Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Формирование поперечного профиля и плоскостности горячекатаных полос. математическое моделирование валковы систем листопрокатных станов 7
1.1. Требования к поперечному профилю и плоскостности горячекатаного листового проката 7
1.2. Особенности формирования поперечного профиля при горячей листовой прокатке 9
1.3. Обзор существующих способов воздействия на профиль и плоскостность полос 10
1.4. Проблемы формирования поперечного профиля полос на широкополосном стане 2500 горячей прокатки ОАО «ММК» 13
1.5. Анализ известных подходов к математическому моделированию нагрузок и деформаций валковых систем кварто и формированию поперечной разнотолщинности листового проката 16
1.5.1. Модели нагрузок и деформаций валковых систем кварто, основанные на теории сопротивления материалов 17
1.5.2. Об описании контактных взаимодействий в валковой системе кварто 21
1.5.3. Вариационное исчисление и метод конечных элементов в решении задач нагрузок и деформаций валковых систем кварто 23
1.6. Применение алгоритмов нечеткой логики на базе искусственных нейронных сетей для моделирования причинно-следственных связей 26
1.7. Задачи настоящего исследования 29
ГЛАВА 2. Совершенствование математической модели нагрузок и деформаций валковых систем кварто. применение нейронных сетей для пргонозирования износа поверхности бочек валков 32
2.1. Основные обозначения и расчетная схема, применяемые в модели 32
2.2. Дискретное описание деформаций и нагрузок 34
2.3. Описание деформаций опорного валка 34
2.4. Матрицы податливости, влияния моментов и поперечных сил 36
2.5. Описание деформаций рабочего валка 37
2.6. Распределения погонных нагрузок 39
2.6.1. Составляющие прогибов от межвалкового давления 39
2.6.2. Составляющие прогибов от давления полосьт 42
2.7. Профиль выходящей из клети полосы 43
2.8. Математическая модель нагрузок и деформаций валковых систем кварто 44
2.9. Описание контактного взаимодействия рабочих и опорных валков с учетом переменной жесткости их упругого контакта 45
2.10. Синтез текущих и начальных профилей валков 49
2.11. Анализ выходного профиля полосы, деформаций и нагрузок 51
2.12. Влияние регулирующей силы и усилия прокатки на профиль прокатываемых полос 52
2.13. Численное моделирование нагрузок и деформаций валковых систем кварто на основе уточненного описания контактного взаимодействия рабочего и опорного валков 53
2.14. Использование нейронных сетей для прогнозирования износа поверхности бочек опорных валков 56
ГЛАВА 3. Анализ и проектирование универсальных профилйровок валков стана 2500 горячей прокатки ОАО «ММК» для условий широкого размерного и марочного сортамента проката 60
3.1. Проверка адекватности математи ческой модели в условиях стана 2500 горячей прокатки ОАО «ММК» 60
3.2. Проектирование универсальной профилировки валков клетей стана 2500 горячей прокатки 66
3.3. Проектирование статистической модели износа поверхности бочек валков 77
3.4. Анализ применимости нейронных сетей для прогнозирования износа поверхности бочек опорных валков 83
ГЛАВА 4. Промышленное опробование самоустанавливающихся валковых систем стана 2500 горячей прокатки ОАО «ММК» и анализ неэффективности 88
4.1. Проектирование самоустанавливающихся профилировок валков, реализующих переменную длину межвалкового контакта 88
4.2. Практическое опробование универсальных профилировок валков с большой выпуклостью опорных 92
Заключение 98
Список использованных источников 100
Приложение 112
- Особенности формирования поперечного профиля при горячей листовой прокатке
- Дискретное описание деформаций и нагрузок
- Проектирование универсальной профилировки валков клетей стана 2500 горячей прокатки
- Практическое опробование универсальных профилировок валков с большой выпуклостью опорных
Введение к работе
Потребители листового проката традиционно предъявляют жесткие требования к его качеству по таким показателям как поперечная разнотолщинность и плоскостность. В связи с высокой рентабельностью данного вида продукта удовлетворение указанных требований является приоритетной задачей любого производителя металлопроката. Положение осложняется наличием у поставщиков одновременно большого числа заказчиков, потребляющих металлопрокат из всей номенклатуры. С этим обстоятельством связано возникновение затруднений и зачастую невозможности полноценного удовлетворения спроса по причине различных технических и технологических ограничений. Одним из таких ограничений является наличие затруднений при производстве полос широкого размерного и марочного сортамента в условиях одного стана.
