Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор и постановка задач исследования ... 5
1.1 Контроль поверхности горячекатаного проката 5
1.1.1 Основные дефекты поверхности листового проката 6
1.1.2 Методы обнаружения дефектов поверхности 8
1.2 Влияние эксплуатационных характеристик рабочего инструмента на качество поверхности листового проката 20
1.3 Точность профиля полосы 29
1.4 Основные задачи исследования 38
2 Исследование качества поверхности проката 39
2.1 Исследование формирования поверхностных дефектов на стане горячей прокатки 39
2.1.1 Система контроля качества поверхности 40
2.1.2 Методика настройки системы контроля качества для определения дефектов поверхности 46
2.1.3 Идентификация дефектов поверхности 51
2.1.4 Определение параметров критических дефектов 57
2.2 Разработка математической модели привязки дефекта к источнику его формирования 65
2.3 Использование результатов автоматического определения дефектов на станах холодной прокатки 68
2.4 Система анализа качества поверхности 71
2.5 Выводы 75
3 Исследование влияния качества поверхности рабочего валка на качество горячекатаной полосы 76
3.1 Исследование напряженно-деформированного состояния рабочего валка с поверхностной микротрещиной 76
3.2 Анализ микропластической деформации полосы с поверхностным дефектом 84
3.3 Выводы 90
4 Повышение точности поперечного профиля горячекатаной полосы 92
4.1 Профилирование S-образных валков на стане 2000 ОАО «НЛМК» 93
4.2 Разработка основ технологии шлифования S-образных валков в горячем состоянии 100
4.3 Апробация предложенной технологии 103
4.4 Полученные результаты 109
4.5 Выводы 112
Основные выводы и результаты работы
- Основные дефекты поверхности листового проката
- Методика настройки системы контроля качества для определения дефектов поверхности
- Анализ микропластической деформации полосы с поверхностным дефектом
- Разработка основ технологии шлифования S-образных валков в горячем состоянии
Введение к работе
Качество проката определяет его конкурентоспособность на мировом $) рынке металлопродукции. Все более жесткие требования предъявляются к потребительским свойствам горячекатаной продукции, которые наряду с ме ханическими свойствами определяются поперечным профилем, планшетно- стью и состоянием поверхности готовой полосы. Для их обеспечения на ста не горячей прокатки используются заложенные в АСУТП алгоритмы, для эффективной работы которых необходима информация о состоянии полосы до и после горячей прокатки, рабочих валках и других параметрах техноло ге гии. В связи с этим особую актуальность приобретают вопросы, связанные с внедрением в АСУТП стана горячей прокатки результатов контроля поверх ности проката автоматизированными системами, что позволит снизить объем несоответствующей продукции по периодическим дефектам горячекатаного проката, число аварийных ситуаций, связанных с обрывом полосы на станах холодной прокатки.
Цель диссертационной работы заключается в повышении качества по- aj, верхности и точности профиля горячекатаной полосы и увеличении сроков эксплуатации рабочих валков с использованием алгоритмов для определения и расчета параметров дефектов поверхности, определения параметров критических дефектов для станов горячей и холодной прокатки.
В работе получены и выносятся на защиту следующие результаты, характеризующиеся научной новизной: исследования влияния технологических факторов на качество поверхности горячекатаной полосы, разработанные методики и алгоритмы расчета параметров дефектов, настройки присваивания кода критичности, привязки периодических дефектов к источнику формирования; решение задачи упруго-пластического взаимодействия рабочего валка и полосы в процессе горячей прокатки, отличающейся наличием в поверхностном слое рабочего валка микротрещин, имитирующих сетку разгара; теоретическое обоснование и экспериментальные исследования подготовки S-образных рабочих валков в неостывшем состоянии.
Полученные в диссертационной работе результаты основаны на использовании классических подходов современной теории прокатки, компьютерных технологий CAD/CAE, экспериментальном подтверждении теоретических результатов в условиях действующего производства, а также сопоставлении полученных решений известным в литературе результатам.
Практическая значимость состоит в использовании результатов исследований на ОАО «НЛМК» для настройки системы контроля качества поверхности на стане 2000 горячей прокатки. На стане 2030 холодной прокатки внедрены алгоритмы присваивания кода критичности и передачи данных, способствующие снижению числа аварийных ситуаций и поломок рабочих валков. Внедрены алгоритмы анализа формирования дефектов поверхности, позволяющие в режиме реального времени оценивать качество поверхности выпускаемой горячекатаной продукции. Разработанные технические рекомендации применяются для повышения срока эксплуатации рабочих валков первых клетей чистовой группы из высокохромистого чугуна при прокатке тонких полос из углеродистых марок стали. Для уменьшения технологического цикла подготовки S-образных валков на стане 2000 внедрены режимы шлифования рабочих валков, имеющих среднемассовую температуру выше температуры в цехе.
Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе в курсе «Эксплуатация прокатных валков» для студентов специальности «Обработка металлов давлением» Липецкого государственного технического университета.
Основные дефекты поверхности листового проката
Рассмотрим варианты для реализации раннего обнаружения дефектов, Р.) которые могут быть использованы на станах горячей прокатки. 1. Визуально-оптический метод
Контроль качества поверхности прокатной продукции в металлургии, как правило, осуществляется на последней стадии передела перед отправкой потребителю. Основным методом контроля является визуальный [8].
Важнейшей характеристикой зрения является контрастная чувстви тельность - минимальная обнаруживаемая разность яркостей объекта и фона.
Наиболее отчетливое восприятие изображения возможно при максимальном контрасте между объектом и фоном. При этом сила действия контраста пря мо пропорциональна разности коэффициентов отражения поверхностей объ екта и фона. Максимальный яркостный контраст достигается при использо вании белого и черного цветов, которые имеют соответственно наибольший и наименьший коэффициенты отражения. При солнечном освещении яркост ный контраст составляет 85-95%.
Визуальный контроль с использованием оптических приборов называ ют визуально-оптическим. При контроле используют оптические приборы, создающие полное изображение картины проверяемой поверхности в видимом свете. Визуально оптический контроль, также как и визуальный осмотр, наиболее доступный и простой метод обнаружения поверхностных дефектов. Однако этим методам присущи недостаточно высокие чувствительность и достоверность. Даже относительно большие дефекты, невидимые невооруженным взглядом из-за малого контраста с фоном, при использовании опти-ческих приборов, как правило, также не обнаруживаотся.
Наилучшие результаты получены авторами [9] при передаче изображения с помощью эпископа - оптического устройства, состоящего из объектива и зеркал. При четырехкратном увеличении изображения оператор может уверенно обнаруживать мелкие дефекты при движении заготовки со скоростью до 0,3 м/с. 2. Магнитные методы контроля
Методы магнитной дефектоскопии основаны на обнаружении полей рассеяния, возникающих около дефектов, с помощью чувствительных инди-каторов, взаимодействующих с магнитным полем. В намагниченном изделии магнитные силовые линии, встречая трещины, волосовины другие несплошности, огибают их как препятствия с малой магнитной проницаемостью, в результате чего образуют поля рассеяния [10].
Основными требованиями, предъявляемыми к различным методам дефектоскопии проката, являются: возможность регулирования чувствительности в зависимости от назначения контролируемого проката на дальнейший передел; дифференциация дефектов по глубине. До настоящего времени магнитные способы контроля качества проката не удовлетворяют полностью всем этим требованиям.
3. Токовихревые методы контроля Токовихревые методы основаны на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем поверхностном слое
НУ контролируемого изделия.
Вихревые токи - это замкнутые токи, индуктированные в проводящей среде изменяющимся магнитным полем. Если через катушку пропускать ток определенной частоты, то магнитное поле этой катушки возбуждает в изделии вихревые токи, поля которых оказывают воздействие на поле возбуждающей катушки. Характеристика этой катушки может быть представлена в виде комплексного сопротивления. Величина этого сопротивления зависит от
4} частоты тока в катушке, ее размеров и формы, зазора между катушкой и из делием, а также от электропроводности контролируемого материала. При прочих равных условиях появление трещины на поверхности контролируемого изделия вызывает изменение комплексного сопротивления катушки.
