Содержание к диссертации
Введение
1 Дефекты поверхности холоднокатаной продукции и развитие технологии холодной прокатки 9
1.1 Требования нормативных документов, определяющие параметры холоднокатаных полос и листов 9
1.2 Поверхностные дефекты холоднокатаных полос .14
1.3 Формоизменение, выкатываемость поверхностных дефектов листа .18
1.4 Современные представления о причинах образования и путях предотвращения дефектов поверхности .31
1.5 Выводы по главе 1 .38
2 Исследование влияния характеристик холоднокатаной продукции на образование дефектов поверхности 41
2.1 Анализ отсортировки и отбраковки холоднокатаной продукции в ЛПЦ-2 АО «АрселорМиттал Темиртау» 41
2.2 Выявление причин отсортировки и отбраковки холоднокатаной продукции .43
2.3 Изучение механических свойств холоднокатаных листов 46
2.4 Выводы по главе 2 .58
3 Исследование формоизменения поверхностных дефектов холоднокатаной продукции 60
3.1 Исходные данные и методика исследования формоизменения поверхностных дефектов холоднокатаной продукции 60
3.2 Исследование формоизменения дефектов на стальных образцах 61
3.3 Математическое моделирование формоизменения дефектов на ЭВМ с использованием МКЭ 71
3.4 Выводы по главе 3 .82
4 Моделирование выкатываемости дефектов и оптимизация режимов холодной прокатки на стане 1700 АО «Арселормиттал темиртау» 84
4.1 Технологическая и математическая постановка задачи оптимизации режима холодной прокатки .84
4.2 Определение ресурса пластичности при холодной прокатке .87
4.3 Программа оптимизации режимов холодной прокатки 90
4.4 Анализ существующих режимов прокатки АО «АрселорМиттал Темиртау» .94
4.5 Оптимизация режимов холодной прокатки на стане 1700 АО «АрселорМиттал Темиртау» по выбранным критериям 97
4.6 Выводы по главе 4 100
Заключение 103
Нормативные ссылки 105
Список сокращений и условных обозначений .106
Словарь терминов 111
Список литературы
- Поверхностные дефекты холоднокатаных полос
- Выявление причин отсортировки и отбраковки холоднокатаной продукции
- Математическое моделирование формоизменения дефектов на ЭВМ с использованием МКЭ
- Программа оптимизации режимов холодной прокатки
Введение к работе
Актуальность работы. Обеспечение соответствия свойств
металлопродукции требуемым нормам является одной из основных задач
современного прокатного производства и занимает особое место в научно-
производственной деятельности промышленных предприятий. Холоднокатаные
листы и полосы помимо оптимальной структуры и требуемых механических
свойств, должны обладать высоким качеством поверхности. Поверхностные
дефекты механического происхождения снижают потребительские
характеристики проката, а также увеличивают отсортировку и отбраковку металлопродукции. Также поверхностные дефекты являются своеобразными концентраторами напряжений, в зоне которых могут возникать сквозные разрывы, а это в свою очередь может привести к обрыву полосы при прокатке. На выкатываемость поверхностных дефектов большое влияние оказывает напряженно-деформированное состояние в зоне дефекта, которое в свою очередь зависит от режима прокатки. Также вызывает интерес механизм влияния формы дефектов на их формоизменение в процессе прокатки.
Поэтому изучение особенностей формоизменения поверхностных
дефектов полосы при холодной прокатке остается актуальной задачей.
Определение параметров, влияющих на формоизменение дефектов,
приводящих к их выкатываемости, а также выявление условий
способствующих появлению дефектов и их росту в процессе прокатки, позволяют в дальнейшем совершенствовать технологию производства с целью повышения качества поверхности металлопродукции.
Работа выполнена в рамках договора о сотрудничестве между РГП «Карагандинский государственный индустриальный университет» и АО «АрселорМиттал Темиртау».
Цель работы. Целью данной работы является исследование
особенностей образования и моделирование трансформации углублений различной формы на поверхности металла для разработки режимов холодной прокатки, способствующих предотвращению образования недопустимых дефектов поверхности проката и обрывности полос.
