Разработка и исследование процесса продольной прокатки высоких полос в скрещенных валках Одинаев, Бозор Негматович

Введение к работе

Актуальность работы:

В условиях рыночной экономики для металлургических и машиностроительных предприятий особую значимость приобретают проблемы повышения качества металлопродукции и расширения её марочного сортамента. В этой связи наряду с реконструкцией действующего металлургического оборудования требуется разработка и внедрение новых прогрессивных технологических процессов производства деформированного металла.

Проблема получения высококачественного проката существует при производстве практически всех видов металлопродукции и, в частности, при прокатке высоких полос. Применительно к процессам производства заготовок и крупносортного проката причины этого, зачастую, заключаются в значительной протяженности по объёму металла внешних зон, неоднородности пластического течения металла в очаге деформации и неравномерном распределении температур по его поперечному сечению. Поэтому в настоящее время улучшение качества металла на прокатном переделе достигается путем применения рациональных режимов обжатий, направленного варьирования температурне—скоростных факторов, совершенствованием конструкции деформирующих устройств. Однако для существующих технологических процессов эти резервы, в основном, исчерпаны, что обуславливает разработку пртщипиально новых способов деформирования металла, в основе которых лежат современные представления о закономерностях пластического течения, трансформации структурного состояния и формировании физико-механических свойств металла за счет применения дополнительных эффектов. Перспективными в этом отношении представляются схемы пластической деформации с дополнительными интенсивными сдвигами металла, использование которых позволяет без дополнительных капитальных вложений повысить уровень механических свойств металлопродукции. Результаты исследований в этом направлении показали, что реализация схем деформации с дополнительными сдвигами может быть обеспечена несколькими способами: использованием заготовок или инструмента с локальными искажениями их формы; взаимном несимметричном расположении заготовки и инструмента (прокаткой в скрещенных валках); введением дополнительных неоднородностей физике—механических свойств, искусственно создаваемых в локальных зонах очага деформации; прокаткой в

валках с разными диаметрами; прокаткой при разных условиях трения на валках; прокаткой при различных окружных скоростях валков.

Однако активное использование ряда из этих способов прокатки и, в первую очередь, продольной прокатки в скрещенных валках применительно к условиям деформирования высоких полос затруднено отсутствием информации о количественном изменении основных показателей качества деформированного металла при различных многомерных воздействиях технологических факторов процесса. В этой связи разработка и исследование процесса продольной прокатки высоких полос в скрещенных валках для улучшения качества получаемых заготовок и крупносортного проката, чему и посвящена настоящая работа, представляются актуальными.

Цель работы:

Улучшение качества прокатываемых высоких полос за счет использования рациональных схем деформирования в скрещенных валках.

Поставленная в работе цель обусловила необходимость решения следующих задач:

разработать методику оценки основных показателей качества прокатываемого металла и способ расчета энергосиловых параметров прокатки в скрещенных валках;

провести экспериментальное исследование влияния технологических и геометрических параметров при прокатке высоких полос в скрещенных валках на основные показатели качества металла;

построить математические модели, адекватно описывающие влияние основных факторов прокатки в скрещешшх валках на характер пластического формоизменения металла и показатели, характеризующие его качество;

разработать предложения по совершенствованию схем и режимов деформирования высоких полос применительно к промышленным условиям работы заготовочных станов на основе использования эффекта скрещивания валков.

Научная новизна:

- определена совокупность факторов, достаточно полно характеризующих конфигурацию
очага деформации и особенности режима деформирования высоких полос в скрещенных
валках;

- выявлены особенности пластического формоизменения металла в процессе прокатки
высоких полос в скрещенных валках и определены их отличия от закономерностей
формоизменения, наблюдающихся при прокатке в параллельно расположенных валках;

- определены закономерности изменения показателей качества, характеризующие интенсивность проработки внутренних слоев металла, устойчивость протекания процесса и состояние поверхности раскатов в широком диапазоне варьирования геометрических факторов процесса прокатки высоких полос в скрещенных валках. Практическая ценность:

На основе экспериментального исследования установлено, что углы скрещивания валков увеличивают интенсивность и неравномерность уширения металла, улучшают проработку внутренних слоев металла, уменьшают его поверхностное дефектообразование. Показано, что при прокатке высоких полос в скрещенных валках существует технологические условия, обеспечивающие устойчивость протекания процесса.

Разработаны математические модели, позволяющие повысить эффективность технологии прокатки высоких полос на сортовых и заготовочных станах. На основе многокритериального анализа обоснован режим деформирования металла в черновой группе клетей непрерывно-заготовочного стана, характеризующийся оптимальными значениями углов скрещивания валков. Реализация результатов исследований:

Разработанные на основе проведенных исследований рекомендации переданы Акционерному Обществу «Западно-Сибирский металлургический комбинату» (АО ЗСМК) для использования в черновой группе клетей НЗС 850/730/580 при производстве квадратной заготовки 80, 100 и 150 мм из углеродистых и легированных сталей.