Одним из решений в подобной ситуации является применение набора профилировок валков для отдельных групп профилеразмеров. Но указанное решение является трудно реализуемым по причине его сложности и значительным затратам.
Наиболее эффективным вариантом является применение валковых систем, обладающих саморегулированием, в основе которого лежит некоторая переменная характеристика. В качестве такой величины в валковых системах кварто может использоваться изменяемая длина межвалкового контакта. Таким образом, возможно получение комплексного технико-экономического эффекта от сокращения числа профилировок валков, а также стабилизации процесса формирования поперечного профиля листовой стали.
В связи с вышесказанным целью настоящего исследования является повышение качества широкополосной горячекатаной стали по поперечному профилю и форме в условиях широкого размерного и марочного сортамента станов на основе математического моделирования и совершенствования работы валковых систем кварто реализующих фактор саморегулирования.
Для достижения поставленной цели необходимо было спроектировать математическую модель нагрузок и деформаций валковых систем кварто, учитывающую нелинейный характер контактных взаимодействий рабочих и опорных валков, а также разработать статистическое описание образующей поверхности бочек опорных валков как функции времени.
Результатом исследований с использованием математической модели стали новые профилировки валков чистовой группы клетей стана 2500, позволяющих реализовать концепцию самоустанавливающихся валковых систем кварто с переменной длиной межвалкового контакта. При их использовании достигается получение требуемого профиля горячекатаных полос на всем размерном и марочном сортаменте при одновременном получением высокой плоскостности.
Особенности формирования поперечного профиля при горячей листовой прокатке
Процесс пластического формоизменения металла между валками идет по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Объем металла, смещаемый по высоте перемещается как в продольном, так и в поперечном направлениях. Чем шире и ниже очаг деформации, тем больший объем металла перемещается в продольном направлении и тем сложнее обеспечить равенство вытяжек по ширине полосы.
В связи с этим в условиях стана горячей прокатки возможность регулирования профиля поперечного сечения полосы уменьшается с приближением к последней клети. Поэтому целесообразно регулирование профиля осуществлять в черновых и первых клетях чистовой группы (когда толщина полосы остается относительно большой), а регулирование плоскостности производить в последних клетях [3]. При этом корректировка плоскостности в чистовых проходах оказывает незначительное влияние на поперечный профиль.
Для обеспечения высокой плоскостности проката в чистовых проходах необходимо выполнять условие постоянства вытяжек для всех продольных элементов полосы в соответствии со следующей зависимостью где Н0С, Ь\ - толщина полосы посередине поперечного сечения на входе и выходе из очага деформации; Но , hi - толщина полосы по кромкам поперечного сечения па входе и выходе из очага деформации. С целью получения требуемого профиля и плоскостности полос на стане горячей прокатки следует учитывать два взаимосвязанных аспекта: 1. Предварительная настройка исполнительных механизмов стана горячей прокатки до подачи полосы. 2. Динамическое корректирование профиля и плоскостности прокатываемой полосы для устранения начальных погрешностей и получения требуемых значений по длине полосы.
К основным элементам технологического оборудования, осуществляющего процесс формирования поперечного профиля и плоскостности полос, относят [4]: - станочные профили рабочих, опорных и промежуточных валков; - системы принудительного изгиба валков; - системы, осуществляющие тепловое воздействие на рабочий инструмент и обрабатываемый материал; - скрещивание и перекос валков; - системы осевого перемещения валков; - валки с изменяемым профилем бочки; - реализация асимметричного очага деформации и др.
Наиболее значимое влияние из перечисленных элементов оказывает станочная профилировка валков. Способ регулирования позволяет компенсировать износ валков [5], стабилизировать процесс прокатки [6], компенсировать местное сплющивание валков [7], а также компенсировать упругий прогиб валковых систем. Следует отметить, что данный вид регулирования не позволяет оперативно реагировать на изменяющиеся условия прокатки.
Системы принудительного изгиба валков являются наиболее оперативным способом регулирования, основанным на упругой податливости тел действию изгибающего момента и поперечных сил. Изгиб валков может осуществляться как в вертикальной, так н в горизонтальной плоскостях с использованием гидравлических цилиндров, клиньев или стяжных винтов [8-12].