Задачи работы:
- выявление дефектов поверхности холоднокатаного проката,
значительно влияющих на отсортировку и отбраковку готовой продукции, а
также проведение статистического анализа параметров холоднокатаных полос
и листов с выявлением факторов, влияющих на образование поверхностных
дефектов;
- выявление факторов, влияющих на трансформацию дефектов
поверхности, а также анализ напряженно-деформированного состояния в зоне
дефектов на основе результатов физического и математического
моделирования процесса прокатки металла с поверхностными дефектами;
- исследование и оптимизация существующих режимов прокатки на
пятиклетевом стане 1700 АО «АрселорМиттал Темиртау» с целью повышения
выкатываемости поверхностных дефектов без превышения энергосиловых параметров прокатки и степени ресурса пластичности металла.
Научная новизна:
выявлены особенности трансформации углублений различной формы на поверхности металла при холодной прокатке, а также установлены особенности влияния формы углубления на распределение напряжений, возникающих при прокатке по контуру дефекта;
получены статистически надежные с доверительной вероятностью 95% аппроксимации, отображающие изменение относительной глубины поверхностных дефектов типа «вдав», «царапина» и «накол» в зависимости от их начальных размеров, а также от суммарного относительного обжатия, коэффициента трения, переднего и заднего удельных натяжений при холодной прокатке, что позволяет количественно оценивать и интерпретировать влияние параметров холодной прокатки на изменение глубины указанных дефектов, а также определять опасность развития дефекта в разрыв;
- закономерности трансформации дефектов поверхности посредством
совместного влияния различных факторов и установление зависимостей
снижения дефектообразования в очаге деформации без превышения
энергосиловых параметров прокатки и степени использования ресурса
пластичности металла.
Практическая значимость работы:
- выявлено, что одной из причин образования поверхностных дефектов
при холодной прокатке могут быть дефекты поверхности горячекатаного
проката типа «остатки от окалины»;
выявлено, что на напряженно-деформированное состояние в зоне дефекта оказывает влияние форма поперечного профиля поверхностного дефекта, это в свою очередь определяет его дальнейшую трансформацию;
получены модели зависимости механических свойств углеродистой стали (твердость, предел текучести, предел прочности, относительное удлинение) от суммарного обжатия в холоднокатаном и отожженном состоянии с учетом особенностей ее производства в условиях АО «АрселорМиттал Темиртау»;
- получены уравнения регрессии, позволяющие оценить влияние обжатия
при прокатке на относительную глубину поверхностных дефектов типа
«царапина», «накол» и «вдав»;
- создана компьютерная программа для разработки режимов холодной
прокатки углеродистой стали на непрерывном стане, при которых
обеспечивается улучшение выкатываемости поверхностных дефектов полосы, а
также предотвращается ее обрыв в межклетевых промежутках;
- получено уравнение взаимосвязи обжатия, переднего и заднего
натяжений и коэффициента трения, использование которого при разработке
режима холодной прокатки углеродистой стали на непрерывном стане снижает
вероятность неблагоприятной трансформации поверхностных дефектов.
Методы исследования:
статистический анализ экспериментальных данных;
методы теории подобия и моделирования процессов обработки металлов давлением при проведении лабораторных экспериментов;
- метод конечных элементов при использовании специализированного
программного комплекса Deform 3D.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты статистических исследований дефектов поверхности при
холодной прокатке полос;
- результаты теоретических исследований влияния начальной
относительной глубины дефекта, относительного обжатия, переднего
натяжения, коэффициента трения на выкатываемость дефектов поверхности
полос;
- новые технологические решения по улучшению качества поверхности
холоднокатаных полос и листов.
Достоверность и обоснованность полученных выводов и результатов подтверждается совместным использованием воспроизводимых по точности методов математического моделирования процессов прокатки, основанных на современных достижениях теории пластичности, и методик проведения экспериментов в лабораторных и промышленных условиях.
Апробация работы:
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и
обсуждены на следующих конференциях: международная научная конференция
«Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030»
(г.Караганда, 2007г. и 2009г.); международная научно-практическая
конференция «Научно-технический прогресс в металлургии» (г.Темиртау,
2007г. и 2009г.); 22 международная конференция «Metal 2013» (г.Брно,
Чешская республика, 2013г.); VII международная научно-практическая
конференция «Научно-технический прогресс в металлургии», посвященная 50-летию Карагандинского государственного индустриального университета (г.Темиртау, 2013г.); международная научно-практическая конференция «Современная металлургия начала нового тысячелетия» к 80-летию НЛМК (г.Липецк, 2014г.); V международная конференция «Прогресс в материалах и производственных процессах» (ICAMMP-2014, г.Фучжоу, КНР, 2014г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 научных статей. В том числе 2 статьи в российском журнале из Перечня ВАК РФ, 2 статьи в изданиях, индексируемых в Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 145 страницах, включает 35 рисунков и 20 таблиц. Состоит: из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 127 наименований отечественных и зарубежных авторов, 7 приложений.