Метод вихревых токов позволяет обнаружить как поверхностные, так и подповерхностные дефекты, и его применяют в основном для контроля изделий из немагнитных материалов. Он позволяет выявлять малораскрытые f{) трещины, дефекты, покрытые металлическими «мостиками». К недостаткам метода относят: зависимость чувствительности от размеров датчиков, отсутствие наглядности результатов контроля, сложность контроля деталей из магнитных материалов из-за значительного влияния на его результаты маг нитной неоднородности стали. По этим причинам невозможно контролиро вать сварные швы, изделия из ферромагнитного материала, на которых име ются прижоги, участки наклепа и значительные изменения формы поверхно сти в пределах зоны контроля. Не поддаются контролю изделия, если толщина их соизмерима с глубиной проникновения вихревых токов [11]. 4. Тепловые методы контроля Все тепловые методы неразрушающего контроля сводятся к тому, что к исследуемому изделию подводят или от него отводят тепло и по температур ной картине на поверхности изделия судят о наличии и характере дефектов и в большинстве случаев определяют их местоположение. В твердом теле пе ренос тепла осуществляется посредством теплопроводности [12]. 5. Системы осмотра поверхности
Примерно с 1980 г. в рамках различных исследовательских проектов делаются попытки регистрировать и оценивать состояние поверхности полосы электронным способом. Первоначально для этого применяли преимущественно лазерные сканеры, в которых луч проходил поперек поверхности по Н) лосы, а отраженный свет через аналоговое регистрирующее устройство по строчечно преобразовывался в изображение поверхности. Результаты было трудно интерпретировать, поскольку изображения формировались оптической системой, свойства которой существенно отличались от обычной на сегодняшний день системы камер. Ввиду недостаточной в то время вычислительной мощности компьютеров эти попытки, в конечном счете, провалились. В последующие годы были проведены различные опыты с видеокаме ,) рами и записью поверхности полосы на пленку. Ввиду недостаточного каче ства изображения это тоже не дало желаемого результата [13].
Только при последующем усовершенствовании компьютеров и создании цифровых видеокамер начали все больше внедрять системы с цифровой обработкой изображения. В настоящее время применяют системы с двумя типами видеокамер: строчечные, регистрирующие изображение с разверткой строки за строкой, и матричные, регистрирующие изображение по площади.
Методика настройки системы контроля качества для определения дефектов поверхности
По контракту фирма-производитель системы контроля качества поверхности поставляла компьютерное оборудование, системы освещения, вентиляции, захвата изображения и базовое программное обеспечение, с помощью которого производится предварительная обработка и классификация дефектов. Настройка, разработка дополнительных важных модулей, доработка существующего программного обеспечения производилась силами ОАО«НЛМК»иЛГТУ.
Внедрению системы контроля качества в промышленную эксплуатацию предшествовали мероприятия, направленные на получение максимума определения дефектов поверхности.
Методика настройки системы контроля качества для определения дефектов поверхности состоит из четырех этапов: 1) разделение всего сортамента стана на группы по внешнему виду поверхности проката; 2) снижение количества воды на верхней поверхности; 3) задание в систему порогов определения дефектов для различных групп по внешнему виду; 4) создание классификационных файлов.
Так как поверхность полос различного сортамента может иметь различный внешний вид, параметры определения дефектов также должны отличаться для различных видов продукции. Например, трансформаторная сталь имеет, в основном, однородную серую поверхность; углеродистые и динам-ные стали имеют более текстурированную поверхность (рис. 2.9).
После непродолжительной эксплуатации системы и получения требуемого опыта было произведено разбиение сортамента стана 2000 на группы по внешнему виду поверхности, затем определили параметры определения дефектов отдельно для каждой группы и стороны проката с построением отдельных классификационных сфер [81].
После разбиения на группы по внешнему виду поверхности и снижения количества водяных капель была проведена работа по определению параметров определения дефектов для различных групп проката.
Настройка этих параметров осуществляется их варьированием в определенных границах (минимум, максимум) и применения к изображениям дефектов. В системе контроля качества поверхности предусмотрено пять алгоритмов определения вертикального, горизонтального и диагонального контраста.
В результате примененной методики по настройке системы контроля качества поверхности определять (обнаруживать) дефекты поверхности стало возможным перейти к следующему этапу - обучению системы автоматической классификации дефектов и сдаче в промышленную эксплуатацию [82].
На этапе внедрения системы в промышленную эксплуатацию операция автоматической классификации настраивалась вручную. Для того чтобы систему обучить одному дефекту проката необходимо, чтобы дефект был обнаружен системой, по крайней мере, 20-40 раз. Метод обучения заключался в следующем. Просматривались изображения дефектов на компьютере обучения, если тип дефекта был очевиден, то данное изображение записывалось в базу знаний системы. Рулоны, содержащие дефекты неизвестного типа, осматривали на агрегатах резки или линиях подготовки горячекатаных рулонов. На основе данных слежения производились расчеты номеров листов с дефектами, их координаты и т.п. В момент появления искомого дефекта поверхности в месте визуального осмотра, агрегат резки (подготовки) останавливали, определяли местоположение дефекта по длине и ширине полосы с помощью измерительного инструмента, делали цифровую фотографию, определяли тип дефекта, при необходимости, при помощи металлографических исследований. Всего было осмотрено около 120 рулонов с дефектами (рис.П.1.1.- П. 1.19). После накопления определенного опыта стало возможным производить обучение системы, определяя тип дефекта визуально (толь ко по его изображению из системы).