Тепловое регулирование основано на способности тел изменять свои геометрические размеры и объем при изменении температуры. Данный вид регулирования может быть как внешним [13-19], так и внутренним [20-22] и осуществляться по отношению к рабочему инструменту или обрабатываемому материалу. Представленный вид регулирования является инерционным и применяется для чистовой настройки стана. Преимущество данного метода -в возможности воздействовать на асимметричные дефекты плоскостности.
Скрещивание валков основано на изменении расстояния между рабочими валками при изменении угла разворота валков относительно друг друга. Выделяют раздельное [23-24], попарное [25-28] и рассогласованное [29-32] скрещивание валков. Преимуществом данного метода является возможность использования цилиндрических валков без их профилирования.
Дискретное описание деформаций и нагрузок
Коэффициент Клк приближенно представляет тангенс угла наклона относительно оси абсцисс касательной к кривой р= р(х) в точке среднего по ширине полосы обжатия. Он отыскивается путем деления соответствующего приращения погонного давления на малое приращение обжатия, взятое около среднего.
Функционально формулы (2.48) и (2.49) идентичны и описывают податливость упругих цилиндрических тел совместному сжатию на границе контакта их поверхностей. Таким образом, коэффициент податливости на сжатие рабочих валков Кс аналогично коэффициенту К носит неравномерный характер и зависит от величины погонной нагрузки.
Величина коэффициента вязкопластической податливости полосы зависит от величины абсолютного обжатия и величины погонного давления металла на валки. При этом величина абсолютного обжатия полосы по ширине изменяется незначительно и, соответственно, незначительно варьируется величина погонного давления.
Таким образом, изменение величин коэффициентов податливости Кс и Клн происходит в незначительном диапазоне. В связи с этим, принимаем величины Кс и Кд/, постоянными и не зависящими от координаты на половине ширины полосы. Коэффициент К является переменной величиной, а его изменчивость является функцией величины межвалкового давления. В частности, он не постоянен по длине бочки валков.
Учет нелинейного характера податливости рабочего и опорного валков совместному сжатию в модели можно реализовать через представление коэффициента податливости К как диагональной матрицы, значение элементов которой определяются в зависимости от величины погонных давлений на каждом дискретном участке [105]. Таким образом, уравнение (2.24) примет вид
Анализируя уравнения (2.54) и (2.55) получаем, что значения элементов матрицы коэффициента податливости рассчитываются в соответствии с распределением погонных нагрузок на контакте рабочего и опорного валков, которое в свою очередь зависит от значений первых. Решение подобной задачи может быть получено с применением итерационных процедур. При этом первый шаг вычислений выполняют на основе прежней методики, с использованием среднего значения межвалкового давления, последующие шаги выполняют для уточненных значений элементов вектора межвалкового давления.
Значительное изменение величины коэффициента податливости в области малых межвалковых давлений приводит к невозможности отыскания фактической длины межвалкового контакта и, как следствие, отсутствию сходимости итерационной процедуры.
Решение проблемы для случая постоянного шага дискретизации может бьпъ получено заменой расчета крайнего к границе контакта коэффициента податливости линейной экстраполяцией значений двух предшествующих диагональных элементов матрицы по формуле
Количество и гераций, необходимое для получения единственного решения, зависит от неравномерности распределения межвалкового давления. При нулевом градиенте межвалкового давления количество итераций сводится к одной, при этом все диагональные элементы матрицы, отвечающие области контакта валков, заполняются одинаковыми значениями, рассчитанными по уравнению (2.48). С увеличением градиента погонного давления количество итераций увеличивается и становится максимальным при уменьшении фактической длины контакта валков.
Далее на основе применения усовершенствованной математической модели представим решение задач проектирования (синтеза) профилей валков и анализа выходного профиля полосы, деформаций и нагрузок
Проектирование универсальной профилировки валков клетей стана 2500 горячей прокатки
Продукция, выпускаемая на стане 2500 горячей прокатки ОАО «ММК» (ЛПЦ-4) представлена широким размерным и марочным сортаментом полос. В связи с этим использование единой или универсальной системы профилирования валков чревато появлением дефектов плоскостности таких как двусторонняя краевая «волнистость» и центральная «коробоватость». При этом дефект «волнистость» чаще наблюдается на полосах из низколегированных марок сталей, что связано со значительными усилиями прокатки и большими прогибами валковых систем; «коробоватость» чаще наблюдается на узких полосах из рядовых марок сталей, связанной с малыми усилиями прокатки и прогибами валков. Таким образом, проектируемая система профилирования валков чистовых клетей стана 2500 должна удовлетворять требованиям получения плоского раската на полосах разных ширин и марок сталей, а также допускать малый разброс значений поперечной разнотолщинности.