Поверхностные дефекты холоднокатаных полос
Поверхность холоднокатаных полос и листов является отражением их производства на всех этапах технологического процесса – от выплавки стали до упаковки готовой продукции. Уровень совершенства любой технологической операции и применяемого для ее выполнения оборудования, степень и характер отклонения процесса от установленного инструкцией влияет на качество поверхности тонколистовой продукции. При анализе состояния поверхности листовой стали, устанавливается соответствие показателей качества продукции требованиям стандартов и других нормативных документов, а также, регистрируется и анализируется производство листовой продукции с целью оптимизации всех технологических режимов [1, 2].
Наряду с ростом производства и потребления листовой стали непрерывно повышаются требования к качеству этой продукции. Качество листов и полос определяется точностью их размеров и формы, химическим составом и физико-механическими свойствами стали, состоянием поверхности. Изменение требований к состоянию поверхности листового проката различного назначения отражается в стандартах и технических условиях на эту продукцию. [3, 4].
Потребляющие металл отрасли промышленности предъявляют различные требования к качеству поверхности листового проката. Это обусловлено разным назначением металла и определяется технологией последующей переработки листов, полос, жести (штамповка, покраска, нанесение металлических покрытий и др.), требованиями к качеству поверхности изготовляемых из листовой стали изделий. Наиболее жесткие требования предъявляются к горячекатаной и холоднокатаной стали, предназначенной для изготовления холодной штамповкой кузовных деталей автомобилей и др. При классификации листовой стали по группам поверхности в стандартах за основной критерий принимается наличие различных дефектов и их параметры (внешний вид, размеры, строение, микроструктура) [5, 6].
Поверхность горячекатаных и холоднокатаных полос и листов по тем или иным причинам нередко поражается дефектами. Такой металл не может быть эффективно использован в промышленности. Дефект на поверхности тонколистовой заготовки во время ее формоизменения может вызвать в соответствующем месте концентрацию напряжений и резкий рост степени деформации металла. Дефект окажется очагом разрушения металла во время дальнейшей обработки [7, 8].
Поверхность проката, поставляемого по ГОСТ 9045-93, должна быть без плен, пузырей-вздутий, вкатанных металлических частиц, порезов, раскатанных загрязнений. Расслоения не допускаются. Согласно ГОСТ 9045-93, наиболее высококачественной считается холоднокатаная тонколистовая сталь особо высокой отделки – I группы. На лицевой (лучшей по качеству поверхности) стороне листов и полос I группы отделки не допускаются отдельные мелкие риски и царапины длиной более 20 мм. На обратной стороне не допускаются царапины и раковины-вдавы, превышающие половину предельного отклонения по толщине листа. Поверхность лицевой стороны металла II группы отделки не должна иметь рябизны, рисок, царапин длиной более 50 мм, превышающих предельное отклонение по толщине листов и полос. На обратной стороне не допускаются рябизна, риски, царапины, следы зачистки, раковины-вдавы, отпечатки, превышающие предельное отклонение по толщине листа или рулона. Допускаются пятна загрязнений. На обеих сторонах металла II группы на расстоянии, превышающем 50 мм от кромок листов и полос, не допускаются цвета побежалости. На металле III группы отделки поверхности не допускаются рябизна, риски, царапины, следы зачистки, раковины-вдавы, отпечатки, превышающие предельные отклонения по толщине листов и полос. Допускаются пятна загрязнений. Цвета побежалости не допускаются на расстоянии более 200 мм от кромок листов и полос. По согласованию потребителя с изготовителем цвета побежалости допускаются на всей поверхности [9, 10].
