Введение к работе
Актуальность работы. Одной из приоритетных задач, стоящих перед черной металлургией, является повышение эффективности производства за счет разработки и внедрения новых технологий. В системе рыночных отношений большое значение уделяется вопросам снижения материальных и энергетических затрат, повышению технологической гибкости, улучшению качества готовой продукции и расширению сортамента, что в конечном счете повышает конкурентоспособность производителя на внутреннем и внешнем рынках. Наиболее эффективным способом прокатки арматурных профилей стали, который позволяет уменьшить энергетические затраты и повысить производительность прокатного стана является процесс прокатки-разделения.
Решение этой задачи требует проведения больших экспериментальных исследований, что связано со значительными финансовыми и материальными затратами. Поэтому создание методик, математических и компьютерных моделей для оптимизации режимов деформирования, расчетов технологических параметров, а также разработка комплекса технических и технологических решений для управления, совершенствования и расширения методов ОМД являются своевременными и актуальными.
Работа выполнена в соответствии с Государственной программой “Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу” от 30 марта 2002 г. и перечнем “критических технологий Российской Федерации”, раздел “Компьютерное моделирование”, Федеральной целевой программой “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 гг.” от 6 июля 2006 г., разделы “Технологии производства программного обеспечения”, “Технологии создания и обработки кристаллических материалов”, Федеральной целевой ой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (Соглашение №14.B37.21.0071), а также согласно планам госбюджетных и хоздоговорных работ ФГБОУ ВПО “Сибирский государственный индустриальный университет.”
Цель диссертационной работы. Разработка научно – обоснованных технологических решений по оптимизации процессов прокатки-разделения, направленных на повышение производительности и экономию материально-энергетических ресурсов при производстве арматурных периодических профилей.
Задачи исследования.
1. Провести компьютерное моделирование формоизменения и напряженно-деформированного состояния при прокатки-разделении, определить оптимальный способ разделения в зависимости от технических ресурсов мелкосортных станов.
2. Определить оптимальную геометрическую форму разделительных калибров при многоручьевой прокатке-разделении. Выявить закономерности течения металла в таких калибрах. На основе полученных моделей разработать методику расчета калибровок валков для прокатки-разделения арматурных профилей на мелкосортных станах.
3. Спроектировать по разработанной методике калибровки валков для прокатки-разделения арматурной стали характерных размеров на мелкосортных станах.
4. Внедрить разработанные оптимальные технологические режимы прокатки арматурных профилей № 10 и № 12 на мелкосортно-проволочном стане 320/150 ОАО «Амурметалл» и мелкосортном стане 250-1 ОАО «ЕВРАЗ-ЗСМК».
Методы исследований. При исследованиях использовалась теория подобия и методы моделирования процессов ОМД, методы компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния, современные компьютерные технологии исследования и мониторинга промышленных процессов.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждаются большим объемом экспериментального материала, полученного в лабораторных и промышленных условиях с применением современных методик, корректным использованием современных математических методов; согласованным сравнительным анализом аналитических и экспериментальных результатов и зависимостей; адекватностью разработанных математических и компьютерных моделей; применением современных методов статистической обработки результатов; сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей; эффективностью предложенных технических и технологических решений, подтвержденных результатами промышленных испытаний и внедрением в производство. Достоверность и новизна технических решений подтверждена патентом на изобретение.
Научная новизна.
-
Разработана математическая модель силовых условий при прокатке в разделительном калибре. Проанализированы силовые условия деформирования сдвоенного раската квадратного и круглого сечения. Приведены условия разделения металла по перемычке при прокатке с заполненным или незаполненным калибром.
-
Разработана методика компьютерного моделирования прокатки металла в разделительном калибре, изучено формоизменение металла при продольном разделении сдвоенных раскатов квадратного и круглого сечения, установлены оптимальные размеры перемычки при прокатке в разделительном калибре.
-
Получены новые результаты напряженно-деформированного состояния металла в перемычке при прокатке в разделительном калибре. Установлено, что металл в перемычке разделительного калибра испытывает напряжение всестороннего сжатия, при прокатке с незаполненным калибром наблюдается большая неравномерность сжимающих напряжений.
-
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета калибровки при прокатке с продольным разделением металла. Научно обоснованы условия и определены технологические параметры прокатки-разделения в двухручьевом разделительном калибре.
Практическая значимость.
