рассматривать как решенную проблему.
Принимая во внимание, что при анализе процесса прокатки в калибрах его пытаются заменить эквивалентной деформацией в валках с гладкой бочкой, либо используют поправочные коэффициенты, представляется необходимым более тщательно исследовать вопрос о сопоставимости таких двух процессов прокатки.
Из современных методов расчета энергосиловых параметров известна хорошо зарекомендовавшая себя методика В.К. Смирнова, основанная на вариационном принципе минимума полной мощности [78]. Также как и при определении показателей формоизменения, для расчета контактных напряжений используют метод конечных элементов. Хорошие результаты, как свидетельствуют экспериментальные и сравнительные исследования, дает методика, основанная на структурно-матричном подходе [79], которая использовалась в данной работе. Методика расчета энергосиловых параметров Д.И. Кинзина, разработанная с участием соискателя, при прокатке в калибрах, отличающаяся тем, что влияние поперечных напряжений учитывается посредством коэффициента Лоде, значение которого определяется с помощью предложенной формулы принципа наименьшего сопротивления. Полученное выражение можно назвать формализованной записью принципа наименьшего сопротивления, так как оно позволяет определить, сколько металла течет в направлении действия того или иного напряжения. В дальнейшем смещенные объемы Уз и будем называть показателями формоизменения металла.
Инструкция по работе с программным продуктом "Derag"
Главное окно осуществляет основные функции управления программой и графического отображения основных данных. Окно всегда присутствует на экране во время работы программы. Минимизация окна ведет к исчезновению других окон, а его закрытие означает окончание работы программы. Окно занимает всю область рабочего стола, по умолчанию максимизировано и может быть лишь свёрнуто. Окно содержит следующие элементы: - главное меню, которое содержит все необходимые средства по управлению программой; - блокнотоподобную панель с двумя вкладками для отображения формоизменения и распределения нагрузок по очагу деформации; - панель управления с отображёнными на ней основными кнопками управления; - журнал событий, в котором поясняется ход работы, и выводятся некоторые результаты расчётов. Для создания нового стана необходимо в пункте меню "Файл" выбрать команду "Создать". После чего будет отображено окно создание новой базы данных по стану (рис. 2.17). Разработанный пакет "Derag" имеет удобный интерфейс для быстрой подготовки и отладки баз данных. Для создания корректной базы данных требуется заполнить векторное описание калибровки каждой из клетей и подката, указать технологические параметры прокатки и название продукта, стана и организации. Количество клетей и векторов задаётся предварительно, однако может быть изменено до сохранения базы. При выборе клети или подката активность передаётся в обозначенную область (красный овал № 1 на рисунке 2.17), откуда производиться редакция значений векторов. Перемещения от одного вектора к другому для удобства могут производиться клавишами вверх и вниз. Флаг запрещения редакции (синий овал №2 на рисунке 2.17) не позволит в дальнейшем менять значения базы данных.
Необходимо учитывать тот факт, что разработанная математическая модель позволяет рассчитывать как двух, так и трёх валковые системы калибров (фиолетовый овал №3 на рисунке 2.17), однако не стоит забывать о том, что векторное описание зависит от количества осей симметрии (два валка - две оси, три валка - три оси). Для просмотра результата векторного описания необходимо выполнить двойной щелчок на поле номера клети или подката, что приведёт к активации окна с рисунком выбранного объекта (рис. 2.18). Открытие уже готовой базы данных производиться как через меню "Файл" - команда "Открыть", так и кнопкой открыть на панели управления (рис. 2.19). Открываемая база данных (при настройках по умолчанию) будет сразу подключена к расчёту и произойдёт прорисовка результата во вкладке "Формоизменение". Обратите внимание - открываемая база данных должна быть корректной иначе произойдёт ошибка в расчётах. База данных представляет собой так называемый настроечный файл ini (характерный для среды Windows), редактирование которого может быть произведено и вне описываемой программы. Корректность базы данных характеризуется следующими факторами: - правильностью векторного описания профиля подката и калибровок прокатных клетей исследуемого стана; - внесение необходимых параметров прокатки; - учет кантовок; учёт всех особенностей стана оценивается в совокупности всех параметров прокатки. После проведения расчёта графически отображается формоизменение в первой клети (рис. 2.20) и выдается ряд информационных данных в журнал событий.