ГОСТ 9045-93 разрешает уточнять характеристику качества отделки поверхности по согласованным образцам (эталонам). Допускается удаление поверхностных дефектов зачисткой мелкозернистым наждачным или войлочным кругом с наждачной пастой для всех групп, за исключением лицевой стороны листа I группы отделки поверхности. Глубина зачистки не должна выводить листы за предельные минусовые отклонения по толщине. Важнейшими пунктами стандартов на листовую сталь являются требования к состоянию поверхности металла. ГОСТ 9045-93 классифицирует поверхность холоднокатаного тонколистового проката так: глянцевая, матовая, шероховатая. Для глянцевой поверхности листов и полос I группы величина шероховатости Ra должна быть не более 0,6 мкм; для матовой – Ra = 0,8-1,6 мкм; для шероховатой – Ra более 1,6 мкм [11].
Согласно ГОСТ 16523-97, поверхность холоднокатаного проката должна быть без плен, сквозных разрывов, пузырей-вздутий, раскатанных пузырей, пятен слипания сварки, порезов, надрывов, вкатанной окалины, перетравов, недотравов, полос нагартовки, вкатанных металлических и инородных частиц. Расслоения не допускаются. На обеих сторонах проката II группы отделки не допускаются дефекты, глубина которых превышает 1/2 суммы предельных отклонений по толщине и выводящие прокат за минимальные размеры по толщине, а также цвета побежалости на расстоянии, превышающем 50 мм от кромок. На лицевой стороне (лучшей по качеству поверхности) не допускаются риски и царапины длиной более 50 мм. На обеих сторонах проката III группы отделки не допускаются дефекты, глубина которых превышает 1/2 суммы предельных отклонений по толщине и выводящие прокат за минимальные размеры по толщине. На поверхности проката IIIа группы отделки не допускаются цвета побежалости на расстоянии более 200 мм от кромок, IIIб группа отделки характеризуется тем, что цвета побежалости допускаются по всей дине поверхности проката. ГОСТ 16523-97 допускает удаление поверхностных дефектов зачисткой мелкозернистой наждачным или войлочным кругом с наждачной пастой проката III группы отделки поверхности. Глянцевая поверхность характеризуется шероховатостью Ra не более 0,6 мкм; матовая – Ra не более 1,6 мкм; шероховатая – Ra не более 1,6 мкм [12]. Стандарт DIN EN 10130-91 регламентирует два типа поверхности А или В. Тип поверхности А допускает дефекты, как например, поры, небольшие канавки, бугорки, легкие царапины и легкое окрашивание, которые не сказываются на пригодности к формоизменению и схватываемости покрытий поверхности. Тип поверхности В, у которой лучшая сторона не должна иметь дефектов, так чтобы они не сказывались на целостном внешнем виде качественной лакировки или электролитически нанесенного покрытия. Другая сторона должна соответствовать, как минимум, требованиям, предъявляемым к типу поверхности А. Изделия могут применяться для нанесения металлического покрытия погружением в расплав, нанесения электролитического покрытия и/или органического и другого покрытия. Если такое покрытие предусмотрено.
Выявление причин отсортировки и отбраковки холоднокатаной продукции
Таким образом, полученные уравнения (2.2)-(2.7) являются адекватными. С целью исследования механических свойств металла проведены механические испытания холоднокатаных и отожженных образцов. Построены модели зависимости механических свойств от суммарного обжатия. Полученные данные в целом подтверждают результаты, ранее проведенных исследований. При сравнении полученных данных воспользуемся таблицей перевода значений твердости [81], найденных по разным методам (Бринелля, Роквелла). Так согласно источнику [82] твердость стали марки 08кп после прокатки без последующей термообработки составляет 131 единиц по шкале Бринелля или 72,96 единиц по шкале Роквелла. По рисункам 2.3-2.5, полученные данные твердости после прокатки по шкале Роквелла в зависимости от суммарного обжатия составляют: 74 (при в = 38%), 76 (при в = 54%) и 78,5 (при єЕ = 74%). Максимальная разность результатов не превышает 8%. Согласно источнику [83] твердость стали марки 08кп после отжига составляет 100 единиц по шкале Бринелля или 52,4 единиц по шкале Роквелла. По рисункам 2.3-2.5, полученные данные твердости после отжига по шкале Роквелла в зависимости от суммарного обжатия составляют: 50 (при єЕ = 38%), 53 (при єЕ = 54%) и 59,5 (при єЕ = 74%). Максимальная разность результатов не превышает 12%.