Технология продольной прокатки в скрещенных валках с гладкой бочкой может быть применена на существующих заготовочных и сортовых станах при небольших капитальных затратах. Апробация работы:

Основные положения работы доложены и обсуждены на научно-технической конференции "Теория и технология процессов пластической деформации-96", Москва, 1996 г., научном семинаре по термомеханической обработке "Бернштейновские чтения", Москва, 1999 г., на научных семинарах научно-исследовательской лаборатории ППДиУ МИСиС 1995-2000 г.г. Публикации:

По результатам проведенных исследований опубликовано 3 печатные работы. Объем работы:

Диссертация состоит из введения, 4 глав и выводов, изложена на 180 страницах машинописного текста, включает 17 таблиц, 36 иллюстраций, приложений, список использованных источников включает 146 наименований.

Как правило, внутренние объёмы высоких полос (слитков, непрерывно-литых заготовок, блюмов, слябов) характеризуются наличием зон повышенной физико-химической неоднородности. В этой связи качество металлопродукции, получаемой при прокатке высоких полос, во многом, зависит от степени проработки их осевой зоны, результативное состояние структуры которой определяет уровень механических свойств металла. При заданной схеме напряженного состояния и реологических показателях прокатываемого металла степень проработки его структуры (дробление дендритов, карбидных сеток, избыточных фаз, ледебуридных эвтектик и других структурных составляющих) зависит от деформационных условий. Для этого в данной работе исследуется новый способ продольной прокатки высоких полос в скрещенных валках как средство для улучшения проработки внутренних слоев деформируемого металла за счет макросдвиговых деформаций.

Практика анализа закономерностей изменения показателей качества прокатываемого металла показывает целесообразность исследования влияния на них как геометрических факторов очага деформации, так и факторов, обобщенно характеризующих режимы прокатки высоких полос. При этом информация о степени влияния конфигурации очага деформации на изменение показателей качества металла в каждом проходе наиболее эффективна в проверочных расчетах различных режимов обжатий по основным показателям качества, а также в ходе исследований, направленных на определение резервов улучшения качества металла за счет оптимизации рассматриваемых факторов на отдельных стадиях процесса прокатки. Обобщенное представление результативных показателей качества относительно факторов условий прокатки применимо, в основном, при разработке режимов деформирования и для сравнительного анализа условий деформирования высоких полос, используемых на различных прокатных станах.

С учетом особенностей рассматриваемого процесса прокатки в качестве факторов, обобщенно описывающих основные типы различных режимов деформирования, величин,

характеризующих уровень частных обжатий и их изменение по проходам, значения углов скрещивания валков в каждом проходе и их изменение по проходам, а также суммарную степень обжатия металла за режим, регламентирующее при прочих известных деформационных параметрах количество проходов в режиме обжатий, были обоснованы факторы, представленные в таблице 1.

Учет линейного и параболического характера распределения обжатий в пределах всего режима требует предварительного задания, минимум, трех значений частных деформационных факторов, к которым относятся: Ак_нач, ЛИ_ср, Ah_KOII - обжатия на начальной, средней и конечной стадиях режима прокатки металла. Варьируя эти параметры, можно получить равномерные и неравномерные распределения обжатий по проходам, характеризующиеся наибольшей и наименьшей интенсивностью обжатий. Для обеспечения возможности сравнения условий деформирования металла на различных прокатных станах целесообразно преобразование упомянутого деформационного фактора к безразмерному виду: Лк_нач/[АИ], Ah_cp/[Ah], Ah_m„/[Ah], где [Ah] - максимально допустимые абсолютные обжатия в заданном проходе исходя из необходимости обеспечения захвата раската валками. В отличие от процесса прокатки высоких полос в параллельно расположенных валках с гладкой бочкой использование в режиме деформирования клетей со скрещенными валками предполагает дополнительное привлечение следующих факторов: р_ит, р_ср, р_юн - значения угла скрещивания валков в начальной, средней и конечной стадиях режима обжатий; К -коэффициент, определяющий соотношение между значениями углов скрещивания валков противоположных знаков в соседних проходах (соседних клетях); J - фактор, определяющий последовательность чередования клетей (проходов при реверсивной прокатке) с валками, скрещенными под углами противоположных знаков; 1п(це) - натуральный логарифм суммарной (за режим обжатий) вытяжки. Данное сочетание варьируемых факторов обеспечивает получение необходимой информации о степени воздействия скрещивания валков на процесс деформирования металла.

Выбор рациональных вариантов процесса продольной прокатки высоких полос в скрещенных валках сопряжён с определением влияния на основные показатели качества, в первую очередь, геометрических факторов очага деформации. Это обусловлено увеличением их числа для данного процесса в сравнении с прокаткой в параллельных валках. Известно, что конфигурация очага деформации в каждом проходе при прокатке высоких полос на гладкой бочке в параллельно расположенных валках однозначно

Таблица 1. Факторы режима деформирования используемые при исследовашш процесса прокатки высоких полос в скрещенных валках

*) - Подача заготовки при прокатке в зависимости от знака скрещивания валков: П - правая, Л - левая.

g

характеризуется пятью безразмерными факторами: є=(Н₀~Ні)/Н₀ - относительное обжатие; HJD; BJH₀; А/УН₀; AfJBo, где Н_а и Я/ - исходная и конечная высота раската, В₀ - исходная ширина раската, D - катающий диаметр валков, А/, и А/_г - максимальное отклонение от прямоугольной конфигурации соответственно исходных контактных и боковых граней раската.