Данный вид настройки автоматической классификации называют идентификацией дефектов. Это дорогой метод настройки, т.к. связан с простоями агрегатов, но эффективный, так как за счет визуального осмотра увеличивается точность классификации неизвестных дефектов. Для примера: фирмы-изготовители аналогичных систем [13-16] поставляют вместе с оборудованием «базу знаний» со 100000 изображениями дефектов. Данный способ на-стройки классификатора менее затратный, но и менее надежный, так как вместе с дефектами горячего проката могут попадаться и дефекты холодных переделов и, что еще не мало важно на разных металлургических предприятиях зачастую и разные схемы получения проката, а именно сталеплавильных дефектов на конечном прокате больше, чем дефектов поверхности, образовавшихся в процессе прокатки полосы. По результатам проведенной идентификации дефектов поверхности в X? базу знаний системы контроля качества поверхности внесено 1074 изображе ний дефектов.
Объем обученных изображений дефектов стал достаточным, чтобы начать процесс подготовки к гарантийным испытаниям и сдачи системы контроля качества поверхности в промышленную эксплуатацию. Совместно с фирмой-производителем проводился отбор рулонов с поверхностными дефектами, обнаруженными системой. Отобранные рулоны осматривались fy по методике (рис. 2.14), разработанной и используемой при идентификации дефектов поверхности горячекатаного проката, т.е. осмотр отобранных дефектов производился на агрегатах подготовки горячекатаных рулонов. Дефекты регистрировались вручную. Фиксировались координата дефекта от заднего конца рулона, размеры дефекта, определялся его класс и интенсивность.
Анализ микропластической деформации полосы с поверхностным дефектом
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о возможности использования в первых клетях чистовой группы стана 2000 рабочих валков из высокохромистого чугуна с глубиной микротрещин не более 0,5 мм. в повторном цикле прокатки, т.е. валок должен шлифоваться только для восстановления профиля, а оставшееся при этом основание трещины в процессе горячей прокатки не вызовет дальнейшего распространения внутрь валка.
Авторами [93] проведены экспериментальные исследования, в результате которых было выявлено, что величина микротрещин, требуемых съема при плановых перешлифовках валков чистовой группы составляет 0,23- -0,58 мм, валки имеющие микротрещины менее указанного значения, без наличия других дефектов могут повторно использоваться в производственном цикле. Полученные данные подтверждают проведенные экспериментальные исследования методом конечно-элементного моделирования.
По действующей технологической инструкции для подготовки рабочих валков после каждой кампании рекомендуемый съем составляет 0,85 мм. Рекомендуется снизить съем при плановых перешлифовках с 0,85 мм до 0,3 мм, оставшиеся при этом микротрещины не будут развиваться вглубь валка [94].
Наличие трещины разгара на поверхности валка влияет не только на его работоспособность, но и на качество поверхности в силу возможной отпечатываемое на полосе. Ранее полученные данные свидетельствуют о том, что рабочие валки из высокохромистого чугуна с наличием на поверхности сетки разгара глубиной до 0,56 мм могут быть использованы в повторном цикле прокатки без полного устранения данного дефекта, а только для профилирования и снятия наклепанного слоя. Было получено, что после контакта с валком на полосе остается отпечаток (рис. 3.7).
Отпечаток - дефект поверхности, представляющий собой углубления или выступы, расположенные по всей поверхности или на отдельных ее участках, образовавшиеся от выступов или углублений на прокатных валках [88].
Необходимо исследовать будет ли «отпечаток» конечным дефектом, т.е. останется на готовой полосе или же при прокатке в последующей клети, во время контакта с валками «вдавится» и тем самым не окажет влияния на качество поверхности горячекатаной продукции.
Для исследования поставленной задачи была разработана конечно-элементная модель, описывающая напряженно-деформируемое состояние полосы с дефектом поверхности при прокатке в клети №9 стана 2000 [рис. 3.8].
В качестве исходных данных (табл. 3.4-3.5) задавали: диаметр рабочего валка, толщину и ширину прокатываемой полосы, скорость вращения рабочего валка, коэффициент трения, входящий в закон трения по Зибелю, механические свойства прокатываемой стали заданной марки в виде зависимостей истинного предела текучести от скорости деформаций при определенных температурных условиях и интенсивности деформаций, распределение температур по объему полосы [95].
В результате решения находили как распределенные характеристики так и интегральные: поля скоростей перемещений, скоростей деформаций, поля перемещений, деформаций, напряжений и интенсивностей тензорных величин, контактные напряжения. Решение деформационной задачи производилось по уравнениям, характерным для метода конечных элементов, граничные и начальные условия были аналогичными задаче по расчету напряженно-деформированного состояния валка с поверхностной микротрещиной [96].