Согласно источникам [84, 85] относительное удлинение стали марки 08кп после отжига составляет 34%. Согласно данным таблицы 2.5, полученные данные относительного удлинения образцов после отжига колеблются в пределах 31-38%. Максимальная разность результатов не превышает 11%.
Анализ данных зависимости предела прочности (ов) от суммарного обжатия стали 08кп не прошедшей последующего отжига, согласно источнику [86] показывает, что ав = 574 МПа, при sz = 40%; ав = 616 МПа, при sz = 50%; ов = 651 МПа, при sz= 60%. Сравнение с данными рисунков 2.3-2.5 показывает, что ав = 580 МПа, при єЕ = 38%; ав = 620 МПа, при єЕ = 54%. Разность результатов не превышает 5%. Данные таблицы 2.5 в полной мере подтверждают сведения источника [87], в котором указывается, что предел прочности (ов) стали 08кп термически обработанных холоднокатаных листов находится в пределах 260-380 МПа. Таким образом, полученные данные зависимости механических свойств от суммарного обжатия холоднокатаного и отожженного металла в полной мере подтверждают результаты других исследователей.
Согласно работе [88] провели металлографическое исследование прокатанной полосы. С применением микроскопа отраженного света «Neophot 21» определили зерно исходной полосы - вытянутое, 9-го балла. Прокатку исходной полосы провели на опытно-промышленном стане 200 АО «АрселорМиттал Темиртау». Полосу прокатывали и отжигали по режимам, принятым в АО «АрселорМиттал Темиртау». Полосу прокатали по цеховому режиму обжатий и натяжений (режим А), а также по режиму, предусматривающему увеличение частного обжатия и переднего натяжения (режим Б). Натяжения замеряли при помощи стрессометров и регулировали посредством изменения скоростей моталок. Режимы обжатий и натяжений приведены в таблицах 2.6 и 2.7. Отжиг полосы проводили в нагревательной печи с применением защитной азотной атмосферы. Нагрев производили в соответствии с режимом принятым в АО «АрселорМиттал Темиртау».
Металлографические исследования после прокатки холоднокатаной полосы проведены с применением оптического микроскопа «LEICADM IRM НС» согласно ГОСТ 5639-82. Использовали образцы, предварительно прошедшие шлифовку, полировку и травление, размерами hb -30x40 мм. С целью подготовки поверхности металла к металлографическим исследованиям образцы шлифовали на шлифовально-полировальном станке «TEGRA POL EGRA FORCE» с применением шлифовальных дисков. Далее образцы полировали пастой ГОИ с применением полировального сукна и травили в 10%-ном растворе азотной кислоты. Полученные результаты сравнивали по эталонным 10-ти бальным шкалам.
Из таблицы 2.8 следует, что S2(Н) по режимам А и Б практически не отличаются. S2(В) по режиму А в 1,95 раза больше, чем по режиму Б. Следовательно, полоса, прокатанная по режиму Б имеет меньшее отклонение размеров зерен от среднего значения по сравнению с полосой, прокатанной по режиму А. S2(В/Н) по режиму Б в 2,25 раза больше, чем по режиму А. Следовательно, полоса, прокатанная по режиму Б имеет более вытянутую форму зерен, чем полоса, прокатанная по режиму А. С целью оценки соответствия микроструктуры требованиям нормативной документации проведен количественный металлографический анализ (таблица 2.9). Таблица 2.9 – Результаты количественного металлографического анализа Режим А Режим Б Sv AV Sv AV 0,186 0,19110 3 0,187 0,18910 3
По результатам таблицы 2.9 следует, что удельная поверхность границ зерен (Sv) по режиму Б выше. Следовательно, металл, прокатанный по режиму Б имеет более мелкое зерно, что и подтверждается средней площадью зерна A, (по режиму Б средняя площадь зерна меньше, чем по цеховому режиму А). Как показали результаты исследований, с увеличением относительного обжатия и одновременным увеличением переднего натяжения структура металла принимает более вытянутую форму, зерно становится более мелкое, при этом прочностные характеристики возрастают. Таким образом, полученные данные о влиянии технологических параметров процесса холодной прокатки на механические свойства и микроструктуру металла могут быть использованы при разработке оптимальных режимов прокатки холоднокатаной полосы с обеспечением выкатываемости дефектов поверхности.