Опыт эксплуатации лрофилировок валков, которые обеспечивают реализацию фиксированных условий работы валковых систем, не приводит к положительному результату. Вследствие большого диапазона значений факторов, определяющих работу валковых систем, требуется использования фактора саморегулирования валковой системы, в основе которого лежит некоторая изменяемая характеристика. Такой величиной может являться переменная длина межвалкового контакта. Применение подобных валковых систем позволяет стабилизировать форму межвалкового зазора за счет перераспределения погонных нагрузок и прогибов валков, а также повысить эффективность систем гидромеханического регулирования профиля полос.
В настоящей работе для реализации валковых систем кварто с изменяемой длиной межвалкового контакта предлагается использовать опорные валки с большой шлифовочной выпуклостью (рис. 3.2).
Как видно из табл. 3,7, синтезированные профили рабочих валков отличаются большей величиной вогнутости бочки по сравнению с прежней системой профилирования. Увеличение величины вогнутости бочки в последних трех клетях связано с расширением возможных диапазонов уставок систем ГРП.
В табл. 3.8 представлена численная оценка эффективности использования опорных валков с большой шлифовочной выпуклостью бочки. Видно, что с увеличением выпуклости бочек опорных валков наблюдается снижение негативного влияния нестабильности усилия прокатки на форму межвалкового зазора, а также расширяются возможности систем ГРП. При этом эффективность систем гидромеханического регулирования профиля наиболее интенсивно возрастает при прокатке узких полос, а снижение негативного влияния колебаний усилия прокатки сопоставимо.
Практическое опробование универсальных профилировок валков с большой выпуклостью опорных
Внедрение спроектированной системы профилирования валков осуществлялось поэтапно, В ходе первого этапа были подготовлены и опробованы следующие профилировки рабочих и опорных валков чистовых клетей стана 2500 (табл. 4.3).
Контрольные точки при выполнении станочных профилей валков были получены в соответствии с параболическим распределением с показателем степени два. Точность выполнения профилей валков составляла ±0,02 мм, что является допустимым с позиций обеспечения удовлетворительной плоскостности и поперечной разнотолщинности горячекатаных полос.
Переход на новую систему профилирования осуществлялся постепенно. Для этого были подготовлены опорные валки с выпуклостью +3 мм для клети №11 и +2 мм для клети №10. В ходе остановки стана на планово-предупредительный ремонт (11.05.2006) опорные валки с указанной величиной выпуклости были завалены в клети. Данная мера последовательного внедрения новой профилировки с последних клетей чистовой группы была предпринята с целью обеспечения возможности вывода клетей из эксплуатации в случае неудовлетворительной работы валковых систем. Как показали результаты опытной прокатки, спроектированные профилировки валков позволили осуществить прокатку полос всего размерного и марочного сортамента стана с удовлетворительной плоскостностью. В связи с этим было принято решение перевода чистовой группы стана 2500 на использование опорных валков с большой выпуклостью бочки. Полная замена применявшейся ранее системы профилирования валков была осуществлена 2.06.2006.
В период с 2.06.2006 по 31.08.2006 осуществлялся систематический мониторинг работы стана с фиксацией всех качественных и количественных изменений показателей. Анализ производства стана за указанный период показал снижение значений поперечной разнотолщинности полос; - на полосах шириной до 1250 мм (включительно) до 0,064 мм; - при ширине от 1250 до 1500 мм (включительно) до 0,076 мм; - при ширине более 1500 мм до 0,087 мм.
Снижение значения поперечной разнотолщинности составило: - на полосах .шириной до 1250 мм (включительно) - 0,010 мм; - при ширине от 1250 до 1500 мм (включительно) - 0,011 мм; - при ширине более 1500 мм - 0,023 мм.
Также было отмечено снижение разброса значений поперечной разнотолщинности полос в пределах партий.
Особенностью применения опорных валков с большой станочной выпуклостью бочки явилось увеличение продолжительности межперевалочного срока последних клетей с одной до двух недель. При этом замеры профилей износа опорных валков (см. рис. 4.1 и 4.2) показали сохранение их общей выпуклой формы в течение всей кампании, что способствует поддержанию профилировок рабочих валков в минусовой зоне.