При прокатке в скрещенных валках необходимость обеспечения широкого диапазона варьировании углов скрещивания валков, а также возникающих под их воздействием текущих отклонений поперечного сечения раската от прямоугольной формы приводит к необходимости использования помимо выше перечисленных геометрических факторов следующих безразмерных величин в соответствии с теорией подобия: В — угол скрещивания валков в рассматриваемом проходе, di и di - диагонали исходного перед рассматриваемым проходам поперечного сечения раската.

Проведение полного цикла исследований для определения влияния основных геометрических факторов на показатели качества высоких полос, прокатываемых в скрещенных валках, вследствие большого количества факторов, характеризующих данный процесс и соответственно высокого уровня материальных затрат, необходимых для реализации исследований, проблематично. Чтобы преодолеть указанные затруднения в работе предложено объединение двух рассматриваемых этапов исследований в одном многофакторном эксперименте. Варьируемыми факторами первого типа данного эксперимента являются девять величин, обобщенно характеризующих режим деформирования высоких полос в скрещенных валках. В свою очередь, конкретизация условий прокатки, соответствующих плану многофакторного эксперимента, кроме обеспечения возможности их однозначного воспроизведения, обеспечивает определение варьируемых факторов второго типа - геометрических факторов очага деформации для всего перечня проходов каждого опытного режима обжатий, что обеспечивает возможность получения представительной выборки сочетаний геометрических факторов, представляющих основные варианты конфигурации очага деформации, в пределах рассматриваемого процесса без необходимости проведения дополнительного эксперимента.

С целью изучения особенностей формирования качества высоких полос в процессе их продольной прокатки в скрещенных валках при различных режимах обжатий рассматривали следующие группы показателей: представляющие конфигурацию поперечного сечения

профиля; характеризующие интенсивность проработки осевой зоны металла; отображающие качество поверхности проката.

При этом рассматривали закономерности изменения следующих показателей; К; -среднего относительного уширения металла; Уг ^_ относительной неравномерности распределения уширения металла по высоте раската; Г - интенсивности логарифмических деформаций сдвига в осевой зоне раската; показателя F, характеризующего качество поверхности раскатов в целом за режим деформирования, значения которого получаем в результате экспертной оценки состояния их поверхности после прокатки, а также показателя устойчивого протекания процесса -

Характер пластического формоизменения металла в данной работе оценивали как по величине среднего относительного уширения раската, так и по степени неравномерности его уширения по высоте раската, которые могут быть определены в следующим виде:

_{* = Lif- о)}

и ,.i Д,

(2)

1 "

Д.,

и м

где: я - количество измерений уширения металла по высоте раската; В„, - ширина раската в /-том проходе до деформации; ЛЬ,-(Вц-В₀і) - среднее абсолютное уширение /-ом проходе; В и - ширина раската в і-ом проходе после деформации.

При определении степени проработки внутренних слоев прокатываемого металла, отображающей интенсивность дробления дендритов, карбидных сеток, избыточных фаз, матрицы многофазных сплавов, ледебуридных эвтектик, зерен и других структурных составляющих в качестве её характеристики предпочтительно использование показателя деформированного состояния - интенсивности логарифмической деформации сдвига в осевой зоне раската Г.

Учитывая экспериментальный характер исследования и тот факт, что используемые при исследовании образцы не имели выделенных в их объеме точек-свидетелей, а значит возможность определения деформационных характеристик по искажению расстояний между точками в ходе деформирования отсутствовала, значения показателя Г определяли

косвенным путём. При этом исходили из наличия взаимосвязи характера изменения его величины и трансформации профиля боковых граней прокатываемых высоких полос.

В данной работе зависимость между накопленными за проход значениями интенсивности сдвиговой деформации и показателями, характеризующими пластическое формоизменение металла (YuYi), определяли по результатам ранее проведенных исследований пластического формоизменения металла при прокатке высоких полос на гладкой бочке валков в широком диапазоне варьирования геометрических факторов очага деформации. Аппроксимация полученной взаимосвязи исследуемых показателей привела к следующему выражению:

f=0,402+0,S19Yr-0,223Y₂-24Y,Y2+0,366Y₁²+0,635Y₂²+0,07SY,²Y_T-O,UY_lY₃²

+O,O21Y,³-O,638Y2³+O,O12Yi¹Y₂+O,222Y,Y2³-O,3O3Y/-0,136Y2''-O,221Y,²Y2-

0,081Y^Y2+0,70SY2Y,-0,2S4Y,⁵+0,S22Y₂^S-4),388Y,⁵Y2-0,201Y,Y₂^S

+0,503Yi⁶-O,269Y₂⁶ (3)

при среднем квадратическом отклонении исходных и аппроксимированных данных, составляющем 0,24, и коэффициенте их корреляции, равном 0,779. Установлено, что гипотеза о согласованности изменения рассматриваемых показателей не отвергается с вероятностью 99,9 %. Выражение получено в следующих интервалах варьирования У; и Y?. 1,32%>Yi>21.77%; 0,15%>Y2>3,9%, которые при аппроксимации нормировали в пределах от 0до1.

Высокая достоверность отображения полученной зависимостью значений интенсивности логарифмической деформации сдвига осевой зоны прокатываемого металла от искажения формы боковых граней раскатов обуславливает возможность ее использования для прогнозирования величины проработки внутренних слоев металла Г при известных К; и У2 Для рассматриваемого случая.

