Введение к работе
Актуальность проблемы. Поперечный профиль и плоскостность занимают важное место среди геометрических характеристик качества тонколистового проката. Прокат с отклонениями по этим показателям затрудняет, а иногда и делает невозможным его дальнейшую глубокую переработку на автоматизированных линиях: нанесения покрытия, штамповки, перекатывания на другие размеры, оценки сплошности на установках ультразвукового контроля и др.
Рост конкуренции на мировом рынке стальных полос и соответственно требований к их качеству стимулирует появление новых и усовершенствование известных подходов к вопросу улучшения геометрии тонколистовой стали.
Вместе с тем, следует отметить, что, несмотря на качественное улучшение оснащенности металлургических предприятий России прокатным оборудованием нового поколения с современными способами и устройствами воздействия на профиль и плоскостность, в данном направлении сохраняются традиционные подходы. Как правило, сводятся они к воздействию на профиль и плоскостность на основе накопленного опыта технологического персонала. Достаточно изучить технологические инструкции листопрокатных цехов различных предприятий, чтобы отметить, что практически везде такая характеристика как профилировка валков задается диапазоном выпуклости или вогнутости, при этом отсутствует полноценная информация о точных значениях этой характеристики в различные периоды работы и, самое главное, для различного сортамента.
Отсутствие формализации процесса формирования профиля и плоскостности является, в частности, следствием недостаточного использования научных подходов, и прежде всего, математического прогнозирования важнейших характеристик геометрии проката. Это в свою очередь обусловлено недостаточной эффективностью существующих моделей. Попытка их совершенствования часто приводит к весьма громоздкому математическому аппарату с трудно просматриваемой адекватностью. В плане указанной проблемы большие теоретические возможности открывает использование матричного аппарата описания основных функций - деформаций валков и распределенных нагрузок (удельного усилия прокатки по ширине полосы и удельного межвалкового давления). Матричный подход позволяет в конструктивной форме получать математическое описание, на базе которого могут быть созданы разнообразные модели и алгоритмы, решающие сформулированную проблему.
Возможность положительного развития вопроса в целом относительно достигнутого уровня открывает применение системного подхода к формированию профиля и плоскостности тонколистовой стали не в отдельно взятом агрегате, а в рамках листопрокатного комплекса.
Актуальность проблемы подтверждается получением несоответствующей продукции в листопрокатных цехах по плоскостности и профилю, а также замечаниями потребителей, достигающих до 0,5% от общего объема
производства.
Целью настоящей работы является улучшение качества листовой стали по профилю поперечного сечения и плоскостности на основе дальнейшего развития системного моделирования в рамках листопрокатных комплексов.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
Разработка математической модели деформаций валков и распределенных нагрузок в системе кварто при воздействиях в общем случае - симметричных, а также вертикально и горизонтально асимметричных - с учетом и описанием процессов износа основного инструмента.
Моделирование процессов, участвующих в формировании профиля и плоскостности тонколистовой стали.
Создание системного алгоритма процесса формирования профиля и плоскостности тонколистовой стали в листопрокатном комплексе.
Системное моделирование процесса формирования профиля и плоскостности и создание методики его использования для разработки мероприятий по достижению требуемых показателей качества тонколистового проката по геометрии.
Разработка, опробование и внедрение комплекса мероприятий по повышению качества товарной горячекатаной листовой стали по профилю и плоскостности при широкополосной прокатке.
Формирование и внедрение комплекса мероприятий по повышению качества холоднокатаной листовой стали, включая случаи использования асимметричной валковой системы.
Основные научные положения, выносимые на защиту
Методика постановки и решения разнообразных задач (анализа и синтеза) изучения деформаций валков и распределенных нагрузок системы кварто.
Концепция управления показателями профиля и плоскостности тонколистового проката на основании рассмотрения процесса формирования этих показателей в рамках листопрокатного комплекса.
Алгоритмизация процесса управления показателями профиля и плоскостности тонколистового проката и системное моделирование этих параметров.
Научная новизна работы. Данные разработки касаются развития представлений о распределенных нагрузках и деформациях валков в системах кварто и, тем самым, расширяют область знаний о закономерностях деформации металла и точности при продольной прокатке.
Создано математическое описание самого общего случая деформаций валков и распределенных нагрузок системы кварто, отличающееся учетом комплекса факторов асимметрии процесса: несимметричного профиля полосы на входе и на выходе из клети, асимметричных профилировок валков, перекоса положения нажимных винтов, учитываемых как автономно, так и в сочетаниях.
Получены новые знания о деформациях валков и погонных нагруз-
ках в системах кварто тонколистовых станов, заключающиеся в реализации их описания с учетом высокой степени сложности. Эта информация отличается большей точностью, за счет применения и использования разработанного математического описания.
Достигнуты существенно новые возможности исследования валковых систем кварто за счет применения в математическом описании произвольного числа разбиений непрерывных функций по длине бочки, что фактически приближает возможности дискретного представления к непрерывному.
Предложено математическое описание деформаций валков и распределенных нагрузок системы кварто при горизонтальной асимметрии, отличающееся учетом поворота валков и, соответственно, использованием условия равновесия моментов от действующих сил.
Сформирован критерий, характеризующий достижение горячекатаным прокатом плоской формы, отличающийся использованием дискретного описания профиля поперечного сечения полосы, что существенно для случаев неплавного вида этого профиля.