В качестве начального приближения полосу разбивали на прямоугольные конечные элементы длиной 2,625 мм, высотой 0,625 мм. В процессе деформирования сетка из 344 прямоугольных конечных элементов перестраивалась согласно заданным параметрам. Эти параметры подбирались исходя из требуемой точности и скорости расчета. На контакте с валком размеры элементов были значительно меньше, чем внутри очага деформации. Время расчета составило 68 минут.
На рис. 3.9. - 3.14. (рис.П.3.1-П.3.4) приведено распределение интенсивности пластической деформации в полосе на различных стадиях прокатки (по времени), отображающее механизм протекания микропластической деформации полосы с дефектом под воздействием абсолютно жесткого инструмента.
Разработка основ технологии шлифования S-образных валков в горячем состоянии
Таким образом за период двух кампаний, были перешлифованы все валки 8,9 и 10 клетей. Через 8-10 часов валки были установлены в клети стана. При прокатке этими валками точность настройки системы управления на заданный профиль полосы составила 98,9 %, среднеквадратичное отклонение фактического профиля полосы от заданного профиля для данной кампании равнялось 10,9 мкм, что на 10-40 % ниже, чем в кампаниях с валками, перешлифованными без учета температуры валков (рис. 4.15-4.16).
Предлагаемый способ подготовки рабочих валков прокатного стана позволяет снизить необходимый для работы парк S-образных рабочих валков, за счет уменьшения технологического цикла их подготовки к эксплуатации, повысить точность регулирования профиля прокатываемой полосы и долговечность валков.
1. Для сортамента стана 2000 горячей прокатки разработаны методики настройки, расчета параметров дефектов поверхности горячего проката, включающие в себя разделение всего сортамента проката на группы по внешнему виду поверхности, а также задание в систему пороговых значений определения дефектов для различных групп. Проведено сравнение изображений дефектов, обнаруженных системой, с действительными результатами визуального осмотра рулонов на агрегатах резки. Полученные результаты использованы для настройки автоматической классификации дефектов поверхности.
2. Для определения источника формирования периодических дефектов на стане горячей прокатки разработана и реализована в АСУТП математическая модель, использующая данные о фактических диаметрах рабочих валков и фактическом распределении обжатий, работающая в реальном режиме времени с процессом прокатки.
3. На основании проведенных исследований влияния параметров дефектов поверхности на аварийные ситуации на станах холодной прокатки 1400 и 2030 установлено, что превышение значения площади дефекта в 500 мм (при расположении дефекта на кромке) и 700 мм (при расположении дефекта по середине полосы) для строчечных и слиточных плен, а также раковин, вкатов на горячем подкате приводит к обрыву полосы при прокатке. Предложено каждому дефекту, обнаруженному и классифицированному системой контроля качества поверхности, присваивать код критичности от 0 до 7 (0 - не критический). Дефекты, имеющие признак «критический», прослеживаются на дальнейшем холодном переделе для сокращения обрывности полос при холодной прокатке.
4. Разработан алгоритм для анализа формирования дефектов поверхности на стане горячей прокатки, реализованный в виде программного обеспечения для СККП стана 2000.
5. Исследованиями напряженно-деформированного состояния по границе микротрещины рабочего валка и отпечатываемое микротрещины на полосу при горячей прокатке установлено, что для микротрещины глубиной 0,5 мм и шириной 0,28 мм максимальная интенсивность напряжений составляет 577 МПа у основания, что не превышает предел текучести на растяжение для рабочего слоя валка и исключает дальнейшее развитие микротрещины внутрь валка. Теоретические исследования показывают, что сформировавшийся из-за наличия трещины на валке выпуклый отпечаток на полосе высотой 0,05 мм и шириной 0,27 мм при прокатке в последующей клети становится несущественным. Рекомендовано снизить съем при плановых перешлифовках валков из высокохромистого чугуна с 0,85 мм до 0,4 мм в первых трех клетях чистовой группы стана горячей прокатки 2000.
6. Разработан регламент подготовки S-образных неостывших рабочих валков с учетом неравномерности распределения температурного профиля по длине бочки, позволяющий уменьшить технологический цикл подготовки валков к эксплуатации и тем самым сократить парк валков, а также повысить точность регулирования прокатываемой полосы. Использование нового регламента позволило обеспечить среднеквадратичное отклонение фактического профиля полосы от заданного на уровне 10,9 мкм в рамках одной кампании, что на 10-40 % ниже, чем в кампаниях с валками, перешлифованными без учета неравномерности температуры по длине бочки валков.