При продольной прокатке высоких полос в скрещенных валках поперечное сечение полосы отклоняется от прямоугольной формы и поэтому необходимо рассматривать показатель, характеризующий вероятность устойчивого протекания процесса. Вероятность устойчивого протекания процесса прокатки в скрещенных валках оценивали по отсутствию сваливания или скручивания раската. Для получения информации о прогнозировании устойчивого или неустойчивого протекания процесса прокатки при варьировании факторов привлекли аппарат дискриминантного анализа. В этом случае предполагается построение в

пределах исследуемой области факторного пространства многомерной поверхности, разделяющий зоны факторного пространства, в одной из которых действие факторов обуславливает устойчивое протекание процесса прокатки, а в другой - неустойчивое протекание процесса прокатки высоких полос в скрещенных валках. Применение процедур дискриминантного анализа предполагает предварительное разделение выборки данных на две части со следующими значениями исследуемого показателя:

^,=Пі/(Пі + П2) $3=-П2/(ПІ+Пд (4)

где: пі - количество опытов с устойчивым протеканием процесса прокатки; п₂ - количество опытов со сваливанием или скручиванием раската.

Интегральную оценку качества поверхности раскатов проводили путём экспертного описания её конечного состояния с указанием степени поражённое граней раскатов дефектами деформационного происхождения и характера расположения дефектов. Для преобразования описательной оценки качества в численный вид использовали ранее разработанную процедуру¹, получая значения функции отклика для каждого образца в пределах шкалы, нормированной на единичном отрезке. При этом наилучшее состояние поверхности прокатанных полос, характеризующееся отсутствуем дефектообразования соответствовало оценке 1.0, а наихудшее, характеризующееся наличием глубоких дефектов по всем гранам, - 0.0. Обработка полученной численной информации и представление её в графическом виде позволили определить сочетания факторов эксперимента, которые обеспечивают минимизацию поверхностного дефектообразования прокатываемого металла.

Температурный режим прокатки зависит от температуры нагрева или начальной температуры раската. Можно считать, что уменьшение температуры проката происходит в основном за счёт лучеиспускания, а повышение температуры за счёт энергии пластического формоизменения. Выделяемое в процессе пластического деформирования тепло компенсируется теплоотдачей валкам и проводкам. С учетом принятых допущений в работе представлен способ определения температур в поперечном сечении прокатываемых высоких полос, основанный иа развитии аналитического подхода, предложенного Н.Х. Рименем и А.Б. Куликом.

В данной работе предложена методика определения технологических и энергосиловых параметров при процессе продольной прокатки высоких полос в скрещенных

валках. При этом как один из важных энергосиловьгх показателей процесса продольной прокатки высоких полос выделяли среднее контактное давление.

В исследовании сложных технологических процессов, в том числе и процесса продольной прокатки, одним из наиболее перспективных подходов является использование принципов планирования эксперимента, ускоряющего исследования, способствующего повышению надёжности получаемых результатов и обеспечивающего определение оптимальных условий его протекания. В данной работе изучение пластического формоизменения металла при продольной прокатке высоких полос в скрещенных валках, а также формирования качества металла при различных режимах обжатий осуществляли с использованием теории планирования эксперимента. Это позволило максимально сократить необходимое количество опытов. Кроме этого при планировании эксперимента добивались обеспечения: близости плана эксперимента к насыщенному (близости числа опытов к числу неизвестных коэффициентов аппроксимирующей полиномиальной модели), это требование обусловлено существенными затратами на подготовку и проведение эксперимента; использования таких планов и модели, аппроксимирующей экспериментальную информацию, которые обеспечат возможность оценки адекватности результатов и будут способствовать при заданном объёме эксперимента получению максимального количества информации; композиционности, т.е. возможности использования результатов частных, в том числе ранее реализованных экспериментов, при построении более сложных моделей; обеспечения и получения независимых оценок коэффициентов математической модели; минимальности значений коэффициентов парной корреляции между варьируемыми факторами и смешанными эффектами факторов. На основании перечисленных условий для практической реализации выбран неортогональный план типа З⁹ с числом опытов 27. Этот план предусматривает варьирование всех девяти факторов на трёх уровнях, что удовлетворяет необходимости отображения нелинейного влияния факторов на исследуемые показатели.

' разработана Г.К. Тютюшевым.

При проведении эксперимента по заданному плацу был принят степень скрещивания валков с углами в диапазоне от -2.5 до +2.5 градусов (от исходного их параллельного положения). Для этого на лабораторном стане применяли следующую схему: верхний валок фиксировали в своем исходном положении; нижний валок разворачивали относительно вертикальной оси, проходящей через геометрический центр клети на угол, равный двойному значению от требуемого угла, при этом прокатываемый образец также поворачивается в ту же сторону (по часовой или против хода часовой стрелки) на заданный угол. Необходимость скрещивания валков предусматривала изготовление нижнего валка с уменьшенной шейкой и комплекта пластин-прокладок, имеющих в сечении трапецию, а также нижние подушки под диаметр шейки валка. Изменение диаметра шейки валка обусловлено необходимостью разворота валка на требуемый угол и установкой между подушками и станиной клети фиксирующих разворот валка прокладок.