Практическая значимость работы. В процессе исследования был разработан ряд математических моделей: анализа профиля прокатываемой полосы, деформаций валков и распределенных нагрузок клети кварто; синтеза (проектирования) выходного профиля полосы, текущих и начальных про-филировок валков клети кварто; прогнозирования величины износа опорных валков в клетях кварто; системная модель процесса формирования профиля и плоскостности тонколистового проката. Использование и комбинирование этих математических моделей позволило получить следующие практические результаты.
1. Создан ряд алгоритмов управления профилем и плоскостностью
тонколистового проката:
разработки универсальной профилировки валков для обеспечения требований по плоскостности профилю поперечного сечения,
создания групп профилировок и определения совместимости производственных процессов различных видов продукции,
моделирования профилировки рабочих валков с учетом износа опорных валков.
2. С использованием системного моделирования процесса формиро
вания профиля и плоскостности тонколистовой стали разработаны техниче
ские и технологические решения, направленные на повышение качественных
показателей продукции ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»
(ОАО «ММК»). Эти решения заключаются в следующем:
в использовании новой системы профилирования валков станов 2000 и 2500 горячей прокатки, представленной в виде 4 групп в зависимости от прокатываемого сортамента: одна из этих групп базовая, 3 других характеризуются соответствующими поправками,
в применении созданной методики устранения клиновидности и односторонней волнистости горячекатаного проката, а также корректировки профилировок рабочих валков на основании прогнозирования износа опор-
ных,
в использовании новой системы профилирования валков стана 2500 холодной прокатки, разработанной с учетом прокатываемого сортамента и степени износа опорных валков,
в применении специально спроектированной профилировки CVC валков двухклетевого реверсивного стана, направленной на повышение стойкости опорных валков и улучшение качества холоднокатаного подката под оцинкование по плоскостности.
Эти решения, направленные на улучшение качественных показателей тонколистовой стали, позволили:
на двухклетевом реверсивном стане снизить количество бракованной продукции с 1587т до Ют;
на стане 2000 горячей прокатки увеличить соответствие профиля требованиям потребителей электротехнических сталей с 84% до 95%;
на стане 2500 горячей прокатки снизить получение несоответствующей продукции по дефектам неплоскостности с 0,26% до 0,15%;
на стане 2500 холодной прокатки снизить получение несоответствующей продукции по дефекту «излом» с 0,23% до 0,02%;
на станах 2000 и 2500 горячей прокатки осуществлять производство подката для жести двойной ширины со снижением потерь металла с кромочной обрезью в 2 раза.
Предложенные мероприятия повысили результативность и эффективность действующего листопрокатного комплекса ОАО «ММК», что нашло отражение в пяти технологических письмах и пяти технологических инструкциях.
3. Ряд результатов исследования используется при разработке пред-
проектной, конструкторской, проектно-изыскательской документации для
реконструкции, модернизации и технического перевооружения прокатного
производства в ОАО «МАГНИТОГОРСКИЙ ГИПРОМЕЗ»:
математическое описание деформаций валков и распределенных нагрузок системы кварто, учитывающее различия прогибов осей валков и контактных образующих, а также возможность различной длины межвалкового контакта верхней и нижней пар валков,
методология постановки и решения задач изучения деформаций валков и распределенных нагрузок системы кварто,
математическая модель прогнозирования величины износа опорных валков в клетях кварто станов горячей и холодной прокатки.
4. В условиях ОАО «Челябинский металлургический комбинат» при
няты к использованию следующие результаты:
модель анализа профиля прокатываемой полосы, деформаций валков и распределенных нагрузок клети кварто и модель синтеза (проектирования) выходного профиля полосы, текущих и начальных профилировок валков клети кварто - при подборе профилировок валков стана горячей прокатки 2300/1700 и станов холодной прокатки 1700 ОАО «ЧМК»,
модель прогнозирования величины износа опорных валков в клетях
кварто - при оценке износа опорных валков стана 2300/1700 горячей прокатки ОАО «ЧМК»,
алгоритм разработки универсальной профилировки валков для обеспечения требований по плоскостности и профилю поперечного сечения -применительно к стану 2300/1700 ОАО «ЧМК»,
методика моделирования конкретной профилировки с учетом состояния опорных валков.
5. Результаты диссертации используются в учебном процессе при чтении лекций по курсам «Новые технологические решения в процессах ОМД» для студентов специальности «Обработка металлов давлением» Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова.
Апробация работы. Представленная диссертационная работа выполнялась более 12 лет. Соответственно ее основные положения и результаты доложены и обсуждены на многочисленных научно-технических конференциях, конгрессах и семинарах различного уровня. Наиболее значимые из них следующие: ежегодные научно-технические конференции Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова (г. Магнитогорск), конгрессы прокатчиков в 1999 (г. Липецк), 2001 (г. Магнитогорск), 2003 (г. Череповец), 2005 (г. Липецк), межзаводская школа по обмену производственным опытом в 2004 году (Магнитогорск, Череповец, Липецк), международная конференция «Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях РФ», секция «Математическое моделирование технологических процессов и систем управления в металлургии», (г. Магнитогорск, 2007г.), школа-семинар «Фазовые и структурные превращения в сталях» в 2002, 2004, 2006, 2008гг. в г. Магнитогорске, научные семинары в НИТУ «МИСиС» (г. Москва) и ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (г. Челябинск) в 2011 году.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 45 печатных работах, среди которых 1 монография, 33 статьи (из них 15 в рецензируемых изданиях по перечню ВАК), 4 патента, 2 свидетельства на полезную модель, 3 свидетельства о регистрации программной системы, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Текст диссертации изложен на 266 страницах машинописного текста, иллюстрирован 51 рисунками, содержит 60 таблиц, библиографический список включает 200 наименований.
