Введение к работе
Актуальность работы. Последние годы Россия активно реализует масштабные проекты по освоению новых нефтегазовых месторождений и транспортировке нефти и газа. Среди наиболее крупных проектов такие,
как:
«Алтай» — проектируемый газопровод между газовыми месторождениями Западной Сибири и Синыгзян-Уйгурским автономным районом на западе Китая. Планируемая протяженность — около 6700 км, из которых 2700 км пройдут по территории России. Планируемый диаметр труб — 1420 мм.
«Бованенково — Ухта» — строящийся магистральный экспортный газопровод. Проектная протяжённость — 1100 км, производительность — 140 млрд. м3 газа в год. При строительстве планируется использовать трубы диаметром 1420 мм категории прочности К65, рассчитанные на давление 11,8 Н/мм2.
«Северный поток» — газопровод между Россией и Германией, проходящий частично по дну Балтийского моря. Планируемая протяженность газопровода — около 1200 км; трубы категории прочности К56-К60 диаметром 1420 мм (давление 9,8 Н/мм2) для наземной и 1220 мм (давление 22,0 Н/мм2) для подводной части.
«Южный поток» — российско-итальяно-французский проект газопровода из Новороссийска в Италию и Австрию, проходящего через Балканский полуостров и по дну Чёрного моря.
Указанные проекты обусловливают потребность в трубах большого диаметра категорий прочности К60-К65 и соответственно необходимость обеспечения подкатом производителей газопроводных труб.
Для удовлетворения этой потребности необходима разработка эффективной технологии производства трубной заготовки указанных категорий прочности, обеспечивающей формирование заданного структурного состояния и достижение требуемого уровня механических свойств.
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является обеспечение процесса получения подката для труб большого диаметра с заданным структурным состоянием и требуемым комплексом механических свойств ресурсо- и энергосберегающей технологией, разрабатываемой на основе моделирования температурных условий контролируемой прокатки.
Для реализации указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
выбор размеров и массы слябов с учетом технологических ограничений толстолистовой прокатки;
выбор химического состава;
определение температуры нагрева под прокатку;
обеспечение равномерного нагрева сляба в печах;
математическое моделирование температурных условий процессов формоизменения в черновых и чистовых проходах и междеформационного охлаждения толстых листов;
разработка и применение модели формирования температурного состояния раската при ускоренном охлаждении;
обобщение полученных результатов и осуществление технических и технологических разработок, обеспечивающих формирование заданного структурного состояния и достижение требуемых механических свойств подката для труб большого диаметра.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.
Разработана и реализована процедура определения рациональных размеров и массы слябов, отличающаяся достижением минимального расходного коэффициента при требуемой производительности стана с обеспечением минимального превышения числа мерных листов сверх требуемого в партии.
Обоснована возможность снижения температуры нагрева слябов при прокатке трубной заготовки повышенных категорий прочности, исходя из обеспечения требуемой растворимости карбидов и нитридов микролегирующих элементов.
Установлена необходимость учета температурного градиента по толщине металла, формирующегося на входе в очаг деформации в каждом проходе, для повышения точности определения напряженно-деформированного состояния металла и энергосиловых параметров процесса толстолистовой прокатки.
Впервые на основе численного конечно-элементного моделирования напряженно-деформированного и температурного состояний в процессе контролируемой толстолистовой прокатки определены зоны максимального энерговыделения по высоте очага деформации и установлен температурный градиент по толщине раската в черновых и чистовых проходах.
Практическая значимость. На основе выполненных технических и технологических разработок создан ряд изобретений.
Алгоритм, позволяющий определять размеры и массу слябов в условиях производства, положен в основу «Способа изготовления партий горячекатаного листа» (патент РФ №2405639 на изобретение).
Способ управления нагревом металла в печах прокатных станов, обеспечивающий достижение его равномерности, защищен патентом РФ №2337293 на изобретение. Согласно указанному способу предлагается корректировать термическое состояние металла и уставки агрегатов при нагреве по измерению усилий прокатки в первых черновых проходах.
Разработана методика проведения эксперимента и последующей обработки данных для определения временных и температурных условий
-5-фазовых превращений при ускоренном охлаждении в процессе контролируемой прокатки трубных сталей. Указанная методика используется при лабораторном определении и анализе траекторий охлаждения согласно «Способу термической обработки изделий из стали и сплавов» (патент РФ №2413777 на изобретение).
Предложено снизить температуру нагрева слябов под прокатку до 1150С. В результате сокращается время повторного нагрева, расход энергоносителя и угар в печи; уменьшается толщина обезуглероженного слоя и степень вскрытия поверхностных дефектов; повышается производительность стана.
Разработана модель формирования температурного состояния раската при ускоренном охлаждении. С использованием указанной модели определены параметры режимов ламинарного охлаждения проката для производства труб большого диаметра категории прочности Х80 по АР1-5L на стане 5000 ОАО «ММК».
Реализация работы в промышленности. Процедура определения размеров и массы слябов с учетом технологических ограничений непрерывной разливки и толстолистовой прокатки реализована в виде автоматизированного рабочего места «Расчет размеров слябов» в ЛПЦ-9 ОАО «ММК» и активно используется работниками цеха и сбытовых служб для анализа поступающих заказов на стане 5000 и выдачи заданий на выплавку и разливку.
Заключен договор с ОАО «ММК» №РД0047524, зарегистрированный в ФГУ ФИПС 02.03.2009, на право использования патента РФ №2337293 на изобретение «Способ управления нагревом металла в печах
прокатных станов».
Разработанные технологические режимы прокатки листов по 1У 14-1-5574-2009 категории прочности К60 толщиной 15,7-16,8 мм приняты к использованию на стане 5000 ОАО «ММК» (акт испытаний №ГП-2672 от 26.11.2010, акт внедрения от 06.12.2010 по договору №171653 от 28 04 2009) По результатам опытно-промышленных прокаток внесены изменения (Изменение №9 от 06.12.2010) во временную технологическую инструкцию (Г) ВТИ-101-П-ГЛ0-2-2009 «Технология производства горячекатаных листов на стане 5000».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 67, 68 и 69 Межрегиональных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Магнитогорск, 2009-2011); VIII Международном конгрессе прокатчиков (Магнитогорск, 2010); XVII и XVIII Международных научно-технических конференциях «ТРУБЫ-2009» и «ТРУБЫ-2010» (Челябинск, 2009-2010); X Международной конференции по применению численных методов в промышленных процессах ОМД «NUMI-FORM 2010» (Корея, 2010); VIII Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии»
(Санкт-Петербург, 2009); VI Школе-семинаре «Фазовые и структурные превращения в сталях» (Магнитогорск, 2008).
Публикации. Результаты работы отражены в 12 публикациях, из них 9 научных статей, в т.ч. 3 статьи в рецензируемых изданиях из перечня ВАК и 3 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 123 наименований и 4 приложений; содержит 52 рисунка, 17 таблиц; изложена на 160 страницах машинописного текста.