Прокатку образцов из модельного свинцово-сурьмянистого сплава 97,5 % РЬ+2.5 % Sb осуществляли на двухвалковом лабораторном стане 140 с учетом физического подобия модельньк и натурных условий прокатки высоких полос. Все образцы измеряли перед прокаткой и после обжатия в каждом проходе. С боковых граней образцов после каждого прохода снимали пластилиновые слепки для дальнейшего анализа изменения профиля поверхности.

Установление в рамках планируемого эксперимента абсолютных значений факторов дало возможность определить не только режимы обжатий высоких полос для каждого из опытов, но и изменение углов скрещивания валков, а также частоту чередования углов скрещивания разного знака.

В целом для используемого плана совокупность 27 сочетаний обобщенных геометрических факторов условий прокатки приводит к 523 сочетаниям геометрических факторов очага деформации. В пределах данной выборки варьирование геометрических факторов очага деформации обеспечивается в области их значений, характерных для различных технологий продольной прокатки высоких полос: 0.35>>0.01; 0A6>fli/D>0A9; 0.85>В/Н>1.69; -0.23>4/V%>0; -0.21>4//Д,>0. Однако использование всех полученных сочетаний геометрических факторов очага деформации при анализе характера их влияния на исследуемые показатели процесса продольной прокатки нецелесообразно, вследствие их существенной закоррелировашюсти. Максимальный коэффициент корреляции для полученной выборки значений геометрических факторов составил 0.68, а средний - 0.42.

Наличие взаимосвязанного варьирования выделенных факторов очага деформации при их исследовании в качестве независимых величин обуславливает устранение отмеченной закоррелированности. Направленный отсев с этой целью ряда сочетаний геометрических факторов очага деформации, соответствующих их значениям в отдельных проходах режима деформирования, привел к получению представительной подвыборки, состоящей из 268 групп значений факторов без существенного уменьшения интервалов варьирования каждого из них. Максимальный коэффициент корреляции для полученной подвыборки значений факторов составил 0.28, а средний - 0.12.

Математическая обработка результатов эксперимента позволила получить совокупность полиномиальных зависимостей, адекватно отображающих взаимосвязанное нелинейное воздействие факторов обоих типов, рассмотренных в работе, на каждый из основных показателей качества металла.

Аппроксимирующие зависимости для каждого исследуемого показателя качества строили на основе метода наименьших квадратов в виде:

F = ±ari\X7 (5)

1.1 /-1

где: F - исследуемый показатель; г - количество коэффициентов в регрессионной зависимости; a_t - численное значение 1-го коэффициента; л - количество варьируемых факторов режима обжатий деформирования; *, -у-й варьируемый фактор; m,j - показатель степени в /-ом члене полинома при/-ом факторе.

Результаты полиномиальной аппроксимации основных показателей качества высоких полос, прокатываемых в скрещенных валках, в зависимости от геометрических факторов очага деформации показывают, что максимальный коэффициент корреляции аппроксимированных и экспериментальных значений показателей качества составил 0.84, а средний - 0.72, при максимальном среднеквадратическом отклонении аппроксимированных значений показателя от экспериментальных 1.54, а среднем - 0.98, а в зависимости от факторов режима деформирования максимальный коэффициент корреляции аппроксимированных и экспериментальных значений показателей качества составил 0.84, а средний - 0.72, при максимальном среднеквадратическом отклонении аппроксимированных значений показателя от экспериментальных 0.27, а среднем - 0.22.

Необходимость определения рациональных условий реализации процесса продольной прокатки высоких полос в скрещенных валках обусловливает анализ закономерностей изменения основных его показателей. Обоснование перечня технологических факторов и основных показателей процесса продольной прокатки в скрещенных валках, приведенное в работе, обеспечивает поэтапное его исследование. При этом появляются предпосылки для последовательного рассмотрения влияния на основные показатели качества как факторов, характеризирующих режим деформирования обобщенно, так и геометрию очага деформации в каждом его проходе по отдельности. С целью выявления особенностей нового процесса прокатки высоких полос в скрещенных валках целесообразно сопоставить основные результаты, полученные этим способом, с результатами, полученными при прокатке на гладкой бочке параллельно расположенных валков.

Анализ графического представления результативных показателей качества высоких полос, прокатываемых в скрещенных валках, позволяет установить основные закономерности их изменения при попарном варьировании различных факторов в пределах их интервалов и постоянстве на среднем уровне остальных, а также определить влияние отдельных геометрических факторов очага деформации и режима деформирования.

Интенсивность и неравномерность уширения металла (У;, Уз) за один проход изменяются под действием исследуемых геометрических факторов почти в два раза. Увеличение угла скрещивания валков fi вне зависимости от знака скрещивания повышает значения среднего относительного уширения и неравномерности уширмшя металла по высоте раската.