Исследование технологических возможностей стана 250 №2 ОАО «ММК»
Основной задачей моделирования технологических режимов прокатки катанки на стане 250 №2 ОАО «ММК» являлось получение арматуры малых диаметров и катанки-подката для производства холоднодеформированной арматуры. Для обеспечения необходимых механических свойств этих видов продукции необходимо было обеспечить ускоренное охлаждение (термоупрочнение) раската после линии водяного до температуры самоотпуска 600-650 С. Использование только линии водяного охлаждения в условиях данного стана не позволяет обеспечить необходимые механические свойства прокатываемой арматуры. Технический результат был достигнут тем, что охлаждение раската производят не только в линии водяного охлаждения, но еще и в потоке стана - за 10-й клетью при помощи специального охлаждающего устройства, в состав которого входит форсунка высокого давления. Данное устройство, установлено на выходе из валков при максимальном межклетевом промежутке для обеспечения выравнивания температуры раската по сечению до дальнейшей деформации [93].
В следствие использования подстуживания происходит повышение нагрузок на оборудование и понижение способности металла деформироваться в продольном направлении, то есть снижается вытяжка, повышается усилие прокатки и уширение металла в калибре. При понижении температуры металла на раскате образуются «пояса», вызванные переполнением калибров, которые в дальнейшем приводят к образованию дефекта - закат.
Поэтому было необходимо скорректировать параметры калибровки таким образом, чтобы при промежуточном подстуживании обеспечить заданные геометрические размеры профиля в клетях 11-16, исключив образование поверхностных дефектов, вызванных переполнением калибров [94].
Было установлено, что наибольшее влияние на образование продольных дефектов оказывают геометрические параметры профиля в клетях №8 и №10 (равноосные квадратные калибры шириной 14,3 и 11,9 мм соответственно). При моделировании были подготовлены варианты данных с измененными элементами указанных калибров при помощи среды AutoCAD в вектором виде. При этом ширина калибров варьировалась в пределах 14,3... 16,5 мм для 8-й и 11,9... 14,5 мм для 10-й клетей [95].
При помощи разработанного программного продукта "Derag" была проведена серия комплексных расчетов геометрических и энергосиловых параметров деформации в клетях стана 250 №2. Всего было исследовано 16 вариантов измененной схемы прокатки с различным сочетанием ширины калибров 8-й и 10-й клетей. В результате было установлено, что увеличение ширины калибров в указанных клетях частично влияет на конечное формоизменение в чистовых калибрах, однако позволяет уменьшить вероятность образования продольных дефектов (переполнения) в клетях №№ 8-16. Примеры изменения уширения приведены на рисунках 3.9-3.10.
На основании результатов моделирования был выбран рациональный вариант корректировки калибров восьмой и десятой клетей стана 250 №2 которая обеспечивает переполнение калибров в одиннадцатой и последующих клетях стана менее чем на 1,5% [96]. Новая калибровка калибров восьмой и десятой клетей стана 250 №2 изображена на рисунке 3.13. 1. Произведена оценка точности расчета энергозатрат, разработанной модели при оценке сходимости расчетных и практических данных, полученных по другим методикам. 2. Проведено моделирование процесса прокатки с использованием данной математической модели для оценки значений по усилиям и моментам прокатки в каждой клети блоков «290», «370» и «500» для прокатки всех типоразмеров профилей из сортамента стана для 21 марки стали на стане 300№3 ОАО «ММК». 3. На основании результатов расчетов сделан вывод о технической возможности прокатки более широкого марочного сортамента сталей на стане 300№3 ОАО «ММК». 4. Предложена на основании совместного анализа результатов работы, данных ОНТ и ГП и сбытовых служб ОАО «ММК» структура марочного сортамента стана 300 №3 ОАО «ММК», соответствующая требованиям «Программы по освоению нового марочного сортамента на ОАО «ММК», принятой на техсовете ОАО «ММК» от 19.11.2001 г. и даны рекомендации по расширению размерного сортамента за счет профилей круглой стали промежуточных размеров. 5. Проведено математическое моделирование процесса прокатки с целью оценки влияния изменения калибровки на геометрические параметры проката на стане 250№2 ОАО «ММК». 6. На основании результатов моделирования сделаны рекомендации по внесению корректировок в калибровку стана 250№2 ОАО «ММК».