Анализ данных показал, что на предприятии АО «АрселорМиттал Темиртау» отсортировка холоднокатаной продукции по дефектам поверхности «наколы» достигает 1,82%. Статистический анализ данных показал, что значимое влияние на отсортировку оказывают содержание в стали никеля, относительное удлинение и ширина полосы. Совместное влияние указанных параметров может быть отображено статистически надежной линейной аппроксимацией. Полученные данные свидетельствуют о том, что с увеличением содержания никеля в стали количество отсортированных по дефектам «наколы» листов уменьшается, а с увеличением относительного удлинения и ширины полосы отсортировка металла по дефектам «наколы» увеличивается.
Проведен анализ влияния суммарного обжатия при холодной прокатке на механические свойства холоднокатаного и отожженного металла. С высоким коэффициентом детерминации R2 получили адекватные модели зависимости твердости HR, относительного удлинения S, пределов прочности оВ и текучести оТ от суммарного обжатия. Полученные данные в целом подтверждают результаты, ранее проведенных исследований. Результаты металлографических исследований показали, что с увеличением относительного обжатия и одновременным увеличением переднего натяжения зерна становятся более мелкими и принимают более вытянутую форму, при этом прочностные характеристики возрастают.
Математическое моделирование формоизменения дефектов на ЭВМ с использованием МКЭ
Как видно из таблицы 3.6, разница между результатами математического и физического моделирования не превышает 5%.
На следующем этапе, с использованием работ [101-104], смоделирован процесс формоизменения поверхностных дефектов при холодной прокатке полос на непрерывном пятиклетевом стане 1700 АО «АрселорМиттал Темиртау». Согласно сортаменту стана смоделирована область (50100 мм) полосы толщиной 4,5 мм. Выбор упруго-пластичной модели с упрочнением деформируемой среды обусловлен тем, что данная модель более корректно имитирует деформацию металла в холодном состоянии. Дефекты наносились в виде углублений на поверхности полосы (рисунок 3.7). Принимали материал рабочих валков сплошной, несжимаемый диаметром 600 мм. В качестве материала полосы задавали сталь, аналогичную стали 08кп. Температуру прокатки задавали 20С. На контакте полосы с прокатными валками задавали коэффициент трения 0,03 и 0,07, что соответствует условиям холодной прокатки. На полосе смоделировано семь поверхностных дефектов разной глубины и с разным профилем поперечного сечения (рисунок 3.8).
Поверхностные дефекты типа «вдав» могут иметь как прямоугольный, так и округлый профиль. Треугольный профиль в большей степени характерен поверхностным дефектам типа «накол». Начальные относительные глубины дефектов варьировали в пределах 10-45% от толщины полосы. Скорость прокатных валков постоянна на протяжении всего процесса. На полосу задавали оптимальную координатную сетку (100 тысяч элементов), исходя из 73 того, что повышение количества элементов при заданных размерах полосы отрицательно сказывается на времени расчетов. Формоизменение поверхностных дефектов различного профиля с различной начальной относительной глубиной do/ho, прокатанных с разными суммарными обжатиями sz и при разных коэффициентах трения fTP приведены в таблице 3.7.
Анализ полученных данных показывает, что наиболее опасными дефектами являются дефекты прямоугольного профиля (рисунок 3.8 а)), это объясняется наличием двойного концентратора напряжений в углах профиля. Разность напряжений в точках составляет до 171 МПа (рисунок 3.12). Дефекты треугольного профиля (рисунок 3.8 б)), хотя и имеют один концентратор напряжений, также являются опасными дефектами. В них при прокатке может развиваться сквозное макроразрушение. Разность напряжений в точках составляет 123 МПа (рисунок 3.14). Дефекты, имеющие округлый профиль, являются наименее опасными (рисунок 3.8 в)). Разность напряжений в точках составляет 5 МПа (рисунок 3.13), что свидетельствует о более равномерном распределении напряжений.
Физическим моделированием на опытно-промышленном стане 200 АО «АрселорМиттал Темиртау» установлено, что мелкие раковины глубиной менее 0,05 мм, не имевшие остатков окалины, выкатываются, не оставляя следов на поверхности полосы. Раковины глубиной более 0,05 мм с остатками окалины трансформируются в темные штрихи, вытянутые вдоль оси прокатки. Таким образом, экспериментально подтверждена гипотеза о трансформации дефектов типа «раковина от окалины» в светлые и темные штрихи на поверхности холоднокатаного проката.