Графическое представление, результатов аппроксимации позволило проанализировать влияние всех варьируемых геометрических факторов очага деформации на величину показателя Г при прокатке высоких полос в скрещенных валках. Анализ показывает, что наибольшее влияние на величину показателя Г оказывают угол скрещивания валков и относительное обжатие и менее существенно влияют факторы, характеризующие относительную высоту (HJD) и ширину (BJHo) раската. Углы скрещивания валков вне зависимости от знака скрещивания значительно повышают интенсивность проработки металла в осевой зоне. При увеличении абсолютных значений угла скрещивания валков от 0 до 2.5 величина рассматриваемого показателя увеличивается

по сравнению с прокаткой в параллельно расположенных валках. Анализ графического отображения полиномиального выражения, аппроксимирующего влияние факторов режима деформирования на величину интенсивности проработки внутренних слоев металла, показал, что значения абсолютных обжатий и углов скрещивания валков на различных стадиях режима прокатки, также оказывают определенное воздействие на степень его изменения. Действие эффекта скрещивания валков на увеличение рассматриваемого показателя в наибольшей степени проявляется на начальной и средней стадиях прокатки высоких полос. При углах скрещивания, равных ±2.5, и значениях других зафиксированных на среднем для условий эксперимента уровне величина рассматриваемого показателя в сравнении с прокаткой в параллельных валках повышается за режим, максимум, на 0.7 - 0.9. С другой стороны, скрещивание валков на конечной стадии режима деформирования влияет на рассматриваемый показатель незначительно по сравнению с остальными факторами, характеризующими перекос валков. При углах скрещивании валков на этой стадии от 0" до ±2.5 и при обжатии Ah/pi]=0.4 значения величины рассматриваемого показателя возрастают на 0.2-0.4 (рис. 1).

В целом, результаты показывают, что процесс прокатки в скрещенных валках может обеспечивать значимое повышение проработки внутренних слоев металла, что делает возможным дополнительное улучшение качества прокатываемых высоких полос.

Для факторов, отображающих различные стадии режима деформирования, наилучшими значениями с позиций качества поверхности раската являются максимальные обжатия на начальном и конечной стадии режима деформирования и средние обжатия на средней его стадии вне зависимости от значений углов скрещивания валков. Величина углов скрещивания валков оказывает на состояние поверхности прокатываемого металла наибольшее влияние среди всех факторов эксперимента. При прокатке в скрещенных валках на всех стадиях режима деформирования вне зависимости от знака скрещивания качество поверхности прокатанного металла улучшается по сравнению с прокаткой высоких полос в параллельно расположенных валках (рис. 2). Максимальные значения показателя, соответствующие уменьшению степени поражённости поверхности раскатов, достигаются при варьирования величины обжатия и угла скрещивания валков в средней стадии режима деформирования.

Показано, что с позиций снижения степени поверхностного дефектообразования металла важным является также учет частоты чередования направления прокатки раскатов. При этом целесообразно использовать или изменение направления задания раската в валки

0.20

Ah/[h]

0.80

0.20

Ah/[h]

0.80

1.30-

1.20

1.10-

м і.оо

0.90-

0.80

0.70

0.20

Ah/[h]

0.80

-2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00

Рнач. Т^ЗД-

Рис. 1. Влияние факторов режима деформирования на суммарную логарифмическую интенсивность сдвиговой деформации в осевой зоне прокатываемых высоких полос

2.00-

Э 1.00-

с 0.00-

-1.00-

-2.00-^

0.80

0.40

0.20

0.60

Ah/[h]

0.20

ДЬ/th]

0.80

*4 1.00-

0.9(ьД-лЛ

9« - '

0.7»Щ

0.80

0.20

0.40

0.60 Ah/[h]

-2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00 В град.

Рис. 2. Влияние факторов режима деформирования на экспертный

показатель качества поверхности прокатываемых высоких полос

после каждого прохода или обеспечивать условия деформирования, близкого к однонаправленной прокатке. Значимость влияния этого фактора на состояние поверхности раската следует из особенностей структуры исходных слитков, имеющей транскристаллитное строение.

Результаты исследований характеризуют возможность эффективного управления качеством раската при прокатке высоких полос в скрещенных валках, что дает возможность создания эффективных по показателям интенсивности проработки внутренних слоев металла и качеству поверхности раскатов режимов деформирования с учетом углов скрещивания валков для повышения выхода годного металлопродукции.

Использование процедуры дискриминантного анализа с учетом выражения (4) для данного эксперимента привело к соотношению И|=12, nf=\ 5, таким образом, / = 0,444; & = -0,556. Учитывая принимаемое нейтральное значение показателя устойчивости протекания процесса прокатки, равное, в данном случае нулю, достаточно легко определить степень влияния варьируемых факторов, обобщенно характеризующих режим деформирования, на предотвращение сваливания и скручивания высоких полос при прокатке в скрещенных валках, по графическому отображению результатов эксперимента. Получено, что в наибольшей степени (41% от общего воздействия) на рассматриваемый показатель оказывают влияние факторы, обобщенно характеризующие углы скрещивания валков и соотношения между углами скрещивания в соседних проходах (соседних клетях). Максимальная устойчивость раската наблюдается при прокатке в параллельных валках. Скрещивание валков на начальном этапе режима обжатий снижает устойчивость протекания процесса прокатки высоких полос и даже для среднего уровня других факторов может приводить к вариантам, близким к потере устойчивости. Прокатка в скрещенных валках на средней и конечной стадии режима деформирования, наоборот, несколько повышает устойчивость раската, что вызвано, видимо, уменьшением его высоты и изменением характера бочкообразования его боковых граней.