Разработка математической модели описания и учета износа валковых шайб
Общепринятая оценка износа калибров заключается в определении усредненной величины изменения контура ручьев, составляющих калибр. Это не позволяет прогнозировать фактические размеры профиля в изношенном калибре и не дает представления о распределении износа всему контуру калибра. Например, использование вертикального отклонения размера по середине ручья от первоначального значения отображает лишь изменение высоты калибра.
С целью повышения точности учета износа, неравномерного по контуру калибра, аналогично [97] в работе была применена многомерная матричная модель [98]. Преимущество указанной модели состоит в представлении сплошной линии контура калибра, дискретными отрезками. Это позволяет судить об износе калибра по каждому из базовых направлений (рис 4.1). Матричная модель показывает расстояния от центра калибра простой формы до точек, расположенных на его контуре.
Для большинства задач такая дискретизация контура калибра приемлема, так как в достаточной мере отражает особенности контура [98]. В модели формоизменения, а также при учете износа рассматривается только симметричная часть сечения калибра. Симметрия износа правой и левой половины калибра доказана в работе [99]. Асимметрией износа противоположных шайб для условий стана 300 №3 ОАО «ММК» можно пренебречь.
Применительно к стану 300 №3 ОАО «ММК», статистические данные по износу собирались путем измерения ручьев калибров на валках, в которых было прокатано известное количество тонн металла. С этой целью использовались цифровые фотографии изношенных калибров. Фотографию помещали в среду Autocad, на неё накладывали чертеж идеального контура ручья с размеченными базисными лучами матричной модели.
По результатам замеров заполнялись таблицы вида (табл. 4.1), в которые для каждой клети заносились значения десяти радиус-векторов (не попадающих в разъем валков) при известном количестве прокатанных в калибре тонн профиля из стали определенной марки. Подобные таблицы получены для всех используемых на стане режимах прокатки от круглого профиля диаметром 5,5 мм до круга диаметром 16 мм для различного тоннажа. Всего было измерено 288 прокатных шайб для калибров с различной степенью износа. С целью определения геометрии износа калибра в любой момент времени, была решена задача нахождения пропорциональной зависимости между количеством прокатанного в калибре металла и износом валка по базисным направлениям контура калибра. Статистический анализ данных об износе валков на стане 300№3 ОАО «ММК» для марки стали СтЗ, (часть данных представлена в табл. 4.2 показал, что можно установить линейную зависимость износа калибра по каждому радиус-вектору от количества прокатанных тонн металла. Аналогичные выводы были сделаны в [99] и на основании обзора представленных в [100, 101, 102] исследований. Учитывая линейность, для прогнозирования износа при произвольном тоннаже можно использовать показатель единичного износа для каждого радиус-вектора. Формула для расчета показателя Ujn имеет следующий вид: где S - количество реальных изношенных и измеренных контуров рассматриваемого калибра; р - тоннаж, соответствующий контуру изношенного калибра. Таким образом, на основе статистических исследований и данных была получена линейная зависимость износа от количества прокатанного металла. Используя показатель единичного износа по всему периоду эксплуатации валка, можно путем его умножения на количество прокатанных тонн определять величину радиус-вектора, соответствующую этому тоннажу в любой промежуток времени. Это позволяет прогнозировать геометрию калибра при любом, в том числе, более длительном периоде его эксплуатации.