С использованием методов математической статистики рассчитали адекватное линейное уравнение регрессии с коэффициентом детерминации Д2=0,69, со статистически значимыми коэффициентами, описывающее для дефекта «вдав» зависимость текущей относительной глубины поверхностного дефекта St/hi от суммарного относительного обжатия ss, коэффициента контактного трения fТР, переднего qi и заднего qo натяжений. Из полученного уравнения следует, что с увеличением суммарного относительного обжатия єх, коэффициента трения fjp и переднего удельного натяжения qj текущая относительная глубина дефекта Silhi уменьшается, т.е. дефект выкатывается. Обратное влияние на Silhi оказывает заднее натяжение qo. Увеличение начальной относительной глубины дефекта 80lh0 естественным образом увеличивает параметр 8i/hi , увеличивая опасность развития дефекта в разрыв. Таким образом, получено уравнение, позволяющее интерпретировать влияние важных технологических факторов на изменение глубины дефекта «вдав» и определять условия, при которых дефект может быть выкатан или будет развиваться в разрыв.
Проведено математическое моделирование трансформации дефектов поверхности при прокатке. Поверхностные дефекты типа «вдав» могут иметь как прямоугольный, так и округлый профиль. Треугольный профиль в большей степени характерен поверхностным дефектам типа «накол». Результаты исследований показали, что выкатывание дефектов прямоугольного профиля происходит менее интенсивно, чем дефектов треугольного профиля. Формоизменение дефектов при сравнительно небольшой относительной глубине имеет схожий характер и практически не зависит от профиля дефекта. Провели анализ напряженного состояния внутренней части дефектов. Анализ полученных данных показал, что наиболее опасными дефектами являются дефекты прямоугольного профиля, это объясняется наличием двойного концентратора напряжений в углах профиля. Разность напряжений в точках составляет до 171 МПа. Дефекты треугольного профиля ввиду присутствия одного концентратора напряжений, также являются опасными дефектами, в зоне которых при прокатке может развиваться сквозное макроразрушение. Разность напряжений в точках составляет 123 МПа. Дефекты, имеющие округлый профиль, являются наименее опасными. Разность напряжений в точках составляет 5 МПа, что свидетельствует о более равномерном распределении напряжений. Таким образом, поверхностные дефекты типа «вдав» (имеющие прямоугольный профиль) и «накол» (имеющие преимущественно треугольный профиль) могут являться причинами возникновения обрывов полосы при холодной прокатке.
Программа оптимизации режимов холодной прокатки
Натяжение при прокатке по цеховому режиму находится в пределах 0,2Т, увеличение натяжения до 0,275Т приводит к некоторому понижению усилия прокатки (рисунок 4.5). Перераспределение обжатий по клетям приводит к некоторому увеличению мощности прокатки в третье клети (рисунок 4.6). Оптимизированный режим прокатки характеризуется более интенсивным использованием ресурса пластичности, при этом не происходит полное его исчерпание (рисунок 4.7). Более интенсивное использование ресурса пластичности, с одной стороны положительно сказывается на выкатываемости поверхностных дефектов, с другой стороны имеется опасность исчерпания ресурса пластичности, что может привести к разрушению полосы в очаге деформации. В последней клети происходит окончательное формирование поверхности полосы, следовательно, уменьшение длины зоны опережения положительно скажется на снижении дефектообразования при прокатке.
Согласно источникам [29, 30] регулированием длины зон отставания и опережения в очаге деформации, можно влиять на процесс отсортировки металла по поверхностным дефектам типа «царапина», «риска» и др. В последней клети длина зоны опережения по оптимизированному режиму составляет 0,098 мм, что гораздо меньше по сравнению с цеховым режимом прокатки, следовательно, теоретически можно ожидать уменьшение отсортировки по дефектам поверхности механического происхождения.