Изменение направленности прокатки также значимо влияет на устойчивость протекания процесса продольной прокатки высоких полос. При варьировании фактора J можно определить, что чередование клетей через один и два прохода приводит к увеличению значений величины рассматриваемого показателя. Изменение направления прокатки высоких полос в скрещенных валках через три прохода приводит к снижению устойчивости протекания процесса. Поэтому чтобы не снижать устойчивость протекания процесса высоких

полос, целесообразно использовать изменение направление прокатки через один или через два прохода.

В целом, полученные результаты позволяют осуществить рациональный выбор факторов, как обобщенно характеризующих режим деформирования, так и конфигурацию очага деформации в скрещенных валках, в каждом конкретном проходе что делает возможным системное улучшение качества прокатываемых высоких полос.

Одним из основных способов совершенствования процесса продольной прокатки высоких полос является оптимизация и рационализация отдельных элементов технологии. С целью оптимизации процесса продольной прокатки высоких полос в скрещенных валках решили задачи по созданию подхода к определению основных показателей качества металлопродукции при заданном режиме прокатки и однозначного воспроизведения условий прокатки высоких полос в скрещенных валках для широкого перечня режимов прокатки.

Известно, что исходя из необходимости повышения эффективности процесса прокатки и расширения профильного и марочного сортамента выпускаемой металлопродукции в рыночных условиях на ряде заготовочных и сортовых станах осуществляется переход от схемы деформирования в ящичных и вытяжных калибрах к схеме деформирования в валках с гладкой бочкой. Например, в условиях работы черновой группы клетей непрерывно-заготовочного стана 850/730/580 АО «Западно-Сибирский металлургический комбината» такой подход в настоящее время, во многом, реализован. Применение прокатки в валках с гладкой бочкой имеет определенные преимущества по сравнению с прокаткой в калиброванных валках: упрощается переход профиля на профиль; повышается использование рабочей поверхности валка; уменьшается износ валков и др.

Вместе с тем при этом наблюдается ухудшение ряда показателей качества металла, что обуславливает рассмотрение возможных путей предотвращения снижения качества металлопродукции в рамках использование калибровки типа «гладкая бочка-гладкая бочка».

Применение способа прокатки высоких полос в скрещенных валках, как показывают результаты настоящей работы, представляет новые возможности улучшения качества металла. Эти результаты могут создавать предпосылки для разработки новых технических решений, предполагающих более совершенные технологии производства высоких полос по сравнению с действующими технологиями.

На практике эффективность технологии прокатки высоких полос характеризуется, наряду с основными показателями качества металлопродукции, производительностью (циклом прокатки), энергосиловыми показателями и др. Оптимизация режимов деформирования высоких полос достигается за счёт улучшения значений либо всех основных показателей, либо улучшением одіюго показателя без ухудшения уровня остальных. Для условий работы действующих сортовых и заготовочных станов повышение эффективности технологии прокатки заготовок возможно за счёт реализации второго варианта.

Условия работы сортовых и заготовочных станов характеризуются необходимостью одновременного учета целого ряда показателей (частных критериев). Для этих станов определяющими критериями работы выбирали максимальные момент и усилие прокатки Кі и К2, а также показатели качества металлопродукции, в том числе интенсивность проработки структуры в осевой зоне Кз, вероятность поверхностного дефектообразования /О, вероятность устойчивого протекания процесса Ks Эти частные критерии имеют различную размерность, не всегда проводимы к универсальному показателю, поэтому их сравнение для различных станов затруднено. Использование обобщешюго критерия позволяет существенно упростить анализ различных вариантов технологического процесса. В теории принятия решений при анализе неопределенных ешуаций нашли распространение подходы по объединению основных частных критериев в одну общую оценку.

Установлено, что усилия и момент прокатки для различных режимов деформирования не являются лимитирующими факторами и в данном исследовании их использовали в качестве ограничений, поэтому в дальнейшем их рассматривали только на стадиях проверки получаемых режимов обжатий, имеющих различные углы скрещивания валков. Определение эффективных условий прокатки с учетом одновременно всех основных показателей процесса приводит к необходимости введения обобщенного критерия, который можно записать следующим выражением:

Y[=W_lmaxm\n(K_l) + W₁'^K, (6)

где Ki-частные критерии.

Получено, что эффективность условий прокатки высоких полос наиболее реалистично отображается в данном случае при №^=0.70 и Wfd.XO. Для клетей черновой группы непрерывно-заготовочного стана за исключением клетей с вертикально расположенными валками и последней чистовой клети выбирали режимов деформирования при прокатке высоких полос в скрещенных валках используя факторы, характеризующие углы скрещивания валков. Углы скрещивания между валками меняются от 0 до ±2.5. Полный перебор углов от -2.5 до +2.5 с шагом 0.5 провели для пяти клетей НЗС ЗСМК на 11 уровнях варьирования. При варьировании углов получили 37853 вариантов схем деформирования прокатки высоких полос в скрещенных валках.

Исходя из вида обобщенного критерия (6) для выявленного первого слагаемого определили максимальные значения среди всех частных его составляющих. При этом учитывая структуру первого слагаемого выражения (6), в данной работе использовали следующий принцип: чем меньшие значения принимают максимальные из тройки частных критериев тем предпочтительнее режим прокатки. Второй часть обобщенного критерия (6) представляет арифметическую сумму частных критериев.