- разработана методика проектирования калибровки при осуществлении технологических процессов прокатки-разделения.
- разработаны калибровки валков и технологические режимы прокатки-разделения арматурных профилей №10 и №12 по способу контролируемого разрыва в валках, которые позволили вывести из процесса формирования профиля три прокатных клети, увеличить производительность стана на 55,4 % и сократить расход электроэнергии на 30 % на ОАО «Амурметалл».
- разработаны калибровки валков и технологические режимы прокатки-разделения арматурных профилей №8, №10, №12 и №14 при использовании неприводного делительного инструмента, установлены предельные значения коэффициента вытяжки и допустимые значения толщины и ширины перемычки в разделительном калибре, что позволило вывести из процесса формирования профилей две прокатных клети, увеличить производительность стана на 31 % и сократить расход электроэнергии на 23 % и получить экономию топлива на 1,5 2 % на ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК».
- разработанные калибровки валков и технологические режимы прокатки-разделения могут быть использованы на существующих и вновь проектируемых мелкосортных станах.
Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследования, анализе литературных данных, в выполнении экспериментальных и промышленных исследований формоизменения металла в калибрах, статистической обработке и анализе полученных результатов, внедрении новых технологий в производство.
Реализация результатов.
- внедрение разработанной технологии прокатки-разделения контролируемого разрыва в валках на мелкосортно-проволочном стане 320/150 ОАО «Амурметалл» при прокатке арматурных профилей № 10 и № 12 позволило увеличить часовую производительность прокатного стана и снизить условно-постоянные расходы по переделу. Годовой экономический эффект в ценах 2010 г. составил 50,205 млн. рублей, с долевой частью автора 10,4 млн. руб.
- внедрение технологии прокатки разделения неприводным инструментом в условиях непрерывного мелкосортного стана 250-1 сортопрокатного цеха ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» позволило при прокатке арматурных профилей №10 и №12 снизить энергозатраты на 23 кВтч/т, повысить производительность стана на 31 %, снизить материальные затраты и освоить новый профиль арматурной стали №8 в прутках. Годовой экономический эффект в ценах 2010 г. составил 43,6 млн. рублей, с долевой частью автора 8,7 млн. руб.
Положения, выносимые на защиту.
-
Математические модели силовых условий прокатки в разделительном калибре при полном и неполном заполнении калибра.
-
Методика компьютерного моделирования прокатки металла в разделительном калибре.
-
Результаты напряженно-деформированного состояния в перемычке при прокатке металла в разделительных калибрах квадратной и круглой формы при полном и неполном заполнении калибра.
-
Результаты экспериментальных исследований технологии прокатки-разделения в разделительном калибре для раската различного поперечного сечения с полным и неполным заполнением калибра.
-
Новые технические и технологические решения усовершенствования технологии прокатки с продольным разделением металла, контролируемым разделением в валках и с помощью неприводного делительного инструмента.
Соответствие диссертации паспорту специальности
Диссертация соответствует паспорту специальности 05.16.05 – Обработка металлов давлением, п. 2 «Исследование процессов пластической деформации металлов, сплавов и композитов с помощью методов физического и математического моделирования», п. 4 «Оптимизация процессов и технологий обработки давлением для производства металлопродукции с заданными характеристиками качества», п. 6 «Разработка способов, процессов и технологий для производства металлопродукции, обеспечивающих экологическую безопасность, экономию материальных и энергетических ресурсов, повышающих качество и расширяющих сортамент изделий».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции прокатчиков «Новые технологические процессы прокатки как средство интенсификации производства и повышения качества продукции» (Челябинск, 1989 г.); на международной научно-технической конференции «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2007 г.); на седьмом конгрессе прокатчиков (Москва, 2007 г.); на 14 - 16 Всероссийских научно-практических конференциях «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество» (Новокузнецк, 2010 – 2012 гг.).
Комплекс научных и промышленных исследований по разработке и освоению технологического процесса двухручьевой прокатки-разделения арматурной стали на ОАО «Амурметалл» отмечен серебряной медалью выставки «Металл-Экспо 2006» и золотой медалью на ХШ международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 13 печатных работах, в том числе 9 из перечня рецензируемых научных журналов, а также в одном патенте.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 109 наименований и 5 приложений, содержит 63 рисунка, 22 таблицы и изложена на 150 страницах машинописного текста.