Определена технологическая и математическая формулировка задачи оптимизации. Сформулирована система ограничений. За параметр оптимизации принята суммарная длина зоны опережения за весь цикл прокатки. Уменьшение длины зоны опережения в последней клети положительно сказывается на снижении дефектообразования, т.к. в зоне опережения очага деформации может происходить процесс дефектообразования за счет сил трения, направленных против хода прокатки, вызванные увеличением скорости металла относительно скорости прокатных валков. Разработана компьютерная программа расчета оптимальных режимов прокатки полосы с поверхностными дефектами с учетом системы ограничений. Программа позволяет решать следующие задачи: расчет энергосиловых параметров при заданном режиме прокатки; расчет параметров очага деформации; расчет степени использования ресурса пластичности полосы с дефектом и без него.
Произведен анализ режимов прокатки профилей, прокатываемых на стане 1700 АО «АрселорМиттал Темиртау». Полученные данные свидетельствуют о том, что наиболее часто дефект «накол» встречается на тонких профилях толщиной 0,5 и 0,7 мм. Соответственно, при прокатке тонких листов имеется большая вероятность обрыва полосы. Рассчитали степень использования ресурса пластичности (СИРП) по цеховым режимам прокатки указанных профилей без учета поверхностного дефекта и с учетом поверхностного дефекта «накол» со средней относительной глубиной d0/h0=0,16 и диаметром 2 мм (наиболее часто встречающиеся размеры данного дефекта). Анализ расчетов показал, что при наличии поверхностного дефекта на полосе, для профилей 0,51000 мм и 0,71000 мм при прокатке в зоне дефекта происходит исчерпание ресурса пластичности в третьей и четвертой клетях соответственно. Исчерпание ресурса пластичности в ряде случаев приводит к разрушению полосы. При прокатке полос без дефектов для указанных профилей степень использования ресурса пластичности составила 0,82 и 0,77 соответственно.
С использованием разработанной программы выполнили расчеты по оптимизации режимов обжатий на стане 1700 АО «АрселорМиттал Темиртау» профилей 0,51000 мм и 0,71000 мм из стали 08кп. В результате расчета на ЭВМ получили оптимизированные варианты режимов обжатий и натяжений, обеспечивающие прокатку указанных профилей и удовлетворяющие заданным ограничениям. Натяжение при прокатке по цеховому режиму находится в пределах 0,2стт, увеличение натяжения до 0,275ат приводит к некоторому понижению усилия прокатки. Перераспределение обжатий по клетям приводит к некоторому увеличению мощности прокатки в третьей клети.
Оптимизированный режим прокатки характеризуется более интенсивным использованием ресурса пластичности, при этом не происходит полное его исчерпание. Более интенсивное использование ресурса пластичности, с одной стороны положительно сказывается на выкатываемости поверхностных дефектов, с другой стороны имеется опасность исчерпания ресурса пластичности, что может привести к разрушению полосы в очаге деформации. В последней клети происходит окончательное формирование поверхности полосы, следовательно, уменьшение длины зоны опережения положительно скажется на снижении дефектообразования при прокатке. В четвертой и пятой клети и по цеховому и по оптимизированному режимам степень использования ресурса пластичности не достигает критического значения единицы (1,0). По оптимизированному режиму целевая функция (длина зоны опережения l2) в первых двух клетях выше цехового варианта (для первой клети: l2ЦЕХ = 6,7 мм и l2ОПТ = 7,37 мм; для второй клети: l2ЦЕХ = 4,37 мм и l2ОПТ = 4,79 мм), в последующих третьей и четвертой клетях близки по значению (4,4 мм и 4,5 мм). Важным моментом при оптимизации режима прокатки считается резкое снижение длины зоны опережения в пятой клети до значения 0,098 мм (при цеховом режиме значение длины зоны опережения в пятой клети составляет 5,29 мм), следовательно, теоретически можно ожидать уменьшение отсортировки по дефектам поверхности механического происхождения. Таким образом, регулирование длин зон отставания и опережения в очаге деформации позволяет влиять на процесс отсортировки металла по поверхностным дефектам. По результатам корреляционно-регрессионного анализа данных получили уравнение взаимосвязи обжатия, натяжения и коэффициента трения с высоким коэффициентом детерминации R2 = 0,99. Назначение режима прокатки согласно полученному уравнению обеспечивает процесс прокатки без превышения допустимых значений энергосиловых параметров и степени использования ресурса пластичности металла, а также снижает вероятность дефектообразования в очаге деформации.