По результатам сравнения значений обобщенного критерия П для всех полученных вариантов схем деформирования высоких полос в скрещенных валках выбран оптимальный вариант скрещивания валков для черновой группы клетей на непрерывно-заготовочном стане 850/730/580 АО ЗСМК. Валки первой и шестой клети скрещиваются под углом /2=2.5, валки второй и четвертой клети под углом /Н).5, а валки третьего клети целесообразно скрещивать под углом Р=1.5. Проверка энергосиловых параметров показывает, что скрещивание валков по предложенной схеме приведет к небольшому повышению усилия и момента прокатки, но эти нагрузки не превысят пределов прочностных возможностей оборудования на рассматриваемом непрерывно-заготовочном стане.

Таким образом, сформированы массивы значений углов скрещивания валков и частных критериев (показателей качества) процесса прокатки высоких полос в скрещенных валках для условий непрерывно-заготовочного стана. Это позволило оценивать эффективность режимов деформирования прокатки в скрещенных валках и изменений, вносимых в технологический процесс и конструкцию механического оборудования стана.

На основе полученных результатов разработаны технические предложения по совершенствованию технологического процесса прокатки высоких полос в условиях работы НЗС 850/730/580 ЗСМК. Технические предложения переданы Западно-Сибирскому металлургическому комбинату для использования в черновой группе клетей НЗС 850/730/580, при производстве квадратной заготовки 80 мм, 100 мм, и 150 мм из углеродистых и легированных сталей для достижения интенсивной проработки внутренних зон проката, улучшения качества поверхности заготовок и их устойчивости при деформировании; уменьшения износа валков, снижения затратна их профилировку.

1. Впервые в лабораторных условиях при соблюдении геометрического и физического подобия промышленным условиям производства проката и с применением методов математического планирования было спланировано и проведено экспериментальное исследование процесса прокатки высоких полос в скрещенных валках. С учетом особенностей нового процесса прокатки были обоснованы факторы, описывающие основные типы различных режимов деформирования, характеризующие уровень частных обжатий и их изменение по проходам, значения углов скрещивания валков в каждом проходе и их изменение по проходам, а также суммарную степень обжатия металла за режим.

2. Для определения эффективности процесса продольной прокатки высоких полос в скрещенных валках предложена методика исследования, обеспечивающая определение многомерного влияния геометрических факторов на основные показатели качества металла при минимальных трудозатратах. Показано, что закономерности изменения показателей процесса целесообразно определять с учетом взаимосвязи геометрических факторов очага деформации с факторами, обобщенно характеризующими режимы обжатий, за счёт объединения различных этапов исследований в рамках одного эксперимента.

3. Предложены методики определения основных показателей качества высоких полос, прокатываемых в скрещенных валках. Основными показателями качества являются: интенсивность проработки внутренних слоев металла, степень его поверхностного дефектообразования и вероятность устойчивого протекания процесса. Математическая обработка результатов эксперимента позволила получить совокупность математических моделей, адекватно отображающих взаимосвязанное нелинейное воздействие

геометрических факторов, рассмотренных в работе, на каждый из перечисленных показателей качества металла. Разработана методика определения технологических и энергосиловых параметров процесса прокатки высоких полос в скрещенных валках с учетом выявленных закономерностей.

4. Установлено, что факторы, характеризующие изменение углов скрещивания валков в режиме обжатий, существенно влияют на степень изменения величины суммарной логарифмической интенсивности сдвиговой деформации в осевой зоне раската. Показано, что процесс прокатки высоких полос в скрещенных валках повышает интенсивность проработки внутренних слоев металла на величину до 20-30 % по сравнению с их прокаткой в параллельно расположенных валках.

5. Результаты исследований характеризуют возможность эффективного управления качеством поверхности раската при варьирования факторов, характеризующих углы скрещивания валков. Установлено, что степень пораженности поверхности высоких полос, прокатываемых в скрещенных валках, ниже по сравнению с прокаткой их в параллельно расположенных валках.

6. В наибольшей степени на показатель устойчивости протекания процесса оказывают влияние факторы, обобщенно характеризующие углы скрещивания валков и соотношения между углами скрещивания в соседних проходах. Выявлено, что устойчивость протекания процесса прокатки высоких полос в скрещенных валках в начальной стадии режима деформирования незначительно снижается, а при варьировании факторов на средней и конечной стадии режима прокатки вероятность устойчивого протекания процесса увеличивается.

7. С использованием принципов теории принятия решений осуществлена обобщенная оценка эффективности работы непрерывно-заготовочного стана 850/730/580, учитывающая реальные условия работы конкретного стана и позволяющая оперативно оценивать изменения, вносимые в технологический процесс прокатки. Выбран оптимальный режим скрещивания валков при деформировании высоких полос, который, улучшая показатель проработку внутренних слоев заготовок и качество их поверхности, не ухудшает остальных показателей процесса.

8. Технические предложения, предусматривающие прокатку со скрещенными валками с гладкой бочкой в черновой группе клетей с горизонтально расположенными валками, переданы ЗСМК для использования на НЗС 850/730/580 при производстве квадратной заготовки 80 мм, 100 мм, и 150 мм из углеродистых и легированных сталей для достижения

высокой проработки внутренних зон проката, улучшения качества поверхности заготовок и их устойчивости при деформировании, уменьшения износа валков, снижения затрат на их профилировку.